燃煤機組爐膛壓力越限聯跳風機方案的應用研究

趙 軍，張曉波（神華國華國際電力股份有限公司，北京 100025）

葉云云（神華浙江國華浙能發電有限公司，浙江 寧海 315612）

張 強（神華國華國際電力股份有限公司，北京 100025）

王 會（神華浙江國華浙能發電有限公司，浙江 寧海 315612）

燃煤機組爐膛壓力越限聯跳風機方案的應用研究

趙 軍，張曉波（神華國華國際電力股份有限公司，北京 100025）

葉云云（神華浙江國華浙能發電有限公司，浙江 寧海 315612）

張 強（神華國華國際電力股份有限公司，北京 100025）

王 會（神華浙江國華浙能發電有限公司，浙江 寧海 315612）

某燃煤機組因送風機調節特性差，引起送、引風機耦合振蕩，導致爐膛負壓越限，造成電除塵系統內爆。結合本次事件特征，深入研究DL/T 435《電站煤粉鍋爐爐膛防爆規程》和美國國家防火協會NFPA85《鍋爐和多燃燒器系統防爆標準》，對機組主燃料跳閘后設置爐膛壓力越限聯跳風機的重要性、聯跳風機與防煤粉爆燃的關系等進行了論證，并提出了爐膛負壓越限立即聯跳引風機方案及聯跳風機的方式等改進措施。

自動化技術；爐膛防爆；爐膛壓力；風機；聯鎖；

1 事件背景

1.1 事件過程

某廠600MW亞臨界機組在317MW負荷下運行時，發生了機組跳閘，電除塵內爆事件。該項目引風機為引增合一型式，事故前A送風機動葉開度為14.5%，B送風機動葉開度為31.6%，電流均為35A左右；兩臺引風機動葉開度為25%左右，電流為182A左右。此時機組有一小幅向下的AGC指令，爐膛負壓從-106Pa向下波動，送風機動葉開度向下動作，如圖1所示。

圖1 事故時爐膛壓力和送、引風機擋板開度

圖2 事故時的總風量和爐膛壓力

如圖2爐膛壓力和風量連續四個峰谷波動，且在此期間，A送風機三次向下調整到動葉開度為零，由此引發送、引風機耦合振蕩。運行人員退出送、引風機自動，機組退出協調控制模式，但爐膛負壓繼續下降，鍋爐爐膛壓力低Ⅱ值保護動作（動作值-2.49KPa）鍋爐MFT（主燃料跳閘）。

后檢驗爐膛負壓調節系統和風量控制系統的調節品質，結果良好。負壓造成電除塵器右墻發生內凹變形，三個電場無法投運，經檢修后投運正常。

1.2 事件的原因

事件的誘因是送、引風機耦合振蕩。事件發生后，技術人員對送、引風機的關鍵部件進行了檢查，分析了風煙系統各參數的歷史趨勢，確定造成負壓和風量耦合波動的起因是由兩方面原因引起的：一是送風機在低開度下的風量調節特性較差，二是兩臺風機在低開度下的電流平衡功能導致動葉開度偏差較大，風量特性一致性較差。

按《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》的要求，以及本項目引增合一后引風機環境溫度下的試驗臺風壓（TB點）的加深，除塵器強度壓力設計值考慮不足，是造成電除塵損壞的重要原因。

檢查風煙系統保護邏輯發現，機組未設置爐膛壓力越限聯跳風機的連鎖保護邏輯，系統保護設計不夠完善，是致使后果擴大的重大缺陷。事件的起因是由負壓和風量耦合波動引起的，爐膛負壓低觸發了MFT，但因無保護手段阻止負壓效應擴大，導致負壓迅速擴大到-6000Pa。經計算，速率達到167Pa/秒，從-2500Pa到-5900Pa僅用了20秒。

2 爐膛壓力越限聯跳風機方案的應用情況

基于保護設置的可行性研究，普查了公司下屬60多臺鍋爐爐膛壓力越限聯跳風機的實際應用情況，參閱了中國電力工程顧問集團公司技術成果《鍋爐爐膛防爆壓力及煙氣系統設計壓力研究報告》中關于聯跳風機的統計數據。

對公司所有鍋爐的實際應用調研發現，該保護大致分為三類，第一類是無設計，如1、3、6、9號鍋爐。第二類是按照規程規定，設置了MFT后爐膛壓力越限延時跳風機，部分機組延時時間嚴格按5分鐘設計，如4、10、15號鍋爐；第三類在MFT值的基礎上再擴大500Pa，且不延時直接跳風機，如6、7、8號鍋爐。見表1。

