9FA燃?xì)廨啓C(jī)清吹系統(tǒng)分析

吳學(xué)崇,貢文明,周晟陽(yáng)

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司,杭州 310030;2.江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司,江蘇 常州 213011)

9FA燃?xì)廨啓C(jī)采用干式低氮氧化物的DLN2.0+燃燒系統(tǒng),燃料控制閥由D5、PM1和PM4組合而成[1]。機(jī)組從啟動(dòng)運(yùn)行至滿負(fù)荷的過(guò)程中,根據(jù)機(jī)組實(shí)時(shí)的燃燒基準(zhǔn)溫度,選擇投用部分或全部燃料閥,形成多種配氣模式,進(jìn)而完成燃燒模式的切換,以達(dá)到降低NOx排放的目的[2]。當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),對(duì)于沒(méi)有燃料流經(jīng)的燃?xì)庵?清吹系統(tǒng)會(huì)從壓氣機(jī)排氣中抽取一部分用作清吹空氣,維持一定的清吹壓力對(duì)燃?xì)猸h(huán)管進(jìn)行持續(xù)吹掃,這樣不僅可以將支路中殘存的燃料吹掃干凈,也可以防止凝結(jié)水凝結(jié)導(dǎo)致回火、脫火、振蕩燃燒、負(fù)荷波動(dòng)等問(wèn)題[3]。

燃?xì)廨啓C(jī)清吹系統(tǒng)能夠正常工作是燃?xì)廨啓C(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障,但清吹系統(tǒng)的故障率較高,極易發(fā)生燃燒模式閉鎖、自動(dòng)停機(jī)等事故,對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行乃至整個(gè)電廠的穩(wěn)定性造成影響。國(guó)內(nèi)關(guān)于清吹系統(tǒng)故障的案例比比皆是,相關(guān)從業(yè)人員也發(fā)表過(guò)相關(guān)技術(shù)論文,給出了改造建議和方案[4-7],但也僅停留在安裝工藝等設(shè)備層面,并沒(méi)有從控制原理出發(fā)深入分析故障原因,改造成本高且仍存在故障隱患。本文針對(duì)某電廠9FA燃?xì)廨啓C(jī)清吹系統(tǒng)控制進(jìn)行邏輯解析,并詳細(xì)闡述因清吹系統(tǒng)故障導(dǎo)致燃燒模式閉鎖、自動(dòng)停機(jī)、主保護(hù)跳閘等觸發(fā)原因,對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化具有較為重要的實(shí)際參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 清吹系統(tǒng)組成

燃?xì)廨啓C(jī)清吹系統(tǒng)布置在燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)和壓氣機(jī)之間,系統(tǒng)如圖1所示,由以下組件共同構(gòu)成:4只燃料清吹閥(VA13-1、VA13-2、VA13-5和VA13-6),4只燃料清吹電磁閥(20PG-1、20PG-2、20PG-5和20PG-6),2只燃?xì)夥趴臻y(VA13-8和VA13-13),2只燃?xì)夥趴针姶砰y(20VG-2和20VG-4),10只燃料清吹閥和放空閥的位置限位開(kāi)關(guān)(33PG),4只清吹閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速排氣閥(VA36-1、VA36-2、VA36-9和VA36-10),6只壓力開(kāi)關(guān)(63PG-1A、63PG-1B、63PG-1C、63PG-3A、63PG-3B和63PG-3C),1只VA13-1清吹閥的儀用空氣壓力調(diào)節(jié)閥(VPR54-22),6支K型熱電偶,1只清吹閥的遠(yuǎn)程位置調(diào)節(jié)器。

圖1 清吹系統(tǒng)圖

在機(jī)組啟動(dòng)及正常燃燒模式過(guò)程中,清吹系統(tǒng)會(huì)從壓氣機(jī)排氣中抽取一部分空氣對(duì)沒(méi)有燃?xì)饬鹘?jīng)的環(huán)管進(jìn)行吹掃。當(dāng)D5燃料閥關(guān)閉后,D5清吹閥組啟動(dòng)對(duì)D5環(huán)管進(jìn)行吹掃;當(dāng)PM4燃料閥關(guān)閉后,PM4清吹閥組啟動(dòng)對(duì)PM4環(huán)管進(jìn)行吹掃,以保證燃?xì)猸h(huán)管內(nèi)部不會(huì)積聚易燃?xì)怏w。

