基于Ovation的超超臨界鍋爐FSSS系統設計

劉曉莎，王 林

(1.陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000； 2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

隨著國民經濟的不斷發展，全社會用電負荷逐年增加，高參數、大容量、能夠適應深度調峰需求的火力發電機組正受到越來越廣泛的關注[1]。某地2×1 000 MW燃煤機組新建工程，依托國家科技支撐計劃“1 000 MW高效寬負荷率的超超臨界機組開發與應用”課題，選用了能夠滿足需求的國產超超臨界參數新型直流鍋爐。為實現機組在較寬負荷范圍內依然保持較高效率的研究目標，該工程采用了國產新一代超超臨界10 000 MW級鍋爐，設計了由多支大油槍、微油槍及多層煤粉燃燒器組成的混合燃燒系統。爐膛燃燒器種類多，數量大，控制與操作難度高，使得機組的安全穩定運行面臨極大挑戰[2]。本文結合國產新型1 000 MW超超臨界鍋爐的技術特點，基于Ovation工業自動化控制系統，設計并建立了一套穩定高效的爐膛安全監控系統(Furnace Safeguard Supervisory System，簡稱FSSS)，經機組長期實際運行檢驗，該系統性能穩定可靠，能夠有效保障人員和設備安全，避免鍋爐發生爆燃、爆炸事故。該工程FSSS系統的相關構建經驗對于同類型火電機組具有較高的參考價值。

1 鍋爐燃料系統簡介

本工程鍋爐型號為DG3063.81/29.3-II1，為高效超超臨界參數變壓運行的直流鍋爐。鍋爐整體采用了∏式布局，前后墻對沖燃燒方式，最下層煤粉燃燒器配備有微油點火裝置作為啟動點火源。鍋爐整體布置如圖1所示。

圖1 鍋爐整體布局

該工程鍋爐主要設計參數如表1所示。

表1 鍋爐主要設計參數

1.1 制粉系統

該工程鍋爐共配備有6套正壓直吹式制粉系統，每套制粉系統包括1臺ZGM133N-II型中速輥式磨煤機、1臺電子稱重式皮帶給煤機以及8支旋流煤粉燃燒器。燃用設計煤種時，5臺磨煤機運行，機組即能帶長期滿負荷運行。煤粉燃燒器選用了自主開發設計的外濃內淡型低NOx旋流煤粉燃燒器，每層共有8支煤粉燃燒器，對應一臺磨煤機。所有48支煤粉燃燒器分前后墻各3層布置，其中，從上到下，前墻為1號、2號、3號磨，后墻為4號、5號、6號磨，形成對沖燃燒方式。

1.2 燃油系統

全爐共有32支大油槍(對應1號、2號、4號和5號共4臺磨煤機)及16支微油槍(對應下層3號和6號兩臺磨煤機)，所有油槍均采用機械霧化方式，油角閥為氣動閥。爐前燃油平臺設計有進油快關閥、回油快關閥、回油調節閥以及泄露試驗閥。

1.3 火焰檢測系統

該工程火焰檢測探頭(簡稱火檢探頭)基于光電傳感器，能夠可靠感受煤粉火焰及油槍火焰所發出的可見光，從而判斷火焰有無及強弱[3]。油火檢、煤火檢探頭各48個，伸入爐膛直面火焰。為保證所有火檢探頭處于正常工作溫度，本工程設計有2臺火檢冷卻風機，利用管路將冷空氣分配給各火檢探頭降溫，1臺風機運行時，另1臺處于備用狀態。整個火焰檢測系統可靠性較高。

2 基于Ovation的FSSS系統構成

電廠鍋爐因意外故障發生滅火后，爐膛內積聚大量煤粉、油霧、一氧化碳等各類粉塵及可燃物，如遇明火，將引起爐膛爆炸，造成重大人員設備損失。為實現鍋爐安全點火，實時在線監視爐內燃燒狀況，并及時處置意外滅火，設計并建立了爐膛安全監控系統(又稱為燃燒器管理系統)[4-5]。

本工程FSSS系統基于工業自動化控制軟件Ovation搭建，Ovation在電力領域應用廣泛，是一款優秀的電廠DCS軟件，具有配置靈活，可靠性高，總線應用功能強大，人機交互性能好等優點[6]。典型的火電廠Ovation系統架構如圖2所示。

