超臨界循環流化床鍋爐主保護分析與優化

華北電力科學研究院有限責任公司 孫付成 余 超 北京華科同和科技有限公司 馬 杰

常規煤粉爐運行工況惡化危及鍋爐安全時會觸發MFT（Main Fuel Trip），切斷所有入爐燃料、使鍋爐熱負荷降至最低，保證鍋爐及各輔助設備安全。循環流化床鍋爐依靠物料循環實現燃燒和傳熱，當運行工況惡化、觸發主燃料跳閘切斷入爐燃料后，較高的床溫及床料中大量未燃盡的可燃質會在風機流化作用下繼續燃燒并對外放熱，鍋爐熱負荷仍處較高水平，為保證事故工況下能盡快降低鍋爐熱負荷，循環流化床鍋爐在MFT的基礎上增加了BT（Boiler Trip），除觸發MFT外還會聯鎖跳閘相應風機使爐內床料停止流化。

1 機組介紹及MFT保護設置

本機組為東方鍋爐廠制造的超臨界循環流化床鍋爐，單爐膛、M型布置、平衡通風、一次中間再熱、高溫汽冷旋風分離器；高過、高再布置在爐膛內，低過、低再以及省煤器布置在后煙井。配備兩臺一次風機，三臺高壓流化風機，一臺二次風機及兩臺引風機。十臺給煤機均勻布置在鍋爐前墻，五臺滾筒冷渣器均勻布置在鍋爐后墻下部，一次流化風自爐后底部四個點火風道送入水冷風室，通過布風板對床料進行流化，每個點火風道內布置一支點火油槍用于加熱一次流化風。機組采用DCS控制系統，通過爐膛安全監控系統FSSS實現鍋爐的主保護。超臨界循環流化床鍋爐主保護主要包括鍋爐跳閘BT、主燃料跳閘MFT、油燃料跳閘OFT，其中油燃料跳閘（OFT）設置與常規煤粉爐一致。

1.1 MFT聯鎖跳閘設備

當鍋爐燃燒失穩達到一定條件，為防止工況惡化觸發MFT，通過遮斷入爐燃料快速降低燃燒率。機組不解列、風機維持運行，待爐膛吹掃完畢、各系統調整正常后方可再次點火。觸發MFT聯鎖跳閘設備：跳閘給煤機、跳閘煤泥系統、跳閘燃油系統、跳閘石灰石給料系統、送MFT信號至灰硫、觸發OFT、跳閘滾筒冷渣器、二次風量控制切手動/二次風門置吹掃位、一次風量控制切手動、跳閘吹灰系統、跳閘減溫水系統、跳閘SNCR脫硝、退點火槍、關給煤機出口門。

1.2 MFT跳閘條件

BT動作。相對于MFT鍋爐BT的安全級別更高，當鍋爐超出安全運行工況危及設備安全時，BT條件觸發，鍋爐跳閘，聯鎖觸發MFT；手動MFT。當鍋爐達到MFT觸發條件而MFT邏輯動作失效或鍋爐處于其他超出MFT觸發條件的惡性工況時，運行人員手動觸發MFT；總風量＜25%。為保證爐內正常燃燒及物料循環，避免因氧量不足導致的燃燒不充分或爐內爆燃，鍋爐運行總風量不允許低于BMCR工況下總風量的25%，當總風量＜25%，延時5s觸發MFT。

爐膛壓力高高OR低低。正常工況下爐膛出口維持微負壓運行，當爐內燃燒工況不穩定，導致設置在爐膛出口的三個高二值或低二值壓力開關中的任意兩個動作，為防止鍋爐外爆或內爆需降低鍋爐燃燒，觸發MFT；一次風量＜臨界流化風量，且任一給煤機或油槍投入，延時60s。一次流化風的作用是維持爐內物料循環和提供燃料初期燃燒所需氧氣，物料在流化過程中完成燃燒并與受熱面進行換熱，當一次流化風量低于臨界流化風量時，爐內正常的物料循環被打破，若此時已投入燃料，燃料留存于高溫床料內流化不良，存在高溫結焦的風險，若60s內無法恢復一次流化風量則觸發MFT。

無給煤機運行、無油槍投入，全部油槍2min內連續兩次點火失敗。循環流化床鍋爐后墻底部布置四個熱一次風點火風道，每個點火風道內各布置一支油槍，用于鍋爐啟動過程中加熱一次流化風，被加熱的一次流化風在水冷風室內匯合后通過布風板對床料進行流化和升溫。當無給煤機運行且無油槍投入時，即首次著火前四個點火風道內的任意油槍點火失敗，須以當前風量對點火風道和水冷風室進行吹掃。若首次著火前2min內連續兩次點火失敗，為避免未著火的燃油在點火風道或水冷風室內積聚遇火爆燃，需觸發MFT，待爐膛吹掃后再進行點火。

