燃煤机组炉膛压力越限联跳风机方案的应用研究

赵 军，张晓波（神华国华国际电力股份有限公司，北京 100025）

叶云云（神华浙江国华浙能发电有限公司，浙江 宁海 315612）

张 强（神华国华国际电力股份有限公司，北京 100025）

王 会（神华浙江国华浙能发电有限公司，浙江 宁海 315612）

燃煤机组炉膛压力越限联跳风机方案的应用研究

赵 军，张晓波（神华国华国际电力股份有限公司，北京 100025）

叶云云（神华浙江国华浙能发电有限公司，浙江 宁海 315612）

张 强（神华国华国际电力股份有限公司，北京 100025）

王 会（神华浙江国华浙能发电有限公司，浙江 宁海 315612）

某燃煤机组因送风机调节特性差，引起送、引风机耦合振荡，导致炉膛负压越限，造成电除尘系统内爆。结合本次事件特征，深入研究DL/T 435《电站煤粉锅炉炉膛防爆规程》和美国国家防火协会NFPA85《锅炉和多燃烧器系统防爆标准》，对机组主燃料跳闸后设置炉膛压力越限联跳风机的重要性、联跳风机与防煤粉爆燃的关系等进行了论证，并提出了炉膛负压越限立即联跳引风机方案及联跳风机的方式等改进措施。

自动化技术；炉膛防爆；炉膛压力；风机；联锁；

1 事件背景

1.1 事件过程

某厂600MW亚临界机组在317MW负荷下运行时，发生了机组跳闸，电除尘内爆事件。该项目引风机为引增合一型式，事故前A送风机动叶开度为14.5%，B送风机动叶开度为31.6%，电流均为35A左右；两台引风机动叶开度为25%左右，电流为182A左右。此时机组有一小幅向下的AGC指令，炉膛负压从-106Pa向下波动，送风机动叶开度向下动作，如图1所示。

图1 事故时炉膛压力和送、引风机挡板开度

图2 事故时的总风量和炉膛压力

如图2炉膛压力和风量连续四个峰谷波动，且在此期间，A送风机三次向下调整到动叶开度为零，由此引发送、引风机耦合振荡。运行人员退出送、引风机自动，机组退出协调控制模式，但炉膛负压继续下降，锅炉炉膛压力低Ⅱ值保护动作（动作值-2.49KPa）锅炉MFT（主燃料跳闸）。

后检验炉膛负压调节系统和风量控制系统的调节品质，结果良好。负压造成电除尘器右墙发生内凹变形，三个电场无法投运，经检修后投运正常。

1.2 事件的原因

事件的诱因是送、引风机耦合振荡。事件发生后，技术人员对送、引风机的关键部件进行了检查，分析了风烟系统各参数的历史趋势，确定造成负压和风量耦合波动的起因是由两方面原因引起的：一是送风机在低开度下的风量调节特性较差，二是两台风机在低开度下的电流平衡功能导致动叶开度偏差较大，风量特性一致性较差。

按《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》的要求，以及本项目引增合一后引风机环境温度下的试验台风压（TB点）的加深，除尘器强度压力设计值考虑不足，是造成电除尘损坏的重要原因。

检查风烟系统保护逻辑发现，机组未设置炉膛压力越限联跳风机的连锁保护逻辑，系统保护设计不够完善，是致使后果扩大的重大缺陷。事件的起因是由负压和风量耦合波动引起的，炉膛负压低触发了MFT，但因无保护手段阻止负压效应扩大，导致负压迅速扩大到-6000Pa。经计算，速率达到167Pa/秒，从-2500Pa到-5900Pa仅用了20秒。

2 炉膛压力越限联跳风机方案的应用情况

基于保护设置的可行性研究，普查了公司下属60多台锅炉炉膛压力越限联跳风机的实际应用情况，参阅了中国电力工程顾问集团公司技术成果《锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究报告》中关于联跳风机的统计数据。

对公司所有锅炉的实际应用调研发现，该保护大致分为三类，第一类是无设计，如1、3、6、9号锅炉。第二类是按照规程规定，设置了MFT后炉膛压力越限延时跳风机，部分机组延时时间严格按5分钟设计，如4、10、15号锅炉；第三类在MFT值的基础上再扩大500Pa，且不延时直接跳风机，如6、7、8号锅炉。见表1。