表1 部分機組爐膛壓力越限保護設計情況表

文獻[2]表明，由于設計技術不同、爐型不同、鍋爐結構不同，爐膛壓力保護條件也有所不同，均設置報警值和主燃料跳閘值，但大多數鍋爐未設置跳風機值，見表2，只有哈鍋的超臨界鍋爐和北京巴威鍋爐設置了聯跳風機保護。上鍋在1000MW等級的鍋爐上跳風機保護定值采用在MFT定值的數值上再擴大500Pa，不延時跳風機。

表2 與鍋爐設計和制造相關的爐膛壓力保護設計情況表

哈鍋超臨界鍋爐（三井巴布科克技術）M F T M F T送風機跳閘引風機跳閘哈鍋超超臨界鍋爐（三菱技術）高Ⅱ+ 2 5 0 0 P a高Ⅲ+ 4 0 0 0 P a低Ⅲ-4 0 0 0 P a高Ⅱ+ 5 8 0 0 P a低Ⅱ-5 8 0 0 P a M F T M F T美國E . W W火焰爐高Ⅱ+ 2 0 0 0 P a低Ⅱ-2 0 0 0 P a高Ⅲ+ 3 7 0 0 P a低Ⅲ-3 7 0 0 P a延時2秒發M F T延時2秒發M F T M F T M F T無聯跳風機設計延時5秒發M F T延時5秒發M F T延時2秒送風機跳閘延時2秒送、引風機全跳閘東鍋亞臨界鍋爐（三井巴布科克技術）北京B . W高Ⅱ+ 1 7 0 0 P a低Ⅱ-2 5 0 0 P a高Ⅲ+ 3 7 0 0 P a低Ⅲ-3 7 0 0 P a M F T M F T無聯跳風機設計上鍋亞臨界鍋爐（美國C E技術）M F T M F T無聯跳風機設計東鍋超臨界鍋爐（日立技術）高Ⅱ+ 2 0 0 0 P a低Ⅱ-2 0 0 0 P a高Ⅱ+ 4 0 0 0 P a低Ⅱ-4 0 0 0 P a高Ⅱ+ 3 2 4 0 P a低Ⅱ-2 4 9 0 P a M F T M F T無聯跳風機設計上鍋超臨界鍋爐（美國A L S T O M -原美國C E技術）高Ⅱ+ 1 5 2 0 P a低Ⅱ-1 7 8 0 P a高Ⅱ低Ⅲ-2 2 9 0 P a M F T M F T延時5分鐘后仍高跳送、引風機延時2 0秒送、引風機全跳閘

3 國內外煤粉鍋爐防爆規程的規定和差異

基于上述調研結論，為了準確把握規程的原則和目的，也為了新邏輯對該事件有針對性，將兩部規程的條款進行了研究，并結合本次事件的一些特征進行了分析論證。

3.1 DL/T 435-2004《電站煤粉鍋爐爐膛防爆規程》的規定

DL/T 435-2004《電站煤粉鍋爐爐膛防爆規程》中，條款3.2.13.2 規定防內爆保護系統必須配備下列連鎖（保護邏輯）[2]。

（1）爐膛正壓超限總燃料跳閘

當爐膛正壓超過正常運行壓力達到制造廠所規定的限值時，應觸發總燃料跳閘。跳閘后，風機如果仍在運行，則應繼續運行，但不應手動或自動增加通風量。

總燃料跳閘后，經過5分鐘爐膛吹掃，在主燃料尚未點火前，如果爐膛壓力仍超過制造廠的規定值，則送風機應跳閘。

（2）爐膛負壓超限總燃料跳閘

當爐膛負壓超過正常運行負壓而達到制造廠所規定的限值時，應觸發總燃料跳閘(不一定是自動跳閘 )。跳閘后，如果風機仍在運行，則應繼續運行，但不應手動或自動增加通風量。

總燃料跳閘后，經過5分鐘爐膛吹掃，在主燃料未點火前，如果爐膛負壓仍超過制造廠所規定的限值 ，則所有引風機均應跳閘。

3.2 NFPA-85-2011 Boiler and Combustion Systems Hazards Code的規定

NFPA85-2011版第6章“多燃燒器鍋爐”規定如下[3]：

6.4.2.3.6.6條款：在主燃料點火前或MFT后，如果爐膛負壓超過制造廠給定的定值，所有引風機須跳閘，可以設置一個短延時是為了避免因主火焰喪失帶來的負壓信號瞬間波動，該定值應大于MFT定值。

