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

常規(guī)煤粉爐運行工況惡化危及鍋爐安全時會觸發(fā)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(shè)備安全。循環(huán)流化床鍋爐依靠物料循環(huán)實現(xiàn)燃燒和傳熱，當(dāng)運行工況惡化、觸發(fā)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(zhì)會在風(fēng)機流化作用下繼續(xù)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(huán)流化床鍋爐在MFT的基礎(chǔ)上增加了BT（Boiler Trip），除觸發(fā)MFT外還會聯(lián)鎖跳閘相應(yīng)風(fēng)機使爐內(nèi)床料停止流化。

1 機組介紹及MFT保護設(shè)置

本機組為東方鍋爐廠制造的超臨界循環(huán)流化床鍋爐，單爐膛、M型布置、平衡通風(fēng)、一次中間再熱、高溫汽冷旋風(fēng)分離器；高過、高再布置在爐膛內(nèi)，低過、低再以及省煤器布置在后煙井。配備兩臺一次風(fēng)機，三臺高壓流化風(fēng)機，一臺二次風(fēng)機及兩臺引風(fēng)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(fēng)自爐后底部四個點火風(fēng)道送入水冷風(fēng)室，通過布風(fēng)板對床料進行流化，每個點火風(fēng)道內(nèi)布置一支點火油槍用于加熱一次流化風(fēng)。機組采用DCS控制系統(tǒng)，通過爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)FSSS實現(xiàn)鍋爐的主保護。超臨界循環(huán)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(shè)置與常規(guī)煤粉爐一致。

1.1 MFT聯(lián)鎖跳閘設(shè)備

當(dāng)鍋爐燃燒失穩(wěn)達到一定條件，為防止工況惡化觸發(fā)MFT，通過遮斷入爐燃料快速降低燃燒率。機組不解列、風(fēng)機維持運行，待爐膛吹掃完畢、各系統(tǒng)調(diào)整正常后方可再次點火。觸發(fā)MFT聯(lián)鎖跳閘設(shè)備：跳閘給煤機、跳閘煤泥系統(tǒng)、跳閘燃油系統(tǒng)、跳閘石灰石給料系統(tǒng)、送MFT信號至灰硫、觸發(fā)OFT、跳閘滾筒冷渣器、二次風(fēng)量控制切手動/二次風(fēng)門置吹掃位、一次風(fēng)量控制切手動、跳閘吹灰系統(tǒng)、跳閘減溫水系統(tǒng)、跳閘SNCR脫硝、退點火槍、關(guān)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(dāng)鍋爐超出安全運行工況危及設(shè)備安全時，BT條件觸發(fā)，鍋爐跳閘，聯(lián)鎖觸發(fā)MFT；手動MFT。當(dāng)鍋爐達到MFT觸發(fā)條件而MFT邏輯動作失效或鍋爐處于其他超出MFT觸發(fā)條件的惡性工況時，運行人員手動觸發(fā)MFT；總風(fēng)量＜25%。為保證爐內(nèi)正常燃燒及物料循環(huán)，避免因氧量不足導(dǎo)致的燃燒不充分或爐內(nèi)爆燃，鍋爐運行總風(fēng)量不允許低于BMCR工況下總風(fēng)量的25%，當(dāng)總風(fēng)量＜25%，延時5s觸發(fā)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(dāng)爐內(nèi)燃燒工況不穩(wěn)定，導(dǎo)致設(shè)置在爐膛出口的三個高二值或低二值壓力開關(guān)中的任意兩個動作，為防止鍋爐外爆或內(nèi)爆需降低鍋爐燃燒，觸發(fā)MFT；一次風(fēng)量＜臨界流化風(fēng)量，且任一給煤機或油槍投入，延時60s。一次流化風(fēng)的作用是維持爐內(nèi)物料循環(huán)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(dāng)一次流化風(fēng)量低于臨界流化風(fēng)量時，爐內(nèi)正常的物料循環(huán)被打破，若此時已投入燃料，燃料留存于高溫床料內(nèi)流化不良，存在高溫結(jié)焦的風(fēng)險，若60s內(nèi)無法恢復(fù)一次流化風(fēng)量則觸發(fā)MFT。

