火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15 s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5 min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。
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