6.4.2.3.7.6條款：在主燃料點火前或MFT 5分鐘后（爐膛吹掃后），如果爐膛壓力繼續超過制造廠跳風機定值時，送風機應跳閘。

3.3 國內外規程的差異及影響后果

NFPA85標準與DL/T435標準的區別是無“經過5分鐘爐膛吹掃”跳閘所有引風機。本次事件如果按照DL/T435標準設置了該項保護，后果更嚴重。從普查結果中看部分新建機組或百萬千瓦機組已注意到該問題，未設置長延時。

沒有一個標準能保證完全消除爐膛內爆和外爆，標準不是設計手冊，也不能企圖利用標準代替設計、調試、運行維護的一切工作，它只是希望設計者能夠更完整且嚴格地分析特殊的或不尋常的問題，并使設計有開拓性[3]。防煤粉爆炸和防正壓過高（或負壓過低）都是規程中爐膛防爆的內容，DL/T435標準強化了煤粉爆燃的風險，強調吹掃的必要性，但帶來內爆風險概率的增大。針對這一影響，兩項標準都提出了解決之道，明確聯跳引風機后，要將風煙通道上的擋板開到最大，至少通風15分鐘以上，在風機再啟動時再進行正常吹掃。

4 針對此類事件的改進措施

4.1 爐膛壓力越限跳風機設計原則的改進

MFT后爐膛正壓越限跳送風機。MFT的結果就是爐膛正壓自然回落的效果，執行吹掃是將風量回調到25%～40%中低范圍的辦法，也是降正壓的輔助手段，不需要馬上跳送風機；因此正壓越限時，可以延時，等待MFT、吹掃等功能的執行，觀其后果，如果壓力還保持高值，再停全部送風機；但為防備煙道堵塞等特殊情況，可直接設置正壓高Ⅲ值（大于爐膛壓力越限跳風機值）跳全部送風機，前提是爐膛吹掃功能的風量定值上限要保證小于40%額定負荷下的風量，因此DL/T 435標準中的正壓延時5分鐘方案可以采用。

MFT后爐膛負壓越限跳全部引風機。從本事例的結果看，DL/T 435標準中的延時5分鐘不可取，20秒也顯過長。目前實際應用中，上海鍋爐廠給定的方案是設高Ⅲ值跳風機，武鍋廠亞臨界鍋爐采用高/低Ⅲ值延時20秒跳風機。當機組實施引增合一、電除塵改造、增加SCR（選擇性催化還原法）脫銷裝置、低溫省煤器、濕式電除塵等工藝改造后，鍋爐尾部煙道阻力過大，使引風機選型點壓力超過標準設計值, 例如風機入口負壓絕對值為7kPa以上時，煙道工作壓力已超過所計算的防內爆設計壓力，DL／T5121《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》已不能適用[4]。同時爐膛壓力的變化速率增大，純滯后時間增大，因此延時時間的計算要慎重。

圖3是公司另一臺東鍋產500t/h出力的鍋爐發生爐膛負壓越限的負壓變化趨勢。該鍋爐設置了爐膛壓力越限聯跳風機的邏輯，鍋爐MFT保護定值為±1470Pa，鍋爐跳閘后，爐膛負壓繼續擴大，到-3000Pa時觸發低Ⅱ值延時10秒跳風機保護，依據歷史趨勢數據計算，負壓-3000Pa到-4000Pa只用了不到6秒，最終是-4000Pa低Ⅲ值保護動作起了作用。即使如此，最終爐膛負壓也下降到了-4989.24Pa，速率235Pa/秒，慣性時間4秒，略顯偏大，依據該次經驗，建議低Ⅱ值延時設為8秒。

圖3 一臺500t/h東方鍋爐發生爐膛負壓越限時的負壓趨勢

特別強調全部風機跳閘后聯鎖開啟出入口擋板，保證煙風道暢通。為消除負壓信號瞬間波動造成的誤動作，可設置2秒至5秒（具體數值應結合實際負壓變化率和慣性時間確定）的短延時防誤動，從文獻[2]看到，采用美國E.W技術的W火焰爐設置了2秒的延時，北京B.W的鍋爐設置了5秒的延時。