圖2 Ovation架構圖

從圖2中可知，Ovation系統主要由工作站、工作網絡、控制器以及就地設備[7]。工作站是編程中心(建立控制邏輯)、數據庫(存儲程序、歷史數據)，又是操作中心(監視和控制工業過程的操作員人機接口)。工作網絡基于高速以太網，利用交換機實現操作指令、就地反饋等各類數據的傳輸交流。控制器是由各類卡件搭建起來的控制中樞，其一端連接工作站，一端連接受控設備。就地設備包含電廠鍋爐、汽機、電氣、化學等專業用于完成發電過程的所有設備。

3 基于Ovation的FSSS系統功能

爐膛安全監控系統包括燃燒器控制系統和爐膛安全系統，它能夠連續實時地監視鍋爐各項運行參數，一旦出現危及運行安全的事故工況，即可自動切斷入爐所有燃料，實現鍋爐緊急停爐，從而避免爐膛發生爆燃爆炸[8-9]。該工程FSSS系統主要功能由以下部分組成：鍋爐保護系統、燃油控制系統、燃煤控制系統。

鍋爐保護系統設計的主要功能有：爐膛吹掃、鍋爐主燃料跳閘保護(Main Fuel Trip，簡稱MFT)、燃油泄漏試驗、油燃料跳閘保護(Oil Fuel Trip，簡稱OFT)、鍋爐點火允許條件等。燃油控制系統主要功能包括油槍組各設備的獨立操作，成組操作，油燃燒器的保護跳閘及跳閘原因首出記憶。燃煤控制系統主要功能包括磨煤機、給煤機的程控操作，煤燃燒器的投入退出等。下面對系統的關鍵保護功能進行詳細闡述。

3.1 鍋爐吹掃

鍋爐點火前，必須進行爐膛吹掃，這是鍋爐防爆規程中基本的防爆保護措施。在鍋爐對流煙井、煙道和將煙氣送至煙囪的引風機等處均有可能積聚過量的可燃物，當這種可燃物與適當比例空氣混合，遇到點火源時，即可能引燃而導致爐膛爆炸。爐膛吹掃的目的是將爐膛內的殘留可燃物質清除掉，以防止鍋爐點火時發生爆燃[10]。

吹掃過程：MFT后觸發“請求吹掃”信號，啟動一次吹掃條件檢查(一次吹掃條件是在MFT動作后能自動滿足的條件，主要是燃料條件)；當無風擋板閉鎖條件且一次吹掃條件滿足后，發送一個15 s的指令到調節系統，設置二次風調節擋板到達吹掃位(開度100%)；煙溫調節擋板強制打開至吹掃位(開度100%)，然后檢查二次吹掃條件(二次吹掃條件主要是通過調整風擋板來滿足的風系統的條件)；當二次吹掃條件滿足后，可以手動觸發“吹掃啟動”，開始5 min的爐膛吹掃計時。各吹掃條件具體內容如圖3所示。

圖3 鍋爐吹掃功能塊

在此期間，若有任一吹掃允許條件喪失，則自動“吹掃中斷”，要求重新開始計時吹掃，待條件重新滿足后由運行人員重新啟動吹掃；當吹掃計時滿5 min時，DCS畫面亮起“吹掃完成”指示。吹掃完成后，發2 s脈沖信號，復位MFT跳閘輸出及首出記憶信號。鍋爐吹掃流程圖如圖4所示。

3.2 主燃料跳閘保護(MFT)

MFT是鍋爐安全保護的核心部分，由跳閘條件、保護邏輯、跳閘輸出繼電器及跳閘條件首出記憶等組成。為了保證保護系統的可靠性，保護系統中所用信號都

圖4 鍋爐吹掃流程圖

由專用檢測元件及可靠的變送器提供，重要信號多采用多個檢測信號進行判斷后引入保護。Ovation搭建的MFT功能塊畫面如圖5所示。

圖5 鍋爐MFT功能塊

MFT功能塊中所列出的條件，任意一項滿足時，發生主燃料跳閘，即MFT保護動作，所有入爐燃料被切斷，燃燒器停運。

為了保證在發生MFT后，能夠迅速準確地判斷事故原因，系統中設計了對MFT跳閘原因的首出記憶，并在畫面上顯示出來供運行人員判斷跳閘原因。鍋爐吹掃完成后發脈沖復位MFT首出記憶。

