王默（北京國電智深控制技術有限公司，北京 102200）

王耀（東北電力大學，吉林 吉林 132012）

王疆（北京國電智深控制技術有限公司，北京 102200)

FSSS在1000MW超超臨界二次再熱機組中的應用

王默（北京國電智深控制技術有限公司，北京 102200）

王耀（東北電力大學，吉林 吉林 132012）

王疆（北京國電智深控制技術有限公司，北京 102200)

FSSS作為電站鍋爐保護的重要系統(tǒng)廣泛應用于大型火力發(fā)電機組的鍋爐保護中。本文根據(jù)國內(nèi)首臺1000MW級二次再熱機組——國電泰州二期2×1000MW超超臨界二次再熱機組的實際情況,對該機組FSSS功能組成和邏輯設計進行總結(jié)和分析,歸納了1000MW超超臨界二次再熱機組FSSS系統(tǒng)的獨有特點。通過典型一、二次再熱機組的對比,重點探討了MFT跳閘條件及跳閘后動作的邏輯設計。

超超臨界；二次再熱；FSSS；MFT

1 引言

鑒于我國能源結(jié)構(gòu)多煤、貧油、少氣的特點，火力發(fā)電在今后若干年內(nèi)仍然是主要的發(fā)電方式。隨著能源的枯竭和環(huán)境污染的加劇，提高燃煤機組的效率和降低環(huán)境污染物的排放成為目前火力發(fā)電發(fā)展的首要方向。大容量超超臨界二次再熱技術能夠提高機組的熱效率，減少CO2、NOx的排放，成為火力發(fā)電機組建設的熱點[1]。近十年來，我國對600MW級和1000MW級一次再熱技術引進，消化吸收，優(yōu)化創(chuàng)新，使我國在大容量超超臨界一次再熱機組的發(fā)展達到世界先進水平，為我國發(fā)展二次再熱機組奠定了良好的基礎[2]。國電泰州二期2×1000MW超超臨界二次再熱機組是我國發(fā)展大容量、高參數(shù)機組的示范工程，也是我國在1000MW超超臨界二次再熱機組建設的首次嘗試。該項目的建設為我國700℃燃煤發(fā)電技術的研發(fā)提供二次再熱機組的建設經(jīng)驗。本文以國電泰州二期2×1000MW機組的鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)為范例，對1000MW超超臨界二次再熱機組的特點及FSSS系統(tǒng)控制策略進行分析。

2 機組概況

國電泰州機組采用的二次再熱技術是指主蒸汽進入超高壓缸做功后在一次再熱器加熱形成高壓再熱蒸汽，高壓再熱蒸汽進入高壓缸做功后在二次再熱器中加熱形成低壓再熱蒸汽，低壓再熱蒸汽進入中壓缸做功，整個做功過程蒸汽進行了兩次再加熱。該機組設計蒸汽參數(shù)為31MPa/600℃/613℃/613℃，煤耗為256.2g/ kWh，發(fā)電效率將高達47.94%，比當前世界最好的二次再熱機組提高近1%[3]。鍋爐由上海鍋爐有限公司制造，直流爐、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式布置如圖1所示。一共配置6臺ZGM 133G型中速磨煤機，其中5臺運行，1臺備用。燃燒系統(tǒng)采用從APBG公司引進的低NOx切向燃燒技術，具有著火穩(wěn)定、燃燒效率高、首創(chuàng)的燃燒器擺動調(diào)溫功能等優(yōu)點。

圖1 二次再熱塔式爐結(jié)構(gòu)示意圖

3 FSSS功能組成

FSSS是大型火力發(fā)電機組自動控制和自動保護系統(tǒng)的重要的組成部分。FSSS本質(zhì)功能是保證鍋爐設備的安全，其作用可分為三個階段：鍋爐點火前、鍋爐運行中、鍋爐處于危險工況。鍋爐點火前進行油泄漏試驗和爐膛吹掃；鍋爐運行中進行燃燒器的管理；鍋爐處于危險工況時，依據(jù)滿足的不同條件分別進行MFT、OFT、RB等。FSSS功能組成如圖2所示：

圖2 FSSS功能組成框圖

4 FSSS邏輯設計

國電泰州二期2×1000MW超超臨界二次再熱機組DCS系統(tǒng)采用國電智深控制技術有限公司生產(chǎn)的EDPF NT+系統(tǒng)。FSSS的控制邏輯分別分布在DROP1、DROP2、DROP3、DROP4、DROP5、DROP6、DROP7、DROP8、DROP9等9個控制站共18對DPU。筆者將按照FSSS的功能組成來分析國電泰州二次再熱機組FSSS各個功能的邏輯設計。