點火記憶后全燃料喪失且床溫＜700℃。任意給煤機運行延時60s或任意油槍投運延時60s觸發點火記憶，點火記憶觸發后所有油槍油角閥均關閉或供油快關閥關閉，且給煤機均跳閘、即全燃料喪失，若此時平均床溫≥700℃，床料中可燃物含量較低，直接投入燃料點火即可恢復燃燒；若此時平均床溫＜700℃，床溫偏低，床料及爐膛內存在未燃盡的可燃質，為防止點火過程中爐內可燃質爆燃，需觸發MFT，對爐膛進行充分吹掃后再進行點火。

任一給煤機運行時平均床溫＜650℃且未投油。循環流化床鍋爐多以低階煤為主要燃料，燃煤揮發分含量較低、著火溫度高，當床溫＜650℃，煤的燃盡率較差甚至達不到著火溫度，此時若無油槍投運則床溫無法維持穩定上漲，且床料中的可燃質大量累積，達到一定程度存在爆燃風險，需觸發MFT，重新吹掃后先投油再投煤。

床溫＞1000℃。床溫是循環流化床鍋爐運行的重要參數，反映了爐內的燃燒工況，一般循環流化床的床溫控制在850～920℃，此溫度范圍內爐內脫硫效率較高，且有利于抑制熱力型NOx的生成。當床溫過高時床料存在高溫結焦的風險。在鍋爐布風板以上50cm處的前后墻水冷壁上布置有14個床溫測點，其中前墻對稱布置8個、后墻對稱布置6個溫度測點，對全部14個床溫測點進行分區，前墻左側、前墻右側各4個測點，后墻左側、后墻右側各3個測點，為避免床料結焦，4個區域任一區域內超過兩個測點溫度＞1000℃，觸發MFT。

任一旋風分離器出口溫度高＞1030℃。循環流化床鍋爐出口布置3個旋風分離器，旋風分離器出口中心筒為合金鋼軋制而成，絕熱布置，在每個旋風分離器出口各布置3個溫度測點，分離器出口煙道為絕熱布置的重型爐墻，砌筑大量耐火耐磨材料。分離器出口溫度過高時中心筒和分離器出口煙道耐火材料存在燒損脫落風險；同時分離器出口溫度過高反映了爐內溫度場分布失衡，水冷壁及過再熱系統存在超溫風險，當任意一個旋風分離器出口的任意兩個溫度測點＞1030℃，為避免燃燒工況惡化以及煙道燒塌，觸發MFT。

2 BT保護設置

2.1 BT聯鎖跳閘設備

當機組發生重要輔機跳閘、燃燒傳熱惡化或系統阻塞時，維持鍋爐安全運行的條件失去，必須觸發BT跳閘鍋爐各個系統以保證設備及系統安全。觸發BT聯鎖跳閘設備：觸發MFT；跳閘一次風機；跳閘二次風機；若兩臺引風機運行，脈沖信號跳閘出力大的引風機；跳閘汽輪機。

2.2 BT跳閘條件

引風機全停。當引風機全停時爐膛負壓無法維持，為防止鍋爐外爆，觸發BT。引風機全停觸發BT僅發3s脈沖，避免長信號一直存在導致風機無法再次啟動，BT無法復位；一次風機全停且任一油槍或給煤機投入。一次流化風的作用是維持爐內物料循環和提供燃料初期燃燒所需氧氣，當一次風機全停，床料無法流化，若此時已投入油槍則油槍失去助燃風，可能導致油槍滅火或燃油積存，若此時已投入給煤機則存在床料結焦的風險，且熱態運行中一次風機跳閘會導致爐膛壓力驟降，存在內爆風險，為避免惡性事故觸發鍋爐BT。

二次風機全停。二次風作為鍋爐燃燒燃盡的主要配風，對于燃料的后期燃燒和物料循環具有重要意義。機組協調方式下二次風量與燃料量正相關，同時通過微調維持鍋爐氧量處在合理范圍內。當二次風機全停，鍋爐燃燒所需氧量不足，導致爐內可燃質大量積累，存在爆燃風險；而且二次風機全停瞬間送風量迅速下降，鍋爐存在內爆風險，故觸發鍋爐BT。類似引風機全停、二次風機全停觸發BT僅發3s脈沖。