無給煤機運行、無油槍投入，全部油槍2min內(nèi)連續(xù)兩次點火失敗。循環(huán)流化床鍋爐后墻底部布置四個熱一次風(fēng)點火風(fēng)道，每個點火風(fēng)道內(nèi)各布置一支油槍，用于鍋爐啟動過程中加熱一次流化風(fēng)，被加熱的一次流化風(fēng)在水冷風(fēng)室內(nèi)匯合后通過布風(fēng)板對床料進行流化和升溫。當(dāng)無給煤機運行且無油槍投入時，即首次著火前四個點火風(fēng)道內(nèi)的任意油槍點火失敗，須以當(dāng)前風(fēng)量對點火風(fēng)道和水冷風(fēng)室進行吹掃。若首次著火前2min內(nèi)連續(xù)兩次點火失敗，為避免未著火的燃油在點火風(fēng)道或水冷風(fēng)室內(nèi)積聚遇火爆燃，需觸發(fā)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(fā)點火記憶，點火記憶觸發(fā)后所有油槍油角閥均關(guān)閉或供油快關(guān)閥關(guān)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(fù)燃燒；若此時平均床溫＜700℃，床溫偏低，床料及爐膛內(nèi)存在未燃盡的可燃質(zhì)，為防止點火過程中爐內(nèi)可燃質(zhì)爆燃，需觸發(fā)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(huán)流化床鍋爐多以低階煤為主要燃料，燃煤揮發(fā)分含量較低、著火溫度高，當(dāng)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?zé)o法維持穩(wěn)定上漲，且床料中的可燃質(zhì)大量累積，達到一定程度存在爆燃風(fēng)險，需觸發(fā)MFT，重新吹掃后先投油再投煤。

床溫＞1000℃。床溫是循環(huán)流化床鍋爐運行的重要參數(shù)，反映了爐內(nèi)的燃燒工況，一般循環(huán)流化床的床溫控制在850～920℃，此溫度范圍內(nèi)爐內(nèi)脫硫效率較高，且有利于抑制熱力型NOx的生成。當(dāng)床溫過高時床料存在高溫結(jié)焦的風(fēng)險。在鍋爐布風(fēng)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(qū)，前墻左側(cè)、前墻右側(cè)各4個測點，后墻左側(cè)、后墻右側(cè)各3個測點，為避免床料結(jié)焦，4個區(qū)域任一區(qū)域內(nèi)超過兩個測點溫度＞1000℃，觸發(fā)MFT。

任一旋風(fēng)分離器出口溫度高＞1030℃。循環(huán)流化床鍋爐出口布置3個旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)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(fēng)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(fēng)險；同時分離器出口溫度過高反映了爐內(nèi)溫度場分布失衡，水冷壁及過再熱系統(tǒng)存在超溫風(fēng)險，當(dāng)任意一個旋風(fēng)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(fā)MFT。

2 BT保護設(shè)置

2.1 BT聯(lián)鎖跳閘設(shè)備

當(dāng)機組發(fā)生重要輔機跳閘、燃燒傳熱惡化或系統(tǒng)阻塞時，維持鍋爐安全運行的條件失去，必須觸發(fā)BT跳閘鍋爐各個系統(tǒng)以保證設(shè)備及系統(tǒng)安全。觸發(fā)BT聯(lián)鎖跳閘設(shè)備：觸發(fā)MFT；跳閘一次風(fēng)機；跳閘二次風(fēng)機；若兩臺引風(fēng)機運行，脈沖信號跳閘出力大的引風(fēng)機；跳閘汽輪機。

