FSSS在1000MW超超临界二次再热机组中的应用

王默（北京国电智深控制技术有限公司，北京 102200）

王耀（东北电力大学，吉林 吉林 132012）

王疆（北京国电智深控制技术有限公司，北京 102200)

FSSS在1000MW超超临界二次再热机组中的应用

王默（北京国电智深控制技术有限公司，北京 102200）

王耀（东北电力大学，吉林 吉林 132012）

王疆（北京国电智深控制技术有限公司，北京 102200)

FSSS作为电站锅炉保护的重要系统广泛应用于大型火力发电机组的锅炉保护中。本文根据国内首台1000MW级二次再热机组——国电泰州二期2×1000MW超超临界二次再热机组的实际情况,对该机组FSSS功能组成和逻辑设计进行总结和分析,归纳了1000MW超超临界二次再热机组FSSS系统的独有特点。通过典型一、二次再热机组的对比,重点探讨了MFT跳闸条件及跳闸后动作的逻辑设计。

超超临界；二次再热；FSSS；MFT

1 引言

鉴于我国能源结构多煤、贫油、少气的特点，火力发电在今后若干年内仍然是主要的发电方式。随着能源的枯竭和环境污染的加剧，提高燃煤机组的效率和降低环境污染物的排放成为目前火力发电发展的首要方向。大容量超超临界二次再热技术能够提高机组的热效率，减少CO2、NOx的排放，成为火力发电机组建设的热点[1]。近十年来，我国对600MW级和1000MW级一次再热技术引进，消化吸收，优化创新，使我国在大容量超超临界一次再热机组的发展达到世界先进水平，为我国发展二次再热机组奠定了良好的基础[2]。国电泰州二期2×1000MW超超临界二次再热机组是我国发展大容量、高参数机组的示范工程，也是我国在1000MW超超临界二次再热机组建设的首次尝试。该项目的建设为我国700℃燃煤发电技术的研发提供二次再热机组的建设经验。本文以国电泰州二期2×1000MW机组的锅炉炉膛安全监控系统为范例，对1000MW超超临界二次再热机组的特点及FSSS系统控制策略进行分析。

2 机组概况

国电泰州机组采用的二次再热技术是指主蒸汽进入超高压缸做功后在一次再热器加热形成高压再热蒸汽，高压再热蒸汽进入高压缸做功后在二次再热器中加热形成低压再热蒸汽，低压再热蒸汽进入中压缸做功，整个做功过程蒸汽进行了两次再加热。该机组设计蒸汽参数为31MPa/600℃/613℃/613℃，煤耗为256.2g/ kWh，发电效率将高达47.94%，比当前世界最好的二次再热机组提高近1%[3]。锅炉由上海锅炉有限公司制造，直流炉、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构塔式布置如图1所示。一共配置6台ZGM 133G型中速磨煤机，其中5台运行，1台备用。燃烧系统采用从APBG公司引进的低NOx切向燃烧技术，具有着火稳定、燃烧效率高、首创的燃烧器摆动调温功能等优点。

图1 二次再热塔式炉结构示意图

3 FSSS功能组成

FSSS是大型火力发电机组自动控制和自动保护系统的重要的组成部分。FSSS本质功能是保证锅炉设备的安全，其作用可分为三个阶段：锅炉点火前、锅炉运行中、锅炉处于危险工况。锅炉点火前进行油泄漏试验和炉膛吹扫；锅炉运行中进行燃烧器的管理；锅炉处于危险工况时，依据满足的不同条件分别进行MFT、OFT、RB等。FSSS功能组成如图2所示：

图2 FSSS功能组成框图

4 FSSS逻辑设计

国电泰州二期2×1000MW超超临界二次再热机组DCS系统采用国电智深控制技术有限公司生产的EDPF NT+系统。FSSS的控制逻辑分别分布在DROP1、DROP2、DROP3、DROP4、DROP5、DROP6、DROP7、DROP8、DROP9等9个控制站共18对DPU。笔者将按照FSSS的功能组成来分析国电泰州二次再热机组FSSS各个功能的逻辑设计。

