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电厂锅炉炉膛防爆控制系统

　传统的热工控制装置采用分立元件的组装式仪表，硬件数量大，系统设计功能不十分完善。随着大型火电机组的热工控制装置的发展，控制系统则具有硬件可靠、内存容量大、软件功能强等特点，使机组的自动控制功能大大改善，炉膛防爆控制系统也随之日趋完善。
　　传统的炉膛压力控制系统是一个简单的单回路控制系统，采用炉膛压力信号直接控制引风机入口动叶或导叶开度来维持炉膛压力。近代控制系统则采用送风机动叶开度代表总风量作为前馈信号，炉膛压力作为主调信号，控制引风机入口动叶或导叶开度来维持炉膛压力在期望的设定值。传统的自动调节系统对炉膛压力只起调节作用，而没有保护功能，当炉膛压力测量值与设定值偏差较大时，自动调节系统会切至手动并发出报警信号，交运行人员手动处理。而以计算机为基础的现代炉膛压力控制系统则将运行程序、压力调节、联锁、保护统一协调，为设备提供了可靠的安全保证系统。当炉膛压力出现事故征兆时，控制系统能自动采取适当措施控制炉膛压力，防止或减少事故，避免由于运行人员操作不及时而扩大事故。
　　1炉膛爆炸分类及原因分析
　　炉膛爆炸可分为炉膛外爆及炉膛内爆两种。
　　1.1炉膛外爆
　　炉膛外爆的基本起因是，点燃积聚在炉膛或与锅炉相连的通道或排烟系统的有限空间内的可燃混合物。当积聚在炉膛内的危险可燃混合物与空气以一定的比例充分混合，如果火源存在，将导致快速或不可控的燃烧，从而产生巨大的爆炸力，致使炉膛损坏。
　　发生炉膛外爆的因素大多与锅炉炉膛的运行有关。经验表明，下列情况可能引起炉膛外爆：
　　(1)燃料或空气或点火源中断，足以导致瞬间失去火焰时，立即或延时对炉内积聚物点火。
　　(2)燃料泄漏入停运的炉膛，用电火花或其它点火源对炉内积聚物点火。
　　(3)没有充分吹扫而重复不成功的点火，导致爆炸混合物的积聚。
　　(4)部分燃烧器失去火焰或不完全燃烧，将导致燃料和空气的爆炸混合物在炉内积聚。
　　(5)全炉膛火焰失去，导致燃料和空气的爆炸混合物积聚在炉内，未经充分吹扫，用电火花或其它点火源对炉内积聚物点火。
　　(6)用过大的风量吹扫，引发可燃物闷烧。
　　(7)在炉膛内条件紊乱或控制系统出现故障时，可能导致燃料/空气混合物灭火，当重新建立可燃的燃料/空气比例后，紧接着再着火。那么，由于炉膛紊乱条件下积聚在炉膛内或锅炉其它部位死区的可燃混合物，在点火时将产生爆炸。
　　(8)炉膛爆炸事件大多发生在锅炉灭火后，未经充分吹扫就重新点火，或锅炉部分燃烧器灭火或部分燃烧器未完全燃烧所致。
　　1.2炉膛内爆
　　炉膛内爆是指因烟气侧压力过低而导致设备损坏的现象。炉膛外爆常常能引起大家的注意和防范，但是，炉膛内爆很容易让人忽视。
　　1.2.1炉膛内爆的起因
　　(1)调节锅炉气体流量的设备(包括空气供给、烟气排除)误动作，导致炉膛承受过大的引风压头。
　　(2)因燃料输入快速减少或MFT，炉内气体温度和压力急剧下降。
　　1.2.2炉膛内爆起因分析
　　(1)人为过失是导致炉膛内爆的重要原因之一，一般表现在以下几个方面：
　　①对正确的运行程序缺乏认识，对安全装置及设备使用方法错误。
　　②设备或其控制特性不便于操作。
　　③锅炉燃烧系统的各种元件及其控制缺乏协调一致。
　　(2)控制功能设计不良。
　　1.3防止锅炉爆炸的措施
　　1.3.1设计安装灭火保护装置