爐膛壓力越限聯跳風機的方式。爐膛正壓越限聯跳送風機時，第一對送、引風機成對聯跳，但最后一臺引風機要保留[5]；爐膛負壓越限聯跳全部引風機時，同時聯跳對應的送風機。

4.2 優化風機低開度特性

如果送風機在低開度的特性較差，風量控制系統在自動方式下應設置低限，當然，徹底的解決方案是重視送風機選型，調整雙機動葉特性盡量一致。另外也可考慮爐膛壓力高低（可自行設計，也可選報警Ⅰ值）的定向閉鎖，即爐膛壓力低時，閉減送風機調節導葉；當爐膛壓力大時，閉減引風機調節導葉、閉增送風機調節導葉[3]。

4.3 優化送、引風自動調節方案

負壓自動調節系統的前饋信號可以是燃料量信號、鍋爐主控信號或其它合適的需求量指示值，但不能是送風量測量信號或送風動葉反饋。前饋信號選擇這兩類信號都有加劇耦合振蕩效應的可能。

從此次事件的風量振蕩曲線看，初始時異常現象很明顯，風量調節對象是一個臨界阻尼或小超調特性對象，正常擾動下，出現大幅度波動可立即判定為異常。早期DDZ組裝儀表時代為防止硬手操器故障而設置的“被控變量與定值偏差大切手動”邏輯，可利用在風量調節系統上，在出現振蕩過程時將風量自動切除手動，穩定風量不變[6]。

爐膛負壓控制系統的超馳作用。超馳是采用非正常調節方式直接操作負壓調節執行結構的方式，引風機超馳動作的前提是：（1）動作前爐膛是一個穩定的工況；（2）發生主燃料切除；（3）爐膛負壓是向負向變化。在這個前提下，引風機做超馳動作，暫時關閉調節機構，然后再打開到一個預定開度。但如果是因為爐膛正壓動作導致的主燃料跳閘，則需要閉鎖該超馳功能。

5 結語

本次事件和研究結果對同類機組有重要的借鑒意義，無論何種鍋爐，設置爐膛壓力越限跳風機都有必要，2014年發布的國能安全(2014)161號《防止電力生產事故的二十五項重點要求》第6.2.3.3條款也提醒600MW以上鍋爐應考慮負壓低聯跳引風機的保護設置。

技術在不斷進步，事故有意想不到的狀況。本案例警示設計者在保護設計中，應以事實為根據，以保護設備為目的，靈活應用標準。在運行維護中，運行人員也應熟悉可能發生外爆、內爆的各種原因，熟悉各工藝參數的運行特征，制定相應的反事故措施做為自控設備的后備手段。

[1] 中國電力工程顧問集團公司. 鍋爐爐膛防爆壓力及煙氣系統設計壓力研究報告[R]. 2008.

[2] DL/T 435 - 2004. 電站煤粉鍋爐爐膛防爆規程[S].

[3] NFPA 85 - 2011. 鍋爐與多燃燒器系統防爆標準[S].

[4] 張建中. 鍋爐爐膛及煙氣系統防爆設計壓力取值標準的分析[J]. 電力建設. 2012, 33(10): 13 - 19.

[5] DL/T_5428 - 2009. 火力發電廠熱控保護系統設計技術規范[S].

[6] 陳劍峰, 王震皓. 華能福州電廠二期300MW機組鍋爐負壓控制系統[J]. 熱力發電. 2004, 33(6): 51 - 53.

Application Research for the Solution of Furnace Pressure Overlimit and Intertripping Fans in Coal-Fired Unit

Because of the poor control properties of blower fan and the fan coupled oscillation, a coal-fired unit caused the furnace pressure over limit which results in electrostatic precipitator system implosion. Combined with the characteristics of this event we studied deeply the DL/T 435《Code for the prevention of pulverized coal firing furnace explosions/implosions in power plant boilers》 and the NFPA85《Boiler and Combustion Systems Hazards Code》, verified importance and sufficient conditions of that master fuel trip setting furnace pressure over limit tripping of fan &The relationship between Inter-tripping fans, and put forward some improvement measures, for example, the furnace negative pressure limit immediately tripping draft fan & tripping of fan scheme etc.

Auto control; Furnace explosion protection; Furnace pressure; Fan; Interlocking

B

1003-0492(2016)01-0090-04

TP207

趙軍（1968-），男，山西保德人，工程碩士，教授級高工，現任神華集團國華電力公司高級主管，研究方向為發電廠熱工自動化。