3.1 油泄漏试验

油泄漏试验是防止燃油从油阀或管道中泄漏，避免燃料聚集。油泄漏试验是对进油母管燃油关断阀、回油母管燃油关断阀及油角阀的密闭性所做的试验。油泄漏试验分为两步：首先试验回油母管燃油关断阀及油角阀；然后试验进油母管燃油关断阀。

3.2 炉膛吹扫

炉膛吹扫是锅炉点火前和MFT跳闸后重新点火防止燃料聚集最为有效的手段。炉膛吹扫可以有效的吹散和稀释聚积在炉膛内的燃料，使其在炉膛内的浓度不能达到爆炸的程度。NFPA-8502标准要求一定条件下，锅炉通风5分钟或者换气3次。尽管现场验证换气3次比锅炉通风5分钟需要的时间更长吹扫效果更好，但是换气3次不方便逻辑判断，“炉膛吹扫”逻辑选用5分钟来计算吹扫强度。炉膛吹扫条件逻辑示意图如图3所示。

图3 炉膛吹扫条件逻辑示意图

3.3 主燃料跳闸MFT

MFT是FSSS的核心内容，其作用当锅炉处于危险工况时，迅速切断进入炉膛的所有燃料，以保证锅炉设备和人身安全[5]。MFT逻辑部分可分为MFT跳闸条件、MFT跳闸动作、MFT跳闸首出原因。在设计MFT跳闸条件时，可以从如下五个方面考虑：机炉联锁引发MFT、风系统失去平衡引发MFT、燃料系统失去平衡或燃烧工况不稳定引发MFT、水系统失去平衡引发MFT、过热蒸汽和再热蒸汽通道异常引发MFT。

3.3.1 MFT跳闸条件

当下列任一条件满足时，FSSS系统立即切断进入炉膛的所有燃料，使机组停止运行，并显示记忆首出跳闸原因：

（1）汽轮机跳闸：若锅炉负荷＞20%，汽轮机跳闸延时10秒，锅炉MFT；若负荷＜20%，汽机跳闸延时10秒，且旁路无效延时3秒，锅炉MFT。

图4 汽轮机旁路系统

国电泰州机组汽轮机采用五缸四排气、单轴串联布置，五个气缸：超高压缸、高压缸、中压缸、两个低压缸[4]。与一次再热机组相比，汽轮机旁路系统在原有高、低压旁路的基础上，增加了中压旁路系统，共三级旁路（如图4所示）。三级旁路系统设有：四个高压旁路调节阀、两个中压旁路调节阀、两个低压旁路调节阀。比较一次和二次再热机组“汽轮机跳闸”逻辑设计（如图5和图6所示），其中“旁路无效”条件的逻辑设计二者是有区别的。二次再热机组的“旁路无效”是指高旁阀均关、中旁阀均关、低旁阀均关至少满足其中一条。

图5 典型1000MW一次再热机组汽轮机跳闸逻辑设计

（2）两台送风机全停。

（3）两台引风机全停。

（4）两台空预器主、辅电机全停。

（5）炉膛压力高高。

（6）炉膛压力低低。

（7）炉膛总风量＜25%

图6 国电泰州二次再热机组汽轮机跳闸逻辑设计

NFPA-8502标准要求从炉膛吹扫到锅炉启动及锅炉运行的整个过程中要保持总风量不小于吹扫风量，由于吹扫风量设计为25%～40%，触发MFT跳闸的风量设计为20%[6]。该标准同样给出了吹扫风量为25%～40%的原因：最小风量控制在25%的目的是吹扫彻底，而风量小于40%是防止将灰斗中的阴燃物扬起。

