大型循環流化床鍋爐熱工跳閘保護設計

旋繼新，賈 杰，馬素紅，鄭 君

(1.內蒙古電力勘測設計院， 內蒙古 呼和浩特 010020；2.內蒙古國電能源發電公司電力工程技術研究院，內蒙古 呼和浩特 010080)

1 機組概況

本文以神華準能矸電二期2×330MW循環流化床機組工程設計為例，說明該工程鍋爐跳閘(Boiler Trip ,以下簡稱BT)和主燃料跳閘((Main Fuel Trip ,以下簡稱MFT)設計，以及鍋爐跳閘(BT)和主燃料跳閘(MFT)在工程設計中的應用。本期工程建設2×330MW空冷機組，配套建設東方鍋爐(集團)股份有限公司具有自主知識產權的國產300MW等級的亞臨界CFB鍋爐，兩臺凝汽式汽輪機、兩臺水氫氫發電機、兩臺離心式一次風機、兩臺離心式二次風機、三臺高壓流化風機、兩臺離心式引風機、十臺給煤機、一座石灰石粉倉及其它輔助系統和設備。機組分散控制系統(DCS)采用杭州和利時公司的MACSV系統。

2 熱工跳閘保護設計

本工程熱工保護跳閘設有主燃料跳閘(MFT)和鍋爐跳閘(BT)，在鍋爐電子設備間內設有BT跳閘繼電器柜和MFT跳閘繼電器柜。

2.1 主燃料跳閘(MFT)

主燃料跳閘(MFT)主要指鍋爐的安全運行條件不滿足，或爐內燃燒工況惡化，而發出相應指令快速切斷所有通往爐膛的燃料并引發必要的聯鎖動作，以保護鍋爐本體、其他設備和人員的安全。CFB鍋爐的MFT 不同于煤粉爐的MFT，這是因為即使切斷所有燃料輸入，CFB鍋爐內可能還存有大量未燃燼的燃料，并隨著物料循環繼續燃燒，所以對于CFB鍋爐來說，MFT 并不等同于停爐。

2.1.1 MFT的條件

主燃料跳閘(MFT)的條件邏輯如下，根據主燃料跳閘條件，只要其中任意一條件成立即應立即引起MFT，主要考慮如下：

⑴ 床溫大于990℃

床溫過高，床料有可能嚴重結焦，CFB鍋爐一旦結焦是非常難處理的，而且損失非常大。本工程在爐膛前后墻下部水冷壁上各布置有耐磨熱電偶16支，以滿足床溫的監測，鍋爐廠設計正常的床溫運行范圍為790～920℃，運行時應嚴密監視床溫，并使鍋爐運行在這一溫度范圍，床溫的高值報警點為975℃，溫度達990℃時，主燃料自動被切除(MFT)。

⑵ 總風量小于25%

總風量過低會造成燃料在爐膛內積聚，本工程一次風、二次風風量測量裝置采用熱式流量計，冗余設置，以滿足風量測量的準確性。

⑶ 床溫小于600℃

當床溫小于600℃時，如果沒有啟動油槍投入，將觸發MFT，以防止繼續向爐膛投入燃料，造成滅火。

⑷ 燃料喪失

當任意給煤機、任意床下啟動油槍、任意床上助燃油槍切斷并且床溫小于600℃時，燃料喪失標志被置位，主燃料跳閘條件成立。

⑸ 風道燃燒器連續兩次點火失敗

床下水冷風室入口方向兩側各裝有一個風道燃燒器，在每個風道燃燒器入口側裝有兩套床下啟動油槍(上下布置)，鍋爐啟動時床下啟動油槍將空預器來的一次風加熱后送入水冷風室。為了防止風道燃燒器點火失敗后，燃油在風道和風室內積聚，應該對風道吹掃一段時間后才允許再次點火。為了進一步防止誤操作，將風道燃燒器連續兩次點火失敗作為MFT 的跳閘條件之一，風道燃燒器連續兩次點火失敗定義為在兩分鐘內發生兩次床下啟動油槍點火失敗。

⑹ 煙氣含氧量低

煙氣含氧量低時在DCS系統報警，煙氣含氧量低時表明燃料在爐膛內缺氧燃燒，甚至滅火，應該立即切斷燃料，發生主燃料跳閘條件。

⑺ 爐膛壓力高高或低

爐膛壓力高1值或低1值時在DCS系統報警，爐膛壓力高2值或低2值時直接觸發MFT(不延時)，本工程還設有爐膛壓力高3值和低3值，發生條件時直接跳送風機和引風機，以保證爐膛安全。

⑻ 鍋爐跳閘(BT)

