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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(shè)計功能不十分完善。隨著大型火電機(jī)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(qiáng)等特點(diǎn)，使機(jī)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)動葉開度代表總風(fēng)量作為前饋信號，爐膛壓力作為主調(diào)信號，控制引風(fēng)機(jī)入口動葉或?qū)~開度來維持爐膛壓力在期望的設(shè)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(hù)功能，當(dāng)爐膛壓力測量值與設(shè)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(yùn)行人員手動處理。而以計算機(jī)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代爐膛壓力控制系統(tǒng)則將運(yùn)行程序、壓力調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖、保護(hù)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，為設(shè)備提供了可靠的安全保證系統(tǒng)。當(dāng)爐膛壓力出現(xiàn)事故征兆時，控制系統(tǒng)能自動采取適當(dāng)措施控制爐膛壓力，防止或減少事故，避免由于運(yùn)行人員操作不及時而擴(kuò)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(diǎn)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(dāng)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(dǎo)致快速或不可控的燃燒，從而產(chǎn)生巨大的爆炸力，致使?fàn)t膛損壞。 發(fā)生爐膛外爆的因素大多與鍋爐爐膛的運(yùn)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(diǎn)火源中斷，足以導(dǎo)致瞬間失去火焰時，立即或延時對爐內(nèi)積聚物點(diǎn)火。 (2)燃料泄漏入停運(yùn)的爐膛，用電火花或其它點(diǎn)火源對爐內(nèi)積聚物點(diǎn)火。 (3)沒有充分吹掃而重復(fù)不成功的點(diǎn)火，導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(diǎn)火源對爐內(nèi)積聚物點(diǎn)火。 (6)用過大的風(fēng)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(dǎo)致燃料/空氣混合物滅火，當(dāng)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(diǎn)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(diǎn)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(dǎo)致設(shè)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(shè)備(包括空氣供給、煙氣排除)誤動作，導(dǎo)致爐膛承受過大的引風(fēng)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(dǎo)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(yùn)行程序缺乏認(rèn)識，對安全裝置及設(shè)備使用方法錯誤。 ②設(shè)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(shè)計不良。 1.3防止鍋爐爆炸的措施 1.3.1設(shè)計安裝滅火保護(hù)裝置 現(xiàn)代大型火電廠鍋爐均應(yīng)設(shè)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(jī)運(yùn)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(yùn)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(jī)出口擋板關(guān)閉、磨煤機(jī)熱風(fēng)隔離門關(guān)閉、25%～30%額定空氣流量等防止?fàn)t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(fù)位，鍋爐才允許點(diǎn)火。 1.3.2改善控制功能設(shè)計 爐膛壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、以及整個系統(tǒng)元件的功能目標(biāo)及其控制應(yīng)一體化。其基本操作目標(biāo)是： (1)應(yīng)設(shè)立手動操作最少的運(yùn)行程序。 (2)所有運(yùn)行程序應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化。采用聯(lián)鎖方式，把不適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行程序減至最少。當(dāng)狀況持續(xù)不正確時，應(yīng)中斷運(yùn)行程序。設(shè)立嚴(yán)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(fēng)點(diǎn)火程序的鍋爐，在所有運(yùn)行期間應(yīng)維持爐膛通風(fēng)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(hù)、聯(lián)鎖及信號 2.1爐膛高正壓保護(hù)回路 點(diǎn)爐時爆炸比運(yùn)行中爆炸，對爐膛損壞更加嚴(yán)重，這可以通過下面的熱力學(xué)定律加以說明。設(shè)進(jìn)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(shè)爐膛的傳熱過程為定容絕熱過程，根據(jù)熱力學(xué)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(diǎn)爐時，爐膛溫度低，用的燃油發(fā)熱量大，而正常運(yùn)行時T1較高，燃料發(fā)熱量低，故點(diǎn)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(diǎn)火時的爆炸俗稱冷態(tài)放炮，運(yùn)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?fàn)t膛發(fā)生爆炸事故，爐膛壓力控制系統(tǒng)設(shè)計有爐膛壓力高的控制、聯(lián)鎖和保護(hù)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(fēng)機(jī)故障等原因造成的。因此，當(dāng)爐膛壓力過高時，引風(fēng)機(jī)動葉控制自動切至手動，并限制關(guān)小引風(fēng)機(jī)動葉和禁止開大送風(fēng)機(jī)動葉。