CFB锅炉热工保护系统可靠性分析与优化

韩新建，韩新春

（1.神华集团循环流化床技术研发中心，西安 710065；2.陕西德源府谷能源有限公司，陕西榆林 719407）

CFB锅炉热工保护系统可靠性分析与优化

韩新建1，韩新春2

（1.神华集团循环流化床技术研发中心，西安 710065；2.陕西德源府谷能源有限公司，陕西榆林 719407）

CFB锅炉由于其独有的特点与煤粉锅炉在燃烧方式上有本质的区别。结合CFB锅炉的特点，分析和总结了提高CFB锅炉热工保护可靠性的措施，并对相关的热工保护逻辑进行了优化，有效提高了CFB锅炉热工保护的准确性和可靠性。

CFB锅炉；热工保护；可靠性；优化

0 引言

CFB锅炉具有燃烧效率高、燃料适应性广等优点［1］，与煤粉炉相比，其热工保护和控制系统有所不同。近年来，随着CFB机组的大量投运，特别是超临界CFB机组的成功投运，由于设计、建设工期短等原因，锅炉保护系统存在诸多问题，热工保护需进行优化改进。因此，研究和优化CFB锅炉热工保护逻辑，提高保护系统的可靠性，对CFB机组的安全稳定运行有重要的意义。

本文结合CFB锅炉特点及控制要求，重点从保护信号处理、保护信号判据条件处理、逻辑优化等方面进行分析总结。

1 CFB锅炉热工保护特点分析

随着CFB机组容量和运行参数的不断提高，对热工保护的安全性和可靠性要求越来越高。CFB锅炉热工保护项目的设定首先应符合锅炉厂家设计规定，在此基础上结合机组投运后的实际运行情况对保护控制系统进行优化。CFB锅炉热工保护特点如下。

（1）CFB锅炉与煤粉炉的差别在于燃烧方式不同，燃烧时大量的循环物料在炉膛内循环流动，当CFB锅炉主燃料跳闸（MFT）动作时，即使切断所有燃料供应，循环流化床内可能还存有大量未燃尽的燃料和高温循环灰，炉内存在大量的蓄热。CFB锅炉除了设计有MFT，油燃料跳闸（OFT）保护外，还设置有锅炉跳闸（BT）逻辑。

（2）CFB锅炉可压火再次启动。CFB锅炉运行正常时，汽轮机或发电机由于故障停止运行，CFB锅炉可转入压火状态。当故障在规定时间内恢复且启动条件具备时，CFB锅炉在床温满足规定要求条件下可再次启动，启动时必须保证床料的正常流化。

（3）CFB锅炉正常运行时必须保证炉内床料和返料器内返料的正常流化，防止因流化不好而结焦，保护系统设置最小流化风量保护。

（4）床温是表征CFB锅炉运行状况的重要参数，床温高于设定值时会造成锅炉结焦，为防止锅炉结焦，设置了床温高保护。CFB锅炉中有大量高温物料在炉膛和返料器内循环燃烧，床温测量元件易受高温床料的冲刷而磨损。除选用可靠性高的防磨元件并设置多个测点外，还需增加各床温测点信号品质判断逻辑，逻辑中要剔除坏的温度点，避免对床温计算产生影响。

2 热工保护信号处理原则

为提高保护系统的可靠性，必须对进入保护系统的信号进行区分和处理［2-3］。

（1）进入热工保护和联锁的信号应该严格确定来源，正确区分“设备停运”和“设备跳闸”信号。

（2）对设备的“保护”和“联锁”指令信号进行区别：保护指令采用长信号，联锁指令采用脉冲信号。

（3）严格区分设备故障报警和保护信号。送风机、引风机、一次风机等辅机的滤网差压高信号只用作报警，不参与保护。

（4）高压电动机电机线圈温度信号不作设备跳闸条件，只作为超温报警和设备的启动允许条件。

（5）用于重要联锁保护的、通过通信网络传送的开关量信号，需要通过增加延时或增加硬接线的方式确保信号的可靠，减少或消除瞬时干扰造成的保护误动作。对重要的网络通信信号设置品质判断保护、报警。重要的辅机增加避开分散系统、直接到电气设备实现的停运按钮。对设备启停和重要开关量信号动作设置事件追忆功能。

（6）信号滤波处理。对模拟量信号如压力等参数做保护时，需要根据其特点和工程的实际情况进行惯性滤波处理，减少干扰信号对控制系统的影响，提高信号的准确性。

（7）对采用模拟量信号经与定值比较而输出作为开关量信号的处理。对于重要的保护如锅炉MFT，分别采用独立的取样系统，至少要有3个不同的信号，分别经过（有些信号需要进行温度等补偿处理）偏差及品质判断进行三取二判断输出。当1台或2台变送器出现故障时，保护逻辑自动切换为二取一或一取一，3台故障时MFT动作。例如烟气含氧量低低、给水流量低低等保护。

（8）对控制器处理网络周期的规定应满足保护系统要求。对于一些重要的保护，特别是对保护动作的及时性要求高的保护，要考虑控制器处理网络周期和保护系统动作时间的差异，保证控制器处理网络周期远小于保护系统动作时间，以确保保护动作的及时性。

3 CFB锅炉热工保护项目

CFB锅炉保护包括炉膛安全保护系统（FSSS）和锅炉辅机保护，FSSS分为MFT，OFT及BT。CFB锅炉MFT设计软逻辑和MFT继电器两路冗余，MFT继电器设置成两路冗余回路，当MFT条件出现时，软逻辑会送出跳闸信号至相对应的设备，同时MFT硬继电器也会向这些重要设备送出两路冗余跳闸信号。这种设计有效提高了MFT动作的可靠性。