2.2 BT跳閘條件

引風(fēng)機全停。當(dāng)引風(fēng)機全停時爐膛負壓無法維持，為防止鍋爐外爆，觸發(fā)BT。引風(fēng)機全停觸發(fā)BT僅發(fā)3s脈沖，避免長信號一直存在導(dǎo)致風(fēng)機無法再次啟動，BT無法復(fù)位；一次風(fēng)機全停且任一油槍或給煤機投入。一次流化風(fēng)的作用是維持爐內(nèi)物料循環(huán)和提供燃料初期燃燒所需氧氣，當(dāng)一次風(fēng)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(fēng)，可能導(dǎo)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(jié)焦的風(fēng)險，且熱態(tài)運行中一次風(fēng)機跳閘會導(dǎo)致爐膛壓力驟降，存在內(nèi)爆風(fēng)險，為避免惡性事故觸發(fā)鍋爐BT。

二次風(fēng)機全停。二次風(fēng)作為鍋爐燃燒燃盡的主要配風(fēng)，對于燃料的后期燃燒和物料循環(huán)具有重要意義。機組協(xié)調(diào)方式下二次風(fēng)量與燃料量正相關(guān)，同時通過微調(diào)維持鍋爐氧量處在合理范圍內(nèi)。當(dāng)二次風(fēng)機全停，鍋爐燃燒所需氧量不足，導(dǎo)致爐內(nèi)可燃質(zhì)大量積累，存在爆燃風(fēng)險；而且二次風(fēng)機全停瞬間送風(fēng)量迅速下降，鍋爐存在內(nèi)爆風(fēng)險，故觸發(fā)鍋爐BT。類似引風(fēng)機全停、二次風(fēng)機全停觸發(fā)BT僅發(fā)3s脈沖。

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

空預(yù)器跳閘。當(dāng)空預(yù)器跳閘，空預(yù)器轉(zhuǎn)子一側(cè)在高溫?zé)煔庵惺軣崤蛎?、另一?cè)在空氣中放熱收縮，可能會造成轉(zhuǎn)子的永久變形，嚴重的會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子報廢，造成重大經(jīng)濟損失。空預(yù)器主輔電機互為聯(lián)鎖備用，當(dāng)運行電機跳閘時備用電機會聯(lián)鎖啟動，為避免運行電機跳閘后轉(zhuǎn)子惰走與聯(lián)啟電機間存在的轉(zhuǎn)速差導(dǎo)致傳動齒輪受損，備用電機聯(lián)鎖啟動會設(shè)置一定延時，一般延時5～10s，因此當(dāng)運行電機跳閘15s后備用電機仍未聯(lián)啟則認為空預(yù)器跳閘，觸發(fā)BT。此外電機通過減速箱與轉(zhuǎn)子相連接，當(dāng)減速箱故障導(dǎo)致電機脫扣或聯(lián)軸器斷裂，空預(yù)器轉(zhuǎn)子也會停轉(zhuǎn)，為避免此情況發(fā)生，在轉(zhuǎn)子軸上設(shè)置有停轉(zhuǎn)檢測裝置，實際運行過程中轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)信號存在誤發(fā)風(fēng)險，為避免信號誤發(fā)導(dǎo)致的機組非停，在轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)信號的基礎(chǔ)上與上空預(yù)器出口煙溫高信號，即空預(yù)器停轉(zhuǎn)信號觸發(fā)且空預(yù)器出口煙溫測點4取2高于180℃時認為空預(yù)器已跳閘，觸發(fā)BT。

爐膛壓力高高高或低低低。當(dāng)爐膛壓力過高或過低，導(dǎo)致爐膛出口3個高三值或3個低三值壓力開關(guān)3取2動作時，為防止鍋爐外爆或內(nèi)爆，觸發(fā)鍋爐BT。

給水流量低且床溫＞350℃或點火記憶觸發(fā)。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(dǎo)致水動力不足而產(chǎn)生熱偏差，使膜式水冷壁產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，嚴重影響鍋爐的安全運行。循環(huán)流化床鍋爐熱慣性大，一旦缺水后果會比常規(guī)煤粉爐更嚴重。正常運行過程中，循環(huán)流化床鍋爐床層作為爐內(nèi)最高溫度點反映了爐內(nèi)的燃燒狀況，用床溫作為給水流量高低的判定依據(jù)是合理的，當(dāng)床溫＞350℃或鍋爐已點火，若給水流量低于一定值即觸發(fā)鍋爐BT。