　　现代大型火电厂锅炉均应设灭火装置(FSSS)。如：炉膛压力过低或角火焰失去(3台及以上给煤机运行时，炉膛的任一角的所有燃烧器监测不到火焰)或临界火焰失去(在15s内，所有投运的燃烧器中有50%监测不到火焰)，或全炉膛火焰失去时，锅炉MFT动作。MFT动作后，必须满足如燃油泄漏试验完成、磨煤机出口挡板关闭、磨煤机热风隔离门关闭、25%～30%额定空气流量等防止炉内积聚可燃混合物的吹扫条件，炉膛才开始连续吹扫5min之后，MFT继电器才能复位，锅炉才允许点火。
　　1.3.2改善控制功能设计
　　炉膛压力控制系统的设计、安装、以及整个系统元件的功能目标及其控制应一体化。其基本操作目标是：
　　(1)应设立手动操作最少的运行程序。
　　(2)所有运行程序应标准化。采用联锁方式，把不适当的运行程序减至最少。当状况持续不正确时，应中断运行程序。设立严格执行的、必要联锁的吹扫和启动程序是特别重要的。
　　(3)对采用开启通风点火程序的锅炉，在所有运行期间应维持炉膛通风量等于或大于炉膛吹扫的空气容积流量。
　　2炉膛防爆的保护、联锁及信号
　　2.1炉膛高正压保护回路
　　点炉时爆炸比运行中爆炸，对炉膛损坏更加严重，这可以通过下面的热力学定律加以说明。设进入炉膛的燃料为B(kg)，其发热量为Q(kj/kg),炉膛容积为V(m3)，炉膛内的定容比热为CV(kj/m3·℃)，温升为△T(℃)，则可得出下列方程式：
　　BQ＝CVV△T
　　在爆炸的瞬间，假设炉膛的传热过程为定容绝热过程，根据热力学定律得：
　　P1/P2＝T1/T2＝T1/(T1＋△T)
　　式中P1、P2——爆炸前、后炉膛压力
　　T1、T2——爆炸前、后炉膛温度
　　由上述2式可得：
　　P2＝P1[1＋BQ/CVVT1]
　　由此可见，爆炸前温度T1越低，则爆燃后产生的P2越大。在刚开始点炉时，炉膛温度低，用的燃油发热量大，而正常运行时T1较高，燃料发热量低，故点火时爆炸所造成的破坏性较大，有时甚至造成整个锅炉的损坏。点火时的爆炸俗称冷态放炮，运行时的爆炸俗称热态放炮。冷态放炮大多损坏下部炉膛，热态放炮一般损坏炉顶和水平烟道。为了防止炉膛发生爆炸事故，炉膛压力控制系统设计有炉膛压力高的控制、联锁和保护功能。
　　炉膛压力出现高正压，往往是调节系统、执行器或引风机故障等原因造成的。因此，当炉膛压力过高时，引风机动叶控制自动切至手动，并限制关小引风机动叶和禁止开大送风机动叶。当炉膛压力要求值，同时引风机动叶开度最大时，机组协调控制系统将以10MW/min的速率减负荷至炉膛压力正常为止。当炉膛压力要求值或引风机动叶在最大开度时，协调控制系统将限制机组增加负荷。
　　2.2炉膛高负压保护回路
　　当炉膛负压过低时，应采取措施，自动防止故障进一步扩大，一般采取以下几种方案：
　　(1)当炉膛压力-500Pa时，引风机控制自动切至手动，并禁止开大引风机入口动叶和禁止关小送风机入口动叶。
　　(2)当炉膛压力-150Pa时，炉膛压力测量信号与给定值(-150Pa)之差经负偏差比例控制器后直接去关小引风机入口动叶。
　　(3)炉膛压力要求值(-200Pa)或引风机入口动叶开度在最小时，限制减负荷。炉膛压力过低，常常是调节系统或执行器等故障，导致引风机出力过大，所以条件允许的情况下应适当增加一些负荷或开大送风机入口动叶。

　　2.3炉膛压力调节器采用死区调节
　　正常的炉膛压力信号是带有小幅的噪音干扰信号的，如果直接使用这个测量信号，将引起引风机动叶频繁动作，不利于机组安全运行。传统的调节方案是用惯性组件来滤波，这个方法的缺点是增加了炉膛压力测量值的反应时间，使调节变得不灵敏。新的控制方法取消了惯性手段，用死区模块来改善调节性能。
