電廠鍋爐爐膛防爆控制系統(tǒng).doc

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電廠鍋爐爐膛防爆控制系統(tǒng) 傳統(tǒng)的熱工控制裝置采用分立元件的組裝式儀表，硬件數(shù)量大，系統(tǒng)設計功能不十分完善。隨著大型火電機組的熱工控制裝置的發(fā)展，控制系統(tǒng)則具有硬件可靠、內(nèi)存容量大、軟件功能強等特點，使機組的自動控制功能大大改善，爐膛防爆控制系統(tǒng)也隨之日趨完善。 傳統(tǒng)的爐膛壓力控制系統(tǒng)是一個簡單的單回路控制系統(tǒng)，采用爐膛壓力信號直接控制引風機入口動葉或?qū)~開度來維持爐膛壓力。近代控制系統(tǒng)則采用送風機動葉開度代表總風量作為前饋信號，爐膛壓力作為主調(diào)信號，控制引風機入口動葉或?qū)~開度來維持爐膛壓力在期望的設定值。傳統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)對爐膛壓力只起調(diào)節(jié)作用，而沒有保護功能，當爐膛壓力測量值與設定值偏差較大時，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)會切至手動并發(fā)出報警信號，交運行人員手動處理。而以計算機為基礎的現(xiàn)代爐膛壓力控制系統(tǒng)則將運行程序、壓力調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖、保護統(tǒng)一協(xié)調(diào)，為設備提供了可靠的安全保證系統(tǒng)。當爐膛壓力出現(xiàn)事故征兆時，控制系統(tǒng)能自動采取適當措施控制爐膛壓力，防止或減少事故，避免由于運行人員操作不及時而擴大事故。 1爐膛爆炸分類及原因分析 爐膛爆炸可分為爐膛外爆及爐膛內(nèi)爆兩種。 1.1爐膛外爆 爐膛外爆的基本起因是，點燃積聚在爐膛或與鍋爐相連的通道或排煙系統(tǒng)的有限空間內(nèi)的可燃混合物。當積聚在爐膛內(nèi)的危險可燃混合物與空氣以一定的比例充分混合，如果火源存在，將導致快速或不可控的燃燒，從而產(chǎn)生巨大的爆炸力，致使爐膛損壞。 發(fā)生爐膛外爆的因素大多與鍋爐爐膛的運行有關(guān)。經(jīng)驗表明，下列情況可能引起爐膛外爆： (1)燃料或空氣或點火源中斷，足以導致瞬間失去火焰時，立即或延時對爐內(nèi)積聚物點火。 (2)燃料泄漏入停運的爐膛，用電火花或其它點火源對爐內(nèi)積聚物點火。 (3)沒有充分吹掃而重復不成功的點火，導致爆炸混合物的積聚。 (4)部分燃燒器失去火焰或不完全燃燒，將導致燃料和空氣的爆炸混合物在爐內(nèi)積聚。 (5)全爐膛火焰失去，導致燃料和空氣的爆炸混合物積聚在爐內(nèi)，未經(jīng)充分吹掃，用電火花或其它點火源對爐內(nèi)積聚物點火。 (6)用過大的風量吹掃，引發(fā)可燃物悶燒。 (7)在爐膛內(nèi)條件紊亂或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可能導致燃料/空氣混合物滅火，當重新建立可燃的燃料/空氣比例后，緊接著再著火。那么，由于爐膛紊亂條件下積聚在爐膛內(nèi)或鍋爐其它部位死區(qū)的可燃混合物，在點火時將產(chǎn)生爆炸。 (8)爐膛爆炸事件大多發(fā)生在鍋爐滅火后，未經(jīng)充分吹掃就重新點火，或鍋爐部分燃燒器滅火或部分燃燒器未完全燃燒所致。 1.2爐膛內(nèi)爆 爐膛內(nèi)爆是指因煙氣側(cè)壓力過低而導致設備損壞的現(xiàn)象。爐膛外爆常常能引起大家的注意和防范，但是，爐膛內(nèi)爆很容易讓人忽視。 1.2.1爐膛內(nèi)爆的起因 (1)調(diào)節(jié)鍋爐氣體流量的設備(包括空氣供給、煙氣排除)誤動作，導致爐膛承受過大的引風壓頭。 (2)因燃料輸入快速減少或MFT，爐內(nèi)氣體溫度和壓力急劇下降。 1.2.2爐膛內(nèi)爆起因分析 (1)人為過失是導致爐膛內(nèi)爆的重要原因之一，一般表現(xiàn)在以下幾個方面： ①對正確的運行程序缺乏認識，對安全裝置及設備使用方法錯誤。 ②設備或其控制特性不便于操作。 ③鍋爐燃燒系統(tǒng)的各種元件及其控制缺乏協(xié)調(diào)一致。 (2)控制功能設計不良。 