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

給水泵全停且床溫＞350℃或點火記憶觸發(fā)。鍋爐運行過程中給水泵全停，鍋爐失去給水，爐內(nèi)大量高溫循環(huán)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(fā)BT將爐內(nèi)燃燒降至最弱。針對循環(huán)流化床的燃燒特點，即使鍋爐已經(jīng)滅火但爐內(nèi)大量高溫循環(huán)物料仍會對受熱面進行加熱，所以當(dāng)床溫＞350℃、給水泵全停也必須觸發(fā)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(cè)工質(zhì)分配，實現(xiàn)蒸發(fā)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(dāng)汽水分離器出口溫度＞475℃、過熱度＞101℃，蒸發(fā)段與過熱段分界點前移，水冷壁內(nèi)過熱段過大，爐內(nèi)熱負荷過高，汽水系統(tǒng)與煙風(fēng)系統(tǒng)換熱失衡，鍋爐各受熱面均存在超溫風(fēng)險，觸發(fā)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(fēng)險。機組設(shè)置40%高低壓二級串聯(lián)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(yù)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(dāng)機組負荷＞30%時發(fā)生汽機跳閘，觸發(fā)BT。

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

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

FSSS電源故障。為提高可靠性FSSS設(shè)計為軟硬雙回路，即BT觸發(fā)后FSSS柜發(fā)出的跳閘信號會通過硬接線和軟邏輯分別動作相應(yīng)設(shè)備進行跳閘。當(dāng)FSSS電源故障，若此時BT觸發(fā)，F(xiàn)SSS柜跳閘設(shè)備的信號無法發(fā)出，就地設(shè)備接收不到跳閘信號而繼續(xù)運轉(zhuǎn)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(dāng)FSSS電源故障直接觸發(fā)BT。

主蒸汽壓力高＞28.17MPa。鍋爐高溫過熱器左右側(cè)出口管道上各布置有3個壓力測點，當(dāng)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(xù)上升，作為后備保護手段，當(dāng)主汽壓力＞28.17MPa觸發(fā)BT。

3 主保護優(yōu)化

循環(huán)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(huán)流化狀態(tài)，床料被熱一次風(fēng)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(dǎo)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(shù)，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(jīng)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(jù)床溫，循環(huán)流化床啟動分為熱態(tài)啟動和冷態(tài)啟動，當(dāng)床溫＜650℃鍋爐處于冷態(tài)，床料中可燃質(zhì)含量大，為避免點火時爐內(nèi)爆燃，爐膛吹掃需啟動引風(fēng)機、二次風(fēng)機和一次風(fēng)機使床料處于流化狀態(tài)，維持吹掃風(fēng)量3min，以確保床料中的可燃質(zhì)能可靠燃燒和吹空。當(dāng)床溫＞650℃鍋爐處于熱態(tài)，較高的床溫能保證床料內(nèi)的可燃質(zhì)處于較低水平，為防止吹掃過程中床溫快速下降，熱態(tài)啟動前吹掃無需啟動一次風(fēng)機，只需二次風(fēng)機和引風(fēng)機對床料上部爐膛空間進行吹掃且吹掃時間為60s。

當(dāng)鍋爐BT后熱態(tài)恢復(fù)時，為避免鍋爐壓力下降過快導(dǎo)致鍋爐蓄熱耗散，鍋爐點火前汽機高低旁處于關(guān)閉狀態(tài)，此時蒸汽阻塞一直處于觸發(fā)狀態(tài)，導(dǎo)致鍋爐無法熱態(tài)恢復(fù)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(dāng)機組負荷＞10%蒸汽阻塞觸發(fā)BT。經(jīng)機組試運檢驗，當(dāng)負荷＜10%、爐膛內(nèi)屏式再熱器底部煙溫＜650℃，再熱器處于安全運行范圍內(nèi)。

結(jié)論：超臨界循環(huán)流化床鍋爐主保護是在設(shè)計院及鍋爐廠初設(shè)基礎(chǔ)上，經(jīng)調(diào)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(shè)備損壞及事故惡化。