　　当炉膛压力在-30～30Pa范围内波动时，调节系统的输出稳定，引风机入口动叶也不动，只有当炉膛压力测量值超出设定值±30Pa后，调节器才改变输出，调整炉膛压力回到设定值。采用死区模块可以提高系统对炉膛压力的响应速度，同时又防止了引风机入口动叶频繁动作。
　　2.4炉膛压力控制系统
　　炉膛压力控制系统见图1。
　　(1)炉膛压力控制系统通过调节引风机入口动叶开度来维持炉膛压力在期望的设定值。
　　(2)采用3个炉膛压力变送器，每个都有单独的压力探头，确保了测量信号的独立性、可靠性。变送器监视系统减少了其中任何一个压力变送器故障时导致炉膛压力控制系统误动的可能性。
　　(3)因调节系统都具有惯性，为了在变工况过程中维持炉膛压力稳定，采用了代表锅炉空气流量的超前调节(前馈)信号。该信号可以是一个燃料信号、锅炉主控信号或其它合适的指令信号，但不应是空气流量的测量信号。
　　(4)在引风机手动/自动站后引入了大的炉膛通风误差的超弛作用或方向模块化。
　　(5)锅炉MFT触发前馈作用，直接作用于引风机手动/自动站的输出，使炉膛压力漂移最小。
　　(6)当使用轴流风机时，采用上述控制方法可以避免发生烟气流量不可控变化的失速情况。

图1炉膛压力控制系统
　　2.5运行程序
　　在所有运行情况下，从送风机至烟囱的风烟通道必须畅通，而且最小的空气流量应不小于炉膛吹扫的风量。必须遵守下列原则：
　　(1)当装有多台引风机或送风机时，在启动第一台引风机之前，所有送风机的入口动叶或出口挡板必须开启。此外，还应有足够的隔离档板、风箱档板、风量调节档板、其它控制档板应开启，以确保送风机进口经炉膛、引风机至烟囱的通道畅通。
　　(2)当第一台引风机启动并维持炉膛压力后，才允许关闭送风机入口动叶或出口档板。
　　(3)在所有情况下，都应先启动引风机然后启动送风机；停运时则相反。
　　(4)当停运最后一台风机时，风机档板的开度必须加以延时或控制，以免在风机惰走期间导致炉膛压力瞬间的过正或过负。
　　2.6联锁系统
　　炉膛压力控制系统设计有下列典型联锁功能：
　　(1)炉膛高正压设定值时，锅炉主燃料跳闸(MFT)。MFT后，若风机正在运行，将继续保持运行，不增加风量。有的外国机组还增设了炉膛吹扫完后，锅炉点火前发生MFT动作，若5min内炉膛正压设定值，则送风机跳闸。
　　(2)炉膛高负压设定值时，锅炉主燃料跳闸(MFT)。锅炉点火前发生MFT动作，若炉膛负压设定值，则经短的延时后(由于主火焰失去允许炉膛负压有一个短的延时)，所有引风机跳闸。
　　(3)失去送风机或失去引风机的联锁：单侧引、送风机相互联跳；若2台引(送)风机跳闸，锅炉MFT动作，延时后控制系统将强制全开引风机(送风机)入口动叶，以免风机惰走期间产生过大的炉膛负压(或正压)；若一台引(送)风机跳闸，控制系统将强制关闭跳闸风机的入口动叶并联锁关闭进、出口档板。
　　(4)MFT动作时，关闭引风机入口动叶至适当位置。烟气中除包括一、二次风外，还包括燃料燃烧时产生的CO2和水蒸汽等气态物质，因此当锅炉MFT时，由于CO2和水蒸汽等大大减少，造成烟气质量流量大大减少。同时灭火后烟气温度下降，烟气体积流量也进一步减少。若引风机入口动叶仍保持原来的开度，将造成一个很大的炉膛负压。为了防止损坏炉膛，控制系统应强制关小引风机入口动叶开度，使之与总空气流量相对应。该总空气流量不是测量信号，而是2台送风机入口动叶开度的平均值。未发生MFT时，引风机入口动叶由炉膛压力调节器独立控制。当发生MFT时，在引风机手动/自动站的输出脉冲加入当时总空气流量所对应的引风机入口动叶应关小的数值；脉冲过后，引风机入口动叶调节重新返回到炉膛压力调节器控制。

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