600 MW超临界机组火检冷却风系统改造及控制逻辑优化

张伟伟，白光远，吴 斌

(内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000)

火焰检测系统是火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统(furnace safety supervision system，FSSS)中的核心设备[1]，从锅炉点火到发电机并网带负荷的整个过程，随时监测锅炉内部煤粉燃烧产生火焰的稳定性情况[2]。当内部煤粉燃烧不充分导致锅炉熄火时，应立即切断煤粉气流入炉，停止相应给粉机、磨煤机与一次风机等设备的运行，防止发生爆燃。

另外，即使是在点火不成功时也能及时切断油流，即停止燃油总阀的运行，防止因炉内储积燃料而引起爆燃，确保点火的安全。因此火焰检测系统运行的可靠性与检测的准确性直接关系到机组的运行安全与稳定性。

1 火焰检测系统

火焰检测系统主要由火检冷却风机(1运1备)和火检探头(煤火检探头和油火检探头)两部分组成。火焰检测系统管道如图1所示。

图1由2台火检冷却风机、40个火检探头与用于监测和控制火检冷却风系统正常运行的热工测点组成。在锅炉点火之后，当煤粉或者油在炉膛内部燃烧时，必然会产生很高的温度，这就会给火检探头的正常工作带来影响，如果火检探头得不到及时冷却和吹扫，将会检测出不正常数据，严重情况会触发锅炉MFT保护，导致锅炉停机灭火。提供火检探头冷却降温和吹扫的设备就是火检冷却风机。火检冷却风机产生的冷却风通过火焰检测系统风管路送至各火检探头处，用以保证火焰探测器能长期稳定工作的正常工作温度。一方面，火检冷却风系统应能提供锅炉在不同负荷下所有火焰探测器所需的冷却风的风量和风压，并且应使火焰探测器的入口风压比锅炉炉膛的压力高出一定的整定值，以防当锅炉燃烧产生正压时而损坏火焰探测器[3]。另一方面，要求每个火焰探测器所需的冷却风量不能少于1 m3/min，避免因温度过高影响火焰探测器的正常工作。在锅炉正常运行期间，不允许冷却风机同时停运，否则将有可能烧毁火焰探测器[4-5]；火检探头的主要作用是通过检测锅炉燃烧过程中形成火焰的光谱，从而实现锅炉内燃烧的情况及锅炉有火与无火的判断。

图1 火焰检测系统管道

2 设备概况及存在问题

内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司一期2×600 MW超临界机组锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司自主开发研制的600 MW褐煤超临界参数锅炉，锅炉型号HG-1913/25.4-HM15，为单炉膛，一次中间再热、墙式切圆燃烧、平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构П型燃煤锅炉[6-8]。汽轮机为上海汽轮机厂生产的超临界蒸汽参数、一次中间再热、单轴两缸两排汽、单背压、直接空冷式汽轮机，额定功率600 MW。机组能够以定-滑-定和定压运行方式中的任何一种方式运行，同步配套火焰检测系统。

电厂火焰检测系统包括火检冷却风机系统、火检探头(煤火检与油火检)系统、电气系统和自动控制系统。每台锅炉设置一套火焰检测系统，主要由2台火检冷却风机(1运1备)、12个油火检检测探头和28个煤火检检测探头组成。当机组正常工况运行时，火检冷却风系统主要存在3方面问题。首先，由于锅炉内部粉尘的存在，会使火检冷却风机入口滤网经常堵塞，所以要求检修维护人员要定期进行风机滤网清理工作，如果清理不及时，有可能导致风机运行故障，从而威胁机组运行安全。其次，在机组运行的过程中，为保证火焰检测系统的正常运行，需要火检冷却风机长时间一直运行，这就给设备的安全性和稳定性埋下隐患。最后，从节能降耗的角度讲，如果能够从其他系统抽取部分风作为火检冷却风，从而停止运行火检冷却风机，则可以在一定程度上节约电能，为企业发电降低成本。

3 火检冷却风系统改造前工艺及控制逻辑

3.1 火检冷却风系统改造前工艺

本厂每台机组配备2台火检冷却风机，2台火检风机出口共用1个出口电动门，正常工况下1运1备，互为联锁，当运行中的1台稀释风机出现故障跳闸时，另1台连锁启动。火检冷却风系统改造前工艺图和原理图分别如图2、图3所示。