MFT保護觸發后，指令信號將通過邏輯回路處理后，下發至就地設備(此方式稱為軟邏輯)。部分重要設備，為提高可靠性，單獨連接一路線纜(稱為硬接線)至DCS，MFT觸發后，停止指令不經邏輯處理直接下發就地跳閘。本工程鍋爐MFT后具體動作設備如表2所示。

表2 主燃料跳閘保護動作設備

3.3 燃油泄漏試驗

燃油泄漏試驗是為防止燃油泄漏而對油母管、油快關閥及各層分油閥所做的嚴密性試驗(見圖6)。操作人員在每次吹掃前根據實際情況，可選擇進行燃油泄漏試驗或旁路燃油泄漏試驗，但在油系統管路經過維修，初次投運或較長時間未投運油系統時，燃油泄漏試驗不得旁路。

燃油泄漏試驗允許條件有：

(1)供油母管壓力正常(油壓>3.3 MPa)；

(2)所有油槍供油閥關閉；

(3)燃油系統進油快關閥關閉；

(4)燃油系統回油快關閥關閉；

(5)入爐總風量>30%滿負荷風量；

(6)燃油泄漏試驗旁路按鈕未啟用；

(7)燃油系統儀用壓縮空氣壓力正常(氣壓>0.6 MPa)；

(8)鍋爐MFT動作后延時>10 min。

整個燃油泄漏試驗包括充油、保壓、泄油等步驟。

3.4 油燃料跳閘保護(OFT)

為了燃油安全性，在一定的條件發生時，必須及時切斷進入鍋爐的油燃料。當任一OFT條件發生，就會發出OFT信號，關閉進油快關閥、回油快關閥和所有的油閥，當滿足復位條件后，OFT信號復位。在OFT發生的同時，會通過首出記憶記錄產生OFT的原因。油燃料跳閘條件如表3所示。

3.5 鍋爐點火允許條件

為保證安全，鍋爐點火前必須滿足“點火允許條件”，部分點火許可條件有：

(1)主燃料跳閘(MFT)信號被復位；

(2)火檢冷卻風機運行，出口風壓正常；

圖6 燃油泄漏試驗流程圖

表3 油燃料跳閘觸發條件

(3)鍋爐總風量>30%滿負荷風量；

(4)給水流量大于386 t/h(MFT動作低值)；

(5)爐膛吹掃完成。

投油及投煤還設計有專門的許可條件。

4 應用與檢驗

該工程1號機組于2019年12月3日首次帶滿負荷運行，現場開展了鍋爐過熱器側安全閥整定工作。由于升負荷速率較大，爐膛溫度在短時間達到較高數值，水冷壁及屏式過熱器結附的焦塊大量脫落，墜入撈渣機中。熔融的高溫焦塊使得撈渣機內水迅速蒸發汽化，大量水蒸氣自下而上進入爐膛。

升騰而起的水蒸氣干擾了火檢探頭，畫面上燃煤火檢自下而上逐層失去，最終觸發MFT，磨煤機、給煤機、一次風機迅速跳閘，切斷入爐煤粉。供回油快關閥關閉。事后查看畫面，MFT首出原因報“失去臨界火焰”，OFT首出原因為“MFT”。

臨界火焰，指的是所有投運的燃燒器在10 s內，有超過總數1/4的燃燒器火檢信號喪失，即認為爐膛燃燒顯著惡化，需要緊急停爐。

在上述情形下，本工程搭建的FSSS系統反應靈敏，判斷準確，及時觸發保護，跳閘相關設備，最終有效保障了鍋爐的運行安全。

5 結 論

隨著機組蒸汽參數不斷提高，鍋爐燃燒系統變得更加復雜，本文以國產新一代1 000 MW超超臨界鍋爐為對象，基于Ovation軟件搭建了鍋爐爐膛安全監控系統，功能完備，性能可靠，經現場實際檢驗，系統保護動作及時準確，能夠有效避免爐膛爆燃與爆炸事故。該工程FSSS系統相關構建經驗可供后續同類機組參考。