超临界循环流化床锅炉主保护分析与优化

华北电力科学研究院有限责任公司 孙付成 余 超 北京华科同和科技有限公司 马 杰

常规煤粉炉运行工况恶化危及锅炉安全时会触发MFT（Main Fuel Trip），切断所有入炉燃料、使锅炉热负荷降至最低，保证锅炉及各辅助设备安全。循环流化床锅炉依靠物料循环实现燃烧和传热，当运行工况恶化、触发主燃料跳闸切断入炉燃料后，较高的床温及床料中大量未燃尽的可燃质会在风机流化作用下继续燃烧并对外放热，锅炉热负荷仍处较高水平，为保证事故工况下能尽快降低锅炉热负荷，循环流化床锅炉在MFT的基础上增加了BT（Boiler Trip），除触发MFT外还会联锁跳闸相应风机使炉内床料停止流化。

1 机组介绍及MFT保护设置

本机组为东方锅炉厂制造的超临界循环流化床锅炉，单炉膛、M型布置、平衡通风、一次中间再热、高温汽冷旋风分离器；高过、高再布置在炉膛内，低过、低再以及省煤器布置在后烟井。配备两台一次风机，三台高压流化风机，一台二次风机及两台引风机。十台给煤机均匀布置在锅炉前墙，五台滚筒冷渣器均匀布置在锅炉后墙下部，一次流化风自炉后底部四个点火风道送入水冷风室，通过布风板对床料进行流化，每个点火风道内布置一支点火油枪用于加热一次流化风。机组采用DCS控制系统，通过炉膛安全监控系统FSSS实现锅炉的主保护。超临界循环流化床锅炉主保护主要包括锅炉跳闸BT、主燃料跳闸MFT、油燃料跳闸OFT，其中油燃料跳闸（OFT）设置与常规煤粉炉一致。

1.1 MFT联锁跳闸设备

当锅炉燃烧失稳达到一定条件，为防止工况恶化触发MFT，通过遮断入炉燃料快速降低燃烧率。机组不解列、风机维持运行，待炉膛吹扫完毕、各系统调整正常后方可再次点火。触发MFT联锁跳闸设备：跳闸给煤机、跳闸煤泥系统、跳闸燃油系统、跳闸石灰石给料系统、送MFT信号至灰硫、触发OFT、跳闸滚筒冷渣器、二次风量控制切手动/二次风门置吹扫位、一次风量控制切手动、跳闸吹灰系统、跳闸减温水系统、跳闸SNCR脱硝、退点火枪、关给煤机出口门。

1.2 MFT跳闸条件

BT动作。相对于MFT锅炉BT的安全级别更高，当锅炉超出安全运行工况危及设备安全时，BT条件触发，锅炉跳闸，联锁触发MFT；手动MFT。当锅炉达到MFT触发条件而MFT逻辑动作失效或锅炉处于其他超出MFT触发条件的恶性工况时，运行人员手动触发MFT；总风量＜25%。为保证炉内正常燃烧及物料循环，避免因氧量不足导致的燃烧不充分或炉内爆燃，锅炉运行总风量不允许低于BMCR工况下总风量的25%，当总风量＜25%，延时5s触发MFT。

炉膛压力高高OR低低。正常工况下炉膛出口维持微负压运行，当炉内燃烧工况不稳定，导致设置在炉膛出口的三个高二值或低二值压力开关中的任意两个动作，为防止锅炉外爆或內爆需降低锅炉燃烧，触发MFT；一次风量＜临界流化风量，且任一给煤机或油枪投入，延时60s。一次流化风的作用是维持炉内物料循环和提供燃料初期燃烧所需氧气，物料在流化过程中完成燃烧并与受热面进行换热，当一次流化风量低于临界流化风量时，炉内正常的物料循环被打破，若此时已投入燃料，燃料留存于高温床料内流化不良，存在高温结焦的风险，若60s内无法恢复一次流化风量则触发MFT。

无给煤机运行、无油枪投入，全部油枪2min内连续两次点火失败。循环流化床锅炉后墙底部布置四个热一次风点火风道，每个点火风道内各布置一支油枪，用于锅炉启动过程中加热一次流化风，被加热的一次流化风在水冷风室内汇合后通过布风板对床料进行流化和升温。当无给煤机运行且无油枪投入时，即首次着火前四个点火风道内的任意油枪点火失败，须以当前风量对点火风道和水冷风室进行吹扫。若首次着火前2min内连续两次点火失败，为避免未着火的燃油在点火风道或水冷风室内积聚遇火爆燃，需触发MFT，待炉膛吹扫后再进行点火。