2 清吹系統(tǒng)投退及聯(lián)鎖

9FA燃?xì)廨啓C(jī)在機(jī)組正常啟動(dòng)至滿負(fù)荷的過(guò)程中,會(huì)依次經(jīng)過(guò)擴(kuò)散燃燒(初始)、亞先導(dǎo)預(yù)混燃燒(SPPM)、先導(dǎo)預(yù)混燃燒(PPM)、預(yù)混燃燒(PM)四個(gè)燃燒模式。在模式切換過(guò)程中需對(duì)應(yīng)開(kāi)啟的燃料閥如表1所示。

表1 不同燃燒模式下需對(duì)應(yīng)開(kāi)啟的燃料閥

機(jī)組啟動(dòng)(加負(fù)荷),清吹系統(tǒng)的動(dòng)作過(guò)程為:

(1) 機(jī)組啟動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)速達(dá)到清吹轉(zhuǎn)速設(shè)定值(TNH≥14%),清吹閥VA13-5、VA13-6打開(kāi),對(duì)PM4環(huán)管進(jìn)行吹掃。

(2) 燃燒模式由SPPM上切至PPM模式時(shí),清吹閥VA13-5、VA13-6關(guān)閉。

(3) 燃燒模式由PPM上切至PM模式時(shí),清吹閥VA13-1、VA13-2打開(kāi),對(duì)D5環(huán)管進(jìn)行吹掃。

停機(jī)(減負(fù)荷),清吹系統(tǒng)的動(dòng)作過(guò)程為:

(1) 燃燒模式由PM模式下切至PPM模式時(shí),清吹閥VA13-1、VA13-2關(guān)閉。

(2) 燃燒模式由PPM下切至SPPM模式時(shí),清吹閥VA13-5、VA13-6打開(kāi),對(duì)PM4環(huán)管進(jìn)行吹掃。

(3) 機(jī)組停機(jī)時(shí),轉(zhuǎn)速低于冷托轉(zhuǎn)速設(shè)定值(TNH≤1.2%),清吹閥VA13-5、VA13-6關(guān)閉。

2.1 燃燒器清吹及聯(lián)鎖保護(hù)

當(dāng)燃燒模式處在擴(kuò)散燃燒(初始)模式時(shí),20PG-5、20PG-6電磁閥帶電,清吹閥VA13-5、VA13-6打開(kāi),對(duì)PM4環(huán)管進(jìn)行持續(xù)吹掃。限位開(kāi)關(guān)33PG-9/33PG-10和33PG-11/33PG-12用于反饋清吹閥VA13-5的關(guān)/開(kāi)和清吹閥VA13-6的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。

放空閥VA13-13布置在兩個(gè)清吹閥之間,當(dāng)兩個(gè)清吹閥都關(guān)閉時(shí),電磁閥20VG-4帶電打開(kāi)來(lái)釋放兩個(gè)清吹閥間的壓力。一旦任一清吹閥未關(guān)到位將導(dǎo)致放空閥不能正常開(kāi)啟,閥間壓力達(dá)到設(shè)定值會(huì)觸發(fā)有關(guān)燃?xì)獯祾吖收系穆?lián)鎖保護(hù)。

2.2 燃燒器清吹及聯(lián)鎖保護(hù)

當(dāng)燃燒模式處在預(yù)混燃燒(PM)模式時(shí),20PG-1、20PG-2電磁閥帶電,清吹閥VA13-1打開(kāi),清吹閥VA13-2則是通過(guò)電-氣定位器65EP-G1P輸出4～20 mA模擬量信號(hào)來(lái)輸出閥位開(kāi)度指令,并對(duì)D5環(huán)管進(jìn)行持續(xù)吹掃。限位開(kāi)關(guān)33PG-1/33PG-2用于反饋清吹閥VA13-1的關(guān)/開(kāi)狀態(tài),限位開(kāi)關(guān)33PG-3/33PG-4/33PG-15用于反饋清吹閥VA13-2的全關(guān)/17%開(kāi)度/55%開(kāi)度狀態(tài)。