表1 部分机组炉膛压力越限保护设计情况表

文献[2]表明，由于设计技术不同、炉型不同、锅炉结构不同，炉膛压力保护条件也有所不同，均设置报警值和主燃料跳闸值，但大多数锅炉未设置跳风机值，见表2，只有哈锅的超临界锅炉和北京巴威锅炉设置了联跳风机保护。上锅在1000MW等级的锅炉上跳风机保护定值采用在MFT定值的数值上再扩大500Pa，不延时跳风机。

表2 与锅炉设计和制造相关的炉膛压力保护设计情况表

哈锅超临界锅炉（三井巴布科克技术）M F T M F T送风机跳闸引风机跳闸哈锅超超临界锅炉（三菱技术）高Ⅱ+ 2 5 0 0 P a高Ⅲ+ 4 0 0 0 P a低Ⅲ-4 0 0 0 P a高Ⅱ+ 5 8 0 0 P a低Ⅱ-5 8 0 0 P a M F T M F T美国E . W W火焰炉高Ⅱ+ 2 0 0 0 P a低Ⅱ-2 0 0 0 P a高Ⅲ+ 3 7 0 0 P a低Ⅲ-3 7 0 0 P a延时2秒发M F T延时2秒发M F T M F T M F T无联跳风机设计延时5秒发M F T延时5秒发M F T延时2秒送风机跳闸延时2秒送、引风机全跳闸东锅亚临界锅炉（三井巴布科克技术）北京B . W高Ⅱ+ 1 7 0 0 P a低Ⅱ-2 5 0 0 P a高Ⅲ+ 3 7 0 0 P a低Ⅲ-3 7 0 0 P a M F T M F T无联跳风机设计上锅亚临界锅炉（美国C E技术）M F T M F T无联跳风机设计东锅超临界锅炉（日立技术）高Ⅱ+ 2 0 0 0 P a低Ⅱ-2 0 0 0 P a高Ⅱ+ 4 0 0 0 P a低Ⅱ-4 0 0 0 P a高Ⅱ+ 3 2 4 0 P a低Ⅱ-2 4 9 0 P a M F T M F T无联跳风机设计上锅超临界锅炉（美国A L S T O M -原美国C E技术）高Ⅱ+ 1 5 2 0 P a低Ⅱ-1 7 8 0 P a高Ⅱ低Ⅲ-2 2 9 0 P a M F T M F T延时5分钟后仍高跳送、引风机延时2 0秒送、引风机全跳闸

3 国内外煤粉锅炉防爆规程的规定和差异

基于上述调研结论，为了准确把握规程的原则和目的，也为了新逻辑对该事件有针对性，将两部规程的条款进行了研究，并结合本次事件的一些特征进行了分析论证。

3.1 DL/T 435-2004《电站煤粉锅炉炉膛防爆规程》的规定

DL/T 435-2004《电站煤粉锅炉炉膛防爆规程》中，条款3.2.13.2 规定防内爆保护系统必须配备下列连锁（保护逻辑）[2]。

（1）炉膛正压超限总燃料跳闸

当炉膛正压超过正常运行压力达到制造厂所规定的限值时，应触发总燃料跳闸。跳闸后，风机如果仍在运行，则应继续运行，但不应手动或自动增加通风量。

总燃料跳闸后，经过5分钟炉膛吹扫，在主燃料尚未点火前，如果炉膛压力仍超过制造厂的规定值，则送风机应跳闸。

（2）炉膛负压超限总燃料跳闸

当炉膛负压超过正常运行负压而达到制造厂所规定的限值时，应触发总燃料跳闸(不一定是自动跳闸 )。跳闸后，如果风机仍在运行，则应继续运行，但不应手动或自动增加通风量。

总燃料跳闸后，经过5分钟炉膛吹扫，在主燃料未点火前，如果炉膛负压仍超过制造厂所规定的限值 ，则所有引风机均应跳闸。

3.2 NFPA-85-2011 Boiler and Combustion Systems Hazards Code的规定

NFPA85-2011版第6章“多燃烧器锅炉”规定如下[3]：

6.4.2.3.6.6条款：在主燃料点火前或MFT后，如果炉膛负压超过制造厂给定的定值，所有引风机须跳闸，可以设置一个短延时是为了避免因主火焰丧失带来的负压信号瞬间波动，该定值应大于MFT定值。