流化風母管壓力＜30kPa延時60s，或高流風機全停。高流風機為返料器立管和料腿提供流化風和松動風，保證鍋爐正常物料循環。因立管料位需克服旋風分離器與床層間的巨大差壓，所以要求流化風壓頭較高。一般設置三臺高流風機、兩臺運行一臺備用，當兩臺運行風機中任意一臺跳閘會聯啟備用風機；或當流化風母管壓力低于一定值（40kPa）時聯啟備用風機以保證母管壓力，確保返料正常。當流化風母管壓力低低（＜30kPa）時，由于沿程阻力的存在，立管及返料腿處風壓更低，不足以克服立管及返料腿內的料位壓差而導致返料失敗，物料循環被打破，含有較多可燃質的高溫循環灰會立即沉降在返料器內造成物料循環中斷且存在結焦的可能，為給備用風機聯啟足夠的時間，在流化風母管壓力低低的基礎上延時60s觸發BT。同理，當高流風機全停時高壓流化風失去，也需觸發BT。

空預器跳閘。當空預器跳閘，空預器轉子一側在高溫煙氣中受熱膨脹、另一側在空氣中放熱收縮，可能會造成轉子的永久變形，嚴重的會導致轉子報廢，造成重大經濟損失。空預器主輔電機互為聯鎖備用，當運行電機跳閘時備用電機會聯鎖啟動，為避免運行電機跳閘后轉子惰走與聯啟電機間存在的轉速差導致傳動齒輪受損，備用電機聯鎖啟動會設置一定延時，一般延時5～10s，因此當運行電機跳閘15s后備用電機仍未聯啟則認為空預器跳閘，觸發BT。此外電機通過減速箱與轉子相連接，當減速箱故障導致電機脫扣或聯軸器斷裂，空預器轉子也會停轉，為避免此情況發生，在轉子軸上設置有停轉檢測裝置，實際運行過程中轉子停轉信號存在誤發風險，為避免信號誤發導致的機組非停，在轉子停轉信號的基礎上與上空預器出口煙溫高信號，即空預器停轉信號觸發且空預器出口煙溫測點4取2高于180℃時認為空預器已跳閘，觸發BT。

爐膛壓力高高高或低低低。當爐膛壓力過高或過低，導致爐膛出口3個高三值或3個低三值壓力開關3取2動作時，為防止鍋爐外爆或內爆，觸發鍋爐BT。

給水流量低且床溫＞350℃或點火記憶觸發。最低給水流量是保證鍋爐水冷壁安全的底限，給水流量過低會導致水動力不足而產生熱偏差，使膜式水冷壁產生較大熱應力，嚴重影響鍋爐的安全運行。循環流化床鍋爐熱慣性大，一旦缺水后果會比常規煤粉爐更嚴重。正常運行過程中，循環流化床鍋爐床層作為爐內最高溫度點反映了爐內的燃燒狀況，用床溫作為給水流量高低的判定依據是合理的，當床溫＞350℃或鍋爐已點火，若給水流量低于一定值即觸發鍋爐BT。

手動BT。當鍋爐達到BT觸發條件而BT邏輯動作失效或鍋爐處于其他超出BT觸發條件的惡性工況時，運行人員手動觸發BT。

給水泵全停且床溫＞350℃或點火記憶觸發。鍋爐運行過程中給水泵全停，鍋爐失去給水，爐內大量高溫循環物料及鍋爐本體蓄熱得不到有效冷卻，鍋爐各受熱面將嚴重超溫，必須觸發BT將爐內燃燒降至最弱。針對循環流化床的燃燒特點，即使鍋爐已經滅火但爐內大量高溫循環物料仍會對受熱面進行加熱，所以當床溫＞350℃、給水泵全停也必須觸發BT。

汽水分離器出口溫度＞475℃。超臨界鍋爐為直流運行，不存在固定的汽水分界面，通過分離器出口過熱度控制汽、水側工質分配，實現蒸發段與過熱段的平衡。正常運行過程中一般控制過熱度15～30℃，當汽水分離器出口溫度＞475℃、過熱度＞101℃，蒸發段與過熱段分界點前移，水冷壁內過熱段過大，爐內熱負荷過高，汽水系統與煙風系統換熱失衡，鍋爐各受熱面均存在超溫風險，觸發BT。

汽機跳閘且負荷＞30%。機組運行時汽機跳閘，蒸汽通路阻斷，鍋爐存在超壓風險。機組設置40%高低壓二級串聯旁路，汽機跳閘后可以通過旁路卸壓以維持蒸汽通路暢通，但為防止高負荷下旁路開啟所帶來的熱沖擊，旁路開啟需要預暖，且高負荷下旁路開啟后高低旁閥后溫度限制了旁路的開度，綜合以上因素，并通過運行實踐確定30%機組負荷作為汽機跳閘后鍋爐維持運行不超壓的臨界值，當機組負荷＞30%時發生汽機跳閘，觸發BT。

