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摘要：控制策略的优劣直接关呼系统设备运行安全及机组稳定、经济运行，深入了解设备特性及系统工艺，再细化系统和设备控制策略，可减少机组在运行过程中发生事故或防止事故扩大，提高机组运行经济性。本文针对某电厂330MW机组磨煤机爆炸及紧急停机事故原因详细分析，给出杜绝同类事故再发生的防范措施及控制策略优化。磨煤机增加防爆功能和防范措施；CCS增加真假煤判断功能和控制策略优化后，3台机组在整个带负荷试运和168小时试运过程中均稳定、安全运行，同时也为新建机组CCS控制策略及业主对给煤设备的技术要求提供依据。
关键词： 制粉系统；故障分析；控制优化
1锅炉及制粉系统简介
国外某电厂 3×330MW燃煤机组锅炉为亚临界参数、一次中间再热、固态排渣、单炉膛平衡通风、露天布置、全悬吊、自然循环、单锅筒锅炉。设计煤种为印尼褐煤，其煤质特性见表1。采用中速磨正压直吹制粉系统，配备6台中速磨煤机和6台皮带式给煤机。燃烧器前后墙布置，采用对冲燃烧方式，并配置有双调风DRB-XCL型旋流燃烧器。
锅炉满负荷运行时制粉系统为5台磨煤机运行，锅炉启动系统不设微油及等离子点火，直接采用大油枪点火启动方式，启动油枪共设24支，每台磨煤机对应4支。燃用油为HSD油，燃油特性见表2。
3事故现象
3.1磨煤机停运期间爆炸
在1号机组整套启动试运过程中，升负荷速率大于4MW时，锅炉过热器出口蒸汽温度波动较大，最大可达±30℃，不能满足机组快速升负荷要求及AGC要求，特别在低负荷阶段升负荷特别困难，影响机组安全运行。
机组正常投运后，将前墙下层磨煤机切至前墙中层磨煤机运行，改变磨煤机运行方式来改善蒸汽参数。切换正常后，发现前墙中层磨煤机的分离器出口漏粉严重，再把前墙中层磨煤机切至后墙中层磨煤机运行，正常停运前墙中层磨煤机，处理漏点后备用。机组运行4个小时后，前墙中层在备用状态的磨煤机发生爆炸，造成给煤机落煤管、给煤端盖、给煤机平台控制箱及磨煤机防爆门严重损坏，造成经济损失约13万人民币。
3.2给煤机系统故障机组紧急打闸停机
给煤机控制系统故障前，机组负荷330MW，CCS控制方式下运行，C给煤机煤量信号突然消失且输出非坏质量信号，为维持机组当前目标负荷运行，CCS自动控制逻辑将C给煤机的给煤量平均分配在运行的其它四台给煤机，导致磨煤机出力超限。为减少给煤机的给煤量，降低磨煤机出力，运行人员投入C层2支大油枪（单支油枪出力为2.2t/h），投入油枪1分钟后，锅炉主蒸汽压力超限，PCV阀动作，调试人员命令运行人员退出油枪。由于PCV阀动作后，排泄蒸汽量突然增大，导致主汽温度快速下降，因此，将机组CCS控制方式切为基本控制方式，并快速降负荷至290MW。C给煤机断煤信号发出1分钟后保护动作，给煤机跳闸，联锁关闭给煤机入口电动插板门和给煤机出口气动插板门。经就地检查发现C给煤机实际并未断煤，给煤机断煤信号属于误发，由于C给煤机断煤信号误发后CCS自动将C给煤机的给煤量平均分配给其它在运行的4台给煤机，且运行人员投入了两支油枪，进入炉内的实际燃料量瞬间超过了目标负荷所需的燃料量，炉内热负荷急剧上升、蒸发量迅速增大导致主蒸汽压力超限，PCV阀动作。C给煤机跳闸后进入炉内的实际燃料量迅速减少，且PCV阀动作后蒸汽流量增大，在双重极端工况的作用下，主蒸汽温度突降至汽机安全运行所规定的蒸汽温度值，汽机紧急打闸，锅炉MFT，机组停运。
4事故分析及控制优化
4.1磨煤机爆炸事故原因分析、防爆措施及控制优化
4.1.1 磨煤机爆炸事故原因分析
磨煤机爆炸事故发生后，从磨煤机入口温度、磨煤机内部CO浓度以及磨煤机停运时间的历史数据分析发现，磨煤机刚停运后，磨煤机出口温度为60℃，CO浓度为8%。停运4个小时后，磨煤机出口温度为92℃，CO浓度为71.9%。磨煤机温度和CO浓度随时间变化如图2所示。从图2可以看出，在磨煤机停运30分钟后，内部可燃气体浓度已达到爆炸浓度（12.5%）。
式中：
Vn-时间段的积累浓度，ml,n（1、2、3…）其中1、2、3…分别代表30、60、90min…；
m-煤的质量（g）；
t-反应时间（min）。