6.4.2.3.7.6条款：在主燃料点火前或MFT 5分钟后（炉膛吹扫后），如果炉膛压力继续超过制造厂跳风机定值时，送风机应跳闸。

3.3 国内外规程的差异及影响后果

NFPA85标准与DL/T435标准的区别是无“经过5分钟炉膛吹扫”跳闸所有引风机。本次事件如果按照DL/T435标准设置了该项保护，后果更严重。从普查结果中看部分新建机组或百万千瓦机组已注意到该问题，未设置长延时。

没有一个标准能保证完全消除炉膛内爆和外爆，标准不是设计手册，也不能企图利用标准代替设计、调试、运行维护的一切工作，它只是希望设计者能够更完整且严格地分析特殊的或不寻常的问题，并使设计有开拓性[3]。防煤粉爆炸和防正压过高（或负压过低）都是规程中炉膛防爆的内容，DL/T435标准强化了煤粉爆燃的风险，强调吹扫的必要性，但带来内爆风险概率的增大。针对这一影响，两项标准都提出了解决之道，明确联跳引风机后，要将风烟通道上的挡板开到最大，至少通风15分钟以上，在风机再启动时再进行正常吹扫。

4 针对此类事件的改进措施

4.1 炉膛压力越限跳风机设计原则的改进

MFT后炉膛正压越限跳送风机。MFT的结果就是炉膛正压自然回落的效果，执行吹扫是将风量回调到25%～40%中低范围的办法，也是降正压的辅助手段，不需要马上跳送风机；因此正压越限时，可以延时，等待MFT、吹扫等功能的执行，观其后果，如果压力还保持高值，再停全部送风机；但为防备烟道堵塞等特殊情况，可直接设置正压高Ⅲ值（大于炉膛压力越限跳风机值）跳全部送风机，前提是炉膛吹扫功能的风量定值上限要保证小于40%额定负荷下的风量，因此DL/T 435标准中的正压延时5分钟方案可以采用。

MFT后炉膛负压越限跳全部引风机。从本事例的结果看，DL/T 435标准中的延时5分钟不可取，20秒也显过长。目前实际应用中，上海锅炉厂给定的方案是设高Ⅲ值跳风机，武锅厂亚临界锅炉采用高/低Ⅲ值延时20秒跳风机。当机组实施引增合一、电除尘改造、增加SCR（选择性催化还原法）脱销装置、低温省煤器、湿式电除尘等工艺改造后，锅炉尾部烟道阻力过大，使引风机选型点压力超过标准设计值, 例如风机入口负压绝对值为7kPa以上时，烟道工作压力已超过所计算的防内爆设计压力，DL／T5121《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》已不能适用[4]。同时炉膛压力的变化速率增大，纯滞后时间增大，因此延时时间的计算要慎重。

图3是公司另一台东锅产500t/h出力的锅炉发生炉膛负压越限的负压变化趋势。该锅炉设置了炉膛压力越限联跳风机的逻辑，锅炉MFT保护定值为±1470Pa，锅炉跳闸后，炉膛负压继续扩大，到-3000Pa时触发低Ⅱ值延时10秒跳风机保护，依据历史趋势数据计算，负压-3000Pa到-4000Pa只用了不到6秒，最终是-4000Pa低Ⅲ值保护动作起了作用。即使如此，最终炉膛负压也下降到了-4989.24Pa，速率235Pa/秒，惯性时间4秒，略显偏大，依据该次经验，建议低Ⅱ值延时设为8秒。

图3 一台500t/h东方锅炉发生炉膛负压越限时的负压趋势

特别强调全部风机跳闸后联锁开启出入口挡板，保证烟风道畅通。为消除负压信号瞬间波动造成的误动作，可设置2秒至5秒（具体数值应结合实际负压变化率和惯性时间确定）的短延时防误动，从文献[2]看到，采用美国E.W技术的W火焰炉设置了2秒的延时，北京B.W的锅炉设置了5秒的延时。