点火记忆后全燃料丧失且床温＜700℃。任意给煤机运行延时60s或任意油枪投运延时60s触发点火记忆，点火记忆触发后所有油枪油角阀均关闭或供油快关阀关闭，且给煤机均跳闸、即全燃料丧失，若此时平均床温≥700℃，床料中可燃物含量较低，直接投入燃料点火即可恢复燃烧；若此时平均床温＜700℃，床温偏低，床料及炉膛内存在未燃尽的可燃质，为防止点火过程中炉内可燃质爆燃，需触发MFT，对炉膛进行充分吹扫后再进行点火。

任一给煤机运行时平均床温＜650℃且未投油。循环流化床锅炉多以低阶煤为主要燃料，燃煤挥发分含量较低、着火温度高，当床温＜650℃，煤的燃尽率较差甚至达不到着火温度，此时若无油枪投运则床温无法维持稳定上涨，且床料中的可燃质大量累积，达到一定程度存在爆燃风险，需触发MFT，重新吹扫后先投油再投煤。

床温＞1000℃。床温是循环流化床锅炉运行的重要参数，反映了炉内的燃烧工况，一般循环流化床的床温控制在850～920℃，此温度范围内炉内脱硫效率较高，且有利于抑制热力型NOx的生成。当床温过高时床料存在高温结焦的风险。在锅炉布风板以上50cm处的前后墙水冷壁上布置有14个床温测点，其中前墙对称布置8个、后墙对称布置6个温度测点，对全部14个床温测点进行分区，前墙左侧、前墙右侧各4个测点，后墙左侧、后墙右侧各3个测点，为避免床料结焦，4个区域任一区域内超过两个测点温度＞1000℃，触发MFT。

任一旋风分离器出口温度高＞1030℃。循环流化床锅炉出口布置3个旋风分离器，旋风分离器出口中心筒为合金钢轧制而成，绝热布置，在每个旋风分离器出口各布置3个温度测点，分离器出口烟道为绝热布置的重型炉墙，砌筑大量耐火耐磨材料。分离器出口温度过高时中心筒和分离器出口烟道耐火材料存在烧损脱落风险；同时分离器出口温度过高反映了炉内温度场分布失衡，水冷壁及过再热系统存在超温风险，当任意一个旋风分离器出口的任意两个温度测点＞1030℃，为避免燃烧工况恶化以及烟道烧塌，触发MFT。

2 BT保护设置

2.1 BT联锁跳闸设备

当机组发生重要辅机跳闸、燃烧传热恶化或系统阻塞时，维持锅炉安全运行的条件失去，必须触发BT跳闸锅炉各个系统以保证设备及系统安全。触发BT联锁跳闸设备：触发MFT；跳闸一次风机；跳闸二次风机；若两台引风机运行，脉冲信号跳闸出力大的引风机；跳闸汽轮机。

2.2 BT跳闸条件

引风机全停。当引风机全停时炉膛负压无法维持，为防止锅炉外爆，触发BT。引风机全停触发BT仅发3s脉冲，避免长信号一直存在导致风机无法再次启动，BT无法复位；一次风机全停且任一油枪或给煤机投入。一次流化风的作用是维持炉内物料循环和提供燃料初期燃烧所需氧气，当一次风机全停，床料无法流化，若此时已投入油枪则油枪失去助燃风，可能导致油枪灭火或燃油积存，若此时已投入给煤机则存在床料结焦的风险，且热态运行中一次风机跳闸会导致炉膛压力骤降，存在内爆风险，为避免恶性事故触发锅炉BT。

二次风机全停。二次风作为锅炉燃烧燃尽的主要配风，对于燃料的后期燃烧和物料循环具有重要意义。机组协调方式下二次风量与燃料量正相关，同时通过微调维持锅炉氧量处在合理范围内。当二次风机全停，锅炉燃烧所需氧量不足，导致炉内可燃质大量积累，存在爆燃风险；而且二次风机全停瞬间送风量迅速下降，锅炉存在内爆风险，故触发锅炉BT。类似引风机全停、二次风机全停触发BT仅发3s脉冲。