在80℃环境下通过生成CO的速率以1.73×10-4/mL.（g.min）-1计算，假设磨煤机内部存1t煤，计算出4小时磨煤机内部的CO浓度的值为83.04%，无论从表计读数据还是计算值，磨煤机内部CO可燃气已达到爆炸条件。
②、由于燃用褐煤，防止可燃气体在磨煤机内部聚积，磨煤机停运后投入消防蒸汽将磨煤机内存在的可燃气体吹进炉膛，但辅汽至磨煤机本体的消防管道较长，投入时蒸汽带水，而磨煤机停运后石子煤未及时排出，煤水混合在一定条件下加速了水蒸汽分解产生的氧原子与碳结合成CO的速率。
③、磨煤机入口热风关断门不严，热风漏入停运的磨煤机内部，使磨煤机内温度不断升高，加速可燃性气体析出。而温度升高至一定高度后，磨煤机内的存煤发生自燃，当易燃性的气体浓度达到爆燃值且有火源存在后磨煤机即发生爆炸。
4.1.2 防爆措施及控制策略优化
根据磨煤机爆炸前后的有关数据分析，为防止磨煤机再次爆炸发生，采取如下措施及控制策略优化：
①、正常停运磨煤机后及时排出石子煤，以防存在磨煤机内部的存煤析出可燃的CO气体和存煤发生自燃。
②、事故情况下停运磨煤机，密切观察磨煤机内部CO浓度变化，以便及时排出可燃气体，事故处理结束后及时恢复磨煤机运行将存粉吹尽，或空转磨煤机将存煤排出。
③、实际运行过程中，CO取样表容易堵塞，为能够实时准确磨煤机内部可燃气体的真实浓度，每班运行人员定期吹扫取样管，发现存堵的取样管及时通知检修处理。
④、优化原有的控制策略，即在逻辑中增加CO浓度自动控制及磨煤机停运求排煤提醒功能，当磨煤机内CO浓度大于35%时联开消防蒸汽电动门，消防蒸汽电动门已打开延时2分钟打开磨煤机出口任一关断门，将CO在无氧的条件下排至炉膛，降低磨煤机内部CO浓度，增加功能逻辑如图3所示。
图3 磨煤机防爆新增功能逻辑图
Fig. 3 function logic diagram of explosion proof adding of coal pulverizer
⑤、调整磨煤机入口热一次风关断门的严密性，使热风漏进磨煤机风量达最小，降低磨煤机腔内温度，防止磨内存煤发生自燃。
⑥、每次停运磨煤机前，延长吹磨时间，降磨煤机内部温度及存粉量，以防未排尽的存煤析出CO可燃性气体。
4.2.机组急停事故原因分析、防范措施及控制策略优化
4.2.1.机组急停事故原因分析
①、G断煤信号选取不合理，增加故障率
根据给煤机PLC内部程序对煤量处理过程分析，煤量计算公式为：
G=P×V；
G-给煤机瞬时给煤量（t/h）；
P-给煤机皮带承受的压力（Pa）；
V-给煤机皮带速度（m/s）；
给DCS的断煤信号直接取G的输出，而不是直接取给煤机皮带上有煤报警开关量信号。而G的稳定性取决于P和V两个信号，因此，这种信号的选取方式使G的故障率增加50%，在P和V任一个信号失真或故障情况下，给煤机断煤信号则发出，相比只取给煤机皮带有煤信号作为断煤报警，选取G作为断煤信号的这种方式极大的降低了终级目标信号的可靠性及稳定性。一旦P或V传感器故障都会导致煤量严重失真，使CCS控制下的机组失控。
②、给煤机PLC程序陈旧功能不完善
在正常运行情况下，P和V传感器任一个发生故障，煤量信号品质仍为好质量且煤量变化速率超过某个值时，PLC应及时将称重运行方式切换至容积方式运行，G的输出则保持故障前的输出，以保证系统运行的稳定性。但PLC程序陈旧，在P传感器故障时，给煤机未切换至容积方式运行，且煤量质信号品质并非为坏质量，造成CCS自动控制逻辑和运行人员同时误判，主观判断均缺燃料，导致CCS增加燃煤、运行人员及时投油，使机机短时时间内燃料过剩，造成锅炉超压，安全阀动作，导致主汽温度急降。
③、原组态逻辑不完善
图4 给煤机原保护逻辑图
Fig. 4 coal feeder original protection logic diagram
