基于Ovation的超超临界锅炉FSSS系统设计

刘晓莎，王 林

(1.陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000； 2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054)

随着国民经济的不断发展，全社会用电负荷逐年增加，高参数、大容量、能够适应深度调峰需求的火力发电机组正受到越来越广泛的关注[1]。某地2×1 000 MW燃煤机组新建工程，依托国家科技支撑计划“1 000 MW高效宽负荷率的超超临界机组开发与应用”课题，选用了能够满足需求的国产超超临界参数新型直流锅炉。为实现机组在较宽负荷范围内依然保持较高效率的研究目标，该工程采用了国产新一代超超临界10 000 MW级锅炉，设计了由多支大油枪、微油枪及多层煤粉燃烧器组成的混合燃烧系统。炉膛燃烧器种类多，数量大，控制与操作难度高，使得机组的安全稳定运行面临极大挑战[2]。本文结合国产新型1 000 MW超超临界锅炉的技术特点，基于Ovation工业自动化控制系统，设计并建立了一套稳定高效的炉膛安全监控系统(Furnace Safeguard Supervisory System，简称FSSS)，经机组长期实际运行检验，该系统性能稳定可靠，能够有效保障人员和设备安全，避免锅炉发生爆燃、爆炸事故。该工程FSSS系统的相关构建经验对于同类型火电机组具有较高的参考价值。

1 锅炉燃料系统简介

本工程锅炉型号为DG3063.81/29.3-II1，为高效超超临界参数变压运行的直流锅炉。锅炉整体采用了∏式布局，前后墙对冲燃烧方式，最下层煤粉燃烧器配备有微油点火装置作为启动点火源。锅炉整体布置如图1所示。

图1 锅炉整体布局

该工程锅炉主要设计参数如表1所示。

表1 锅炉主要设计参数

1.1 制粉系统

该工程锅炉共配备有6套正压直吹式制粉系统，每套制粉系统包括1台ZGM133N-II型中速辊式磨煤机、1台电子称重式皮带给煤机以及8支旋流煤粉燃烧器。燃用设计煤种时，5台磨煤机运行，机组即能带长期满负荷运行。煤粉燃烧器选用了自主开发设计的外浓内淡型低NOx旋流煤粉燃烧器，每层共有8支煤粉燃烧器，对应一台磨煤机。所有48支煤粉燃烧器分前后墙各3层布置，其中，从上到下，前墙为1号、2号、3号磨，后墙为4号、5号、6号磨，形成对冲燃烧方式。

1.2 燃油系统

全炉共有32支大油枪(对应1号、2号、4号和5号共4台磨煤机)及16支微油枪(对应下层3号和6号两台磨煤机)，所有油枪均采用机械雾化方式，油角阀为气动阀。炉前燃油平台设计有进油快关阀、回油快关阀、回油调节阀以及泄露试验阀。

1.3 火焰检测系统

该工程火焰检测探头(简称火检探头)基于光电传感器，能够可靠感受煤粉火焰及油枪火焰所发出的可见光，从而判断火焰有无及强弱[3]。油火检、煤火检探头各48个，伸入炉膛直面火焰。为保证所有火检探头处于正常工作温度，本工程设计有2台火检冷却风机，利用管路将冷空气分配给各火检探头降温，1台风机运行时，另1台处于备用状态。整个火焰检测系统可靠性较高。

2 基于Ovation的FSSS系统构成

电厂锅炉因意外故障发生灭火后，炉膛内积聚大量煤粉、油雾、一氧化碳等各类粉尘及可燃物，如遇明火，将引起炉膛爆炸，造成重大人员设备损失。为实现锅炉安全点火，实时在线监视炉内燃烧状况，并及时处置意外灭火，设计并建立了炉膛安全监控系统(又称为燃烧器管理系统)[4-5]。

本工程FSSS系统基于工业自动化控制软件Ovation搭建，Ovation在电力领域应用广泛，是一款优秀的电厂DCS软件，具有配置灵活，可靠性高，总线应用功能强大，人机交互性能好等优点[6]。典型的火电厂Ovation系统架构如图2所示。