图2 火检冷却风系统改造前工艺图

图3 火检冷却风系统改造前画面组态

图2为火检冷却风系统改造前工艺图，2台火检冷却风机A与B通过与其配套的各自独立的进风过滤器、出口平衡阀和火检冷却风管道将产生的火检冷却风送入火检探头中。一方面起到改善火检探头的工作环境，使火检探头得到适当的冷却降温，使其工作在合理的温度范围内。另一方面火检冷却风的吹扫对火检探头也起到了清洁的作用。

本厂2台机组的DCS系统采用的是杭州和利时自动化有限公司自主研发的MACS V6控制系统，组态软件为MACS V6.5.3 版本，硬件为KM系列，操作系统为Win10系统[9-10]。图3为杭州和利时自动化有限公司火电厂MACSV6.5.3版本的画面组态，实现对2台火检冷却风机的启停及2台风机的联锁投入与切除工作，同时在画面上提供运行人员可监视的火检冷却风系统正常运行的各开关量点。

3.2 火检冷却风系统改造前控制逻辑

火检冷却风系统改造前控制逻辑如图4和图5所示。

本控制逻辑以火检冷却风机A为例，图4为火检冷却风机HSSCS6手操器功能块，手操器功能块名为SCS10FSS0901。HSSCS6手操器功能块可以实现火检冷却风机的启动允许条件(L4)、停许可条件(L5)、风机的合闸状态显示(V1)、风机的跳闸状态显示(V2)、风机控制回路故障报警(L0)、风机连锁启动命令(L6)、联锁停止命令(L7)及远方就地状态显示(SD)等功能。其中“HSTON”为上升沿延时输出功能块；“HSTP”为输出定宽高电平脉冲的功能块；“AND”为逻辑与功能块；“LT”为小于功能块；“OR”为逻辑或功能块。

由图4和图5可见火检冷却风机A改造前停止允许条件和连锁启动条件控制逻辑。

其停止允许条件(L5)为“空预器A与B入口烟温均<60 ℃或者火检冷却风机B在运行”。即当空预器A与B入口烟温均<60 ℃或者火检冷却风机B在运行时这2个条件有1个满足时，允许停止火检冷却风机A。

其连锁启动条件(L6)为“连锁备用投入时，火检冷却风机B跳闸或者连锁备用投入时，火检冷却风机B运行时，火检冷却风机压力<5.6 kPa(开关量)，延时2 s”。机组正常运行时，火检冷却风机是1运1备，当火检冷却风系统运行过程中，正常运行的火检冷却风机由于故障导致跳闸时，这时为保证火检冷却风系统的正常运行，应连锁另1台备用火检冷却风机启动，而且这个连锁启动应是无延时的，即当故障状态出现的时刻连锁启动就应立刻动作，从而保证火检冷却风系统的运行正常；当机组正常运行时，虽然正在运行的火检冷却风机无故障输出，但是此时1台火检冷却风机运行所提供的火检冷却风压力<5.6 kPa时，即这种压力值不能够满足火检探头正常冷却和吹扫的条件，同时也为了防止因火检冷却风压力低导致火检探头工作异常，从而引起锅炉MFT风险，此时需连锁启动另外1台备用的火检冷却风机，即2台风机同时运行保证火检冷却风压力在正常值范围内的要求。

从上述控制逻辑可以看出，在机组运行时火检冷却风机一直有1台处于运行状态，当设备长时间运转必然会对其安全性和稳定性产生影响，这就需要运行人员定期进行火检冷却风机切换工作。同时由于锅炉内部粉尘的存在，导致火检冷却风机入口滤网频繁堵塞，需检修人员进行定期清理。

图4 火检冷却风机改造前手操块控制逻辑

图5 火检冷却风机改造前启动许可条件与连锁启动控制逻辑

4 火检冷却风系统改造后工艺及控制逻辑优化

4.1 火检冷却风系统改造后工艺方案

基于上述问题，提出了借助冷一次风系统替代火检冷却风系统，使火检冷却风机转为备用状态的优化运行方案[11-16]。通过增加火检冷却风系统备用风道，从冷一次风管道抽取部分风作为火检冷却风使用，当机组运行时使火检冷却风机处于备用状态，实现火检冷却风系统冗余配置，从而提升了火检冷却风系统运行的稳定性及可靠性，防止因火检冷却风机故障引发锅炉MFT动作发生。另外，由于2台火检冷却风机的备用状态，可以在一定程度上节约厂用电和增加设备的使用寿命，降低企业发电运行成本。其火检冷却风系统改造后工艺和画面组态如图6和图7所示。