3.1 油泄漏試驗

油泄漏試驗是防止燃油從油閥或管道中泄漏，避免燃料聚集。油泄漏試驗是對進油母管燃油關斷閥、回油母管燃油關斷閥及油角閥的密閉性所做的試驗。油泄漏試驗分為兩步：首先試驗回油母管燃油關斷閥及油角閥；然后試驗進油母管燃油關斷閥。

3.2 爐膛吹掃

爐膛吹掃是鍋爐點火前和MFT跳閘后重新點火防止燃料聚集最為有效的手段。爐膛吹掃可以有效的吹散和稀釋聚積在爐膛內(nèi)的燃料，使其在爐膛內(nèi)的濃度不能達到爆炸的程度。NFPA-8502標準要求一定條件下，鍋爐通風5分鐘或者換氣3次。盡管現(xiàn)場驗證換氣3次比鍋爐通風5分鐘需要的時間更長吹掃效果更好，但是換氣3次不方便邏輯判斷，“爐膛吹掃”邏輯選用5分鐘來計算吹掃強度。爐膛吹掃條件邏輯示意圖如圖3所示。

圖3 爐膛吹掃條件邏輯示意圖

3.3 主燃料跳閘MFT

MFT是FSSS的核心內(nèi)容，其作用當鍋爐處于危險工況時，迅速切斷進入爐膛的所有燃料，以保證鍋爐設備和人身安全[5]。MFT邏輯部分可分為MFT跳閘條件、MFT跳閘動作、MFT跳閘首出原因。在設計MFT跳閘條件時，可以從如下五個方面考慮：機爐聯(lián)鎖引發(fā)MFT、風系統(tǒng)失去平衡引發(fā)MFT、燃料系統(tǒng)失去平衡或燃燒工況不穩(wěn)定引發(fā)MFT、水系統(tǒng)失去平衡引發(fā)MFT、過熱蒸汽和再熱蒸汽通道異常引發(fā)MFT。

3.3.1 MFT跳閘條件

當下列任一條件滿足時，F(xiàn)SSS系統(tǒng)立即切斷進入爐膛的所有燃料，使機組停止運行，并顯示記憶首出跳閘原因：

（1）汽輪機跳閘：若鍋爐負荷＞20%，汽輪機跳閘延時10秒，鍋爐MFT；若負荷＜20%，汽機跳閘延時10秒，且旁路無效延時3秒，鍋爐MFT。

圖4 汽輪機旁路系統(tǒng)

國電泰州機組汽輪機采用五缸四排氣、單軸串聯(lián)布置，五個氣缸：超高壓缸、高壓缸、中壓缸、兩個低壓缸[4]。與一次再熱機組相比，汽輪機旁路系統(tǒng)在原有高、低壓旁路的基礎上，增加了中壓旁路系統(tǒng)，共三級旁路（如圖4所示）。三級旁路系統(tǒng)設有：四個高壓旁路調(diào)節(jié)閥、兩個中壓旁路調(diào)節(jié)閥、兩個低壓旁路調(diào)節(jié)閥。比較一次和二次再熱機組“汽輪機跳閘”邏輯設計（如圖5和圖6所示），其中“旁路無效”條件的邏輯設計二者是有區(qū)別的。二次再熱機組的“旁路無效”是指高旁閥均關、中旁閥均關、低旁閥均關至少滿足其中一條。

圖5 典型1000MW一次再熱機組汽輪機跳閘邏輯設計

（2）兩臺送風機全停。

（3）兩臺引風機全停。

（4）兩臺空預器主、輔電機全停。

（5）爐膛壓力高高。

（6）爐膛壓力低低。

（7）爐膛總風量＜25%

圖6 國電泰州二次再熱機組汽輪機跳閘邏輯設計

NFPA-8502標準要求從爐膛吹掃到鍋爐啟動及鍋爐運行的整個過程中要保持總風量不小于吹掃風量，由于吹掃風量設計為25%～40%，觸發(fā)MFT跳閘的風量設計為20%[6]。該標準同樣給出了吹掃風量為25%～40%的原因：最小風量控制在25%的目的是吹掃徹底，而風量小于40%是防止將灰斗中的陰燃物揚起。