流化风母管压力＜30kPa延时60s，或高流风机全停。高流风机为返料器立管和料腿提供流化风和松动风，保证锅炉正常物料循环。因立管料位需克服旋风分离器与床层间的巨大差压，所以要求流化风压头较高。一般设置三台高流风机、两台运行一台备用，当两台运行风机中任意一台跳闸会联启备用风机；或当流化风母管压力低于一定值（40kPa）时联启备用风机以保证母管压力，确保返料正常。当流化风母管压力低低（＜30kPa）时，由于沿程阻力的存在，立管及返料腿处风压更低，不足以克服立管及返料腿内的料位压差而导致返料失败，物料循环被打破，含有较多可燃质的高温循环灰会立即沉降在返料器内造成物料循环中断且存在结焦的可能，为给备用风机联启足够的时间，在流化风母管压力低低的基础上延时60s触发BT。同理，当高流风机全停时高压流化风失去，也需触发BT。

空预器跳闸。当空预器跳闸，空预器转子一侧在高温烟气中受热膨胀、另一侧在空气中放热收缩，可能会造成转子的永久变形，严重的会导致转子报废，造成重大经济损失。空预器主辅电机互为联锁备用，当运行电机跳闸时备用电机会联锁启动，为避免运行电机跳闸后转子惰走与联启电机间存在的转速差导致传动齿轮受损，备用电机联锁启动会设置一定延时，一般延时5～10s，因此当运行电机跳闸15s后备用电机仍未联启则认为空预器跳闸，触发BT。此外电机通过减速箱与转子相连接，当减速箱故障导致电机脱扣或联轴器断裂，空预器转子也会停转，为避免此情况发生，在转子轴上设置有停转检测装置，实际运行过程中转子停转信号存在误发风险，为避免信号误发导致的机组非停，在转子停转信号的基础上与上空预器出口烟温高信号，即空预器停转信号触发且空预器出口烟温测点4取2高于180℃时认为空预器已跳闸，触发BT。

炉膛压力高高高或低低低。当炉膛压力过高或过低，导致炉膛出口3个高三值或3个低三值压力开关3取2动作时，为防止锅炉外爆或內爆，触发锅炉BT。

给水流量低且床温＞350℃或点火记忆触发。最低给水流量是保证锅炉水冷壁安全的底限，给水流量过低会导致水动力不足而产生热偏差，使膜式水冷壁产生较大热应力，严重影响锅炉的安全运行。循环流化床锅炉热惯性大，一旦缺水后果会比常规煤粉炉更严重。正常运行过程中，循环流化床锅炉床层作为炉内最高温度点反映了炉内的燃烧状况，用床温作为给水流量高低的判定依据是合理的，当床温＞350℃或锅炉已点火，若给水流量低于一定值即触发锅炉BT。

手动BT。当锅炉达到BT触发条件而BT逻辑动作失效或锅炉处于其他超出BT触发条件的恶性工况时，运行人员手动触发BT。

给水泵全停且床温＞350℃或点火记忆触发。锅炉运行过程中给水泵全停，锅炉失去给水，炉内大量高温循环物料及锅炉本体蓄热得不到有效冷却，锅炉各受热面将严重超温，必须触发BT将炉内燃烧降至最弱。针对循环流化床的燃烧特点，即使锅炉已经灭火但炉内大量高温循环物料仍会对受热面进行加热，所以当床温＞350℃、给水泵全停也必须触发BT。

汽水分离器出口温度＞475℃。超临界锅炉为直流运行，不存在固定的汽水分界面，通过分离器出口过热度控制汽、水侧工质分配，实现蒸发段与过热段的平衡。正常运行过程中一般控制过热度15～30℃，当汽水分离器出口温度＞475℃、过热度＞101℃，蒸发段与过热段分界点前移，水冷壁内过热段过大，炉内热负荷过高，汽水系统与烟风系统换热失衡，锅炉各受热面均存在超温风险，触发BT。

汽机跳闸且负荷＞30%。机组运行时汽机跳闸，蒸汽通路阻断，锅炉存在超压风险。机组设置40%高低压二级串联旁路，汽机跳闸后可以通过旁路卸压以维持蒸汽通路畅通，但为防止高负荷下旁路开启所带来的热冲击，旁路开启需要预暖，且高负荷下旁路开启后高低旁阀后温度限制了旁路的开度，综合以上因素，并通过运行实践确定30%机组负荷作为汽机跳闸后锅炉维持运行不超压的临界值，当机组负荷＞30%时发生汽机跳闸，触发BT。