放空閥VA13-8布置在兩個(gè)清吹閥之間,當(dāng)兩個(gè)清吹閥都關(guān)閉時(shí),放空電磁閥20VG-2帶電打開(kāi)來(lái)釋放兩個(gè)清吹閥間的壓力。一旦任一清吹閥未關(guān)到位將導(dǎo)致放空閥不能正常開(kāi)啟,閥間壓力達(dá)到設(shè)定值同樣會(huì)觸發(fā)有關(guān)燃?xì)廨啓C(jī)吹掃故障的聯(lián)鎖保護(hù)。

3 清吹系統(tǒng)故障定義

判別清吹系統(tǒng)運(yùn)行工況的控制機(jī)理是通過(guò)清吹閥組的開(kāi)關(guān)反饋和清吹閥間的壓力開(kāi)關(guān)綜合定義的。

以D5清吹閥組為例,定義PG1為D5清吹系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),并對(duì)PG1賦值:PG1=0。具體策略如表2所示。

表2 D5清吹閥組運(yùn)行狀態(tài)判定方法

因?yàn)闄C(jī)組在運(yùn)行時(shí)表2中①～⑤代表的事件非“真”即“假”,當(dāng)對(duì)應(yīng)事件為“真”時(shí)PG1累加代表該事件的定值,故潛在共有25=32種不同的排列組合情況,并根據(jù)故障程度分別對(duì)這32種潛在的運(yùn)行工況定義為不同的故障類型參與邏輯判斷。其中9FA機(jī)組的VA13-2清吹閥為氣動(dòng)調(diào)閥,設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有顯示VA13-2開(kāi)反饋已到位的限位開(kāi)關(guān),而是需要通過(guò)邏輯綜合判定,邏輯判定的實(shí)現(xiàn)方式將會(huì)在本文的3.3章節(jié)單獨(dú)說(shuō)明。

PM4清吹閥組清吹狀態(tài)的計(jì)算公式與D5類似,定義PG3為計(jì)算累加結(jié)果并輸出,具體策略如表3所示。

表3 PM4清吹閥組運(yùn)行狀態(tài)判定方法

當(dāng)PM4清吹指令發(fā)出時(shí),壓氣機(jī)出口的排氣壓力>413 Pa,等效于PM4清吹閥間壓力高,任一條件為真都會(huì)使PG3=PG3+4累加。

3.1 清吹閥組關(guān)故障類型庫(kù)

根據(jù)已建立的累加公式可總結(jié)歸納出如圖2所示的清吹閥組關(guān)故障類型庫(kù)。其中橫坐標(biāo)(0～31)代表清吹期間不同運(yùn)行狀態(tài)的組合,縱坐標(biāo)代表清吹閥組(D5和PM4)在關(guān)閉過(guò)程中運(yùn)行正常與否的定義。

圖2 清吹閥組關(guān)故障類型庫(kù)

圖中縱坐標(biāo)為0代表清吹閥組關(guān)過(guò)程無(wú)故障,1、2、3、4分別代表清吹閥組在關(guān)閉過(guò)程中發(fā)生了#1類、#2類、#3類、#4類故障。

以縱坐標(biāo)為0時(shí)為例,對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)為9,即D5清吹閥組中VA13-1、VA13-2的關(guān)反饋到位(PM4清吹閥組中VA13-5、VA13-6的關(guān)反饋到位),清吹閥間清吹壓力不高。

3.2 清吹閥組開(kāi)故障類型庫(kù)

同理根據(jù)累加公式可總結(jié)出如圖3所示的清吹系統(tǒng)開(kāi)故障類型庫(kù)。其中橫坐標(biāo)(0～31)代表清吹期間不同運(yùn)行狀態(tài)的組合,縱坐標(biāo)代表清吹閥組(D5和PM4)在打開(kāi)過(guò)程中運(yùn)行正常與否的定義。

圖3 清吹閥組開(kāi)故障類型庫(kù)

圖中縱坐標(biāo)為0代表清吹閥組開(kāi)過(guò)程無(wú)故障,1、2分別代表清吹閥組在打開(kāi)過(guò)程中發(fā)生了#1類、#2類故障。

以縱坐標(biāo)為0時(shí)為例,對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)為22,即D5清吹閥組中VA13-1、VA13-2的開(kāi)反饋到位(PM4清吹閥組中VA13-5、VA13-6的開(kāi)反饋到位),清吹閥間清吹壓力高。