（8）喪失火檢冷卻風。

（9）全燃料喪失。

（10）全爐膛滅火。

（11）給水泵全停。

（12）分離器貯水箱壓力＜18MPa，分離器貯水箱水位高。

（13）主蒸汽壓力高高＞36MPa，至少持續(xù)10秒。

（14）在有燃燒記憶情況下，省煤器入口流量低低，延時10秒。

（15）最高的分配集箱進口溫度高。

（16）再熱器保護喪失。

再熱器保護設計的原則是避免蒸汽不能進入再熱器或者蒸汽能夠進入?yún)s無法流出再熱器，從而導致再熱器干燒。國電泰州機組汽輪機部分增加了超高壓缸及超高壓主汽門和超高壓調(diào)門等設備（見圖4），再熱器也由原來的一級變?yōu)槎?，二次再熱機組的再熱器分為：一次低溫再熱器、一次高溫再熱器、二次低溫再熱器、二次高溫再熱器（見圖8）。再熱器保護喪失邏輯設計如圖7所示。

（17）正常模式下多次點火失敗。

（18）脫硫系統(tǒng)觸發(fā)MFT跳閘。

（19）操作員手動跳閘。

（20）FSSS保護柜電源消失。

3.3.2 MFT跳閘動作

MFT跳閘條件滿足時，立即跳閘MFT繼電器，關閉進油母管燃油關斷閥和回油母管燃油關斷閥及油角閥，停運所有磨煤機、給煤機、一次風機；關閉過熱減溫水總閥和再熱減溫水總閥；將MFT跳閘信號送到等離子點火系統(tǒng)、ETS、MEH、吹灰系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)、電除塵系統(tǒng)及各個DPU。

圖8 再熱器減溫水系統(tǒng)

二次再熱機組增加了一級再熱器，當“關再熱減溫水總閥”條件觸發(fā)后，需要聯(lián)鎖關閉的閥門增多（如圖8所示）?！瓣P再熱減溫水總閥”觸發(fā)后聯(lián)鎖關閉的設備包括：一次再熱再熱器事故噴水氣動閥A、B和一次再熱器事故噴水電動調(diào)節(jié)閥A、B，一次再熱再熱器微量噴水氣動閥A、B、C、D和一次再熱器微量噴水電動調(diào)節(jié)閥A、B、C、D；二次再熱再熱器事故噴水氣動閥A、B和二次再熱器事故噴水電動調(diào)節(jié)閥A、B，二次再熱再熱器微量噴水氣動閥A、B、C、D和二次再熱器微量噴水電動調(diào)節(jié)閥A、B、C、D。

為保證MFT跳閘動作的可靠性，通常設計“軟”、“硬”兩套方案?！败洝笔侵竿ㄟ^相關的聯(lián)鎖邏輯停運設備；“硬”是指MFT繼電器柜中繼電器的觸點并聯(lián)或者串聯(lián)在設備驅(qū)動的電氣回路中來控制設備停運。若上述兩種方法均失效，操作員可以通過操作臺上兩個MFT跳閘按鈕，來實現(xiàn)MFT跳閘動作。

3.3.3 MFT跳閘繼電器復位

MFT繼電器跳閘后，當MFT繼電器電源正常，不存在MFT跳閘條件，油泄漏試驗和爐膛吹掃已完成時，DCS控制系統(tǒng)會將MFT繼電器復位，并在CRT上將跳閘首出原因自動清除。

3.4 油燃料跳閘OFT

OFT觸發(fā)后，立即切斷所有進入油槍的燃料。當所有的油角閥關閉、MFT繼電器已經(jīng)復位、爐膛吹掃完成、操作員手動OFT復位同時不存在OFT跳閘條件時，將邏輯中的表示OFT的開關量點復位。

圖9 油燃料跳閘條件及跳閘動作示意圖

3.5 油燃燒器管理

油燃燒器的管理包括：油角設備的操作，油角的啟動、停止、吹掃，以及油層的控制。油角設備的邏輯包括油角閥、油槍、吹掃閥、點火槍的驅(qū)動級邏輯以及相關聯(lián)鎖邏輯。單個油角的啟動、停止、吹掃邏輯，對于驅(qū)動級封裝的EDPF NT+系統(tǒng)上述程序通過順控步序及驅(qū)動級實現(xiàn)。油槍吹掃能夠清除油槍及燃燒器頭部的殘油，是油槍滅火的重要步序，吹掃介質(zhì)為空氣。當下列條件有一條滿足時，油槍不能進行吹掃：MFT已跳閘、油角閥未關到位、油槍未伸進、吹掃空氣壓力低。