FSSS功能包括燃油系统泄漏试验、炉膛吹扫、MFT、OFT以及BT等子系统。当锅炉运行条件不满足时BT动作，切除所有燃料和风机运行，降低锅炉燃烧效率。锅炉辅机保护根据设备的特点和运行要求具体设定。

4 提高CFB锅炉热工保护可靠性的措施

热工保护系统包括检测工艺系统的测量元件、分散控制系统（DCS）或可编程逻辑控制器（PLC）的输入/输出模件、电源模件、控制器、保护动作回路、控制逻辑和被控对象。保护系统的任意环节出现故障，都会造成保护系统的误动和拒动［4］，因此，应该从设备选型、信号处理、控制逻辑优化等方面深入研究提高热工保护可靠性的措施。

4.1 提高热工保护信号可靠性的措施

热工测点信号的可靠性对保护控制系统尤为重要。除了对设备选型、取样点选择和安装等方面有要求外，还需要对热工测点信号采取相应措施，以保证其可靠性。

4.1.1 提高单点热工信号可靠性的措施

热工测点信号易受测量元件变送器故障、接线松动、信号断线、信号干扰等因素的影响。用作单点调节或保护的信号可靠性较低，易造成保护系统误动。提高热工测点可靠性的措施包括：（1）选用可靠性高的热工测量设备；（2）对于无法增加冗余测点的，应对信号进行可靠性处理，如增加信号品质判断处理等，当信号品质判断为坏点时，自动退出该点保护并设报警，也可选用与该点信号相关联的信号来作为容错逻辑；（3）对于有条件可增加测点的，改为三取二的逻辑。

4.1.2 提高热工保护信号可靠性的其他措施

对CFB锅炉主保护MFT，除软逻辑外，继电器柜内应冗余设置继电器动作信号至相应设备，保证动作回路的可靠性。

4.2 CFB锅炉热工保护逻辑优化

4.2.1 RB和MFT保护信号逻辑优化

2台一次风机均停触发RB，MFT逻辑存在的问题：信号采用直接取自电气开关柜的常开单点停止信号，可靠性差。每台一次风机停止常开接点信号取自电气开关柜并进入FSSS，运行中存在MFT保护拒动的风险，当一个开关量输入（DI）通道故障或一台风机检修时开关拉出，此时若另一台运行的风机发生跳闸，则2台一次风机均停运触发MFT，RB保护信号将无法成立。

逻辑优化：用风机停止信号、风机运行信号逻辑取反、风机当前电流值小于10A这3个信号三取二后作为风机停止状态信号。将单点信号改成三取二逻辑判断，提高了保护的可靠性，优化后的逻辑如图1所示。

4.2.2 炉膛压力高高和炉膛压力低低保护优化

使用压力开关等开关量信号，其动作响应速度较模拟量信号快，但在机组运行过程中，作为保护发讯设备的开关量仪表没有连续监控的参数，无法实时了解设备运行状况，在仪表失灵和测量管路泄漏、堵塞时不能及时发现和处理，将导致保护拒动和误动。相对而言，模拟量设备在此方面具有优势。

炉膛压力高高和炉膛压力低低保护逻辑存在的问题：逻辑设计采用独立取样的3个压力开关量，开关量信号经三取二判断输出。CFB锅炉运行中，大量的高温床料、灰分及未燃尽颗粒易造成取样管路堵塞，存在保护拒动的可能。炉膛压力高高MFT逻辑如图2所示。

图1 优化后的一次风机均停MFT控制逻辑

图2 炉膛压力高高MFT逻辑

逻辑优化：为了防止因压力开关仪表管路堵塞而引起保护拒动，将变送器产生的模拟量信号经过转换与开关量保护信号相结合，作为炉膛压力保护信号，在开关量信号因取样管路堵塞，保护信号失灵的情况下，模拟量信号可作为后备保护来动作。在原有逻辑的基础上，原炉膛压力自动调节独立取样的3个压力变送器信号作为炉膛压力监视的同时，3个压力信号分别经信号品质判断和定值比较通过三取二逻辑输出，可提高保护系统的可靠性。变送器的量程选择应大于炉膛压力保护定值。炉膛压力低低保护逻辑同炉膛压力高高保护。优化后的炉膛压力高高锅炉MFT逻辑如图3所示。

图3 优化后的炉膛压力高高锅炉MFT逻辑

5 结束语

CFB锅炉有其独有的特点，需要对其保护控制系统进行深入研究。本文对热工保护信号处理、CFB锅炉保护项目设置、提高CFB锅炉热工保护可靠性的措施等内容进行了介绍。CFB锅炉热工保护需要在遵循《火电厂热工保护系统设计技术规定》和《防止电力生产安全事故二十五项反措》基础上，结合锅炉制造厂提供的保护设计要求和实际运行情况不断进行优化，进一步提高热工保护系统的可靠性。

［1］胡昌华，卢啸风.600MW超临界循环流化床锅炉设备与运行［M］.北京：中国电力出版社，2012.

［2］火力发电厂热工保护系统设计技术规定：DL/T 5428—2009［S］.

［3］王付生.电厂热工自动控制与保护［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［4］李建国，尹峰，刘武林，等.分散控制系统故障应急处理预案［J］.中国电力，2009，45（2）：26-30.

（本文责编：刘芳）

TM 621.2

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1674-1951（2016）11-0015-03

韩新建（1982—），男，山西朔州人，助理工程师，从事循环流化床锅炉热工控制技术的研究管理工作（E-mail：hanxinjian0309＠163.com）。

2016-09-07；

2016-10-08

国家重大研发计划（2016YFB0600200）

韩新春（1988—），男，山西朔州人，助理工程师，从事火电厂热工方面的工作（E-mail：499430963＠qq.com）。