图2 Ovation架构图

从图2中可知，Ovation系统主要由工作站、工作网络、控制器以及就地设备[7]。工作站是编程中心(建立控制逻辑)、数据库(存储程序、历史数据)，又是操作中心(监视和控制工业过程的操作员人机接口)。工作网络基于高速以太网，利用交换机实现操作指令、就地反馈等各类数据的传输交流。控制器是由各类卡件搭建起来的控制中枢，其一端连接工作站，一端连接受控设备。就地设备包含电厂锅炉、汽机、电气、化学等专业用于完成发电过程的所有设备。

3 基于Ovation的FSSS系统功能

炉膛安全监控系统包括燃烧器控制系统和炉膛安全系统，它能够连续实时地监视锅炉各项运行参数，一旦出现危及运行安全的事故工况，即可自动切断入炉所有燃料，实现锅炉紧急停炉，从而避免炉膛发生爆燃爆炸[8-9]。该工程FSSS系统主要功能由以下部分组成：锅炉保护系统、燃油控制系统、燃煤控制系统。

锅炉保护系统设计的主要功能有：炉膛吹扫、锅炉主燃料跳闸保护(Main Fuel Trip，简称MFT)、燃油泄漏试验、油燃料跳闸保护(Oil Fuel Trip，简称OFT)、锅炉点火允许条件等。燃油控制系统主要功能包括油枪组各设备的独立操作，成组操作，油燃烧器的保护跳闸及跳闸原因首出记忆。燃煤控制系统主要功能包括磨煤机、给煤机的程控操作，煤燃烧器的投入退出等。下面对系统的关键保护功能进行详细阐述。

3.1 锅炉吹扫

锅炉点火前，必须进行炉膛吹扫，这是锅炉防爆规程中基本的防爆保护措施。在锅炉对流烟井、烟道和将烟气送至烟囱的引风机等处均有可能积聚过量的可燃物，当这种可燃物与适当比例空气混合，遇到点火源时，即可能引燃而导致炉膛爆炸。炉膛吹扫的目的是将炉膛内的残留可燃物质清除掉，以防止锅炉点火时发生爆燃[10]。

吹扫过程：MFT后触发“请求吹扫”信号，启动一次吹扫条件检查(一次吹扫条件是在MFT动作后能自动满足的条件，主要是燃料条件)；当无风挡板闭锁条件且一次吹扫条件满足后，发送一个15 s的指令到调节系统，设置二次风调节挡板到达吹扫位(开度100%)；烟温调节挡板强制打开至吹扫位(开度100%)，然后检查二次吹扫条件(二次吹扫条件主要是通过调整风挡板来满足的风系统的条件)；当二次吹扫条件满足后，可以手动触发“吹扫启动”，开始5 min的炉膛吹扫计时。各吹扫条件具体内容如图3所示。

图3 锅炉吹扫功能块

在此期间，若有任一吹扫允许条件丧失，则自动“吹扫中断”，要求重新开始计时吹扫，待条件重新满足后由运行人员重新启动吹扫；当吹扫计时满5 min时，DCS画面亮起“吹扫完成”指示。吹扫完成后，发2 s脉冲信号，复位MFT跳闸输出及首出记忆信号。锅炉吹扫流程图如图4所示。

3.2 主燃料跳闸保护(MFT)

MFT是锅炉安全保护的核心部分，由跳闸条件、保护逻辑、跳闸输出继电器及跳闸条件首出记忆等组成。为了保证保护系统的可靠性，保护系统中所用信号都

图4 锅炉吹扫流程图

由专用检测元件及可靠的变送器提供，重要信号多采用多个检测信号进行判断后引入保护。Ovation搭建的MFT功能块画面如图5所示。

图5 锅炉MFT功能块

MFT功能块中所列出的条件，任意一项满足时，发生主燃料跳闸，即MFT保护动作，所有入炉燃料被切断，燃烧器停运。

为了保证在发生MFT后，能够迅速准确地判断事故原因，系统中设计了对MFT跳闸原因的首出记忆，并在画面上显示出来供运行人员判断跳闸原因。锅炉吹扫完成后发脉冲复位MFT首出记忆。