鍋爐跳閘將聯鎖導致MFT，但MFT 不聯鎖觸發鍋爐跳閘。

⑼ 汽輪機跳閘

汽輪機跳閘為保證主汽和再熱汽壓力不要過高應導致鍋爐側燃料切斷。

2.1.2 MFT聯鎖跳閘設備

⑴ 切除給煤機

⑵ 切除石灰石給料系統

⑶ 關閉油槍進油閥和回油閥

⑷ 關閉油母管快關閥

⑸ 停冷渣器

⑹ 切除布袋除塵

⑺ 切鍋爐本體風量調門為手動

⑻ 切一次風機、二次風機風量調門為手動

其中切鍋爐本體風量調門為手動主要是燃料輸入突然停止可能造成爐膛壓力波動，所以MFT時將鍋爐本體二次風量調節擋板、床下一次風量調節擋板、高壓流化風量調節擋板切為手動控制，并保持原位。

2.2 鍋爐跳閘(BT)

鍋爐跳閘是指鍋爐的安全運行條件不滿足，需要立即停爐，降低燃燒率。對于CFB鍋爐，MFT 切除燃料后并不一定能停止鍋爐內的燃燒工況，大量未燃燼的燃料會隨著物料循環持續燃燒放熱。只有切除一次風機和二次風機，停止床料流化，同時切除所有燃料才能最大程度的降低燃燒率。

2.2.1 BT的條件

根據圖三鍋爐跳閘條件，只要其中任意一條件成立即應立即引起BT，主要考慮如下：

⑴ 爐膛壓力高高或低低

爐膛壓力高高信號和低低信號分別來自爐膛出口的3個爐膛壓力測點，信號分別采用3取2冗余配置，與MFT條件不同的是延時后發生BT。

⑵ 汽包水位高高或低低

汽包水位高高信號來自3個平衡容器通過差壓變送器輸出，由DCS 程序完成汽包水位換算后得出3 個水位信號，3個水位信號取高值判定后得出3個獨立的水位高高信號，信號采用3取2冗余配置，汽包水位低低信號與高高信號相同，取自相同的信號源。

⑶ 兩臺引風機跳閘

⑷ 兩臺一次風機跳閘

⑸ 兩臺二次風機跳閘

⑹ 三臺高壓流化風機跳閘

⑺ 任意J閥總流化風量低低

根據鍋爐廠設計，每個J 閥回料器上布置有10 個充氣噴嘴，有8 個測風裝置來測量每一路高壓流化風的風量。為了判斷J 閥回料器內的回料狀態，取回料器的3個流化風室風量的總和，通過低值判斷來判定回料異常。任意J 閥回料器回料異常都會導致鍋爐跳閘。本處風量測量裝置選用了整體式文丘里噴嘴風量測量裝置。

⑻ 蒸汽阻塞

當汽輪機高壓缸或者中壓缸進氣切斷，并且高壓旁路和低壓旁路沒有打開時。如果鍋爐燃料輸入熱量>20%MCR，就延時10 秒跳閘鍋爐，如果鍋爐燃料輸入熱量<20%MCR，就延時180 秒跳閘鍋爐，此數值可根據現場實際工程情況進行設定。

⑼ 給水泵停且床溫高

床溫>600℃時，如果給水泵全跳閘，就會引發鍋爐跳閘。

⑽ DCS 電源故障

⑾ 鍋爐跳閘按鈕信號

在集控室操作臺設有鍋爐跳閘緊急停爐雙按鈕，供緊急情況下使用，保證機組和操作人員的安全。

2.2.2 BT聯鎖跳閘設備

⑴ 跳閘一次風機

⑵ 跳閘二次風機

⑶ 關閉定期排污閥

鍋爐跳閘后，隨著燃燒率的迅速下降，汽包水位擾動可能會加大，所以聯鎖關閉定期排污閥，定期排污的程控應禁止操作。

⑷ 關閉過熱器減溫噴水閥

為了防止汽機進水，應聯鎖關閉過熱器一級和二級減溫配水閥。

⑸ 關閉再熱器減溫噴水閥

為了防止汽機進水，聯鎖關閉再熱器減溫噴水閥和事故減溫噴水閥。

⑹ 跳閘吹灰系統

鍋爐跳閘后，吹灰氣源中斷，所以聯鎖跳閘吹灰程控系統。

⑺ 關閉連續排污閥

3 問題探討

在鍋爐跳閘(BT)柜和主燃料跳閘(MFT)柜設計過程中也遇見了一些問題，下面會結合上文所述及作者自身經驗對于設計鍋爐跳閘(BT)柜和主燃料跳閘(MFT)柜常見問題進行簡單探討。