3.6 煤燃燒器的管理

煤燃燒器的管理包括：煤燃燒器邏輯、煤點火允許條件、供其它系統(tǒng)使用的中間點邏輯、制粉系統(tǒng)的啟停步序、制粉系統(tǒng)的跳閘條件及首出原因，以及制粉系統(tǒng)單操及聯(lián)鎖邏輯。國電泰州機組B層制粉系統(tǒng)的燃燒器設計等離子與油槍兩個點火源，B層煤粉點火分為：正常點火模式與等離子點火模式。

3.7 輔機故障減負荷RB

鍋爐主要輔機在運行過程中發(fā)生故障而不能滿負荷運行時，RB邏輯將依據(jù)當時燃燒器投運情況和有利于爐膛火焰穩(wěn)定的原則，迅速切除部分燃燒器，把投入爐膛的燃料量降低到同主要輔機運行相適應的程度[7]。在DCS控制系統(tǒng)中，RB邏輯一般不做在FSSS邏輯中，而放在MCS的組態(tài)邏輯中。

5 結(jié)束語

國電泰州二次再熱機組各項運行指標已達到世界領先水平，成為我國在1000MW級二次再熱機組建設的標志性機組。筆者以該項目為背景，結(jié)合二次再熱機組的特點全面分析了FSSS的功能組成和控制策略。針對FSSS系統(tǒng)的核心部分MFT，通過對比一次、二次再熱機組的不同，歸納了二次再熱機組MFT邏輯設計的特點。由于二次再熱機組自身結(jié)構(gòu)的變化，使MFT中“汽輪機跳閘”和“再熱器保護喪失”的邏輯設計以及MFT跳閘動作中“關再熱器減溫水總閥”的內(nèi)涵發(fā)生變化。對于油燃燒器的管理、煤燃燒器的管理以及RB的邏輯設計由于篇幅所限，只作概括介紹。大容量超超臨界二次再熱技術是一種節(jié)能減排，高效清潔的發(fā)電技術，已成為國內(nèi)外大型火力發(fā)電機組建設的重要選擇。通過本文的介紹，希望能為國內(nèi)后續(xù)二次再熱機組FSSS的設計起到一定的借鑒作用。

[1] 蔣敏華, 黃斌. 燃煤發(fā)電技術展望[J]. 中國電機工程學報, 2012.

[2] 朱寶田. 我國超超臨界燃煤發(fā)電技術的發(fā)展[J]. 華電技術, 2008.

[3] 馬新立. 二次再熱示范機組鍋爐技術分析 [J]. 能源研究與利用, 2013.

[4] 張方煒, 等. 超臨界機火力發(fā)電機組二次再熱技術研究[J]. 電力勘測技術, 2013.

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[7] 朱北恒. RB控制技術試驗研究[J]. 中國電力, 2004.

The Application of FSSS in 1000MW Ultra-supercritical Double Reheat Unit

As an important protection system of power plant boiler , the FSSS is widely used in large-scale thermal power generating units. Guodian Taizhou Phase II is China's first 1000MW ultra-supercritical double reheat units. According to this project, the author analyzes and summarizes the functions and logic design of FSSS. This paper describes the unique characteristics of FSSS in 1000MW ultra-supercritical double reheat units. By comparing the typical single reheat unit with the typical double reheat units, the author describes the trip conditions of MFT and the action of MFT after the trip.

Ultra-Supercritical; Double reheat; FSSS; MFT

B

1003-0492(2015)06-0098-05

TM621.6

王默（1969-）,男，新疆奎屯人，本科，現(xiàn)任北京國電智深控制技術有限公司市場營銷中心總經(jīng)理，主要研究方向為控制理論及應用、先進控制技術在熱工自動化中的應用、DCS工程設計與應用等。

王耀（1989-）,男，山東榮成人，東北電力大學控制科學與工程專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向為功能安全標準在電廠鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)設計中的研究和應用。

王疆（1977-）,男，北京人，碩士研究生，高級工程師，現(xiàn)任北京國電智深控制技術有限公司市場營銷中心副總經(jīng)理，主要研究方向為控制理論及應用、先進控制技術在熱工自動化中的應用、DCS工程設計與應用等。