當(dāng)爐膛壓力要求值，同時引風(fēng)機(jī)動葉開度最大時，機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)將以10MW/min的速率減負(fù)荷至爐膛壓力正常為止。當(dāng)爐膛壓力要求值或引風(fēng)機(jī)動葉在最大開度時，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)將限制機(jī)組增加負(fù)荷。 2.2爐膛高負(fù)壓保護(hù)回路 當(dāng)爐膛負(fù)壓過低時，應(yīng)采取措施，自動防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，一般采取以下幾種方案： (1)當(dāng)爐膛壓力-500Pa時，引風(fēng)機(jī)控制自動切至手動，并禁止開大引風(fēng)機(jī)入口動葉和禁止關(guān)小送風(fēng)機(jī)入口動葉。 (2)當(dāng)爐膛壓力-150Pa時，爐膛壓力測量信號與給定值(-150Pa)之差經(jīng)負(fù)偏差比例控制器后直接去關(guān)小引風(fēng)機(jī)入口動葉。 (3)爐膛壓力要求值(-200Pa)或引風(fēng)機(jī)入口動葉開度在最小時，限制減負(fù)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(dǎo)致引風(fēng)機(jī)出力過大，所以條件允許的情況下應(yīng)適當(dāng)增加一些負(fù)荷或開大送風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)動葉頻繁動作，不利于機(jī)組安全運(yùn)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(diǎn)是增加了爐膛壓力測量值的反應(yīng)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(dāng)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(fēng)機(jī)入口動葉也不動，只有當(dāng)爐膛壓力測量值超出設(shè)定值30Pa后，調(diào)節(jié)器才改變輸出，調(diào)整爐膛壓力回到設(shè)定值。采用死區(qū)模塊可以提高系統(tǒng)對爐膛壓力的響應(yīng)速度，同時又防止了引風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)入口動葉開度來維持爐膛壓力在期望的設(shè)定值。 (2)采用3個爐膛壓力變送器，每個都有單獨(dú)的壓力探頭，確保了測量信號的獨(dú)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(dǎo)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(yīng)是空氣流量的測量信號。 (4)在引風(fēng)機(jī)手動/自動站后引入了大的爐膛通風(fēng)誤差的超弛作用或方向模塊化。 (5)鍋爐MFT觸發(fā)前饋?zhàn)饔?，直接作用于引風(fēng)機(jī)手動/自動站的輸出，使?fàn)t膛壓力漂移最小。 (6)當(dāng)使用軸流風(fēng)機(jī)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(yùn)行程序 在所有運(yùn)行情況下，從送風(fēng)機(jī)至煙囪的風(fēng)煙通道必須暢通，而且最小的空氣流量應(yīng)不小于爐膛吹掃的風(fēng)量。必須遵守下列原則： (1)當(dāng)裝有多臺引風(fēng)機(jī)或送風(fēng)機(jī)時，在啟動第一臺引風(fēng)機(jī)之前，所有送風(fēng)機(jī)的入口動葉或出口擋板必須開啟。此外，還應(yīng)有足夠的隔離檔板、風(fēng)箱檔板、風(fēng)量調(diào)節(jié)檔板、其它控制檔板應(yīng)開啟，以確保送風(fēng)機(jī)進(jìn)口經(jīng)爐膛、引風(fēng)機(jī)至煙囪的通道暢通。 (2)當(dāng)?shù)谝慌_引風(fēng)機(jī)啟動并維持爐膛壓力后，才允許關(guān)閉送風(fēng)機(jī)入口動葉或出口檔板。 (3)在所有情況下，都應(yīng)先啟動引風(fēng)機(jī)然后啟動送風(fēng)機(jī)；停運(yùn)時則相反。 (4)當(dāng)停運(yùn)最后一臺風(fēng)機(jī)時，風(fēng)機(jī)檔板的開度必須加以延時或控制，以免在風(fēng)機(jī)惰走期間導(dǎo)致爐膛壓力瞬間的過正或過負(fù)。 2.6聯(lián)鎖系統(tǒng) 爐膛壓力控制系統(tǒng)設(shè)計有下列典型聯(lián)鎖功能： (1)爐膛高正壓設(shè)定值時，鍋爐主燃料跳閘(MFT)。MFT后，若風(fēng)機(jī)正在運(yùn)行，將繼續(xù)保持運(yùn)行，不增加風(fēng)量。有的外國機(jī)組還增設(shè)了爐膛吹掃完后，鍋爐點(diǎn)火前發(fā)生MFT動作，若5min內(nèi)爐膛正壓設(shè)定值，則送風(fēng)機(jī)跳閘。 (2)爐膛高負(fù)壓設(shè)定值時，鍋爐主燃料跳閘(MFT)。鍋爐點(diǎn)火前發(fā)生MFT動作，若爐膛負(fù)壓設(shè)定值，則經(jīng)短的延時后(由于主火焰失去允許爐膛負(fù)壓有一個短的延時)，所有引風(fēng)機(jī)跳閘。 (3)失去送風(fēng)機(jī)或失去引風(fēng)機(jī)的聯(lián)鎖：單側(cè)引、送風(fēng)機(jī)相互聯(lián)跳；若2臺引(送)風(fēng)機(jī)跳閘，鍋爐MFT動作，延時后控制系統(tǒng)將強(qiáng)制全開引風(fēng)機(jī)(送風(fēng)機(jī))入口動葉，以免風(fēng)機(jī)惰走期間產(chǎn)生過大的爐膛負(fù)壓(或正壓)；若一臺引(送)風(fēng)機(jī)跳閘，控制系統(tǒng)將強(qiáng)制關(guān)閉跳閘風(fēng)機(jī)的入口動葉并聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)、出口檔板。 (4)MFT動作時，關(guān)閉引風(fēng)機(jī)入口動葉至適當(dāng)位置。煙氣中除包括一、二次風(fēng)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(dāng)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(jìn)一步減少。若引風(fēng)機(jī)入口動葉仍保持原來的開度，將造成一個很大的爐膛負(fù)壓。為了防止損壞爐膛，控制系統(tǒng)應(yīng)強(qiáng)制關(guān)小引風(fēng)機(jī)入口動葉開度，使之與總空氣流量相對應(yīng)。該總空氣流量不是測量信號，而是2臺送風(fēng)機(jī)入口動葉開度的平均值。未發(fā)生MFT時，引風(fēng)機(jī)入口動葉由爐膛壓力調(diào)節(jié)器獨(dú)立控制。當(dāng)發(fā)生MFT時，在引風(fēng)機(jī)手動/自動站的輸出脈沖加入當(dāng)時總空氣流量所對應(yīng)的引風(fēng)機(jī)入口動葉應(yīng)關(guān)小的數(shù)值；脈沖過后，引風(fēng)機(jī)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