3.1 鍋爐跳閘按鈕信號

通常，在煤粉爐設計中，操作臺上僅設計主燃料跳閘(MFT)按鈕，在緊急情況下供運行人員操作，而在CFB鍋爐中設計比較有爭議，如在已投運的某些電廠中在集控室操作臺上有的即設有鍋爐跳閘(BT)按鈕又設有主燃料跳閘(MFT)按鈕，在本工程中操作臺上僅設有鍋爐跳閘(BT)按鈕，設計過程中征求了該廠生產運行人員的意見，主要考慮，鍋爐跳閘將聯鎖導致MFT，但MFT 不聯鎖觸發鍋爐跳閘，僅設置鍋爐跳閘(BT)按鈕防止運行人員在緊急情況下發生誤操作現象，鍋爐的安全運行條件不滿足，需要立即停爐，降低燃燒率，通過操作臺按鈕實現，主燃料跳閘(MFT)由DCS畫面實現操作。

3.2 鍋爐跳閘是否聯跳引風機和高壓流化風機保護邏輯

本工程設計中，鍋爐跳閘聯跳一次風機和二次風機, 停止爐膛內的物料循環, 而不聯跳引風機和高壓流化風機,其中僅跳一臺引風機，目的是保持爐內的煙氣循環、使鍋爐熱負荷下降、并使其具備熱啟動條件和防止床層高溫結焦。在鍋爐本體另設有爐膛壓力高3值和低3值，爐膛壓力低3值通過壓力開關3取2獲取，具備條件觸發引風機跳閘，爐膛壓力高3值通過壓力開關3取2獲取，主要判斷MFT動作后爐膛壓力過高觸發二次風機跳閘，高壓流化風機應一直運行到回料器被冷卻到250 ℃以下停止運行。在某些工程實施中，有工程將鍋爐跳閘直接聯跳所有風機，主要考慮鍋爐跳閘后聯跳所有風機，使其鍋爐保證在原有狀態不向擴大事故方向發展，但由于CFB鍋爐的特殊性，床內堆積大量的燃料，爐內處于缺氧燃燒狀態，一氧化碳會積聚增加，也存在很大危險，而且一氧化碳過多也不易于鍋爐熱態啟動，由于300 MW級循環流化床機組在世界范圍內投運時間不長, 運行調整經驗不是很成熟, 控制邏輯還存在一些不夠合理和完善的地方，這需要我們積累經驗、深入分析, 結合機組的實際情況對機組的控制邏輯做出相應的調整和優化。

3.3 鍋爐聯跳汽輪機的判斷條件

在以往煤粉爐設計中，鍋爐跳閘即聯跳汽輪機，但300 MW級循環流化床鍋爐在爐膛和外置床內有大量的熱床料, 蓄熱量非常大, 鍋爐跳閘后在一定時間內仍能保持主汽流量和蒸汽品質，所以鍋爐跳閘后并不一定要跳汽輪機, 如果能在短時間內排除鍋爐側故障, 這期間汽輪機可以不用解列。從已投運的300 MW參考電廠的實際運行看, 因為鍋爐內大量的熱量蓄積, 運行中曾出現鍋爐跳閘后5 個多小時汽輪機仍保持并網運行, 所以, 針對300 MW級循環流化床鍋爐的特點, 如果既考慮保證機組安全, 又盡量利用CFB鍋爐的優點, 盡量減少停機, 就可給電廠減少不必要的經濟損失。因此建議增加鍋爐聯跳汽輪機的判斷條件, 如可增加：主汽溫度低于430 ℃報警、主汽溫度變化率高( 5 ℃/min)報警、主汽溫度變化率低(-5 ℃/min)報警、主汽溫度過熱度低(120 ℃)報警和主汽溫度過熱度低低(100 ℃)報警, 以便在鍋爐跳閘后主蒸汽品質不高時及時停機。根據各個電廠煤質情況、運行人員習慣，運行人員也可以根據自己電廠實際運行經驗進行設置聯跳汽輪機條件。

4 結語

隨著循環流化床鍋爐日趨大型化，鍋爐跳閘和主燃料跳閘在工程設計中的顯得尤為重要，如何滿足在鍋爐的安全運行條件不滿足情況下，安全停爐，也使大家更為關心，希望本文所述在工程實施中能為大家提供參考依據。

[1]岑可法，倪明江，等.循環流化床鍋爐理論設計與運行[M].中國電力出版社，1997.

[2]劉德昌.流化床燃燒技術的工業應用[M].北京：中國電力出版社，1999.

[3]田正渠.循環流化床燃燒技術及其在大型鍋爐機組上的應用探討[J].鍋爐技術，1993.

[4]杜朝波，劉友寬，盧勇.300MW循環流化床鍋爐控制邏輯的調整和優化[J].中國電力，2008，(2).