3.3 綜合判定清吹閥VA13-2開(kāi)到位的邏輯分析

為了準(zhǔn)確反饋清吹閥VA13-2能否滿足清吹的動(dòng)作要求,共設(shè)計(jì)了三個(gè)限位開(kāi)關(guān)結(jié)合不同運(yùn)行工況綜合判定的。其中l(wèi)33pg2c=1表示VA13-2清吹閥已關(guān)到位,l33pg2o=1表示VA13-2清吹閥17%已開(kāi)到位,l33pg2_3表示VA13-2清吹閥55%已開(kāi)到位,判斷邏輯流程圖如圖4所示。VA13-2清吹電磁閥動(dòng)作時(shí)間在0～90 s時(shí),且滿足一定的工況條件,都可綜合判斷VA13-2清吹閥已開(kāi)到位,不影響清吹系統(tǒng)正常工作,概括如下:

圖4 清吹閥VA13-2開(kāi)到位判別邏輯

(1) VA13-2清吹電磁閥動(dòng)作時(shí)間小于40 s,VA13-2清吹閥關(guān)反饋消失。

(2) VA13-2清吹電磁閥動(dòng)作時(shí)間在40～60 s之間,VA13-2清吹閥55%開(kāi)反饋到位。

(3) VA13-2清吹電磁閥動(dòng)作時(shí)間在60～90 s之間,D5清吹指令為真(L20PG1ON=1),且以下條件任一為“真”:①VA13-2清吹閥17%開(kāi)反饋到位;② 燃?xì)獯祾邷囟?240 ℉。

4 清吹系統(tǒng)控制策略

4.1 燃燒模式閉鎖

4.1.1 PPM模式閉鎖

機(jī)組在正常升/降負(fù)荷進(jìn)行模式切換的過(guò)程中,PM4清吹閥組清吹故障導(dǎo)致PPM閉鎖的邏輯流程圖如圖5所示。

圖5 PPM模式閉鎖

(1) 升負(fù)荷:當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在SPPM模式下,PM4停止清吹且延時(shí)達(dá)到8 s,PM4清吹閥存在“關(guān)”故障(包括#1類、#2類、#3類、#4類),觸發(fā)PPM模式閉鎖,負(fù)荷限制。

(2) 降負(fù)荷:PM4開(kāi)始清吹且延時(shí)達(dá)到50 s,PM4清吹閥存在“開(kāi)”故障(包括#1類、#2類),觸發(fā)PPM模式閉鎖,負(fù)荷限制。

最后當(dāng)故障消除后可由主控復(fù)位按鈕(L83MR1=1)來(lái)解除閉鎖繼續(xù)升降負(fù)荷進(jìn)行模式切換。

4.1.2 PM模式閉鎖

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在PPM模式向PM模式切換的過(guò)程中,D5燃料閥關(guān)閉,D5清吹閥組對(duì)D5環(huán)管進(jìn)行清吹,當(dāng)出現(xiàn)以下故障工況時(shí)會(huì)觸發(fā)PM模式閉鎖導(dǎo)致模切失敗,邏輯流程圖如圖6所示。

圖6 PM燃燒模式閉鎖

(1) 清吹壓力低:當(dāng)D5清吹指令發(fā)出,VA13-2清吹電磁閥動(dòng)作時(shí)間在45～60 s之間,D5清吹壓比仍小于94%。

(2) 燃?xì)獯祾邷囟鹊?當(dāng)機(jī)組已運(yùn)行在PM模式下,D5清吹指令發(fā)出,VA13-2電磁閥動(dòng)作時(shí)間大于60 s,D5清吹閥組的燃?xì)獯祾邷囟?240 ℉,延時(shí)15 min觸發(fā)。

(3) VA13-2清吹閥位置異常,當(dāng)機(jī)組已運(yùn)行在PM模式下,D5清吹指令發(fā)出,VA13-2清吹電磁閥動(dòng)作時(shí)間大于90 s,且以下任一為“真”,觸發(fā)PM模式閉鎖,負(fù)荷限制:①VA13-2清吹閥17%開(kāi)反饋到位;②VA13-2清吹閥關(guān)反饋到位。

(4) VA13-2清吹閥狀態(tài)故障:清吹指令開(kāi)始且延時(shí)50 s,D5清吹閥存在“開(kāi)”#2類故障。

(5) 運(yùn)行人員已事先選擇PPM基本負(fù)荷模式。故障消除后可由主控復(fù)位按鈕(L83MR1=1)來(lái)解除閉鎖繼續(xù)升降負(fù)荷進(jìn)行燃燒模式切換。