蒸汽阻塞（高主門或高調門全關且高旁全關，或中主門或中調門全關且低旁全關）且平均床溫＞650℃。循環流化床高溫再熱器布置在爐膛內，管材許用溫度不超過650℃，當再熱器系統無蒸汽流通時應確保屏式再熱器底部煙溫＜650℃。當鍋爐床溫＞650℃時，高主門或高調門全關且高旁全關，可通過開啟對空排汽或PCV來形成蒸汽通路，對過熱器系統進行冷卻，但再熱器內無蒸汽流通而處于干燒狀態；同理，當中主門或中調門全關且低旁全關時，再熱器內蒸汽不流通，處于干燒狀態，為保護再熱器不超溫觸發BT。

灰硫跳閘。包括兩類：一是灰硫系統煙道阻斷，煙風系統存在超壓外爆風險，觸發BT；二是防超溫保護設備，除塵器布袋允許連續運行溫度為170℃，當除塵器入口煙溫＞180℃，為保護布袋觸發BT；漿液循環泵全停，脫硫吸收塔內漿液噴淋停止，較高的煙溫可能會使吸收塔內的除霧器等材料著火燃燒，所以當漿液循環泵全停且凈煙氣溫度升高至80℃時，為保護脫硫塔觸發BT。

FSSS電源故障。為提高可靠性FSSS設計為軟硬雙回路，即BT觸發后FSSS柜發出的跳閘信號會通過硬接線和軟邏輯分別動作相應設備進行跳閘。當FSSS電源故障，若此時BT觸發，FSSS柜跳閘設備的信號無法發出，就地設備接收不到跳閘信號而繼續運轉會嚴重威脅鍋爐安全。為避免FSSS電源故障期間的“保護真空”，當FSSS電源故障直接觸發BT。

主蒸汽壓力高＞28.17MPa。鍋爐高溫過熱器左右側出口管道上各布置有3個壓力測點，當鍋爐超壓時高溫過熱器出口EPRV和安全閥依次動作，若EPRV或安全閥達到壓力而未啟座或啟座后主汽壓力仍持續上升，作為后備保護手段，當主汽壓力＞28.17MPa觸發BT。

3 主保護優化

循環流化床含有大量床料，點火啟動初期需投入大量燃油對床料進行加熱至投煤點火溫度（450℃），此過程中床料處于循環流化狀態，床料被熱一次風加熱的同時不斷向水冷壁及過再熱器放熱。而鍋爐最低給水流量限制了給水量的下限，導致啟動初期床溫較低時鍋爐給水量也維持在較高水平，延長了機組啟動時間，也消耗了大量燃油。為降低啟動初期的熱量流失、縮短機組啟動時間，參考鍋爐壓火工況下的給水流量曲線將最低給水流量定值修改為折線函數，即床溫較低時最低給水流量處于低值，隨著床溫不斷升高，最低給水流量不斷升高直至320t/h（圖1）。經機組試運檢驗，該最低給水流量曲線既能保證不同床溫下的水冷壁安全，又縮短了啟動時間。

圖1 最低給水流量曲線

根據床溫，循環流化床啟動分為熱態啟動和冷態啟動，當床溫＜650℃鍋爐處于冷態，床料中可燃質含量大，為避免點火時爐內爆燃，爐膛吹掃需啟動引風機、二次風機和一次風機使床料處于流化狀態，維持吹掃風量3min，以確保床料中的可燃質能可靠燃燒和吹空。當床溫＞650℃鍋爐處于熱態，較高的床溫能保證床料內的可燃質處于較低水平，為防止吹掃過程中床溫快速下降，熱態啟動前吹掃無需啟動一次風機，只需二次風機和引風機對床料上部爐膛空間進行吹掃且吹掃時間為60s。

當鍋爐BT后熱態恢復時，為避免鍋爐壓力下降過快導致鍋爐蓄熱耗散，鍋爐點火前汽機高低旁處于關閉狀態，此時蒸汽阻塞一直處于觸發狀態，導致鍋爐無法熱態恢復點火，為避免啟動過程中頻繁投退保護，在蒸汽阻塞中引入機組負荷判斷，當機組負荷＞10%蒸汽阻塞觸發BT。經機組試運檢驗，當負荷＜10%、爐膛內屏式再熱器底部煙溫＜650℃，再熱器處于安全運行范圍內。

結論：超臨界循環流化床鍋爐主保護是在設計院及鍋爐廠初設基礎上，經調試過程不斷探索改進而來，能保證在鍋爐危險工況下可靠動作，避免設備損壞及事故惡化。