1.3防止鍋爐爆炸的措施 1.3.1設計安裝滅火保護裝置 現(xiàn)代大型火電廠鍋爐均應設滅火裝置(FSSS)。如：爐膛壓力過低或角火焰失去(3臺及以上給煤機運行時，爐膛的任一角的所有燃燒器監(jiān)測不到火焰)或臨界火焰失去(在15s內(nèi)，所有投運的燃燒器中有50%監(jiān)測不到火焰)，或全爐膛火焰失去時，鍋爐MFT動作。MFT動作后，必須滿足如燃油泄漏試驗完成、磨煤機出口擋板關(guān)閉、磨煤機熱風隔離門關(guān)閉、25%～30%額定空氣流量等防止爐內(nèi)積聚可燃混合物的吹掃條件，爐膛才開始連續(xù)吹掃5min之后，MFT繼電器才能復位，鍋爐才允許點火。 1.3.2改善控制功能設計 爐膛壓力控制系統(tǒng)的設計、安裝、以及整個系統(tǒng)元件的功能目標及其控制應一體化。其基本操作目標是： (1)應設立手動操作最少的運行程序。 (2)所有運行程序應標準化。采用聯(lián)鎖方式，把不適當?shù)倪\行程序減至最少。當狀況持續(xù)不正確時，應中斷運行程序。設立嚴格執(zhí)行的、必要聯(lián)鎖的吹掃和啟動程序是特別重要的。 (3)對采用開啟通風點火程序的鍋爐，在所有運行期間應維持爐膛通風量等于或大于爐膛吹掃的空氣容積流量。 2爐膛防爆的保護、聯(lián)鎖及信號 2.1爐膛高正壓保護回路 點爐時爆炸比運行中爆炸，對爐膛損壞更加嚴重，這可以通過下面的熱力學定律加以說明。設進入爐膛的燃料為B(kg)，其發(fā)熱量為Q(kj/kg),爐膛容積為V(m3)，爐膛內(nèi)的定容比熱為CV(kj/m3℃)，溫升為△T(℃)，則可得出下列方程式： BQ＝CVV△T 在爆炸的瞬間，假設爐膛的傳熱過程為定容絕熱過程，根據(jù)熱力學定律得： P1/P2＝T1/T2＝T1/(T1＋△T) 式中P1、P2——爆炸前、后爐膛壓力 T1、T2——爆炸前、后爐膛溫度 由上述2式可得： P2＝P1[1＋BQ/CVVT1] 由此可見，爆炸前溫度T1越低，則爆燃后產(chǎn)生的P2越大。在剛開始點爐時，爐膛溫度低，用的燃油發(fā)熱量大，而正常運行時T1較高，燃料發(fā)熱量低，故點火時爆炸所造成的破壞性較大，有時甚至造成整個鍋爐的損壞。點火時的爆炸俗稱冷態(tài)放炮，運行時的爆炸俗稱熱態(tài)放炮。冷態(tài)放炮大多損壞下部爐膛，熱態(tài)放炮一般損壞爐頂和水平煙道。為了防止爐膛發(fā)生爆炸事故，爐膛壓力控制系統(tǒng)設計有爐膛壓力高的控制、聯(lián)鎖和保護功能。 爐膛壓力出現(xiàn)高正壓，往往是調(diào)節(jié)系統(tǒng)、執(zhí)行器或引風機故障等原因造成的。因此，當爐膛壓力過高時，引風機動葉控制自動切至手動，并限制關(guān)小引風機動葉和禁止開大送風機動葉。當爐膛壓力要求值，同時引風機動葉開度最大時，機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)將以10MW/min的速率減負荷至爐膛壓力正常為止。當爐膛壓力要求值或引風機動葉在最大開度時，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)將限制機組增加負荷。 2.2爐膛高負壓保護回路 當爐膛負壓過低時，應采取措施，自動防止故障進一步擴大，一般采取以下幾種方案： (1)當爐膛壓力-500Pa時，引風機控制自動切至手動，并禁止開大引風機入口動葉和禁止關(guān)小送風機入口動葉。 (2)當爐膛壓力-150Pa時，爐膛壓力測量信號與給定值(-150Pa)之差經(jīng)負偏差比例控制器后直接去關(guān)小引風機入口動葉。 (3)爐膛壓力要求值(-200Pa)或引風機入口動葉開度在最小時，限制減負荷。爐膛壓力過低，常常是調(diào)節(jié)系統(tǒng)或執(zhí)行器等故障，導致引風機出力過大，所以條件允許的情況下應適當增加一些負荷或開大送風機入口動葉。2.3爐膛壓力調(diào)節(jié)器采用死區(qū)調(diào)節(jié) 正常的爐膛壓力信號是帶有小幅的噪音干擾信號的，如果直接使用這個測量信號，將引起引風機動葉頻繁動作，不利于機組安全運行。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方案是用慣性組件來濾波，這個方法的缺點是增加了爐膛壓力測量值的反應時間，使調(diào)節(jié)變得不靈敏。新的控制方法取消了慣性手段，用死區(qū)模塊來改善調(diào)節(jié)性能。 