蒸汽阻塞（高主门或高调门全关且高旁全关，或中主门或中调门全关且低旁全关）且平均床温＞650℃。循环流化床高温再热器布置在炉膛内，管材许用温度不超过650℃，当再热器系统无蒸汽流通时应确保屏式再热器底部烟温＜650℃。当锅炉床温＞650℃时，高主门或高调门全关且高旁全关，可通过开启对空排汽或PCV来形成蒸汽通路，对过热器系统进行冷却，但再热器内无蒸汽流通而处于干烧状态；同理，当中主门或中调门全关且低旁全关时，再热器内蒸汽不流通，处于干烧状态，为保护再热器不超温触发BT。

灰硫跳闸。包括两类：一是灰硫系统烟道阻断，烟风系统存在超压外爆风险，触发BT；二是防超温保护设备，除尘器布袋允许连续运行温度为170℃，当除尘器入口烟温＞180℃，为保护布袋触发BT；浆液循环泵全停，脱硫吸收塔内浆液喷淋停止，较高的烟温可能会使吸收塔内的除雾器等材料着火燃烧，所以当浆液循环泵全停且净烟气温度升高至80℃时，为保护脱硫塔触发BT。

FSSS电源故障。为提高可靠性FSSS设计为软硬双回路，即BT触发后FSSS柜发出的跳闸信号会通过硬接线和软逻辑分别动作相应设备进行跳闸。当FSSS电源故障，若此时BT触发，FSSS柜跳闸设备的信号无法发出，就地设备接收不到跳闸信号而继续运转会严重威胁锅炉安全。为避免FSSS电源故障期间的“保护真空”，当FSSS电源故障直接触发BT。

主蒸汽压力高＞28.17MPa。锅炉高温过热器左右侧出口管道上各布置有3个压力测点，当锅炉超压时高温过热器出口EPRV和安全阀依次动作，若EPRV或安全阀达到压力而未启座或启座后主汽压力仍持续上升，作为后备保护手段，当主汽压力＞28.17MPa触发BT。

3 主保护优化

循环流化床含有大量床料，点火启动初期需投入大量燃油对床料进行加热至投煤点火温度（450℃），此过程中床料处于循环流化状态，床料被热一次风加热的同时不断向水冷壁及过再热器放热。而锅炉最低给水流量限制了给水量的下限，导致启动初期床温较低时锅炉给水量也维持在较高水平，延长了机组启动时间，也消耗了大量燃油。为降低启动初期的热量流失、缩短机组启动时间，参考锅炉压火工况下的给水流量曲线将最低给水流量定值修改为折线函数，即床温较低时最低给水流量处于低值，随着床温不断升高，最低给水流量不断升高直至320t/h（图1）。经机组试运检验，该最低给水流量曲线既能保证不同床温下的水冷壁安全，又缩短了启动时间。

图1 最低给水流量曲线

根据床温，循环流化床启动分为热态启动和冷态启动，当床温＜650℃锅炉处于冷态，床料中可燃质含量大，为避免点火时炉内爆燃，炉膛吹扫需启动引风机、二次风机和一次风机使床料处于流化状态，维持吹扫风量3min，以确保床料中的可燃质能可靠燃烧和吹空。当床温＞650℃锅炉处于热态，较高的床温能保证床料内的可燃质处于较低水平，为防止吹扫过程中床温快速下降，热态启动前吹扫无需启动一次风机，只需二次风机和引风机对床料上部炉膛空间进行吹扫且吹扫时间为60s。

当锅炉BT后热态恢复时，为避免锅炉压力下降过快导致锅炉蓄热耗散，锅炉点火前汽机高低旁处于关闭状态，此时蒸汽阻塞一直处于触发状态，导致锅炉无法热态恢复点火，为避免启动过程中频繁投退保护，在蒸汽阻塞中引入机组负荷判断，当机组负荷＞10%蒸汽阻塞触发BT。经机组试运检验，当负荷＜10%、炉膛内屏式再热器底部烟温＜650℃，再热器处于安全运行范围内。

结论：超临界循环流化床锅炉主保护是在设计院及锅炉厂初设基础上，经调试过程不断探索改进而来，能保证在锅炉危险工况下可靠动作，避免设备损坏及事故恶化。