（8）丧失火检冷却风。

（9）全燃料丧失。

（10）全炉膛灭火。

（11）给水泵全停。

（12）分离器贮水箱压力＜18MPa，分离器贮水箱水位高。

（13）主蒸汽压力高高＞36MPa，至少持续10秒。

（14）在有燃烧记忆情况下，省煤器入口流量低低，延时10秒。

（15）最高的分配集箱进口温度高。

（16）再热器保护丧失。

再热器保护设计的原则是避免蒸汽不能进入再热器或者蒸汽能够进入却无法流出再热器，从而导致再热器干烧。国电泰州机组汽轮机部分增加了超高压缸及超高压主汽门和超高压调门等设备（见图4），再热器也由原来的一级变为二级，二次再热机组的再热器分为：一次低温再热器、一次高温再热器、二次低温再热器、二次高温再热器（见图8）。再热器保护丧失逻辑设计如图7所示。

（17）正常模式下多次点火失败。

（18）脱硫系统触发MFT跳闸。

（19）操作员手动跳闸。

（20）FSSS保护柜电源消失。

3.3.2 MFT跳闸动作

MFT跳闸条件满足时，立即跳闸MFT继电器，关闭进油母管燃油关断阀和回油母管燃油关断阀及油角阀，停运所有磨煤机、给煤机、一次风机；关闭过热减温水总阀和再热减温水总阀；将MFT跳闸信号送到等离子点火系统、ETS、MEH、吹灰系统、脱硫系统、脱硝系统、电除尘系统及各个DPU。

图8 再热器减温水系统

二次再热机组增加了一级再热器，当“关再热减温水总阀”条件触发后，需要联锁关闭的阀门增多（如图8所示）。“关再热减温水总阀”触发后联锁关闭的设备包括：一次再热再热器事故喷水气动阀A、B和一次再热器事故喷水电动调节阀A、B，一次再热再热器微量喷水气动阀A、B、C、D和一次再热器微量喷水电动调节阀A、B、C、D；二次再热再热器事故喷水气动阀A、B和二次再热器事故喷水电动调节阀A、B，二次再热再热器微量喷水气动阀A、B、C、D和二次再热器微量喷水电动调节阀A、B、C、D。

为保证MFT跳闸动作的可靠性，通常设计“软”、“硬”两套方案。“软”是指通过相关的联锁逻辑停运设备；“硬”是指MFT继电器柜中继电器的触点并联或者串联在设备驱动的电气回路中来控制设备停运。若上述两种方法均失效，操作员可以通过操作台上两个MFT跳闸按钮，来实现MFT跳闸动作。

3.3.3 MFT跳闸继电器复位

MFT继电器跳闸后，当MFT继电器电源正常，不存在MFT跳闸条件，油泄漏试验和炉膛吹扫已完成时，DCS控制系统会将MFT继电器复位，并在CRT上将跳闸首出原因自动清除。

3.4 油燃料跳闸OFT

OFT触发后，立即切断所有进入油枪的燃料。当所有的油角阀关闭、MFT继电器已经复位、炉膛吹扫完成、操作员手动OFT复位同时不存在OFT跳闸条件时，将逻辑中的表示OFT的开关量点复位。

图9 油燃料跳闸条件及跳闸动作示意图

3.5 油燃烧器管理

油燃烧器的管理包括：油角设备的操作，油角的启动、停止、吹扫，以及油层的控制。油角设备的逻辑包括油角阀、油枪、吹扫阀、点火枪的驱动级逻辑以及相关联锁逻辑。单个油角的启动、停止、吹扫逻辑，对于驱动级封装的EDPF NT+系统上述程序通过顺控步序及驱动级实现。油枪吹扫能够清除油枪及燃烧器头部的残油，是油枪灭火的重要步序，吹扫介质为空气。当下列条件有一条满足时，油枪不能进行吹扫：MFT已跳闸、油角阀未关到位、油枪未伸进、吹扫空气压力低。