當爐膛壓力在-30～30Pa范圍內(nèi)波動時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定，引風機入口動葉也不動，只有當爐膛壓力測量值超出設定值30Pa后，調(diào)節(jié)器才改變輸出，調(diào)整爐膛壓力回到設定值。采用死區(qū)模塊可以提高系統(tǒng)對爐膛壓力的響應速度，同時又防止了引風機入口動葉頻繁動作。 2.4爐膛壓力控制系統(tǒng) 爐膛壓力控制系統(tǒng)見圖1。 (1)爐膛壓力控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)引風機入口動葉開度來維持爐膛壓力在期望的設定值。 (2)采用3個爐膛壓力變送器，每個都有單獨的壓力探頭，確保了測量信號的獨立性、可靠性。變送器監(jiān)視系統(tǒng)減少了其中任何一個壓力變送器故障時導致爐膛壓力控制系統(tǒng)誤動的可能性。 (3)因調(diào)節(jié)系統(tǒng)都具有慣性，為了在變工況過程中維持爐膛壓力穩(wěn)定，采用了代表鍋爐空氣流量的超前調(diào)節(jié)(前饋)信號。該信號可以是一個燃料信號、鍋爐主控信號或其它合適的指令信號，但不應是空氣流量的測量信號。 (4)在引風機手動/自動站后引入了大的爐膛通風誤差的超弛作用或方向模塊化。 (5)鍋爐MFT觸發(fā)前饋作用，直接作用于引風機手動/自動站的輸出，使爐膛壓力漂移最小。 (6)當使用軸流風機時，采用上述控制方法可以避免發(fā)生煙氣流量不可控變化的失速情況。 圖1爐膛壓力控制系統(tǒng) 2.5運行程序 在所有運行情況下，從送風機至煙囪的風煙通道必須暢通，而且最小的空氣流量應不小于爐膛吹掃的風量。必須遵守下列原則： (1)當裝有多臺引風機或送風機時，在啟動第一臺引風機之前，所有送風機的入口動葉或出口擋板必須開啟。此外，還應有足夠的隔離檔板、風箱檔板、風量調(diào)節(jié)檔板、其它控制檔板應開啟，以確保送風機進口經(jīng)爐膛、引風機至煙囪的通道暢通。 (2)當?shù)谝慌_引風機啟動并維持爐膛壓力后，才允許關(guān)閉送風機入口動葉或出口檔板。 (3)在所有情況下，都應先啟動引風機然后啟動送風機；停運時則相反。 (4)當停運最后一臺風機時，風機檔板的開度必須加以延時或控制，以免在風機惰走期間導致爐膛壓力瞬間的過正或過負。 2.6聯(lián)鎖系統(tǒng) 爐膛壓力控制系統(tǒng)設計有下列典型聯(lián)鎖功能： (1)爐膛高正壓設定值時，鍋爐主燃料跳閘(MFT)。MFT后，若風機正在運行，將繼續(xù)保持運行，不增加風量。有的外國機組還增設了爐膛吹掃完后，鍋爐點火前發(fā)生MFT動作，若5min內(nèi)爐膛正壓設定值，則送風機跳閘。 (2)爐膛高負壓設定值時，鍋爐主燃料跳閘(MFT)。鍋爐點火前發(fā)生MFT動作，若爐膛負壓設定值，則經(jīng)短的延時后(由于主火焰失去允許爐膛負壓有一個短的延時)，所有引風機跳閘。 (3)失去送風機或失去引風機的聯(lián)鎖：單側(cè)引、送風機相互聯(lián)跳；若2臺引(送)風機跳閘，鍋爐MFT動作，延時后控制系統(tǒng)將強制全開引風機(送風機)入口動葉，以免風機惰走期間產(chǎn)生過大的爐膛負壓(或正壓)；若一臺引(送)風機跳閘，控制系統(tǒng)將強制關(guān)閉跳閘風機的入口動葉并聯(lián)鎖關(guān)閉進、出口檔板。 (4)MFT動作時，關(guān)閉引風機入口動葉至適當位置。煙氣中除包括一、二次風外，還包括燃料燃燒時產(chǎn)生的CO2和水蒸汽等氣態(tài)物質(zhì)，因此當鍋爐MFT時，由于CO2和水蒸汽等大大減少，造成煙氣質(zhì)量流量大大減少。同時滅火后煙氣溫度下降，煙氣體積流量也進一步減少。若引風機入口動葉仍保持原來的開度，將造成一個很大的爐膛負壓。為了防止損壞爐膛，控制系統(tǒng)應強制關(guān)小引風機入口動葉開度，使之與總空氣流量相對應。該總空氣流量不是測量信號，而是2臺送風機入口動葉開度的平均值。未發(fā)生MFT時，引風機入口動葉由爐膛壓力調(diào)節(jié)器獨立控制。當發(fā)生MFT時，在引風機手動/自動站的輸出脈沖加入當時總空氣流量所對應的引風機入口動葉應關(guān)小的數(shù)值；脈沖過后，引風機入口動葉調(diào)節(jié)重新返回到爐膛壓力調(diào)節(jié)器控制。 第 8 頁 共 8 頁