炉膛压力越限联跳风机的方式。炉膛正压越限联跳送风机时，第一对送、引风机成对联跳，但最后一台引风机要保留[5]；炉膛负压越限联跳全部引风机时，同时联跳对应的送风机。

4.2 优化风机低开度特性

如果送风机在低开度的特性较差，风量控制系统在自动方式下应设置低限，当然，彻底的解决方案是重视送风机选型，调整双机动叶特性尽量一致。另外也可考虑炉膛压力高低（可自行设计，也可选报警Ⅰ值）的定向闭锁，即炉膛压力低时，闭减送风机调节导叶；当炉膛压力大时，闭减引风机调节导叶、闭增送风机调节导叶[3]。

4.3 优化送、引风自动调节方案

负压自动调节系统的前馈信号可以是燃料量信号、锅炉主控信号或其它合适的需求量指示值，但不能是送风量测量信号或送风动叶反馈。前馈信号选择这两类信号都有加剧耦合振荡效应的可能。

从此次事件的风量振荡曲线看，初始时异常现象很明显，风量调节对象是一个临界阻尼或小超调特性对象，正常扰动下，出现大幅度波动可立即判定为异常。早期DDZ组装仪表时代为防止硬手操器故障而设置的“被控变量与定值偏差大切手动”逻辑，可利用在风量调节系统上，在出现振荡过程时将风量自动切除手动，稳定风量不变[6]。

炉膛负压控制系统的超驰作用。超驰是采用非正常调节方式直接操作负压调节执行结构的方式，引风机超驰动作的前提是：（1）动作前炉膛是一个稳定的工况；（2）发生主燃料切除；（3）炉膛负压是向负向变化。在这个前提下，引风机做超驰动作，暂时关闭调节机构，然后再打开到一个预定开度。但如果是因为炉膛正压动作导致的主燃料跳闸，则需要闭锁该超驰功能。

5 结语

本次事件和研究结果对同类机组有重要的借鉴意义，无论何种锅炉，设置炉膛压力越限跳风机都有必要，2014年发布的国能安全(2014)161号《防止电力生产事故的二十五项重点要求》第6.2.3.3条款也提醒600MW以上锅炉应考虑负压低联跳引风机的保护设置。

技术在不断进步，事故有意想不到的状况。本案例警示设计者在保护设计中，应以事实为根据，以保护设备为目的，灵活应用标准。在运行维护中，运行人员也应熟悉可能发生外爆、内爆的各种原因，熟悉各工艺参数的运行特征，制定相应的反事故措施做为自控设备的后备手段。

[1] 中国电力工程顾问集团公司. 锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究报告[R]. 2008.

[2] DL/T 435 - 2004. 电站煤粉锅炉炉膛防爆规程[S].

[3] NFPA 85 - 2011. 锅炉与多燃烧器系统防爆标准[S].

[4] 张建中. 锅炉炉膛及烟气系统防爆设计压力取值标准的分析[J]. 电力建设. 2012, 33(10): 13 - 19.

[5] DL/T_5428 - 2009. 火力发电厂热控保护系统设计技术规范[S].

[6] 陈剑峰, 王震皓. 华能福州电厂二期300MW机组锅炉负压控制系统[J]. 热力发电. 2004, 33(6): 51 - 53.

Application Research for the Solution of Furnace Pressure Overlimit and Intertripping Fans in Coal-Fired Unit

Because of the poor control properties of blower fan and the fan coupled oscillation, a coal-fired unit caused the furnace pressure over limit which results in electrostatic precipitator system implosion. Combined with the characteristics of this event we studied deeply the DL/T 435《Code for the prevention of pulverized coal firing furnace explosions/implosions in power plant boilers》 and the NFPA85《Boiler and Combustion Systems Hazards Code》, verified importance and sufficient conditions of that master fuel trip setting furnace pressure over limit tripping of fan &The relationship between Inter-tripping fans, and put forward some improvement measures, for example, the furnace negative pressure limit immediately tripping draft fan & tripping of fan scheme etc.

Auto control; Furnace explosion protection; Furnace pressure; Fan; Interlocking

B

1003-0492(2016)01-0090-04

TP207

赵军（1968-），男，山西保德人，工程硕士，教授级高工，现任神华集团国华电力公司高级主管，研究方向为发电厂热工自动化。