3.6 煤燃烧器的管理

煤燃烧器的管理包括：煤燃烧器逻辑、煤点火允许条件、供其它系统使用的中间点逻辑、制粉系统的启停步序、制粉系统的跳闸条件及首出原因，以及制粉系统单操及联锁逻辑。国电泰州机组B层制粉系统的燃烧器设计等离子与油枪两个点火源，B层煤粉点火分为：正常点火模式与等离子点火模式。

3.7 辅机故障减负荷RB

锅炉主要辅机在运行过程中发生故障而不能满负荷运行时，RB逻辑将依据当时燃烧器投运情况和有利于炉膛火焰稳定的原则，迅速切除部分燃烧器，把投入炉膛的燃料量降低到同主要辅机运行相适应的程度[7]。在DCS控制系统中，RB逻辑一般不做在FSSS逻辑中，而放在MCS的组态逻辑中。

5 结束语

国电泰州二次再热机组各项运行指标已达到世界领先水平，成为我国在1000MW级二次再热机组建设的标志性机组。笔者以该项目为背景，结合二次再热机组的特点全面分析了FSSS的功能组成和控制策略。针对FSSS系统的核心部分MFT，通过对比一次、二次再热机组的不同，归纳了二次再热机组MFT逻辑设计的特点。由于二次再热机组自身结构的变化，使MFT中“汽轮机跳闸”和“再热器保护丧失”的逻辑设计以及MFT跳闸动作中“关再热器减温水总阀”的内涵发生变化。对于油燃烧器的管理、煤燃烧器的管理以及RB的逻辑设计由于篇幅所限，只作概括介绍。大容量超超临界二次再热技术是一种节能减排，高效清洁的发电技术，已成为国内外大型火力发电机组建设的重要选择。通过本文的介绍，希望能为国内后续二次再热机组FSSS的设计起到一定的借鉴作用。

[1] 蒋敏华, 黄斌. 燃煤发电技术展望[J]. 中国电机工程学报, 2012.

[2] 朱宝田. 我国超超临界燃煤发电技术的发展[J]. 华电技术, 2008.

[3] 马新立. 二次再热示范机组锅炉技术分析 [J]. 能源研究与利用, 2013.

[4] 张方炜, 等. 超临界机火力发电机组二次再热技术研究[J]. 电力勘测技术, 2013.

[5] 王疆, 张永霞, 等. 锅炉炉膛安全监控系统及其应用[M]. 北京: 中国电力出版社, 2014.

[6] NFPA85: boiler and combustion systems hazardscod, 2011Edition[S]. U. S. A: National Fire Protection Association, 2011.

[7] 朱北恒. RB控制技术试验研究[J]. 中国电力, 2004.

The Application of FSSS in 1000MW Ultra-supercritical Double Reheat Unit

As an important protection system of power plant boiler , the FSSS is widely used in large-scale thermal power generating units. Guodian Taizhou Phase II is China's first 1000MW ultra-supercritical double reheat units. According to this project, the author analyzes and summarizes the functions and logic design of FSSS. This paper describes the unique characteristics of FSSS in 1000MW ultra-supercritical double reheat units. By comparing the typical single reheat unit with the typical double reheat units, the author describes the trip conditions of MFT and the action of MFT after the trip.

Ultra-Supercritical; Double reheat; FSSS; MFT

B

1003-0492(2015)06-0098-05

TM621.6

王默（1969-）,男，新疆奎屯人，本科，现任北京国电智深控制技术有限公司市场营销中心总经理，主要研究方向为控制理论及应用、先进控制技术在热工自动化中的应用、DCS工程设计与应用等。

王耀（1989-）,男，山东荣成人，东北电力大学控制科学与工程专业在读硕士研究生，研究方向为功能安全标准在电厂锅炉炉膛安全监控系统设计中的研究和应用。

王疆（1977-）,男，北京人，硕士研究生，高级工程师，现任北京国电智深控制技术有限公司市场营销中心副总经理，主要研究方向为控制理论及应用、先进控制技术在热工自动化中的应用、DCS工程设计与应用等。