图6 火检冷却风系统改造后工艺图

本厂对火检冷却风系统改造方案为从2号锅炉炉西冷一次风母管处接取一根30 m风管并向上引致15.7 m，在15.7 m处加装一个滤网，在滤网的前后和旁路各加装一个手动蝶阀，在滤网的后部顺次加装电动蝶阀、止回阀，再与火检冷却风机母管相连接。在原火检冷却风机出口三通挡板后顺次加装电动蝶阀、止回阀，将原压力测点移至原母管与新加装管道碰口之后母管上。运行方式为正常运行时由冷一次风供给火检冷却风，2台火检冷却风机作为备用。

图7 火检冷却风系统改造后画面组态

图7为杭州和利时自动化有限公司火电厂MACSV6.5.3版本的画面组态，通过画面组态示意图同样实现对2台火检冷却风机的启停及两台风机的联锁投入与切除工作。同时在画面上提供运行人员可操作的火检冷却风机出口电动门以及一次风侧电动蝶阀，当一次风侧提供火检冷却风时，需开启一次风侧电动蝶阀，同时关闭火检冷却风侧出口电动门，并在火检冷却却风侧出口电动门设逆止阀，防止一次风侧的风逆向流入火检冷却风机内部。

4.2 火检冷却风系统改造后控制逻辑优化

通过上述对火检冷却风系统管路的改造，相应的也对火检冷却风系统控制逻辑进行优化，改造后的火检冷却风系统控制逻辑优化如图8和图9所示。

图8 火检冷却风机改造后手操块控制逻辑

图9 火检冷却风机改造后启动许可条件与连锁启动控制逻辑

本控制逻辑仍以火检冷却风机A为例，图8为火检冷却风机HSSCS6手操器功能块，手操器功能块名为SCS10FSS0901。由图8和图9可见火检冷却风机A改造后停止允许条件和连锁启动条件控制逻辑。

停止允许条件(L5)为“空预器A与B入口烟温均<60 ℃、火检冷却风机B在运行或者2台一次风机在运行且一次风侧电动蝶阀开启”3种情况之一。图8与图4进行对比，火检冷却风机A改造后停止允许条件与改造前相比多了一条“2台一次风机在运行且一次风侧电动蝶阀开启”条件，即当从一次风侧取风替代火检冷却风运行时，允许停止运行火检冷却风机，从而实现节能降耗的目的。

其连锁启动条件(L6)为“连锁备用投入时，火检冷却风机B跳闸或者连锁备用投入时，火检冷却风机压力<5.6 kPa(开关量)，延时2 s或者连锁备用投入时，当任意1台一次风机停止时，无延时”3种情况之一。图9与图5进行对比，火检冷却风机A改造后连锁启动条件与改造前相比，优化后的逻辑将改造前“连锁备用投入，火检冷却风机B运行时，火检冷却风机压力<5.6 kPa(开关量)，延时2 s”修改为“连锁备用投入时，火检冷却风机压力<5.6 kPa(开关量)，延时2 s”，删除火检冷却风机B运行逻辑，即：改造后的火检冷却风系统由于正常运行是从冷一次风管道抽取的风作为火检探头冷却和吹扫使用，正常工况下2台火检冷却风机都是处于备用状态，所以，只要是火检冷却风机压力<5.6 kPa时，不论什么情况，此时备用状态的火检冷却风机都应该立即连锁启动来确保火检冷却风系统压力正常，故删除原来的火检冷却风机B运行这一条件；增加连锁备用投入时，当任意1台一次风机停止(包括跳闸或停运)连锁启动火检冷却风机条件，增加此逻辑的目的是当任意1台一次风机停止运行时，为保证供给制粉系统的一次风量值正常，同时保证机组的安全运行，此时需切除从一次风管道抽取部分风作为火检冷却风这一改造通道，连锁启动火检冷却风机运行确保火检冷却风系统的正常工作。

5 结语

通过对火检冷却风系统的管道改造和控制逻辑进行优化，使得火检冷却风系统运行更加安全稳定，减少了火检冷却风机入口滤网的清理和火检冷却风机的定期切换工作，一定程度上起到节能降耗目的，节约了企业的运行成本，可供同类型火电厂火检冷却风系统借鉴。