MFT保护触发后，指令信号将通过逻辑回路处理后，下发至就地设备(此方式称为软逻辑)。部分重要设备，为提高可靠性，单独连接一路线缆(称为硬接线)至DCS，MFT触发后，停止指令不经逻辑处理直接下发就地跳闸。本工程锅炉MFT后具体动作设备如表2所示。

表2 主燃料跳闸保护动作设备

3.3 燃油泄漏试验

燃油泄漏试验是为防止燃油泄漏而对油母管、油快关阀及各层分油阀所做的严密性试验(见图6)。操作人员在每次吹扫前根据实际情况，可选择进行燃油泄漏试验或旁路燃油泄漏试验，但在油系统管路经过维修，初次投运或较长时间未投运油系统时，燃油泄漏试验不得旁路。

燃油泄漏试验允许条件有：

(1)供油母管压力正常(油压>3.3 MPa)；

(2)所有油枪供油阀关闭；

(3)燃油系统进油快关阀关闭；

(4)燃油系统回油快关阀关闭；

(5)入炉总风量>30%满负荷风量；

(6)燃油泄漏试验旁路按钮未启用；

(7)燃油系统仪用压缩空气压力正常(气压>0.6 MPa)；

(8)锅炉MFT动作后延时>10 min。

整个燃油泄漏试验包括充油、保压、泄油等步骤。

3.4 油燃料跳闸保护(OFT)

为了燃油安全性，在一定的条件发生时，必须及时切断进入锅炉的油燃料。当任一OFT条件发生，就会发出OFT信号，关闭进油快关阀、回油快关阀和所有的油阀，当满足复位条件后，OFT信号复位。在OFT发生的同时，会通过首出记忆记录产生OFT的原因。油燃料跳闸条件如表3所示。

3.5 锅炉点火允许条件

为保证安全，锅炉点火前必须满足“点火允许条件”，部分点火许可条件有：

(1)主燃料跳闸(MFT)信号被复位；

(2)火检冷却风机运行，出口风压正常；

图6 燃油泄漏试验流程图

表3 油燃料跳闸触发条件

(3)锅炉总风量>30%满负荷风量；

(4)给水流量大于386 t/h(MFT动作低值)；

(5)炉膛吹扫完成。

投油及投煤还设计有专门的许可条件。

4 应用与检验

该工程1号机组于2019年12月3日首次带满负荷运行，现场开展了锅炉过热器侧安全阀整定工作。由于升负荷速率较大，炉膛温度在短时间达到较高数值，水冷壁及屏式过热器结附的焦块大量脱落，坠入捞渣机中。熔融的高温焦块使得捞渣机内水迅速蒸发汽化，大量水蒸气自下而上进入炉膛。

升腾而起的水蒸气干扰了火检探头，画面上燃煤火检自下而上逐层失去，最终触发MFT，磨煤机、给煤机、一次风机迅速跳闸，切断入炉煤粉。供回油快关阀关闭。事后查看画面，MFT首出原因报“失去临界火焰”，OFT首出原因为“MFT”。

临界火焰，指的是所有投运的燃烧器在10 s内，有超过总数1/4的燃烧器火检信号丧失，即认为炉膛燃烧显著恶化，需要紧急停炉。

在上述情形下，本工程搭建的FSSS系统反应灵敏，判断准确，及时触发保护，跳闸相关设备，最终有效保障了锅炉的运行安全。

5 结 论

随着机组蒸汽参数不断提高，锅炉燃烧系统变得更加复杂，本文以国产新一代1 000 MW超超临界锅炉为对象，基于Ovation软件搭建了锅炉炉膛安全监控系统，功能完备，性能可靠，经现场实际检验，系统保护动作及时准确，能够有效避免炉膛爆燃与爆炸事故。该工程FSSS系统相关构建经验可供后续同类机组参考。