给煤机及进出口挡板联锁保护逻辑如图4所示， 从逻辑图中可以看出，给煤机保护条件设计为7条，即主燃料跳闸、出口阀门全关、给煤机密封风门全关、给煤机断煤、给煤机出口堵煤、给煤机变频器故障、磨煤机跳闸，7个条件中只要任一条件满足即触发保护。保护动作后联锁关闭进出口门，将给煤机完全隔离。从给煤机保护来看不存在问题，但从系统工艺和安全运行以及系统运行灵活性角度分析，给煤机停运或保护动作后联锁关闭入口电动插板门意义不大，除非检修给煤机。但由于保护条件存在，给煤机断煤信号触发后延时60S跳闸，同时联关入口门，而入口门开关一次耗时长达3分钟，运行人员无法采用紧急预案快速恢复给煤机运行。同时给煤机跳闸后火检信号消失导致磨煤机灭火保护也触发，磨煤机原保护逻辑图如图5所示。由于入口门开关时间过长以及磨煤机跳闸后短时间无法恢复双重保护的制约下，运行人员发现汽温快速下降，启动紧急预案，手动恢复制粉系统运行，增加给煤量来提高蒸汽温度时已错过最佳抢救时机。同时CCS自动控制没有及时切至TF控制方式，使机组在给煤机煤量失真时以最短的时间锁定总燃料量，让负荷自动平衡锁定的燃料量运行，导致总燃料超限，使锅炉超压致安全阀动作，大量蒸汽排泄导致主蒸汽温度急降。
由于以上三个条件同时存在，给煤机压力传感器或速度传感器任一发生故障时，导致自动控制逻辑和运行人员同时误判。使机组在双重极端工况下运行，导致主蒸汽温度突降至汽机安全运行所规定的蒸汽温度值，汽机打闸，锅炉MFT，机组紧急停运事故。
4.2.2.防范措施及控制策略优化
给煤机断煤信号选取的改进及PLC内部控制逻辑优化，防止机组在CCS自动控制下给煤机发生假断煤而失控，采取如下措施：
1）优化给煤机PLC控制逻辑称重煤量和容积煤量的切换条件
在原给煤机PLC称重煤量和容积煤量判断中，给煤机内称重装置的压力或速度传感器发生故障，煤量输出信号变坏质量时才切换至容积煤量。给煤机煤量传感器发生故障，给煤量输出已偏离实际煤量，但输出信号未变坏质量时给煤机不自动切至容积式运行。将给煤机PLC质量煤量和容积煤量的切换条件改为煤量信号的品质及煤量偏差速率，即：
a.煤量信号变坏质量，给煤机自动切至容积方式运；
b.称重传感器的压力或速度传感器任一个故障，给煤机自动切换至容积方式运行。
保证总煤量的变化在CCS可控的范围，不导致机组CCS全自动控制失控，因而可以保证机组的稳定运行。
2）DCS组态优化
检阅给煤机设计资料，提供DCS的“有煤信号”和“煤量信号”，有煤信号通过接触式开关将信号开入，受中间转化及传递的影响较小，可靠性高，但不通实时输出瞬时煤量信号；煤量信号则通过PLC处理后将G开入，过程复杂，可靠性较低。比较两种信号本身的可靠性和稳定性，以及两种不同信号本身固有的优势，将DCS控制逻辑修改如下：
给煤量信号消失或变坏质量,先判断有煤信号是否消失，因为从有煤信号传感器安装位置看，其位置安装于称重传感器的上游，如果发生真断煤，有煤传感器信号必先于称重煤量信号。因此，a.如果有煤流信号正常，称重煤量信号消失，则判断给煤机为假断煤，机组维持CCS控制方式。
b.当给煤机检测到称重煤量信号异常且有煤信号一直存在时切至容积运行方式运行，给煤机不跳闸。否则，给煤机跳闸且机组由CCS控制方式切为TF控制方式，保证机组稳定运行，DCS新增逻辑（以单台为例）如图5所示。
图5 CCS新增逻辑图
Figure 5 new logic diagram for CCS
5优化控制控制策略后运行结果
通过优化逻辑及采取措施后，机组安全、稳定、经济运行效果明显，主要体现在：
1） 机组在整个带负荷及168小时试运过程中，磨煤机不再发生爆炸事故。磨煤机停运后DCS能及时提示运行人员排放石子煤，当停运的磨煤机腔内CO浓度超过12%时磨煤机消防蒸汽电动门及磨煤机出口关断门能够按防爆程序准确执行，保证停运磨煤机的安全，有效地杜绝磨煤机爆炸而损坏的事故发生，为新建机组CCS控制系统的控制策略提供依据，同时也为业主在与给煤机设备厂家签定技术协议时提出新的要求提供依据。
2）DCS通过增加给煤机真假煤量判断后，在整套试运过程中多次发生假断煤和真断煤工况，但每次发生CCS均能有效地自动控制机组的稳定运行，减少了机组因制粉系统而跳闸的次数，节省不少机组因跳闸后重新启动所产生的费用，优化后机组能够长期稳定安全运行，经济效果显著。
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论文作者:吴寿贵,党小建,陈旭东
论文发表刊物:《电力设备》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/19
标签：磨煤机论文; 机组论文; 给煤机论文; 信号论文; 蒸汽论文; 浓度论文; 逻辑论文; 《电力设备》2017年第15期论文;