其中D5清吹壓比的計(jì)算公式為:

(1)

式中:C為壓氣機(jī)出口壓力絕對(duì)值,Pa,由式(2)計(jì)算得到;fp為燃料氣體歧管差壓,Pa;K為常數(shù)0.94%。

C=af+ck+cd

(2)

式中:af為大氣壓力,Pa;ck為默認(rèn)大氣壓力基準(zhǔn),Pa;cd為壓氣機(jī)排氣壓力,Pa。

4.2 自動(dòng)停機(jī)

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在擴(kuò)散燃燒模式下,以下條件任一滿足,觸發(fā)清吹系統(tǒng)故障導(dǎo)致機(jī)組自動(dòng)停機(jī),聯(lián)鎖邏輯流程圖如圖7示。

圖7 清吹系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)聯(lián)鎖邏輯

(1) D5清吹指令消失且延時(shí)8 s,D5清吹閥存在“關(guān)”#1類故障,觸發(fā)清吹系統(tǒng)故障(L93GPF=1)為真,機(jī)組自動(dòng)停機(jī)。

(2) PM4清吹指令發(fā)出且延時(shí)50 s,PM4清吹閥存在“開(kāi)”#1、#2類故障,觸發(fā)清吹系統(tǒng)故障(L93GPF=1)為真,機(jī)組自動(dòng)停機(jī)。

清吹系統(tǒng)故障自動(dòng)停機(jī)后會(huì)自動(dòng)閉鎖,待故障消除后可由主控復(fù)位按鈕(L83MR1=1)來(lái)解除閉鎖。

4.3 保護(hù)跳機(jī)

4.3.1 點(diǎn)火前清吹系統(tǒng)故障保護(hù)

點(diǎn)火前清吹系統(tǒng)故障的保護(hù)聯(lián)鎖邏輯如表4所示,當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到清吹轉(zhuǎn)速(TNH≥14%),點(diǎn)火器未點(diǎn)火狀態(tài)下,PM4清吹指令發(fā)出,清吹計(jì)時(shí)開(kāi)始后50 s,PM4清吹閥組“開(kāi)”狀態(tài)仍存在故障(LG3PFO_0=0),則點(diǎn)火前清吹系統(tǒng)故障(L4GPF_PI=1)為“真”,觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。

表4 點(diǎn)火前清吹系統(tǒng)保護(hù)聯(lián)鎖

4.3.2 主保護(hù)

清吹系統(tǒng)故障的主保護(hù)聯(lián)鎖邏輯如圖8所示。

圖8 清吹系統(tǒng)主保護(hù)聯(lián)鎖邏輯

(1) 對(duì)D5清吹閥組而言,當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在任一燃燒模式下(擴(kuò)散燃燒模式、SPPM模式、PPM模式、PM模式),D5停止清吹且延時(shí)達(dá)到8 s,D5清吹閥存在“關(guān)”#2、#3、#4類故障,觸發(fā)清吹系統(tǒng)故障(L4GPFT=1)為真,主保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。

(2) 對(duì)PM4清吹閥組而言,當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在PPM模式或PM燃燒模式下,PM4停止清吹且延時(shí)達(dá)到8 s,PM4清吹閥存在“關(guān)”#2、#3、#4類故障,觸發(fā)清吹系統(tǒng)故障(L4GPFT=1)為真,主保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。

5 結(jié)論

燃?xì)廨啓C(jī)清吹系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是燃?xì)廨啓C(jī)在帶負(fù)荷過(guò)程中燃燒模式能夠正常切換的前提,也是燃?xì)廨啓C(jī)安全高效運(yùn)行的保障。本文介紹了9FA燃?xì)廨啓C(jī)清吹系統(tǒng)的組成及吹掃過(guò)程,對(duì)清吹系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行深入解析,定義清吹系統(tǒng)不同的故障類型,分別對(duì)燃燒模式閉鎖、自動(dòng)停機(jī)、保護(hù)跳閘等控制邏輯進(jìn)行了詳細(xì)的闡述分析,對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的全面國(guó)產(chǎn)化具有較為重要的實(shí)際參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。