電站鍋爐燃燒分析及火檢系統(tǒng)應(yīng)用探索

束長勇

（江蘇國信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇揚(yáng)州225131）

電站鍋爐燃燒的基本要求在于建立和保持穩(wěn)定的燃燒火焰，安全可靠的燃燒診斷技術(shù)成為電廠安全性的重要條件和基本要求。因此，大中型火電機(jī)組都配置了帶有鍋爐火焰檢測裝置的爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)，它是通過對爐膛內(nèi)火焰的準(zhǔn)確監(jiān)視、及時(shí)反映燃燒器及爐膛的燃燒狀態(tài)，一旦火焰燃燒狀態(tài)不滿足正常條件或熄火時(shí)，按一定方式觸發(fā)鍋爐滅火保護(hù)，切斷燃料供應(yīng)，防止可燃物聚積引起爆燃甚至爆炸的事故發(fā)生。江蘇國信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司有2臺(tái)630 MW超臨界機(jī)組，鍋爐型式為Π型布置、一次再熱，自然循環(huán)、單汽包、半露天煤粉爐。燃燒器采用前后墻對沖燃燒布置方式，前后爐墻水冷壁上各布置6層燃燒器，每層各有5只旋流燃燒器，共30只。火檢系統(tǒng)為美國COEN公司提供，每只燃燒器配有一只煤火檢探頭和一只油火檢探頭。

1 火檢系統(tǒng)運(yùn)行情況及存在問題

江蘇國信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司2×630 MW超臨界機(jī)組火檢系統(tǒng)配有60只COEN公司的ISCAN紅外火焰檢測器，測量檢測頭和信號處理部分設(shè)為一體，無二次信號放大器，系統(tǒng)安裝如圖1所示。

圖1 火檢探頭安裝機(jī)構(gòu)圖

自機(jī)組投產(chǎn)以來，煤火檢一直存在“偷看”、“漏看”和穩(wěn)定性差的問題，大部分煤火檢頻率較低，強(qiáng)度較弱，并隨機(jī)組負(fù)荷、煤種產(chǎn)地變化，火檢信號波動(dòng)較大，而當(dāng)燃燒器停用后信號強(qiáng)度反而增強(qiáng)。單臺(tái)爐火檢系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，低負(fù)荷或磨煤機(jī)啟動(dòng)時(shí)，仍需強(qiáng)制火焰信號。為此工作人員不得不進(jìn)行頻繁的調(diào)整，但效果不佳，多次由于火檢信號失去，造成磨煤機(jī)跳閘事件，在鍋爐燃燒工況大幅擾動(dòng)時(shí)甚至觸發(fā)MFT誤動(dòng)。2009年11月12日，機(jī)組負(fù)荷589 MW，6臺(tái)磨煤機(jī)全部運(yùn)行，以A，B，C層火檢為例，信號強(qiáng)度較弱，且不穩(wěn)定，具體如表1所示。

表1 火檢信號強(qiáng)度表

2 燃燒特性分析及火檢測量原理

燃料經(jīng)燃燒器噴入爐內(nèi)進(jìn)行燃燒，煤粉火焰的燃燒狀況如圖2所示。燃燒火焰分為4部分。 從喉口開始依次為黑龍區(qū)、初始燃燒區(qū)、完全燃燒區(qū)和燃盡區(qū)，在燃料燃燒的不同階段，火焰輻射的光譜頻率與光強(qiáng)是不斷變化的。

不同燃料的光譜分布特性是不完全一樣的，如圖3所示。油火焰含有大量的紅外線，部分可見光和少量紫外線，煤粉火焰含有少量紫外線、豐富的可見光和紅外線。對于單只煤粉燃燒器，在初始燃燒區(qū)不但可以見光和紅外線較豐富而且能量輻射率變化聚烈[1]。因此要獲得好的火焰檢測效果，火焰檢測探頭準(zhǔn)確對準(zhǔn)燃燒器的初始燃燒區(qū)是必須確保的最基本要求。

圖2 煤粉燃燒火焰特性

圖3 燃料的光譜特性圖

根據(jù)鍋爐燃燒火焰的特性，利用輻射光能原理檢測爐膛火焰是目前使用最廣泛的方法。紅外線火檢是通過光敏元件來檢測火焰的紅外線強(qiáng)度及頻率來達(dá)到火焰有無的判別，通過濾波電路，能夠判別燃燒器火焰和背景火焰，大大降低“偷看”的概率。紅外線具有較強(qiáng)的穿透能力，能夠克服黑龍區(qū)的干擾，提高信號的準(zhǔn)確性，火檢傳感器原理如圖4所示。火焰檢測裝置的敏感元件是光敏元件，利用輻射波產(chǎn)生阻值變化轉(zhuǎn)化為隨火焰變化的電壓信號，靈敏度峰值可以在線調(diào)節(jié)，把火焰波動(dòng)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺?jīng)過濾波電路提高抗干擾性能，輸出的信號經(jīng)放大電路進(jìn)行信號放大，由溫控電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償，防止溫度波動(dòng)引起檢測器輸出信號的偏差。火焰信號經(jīng)過選頻電路進(jìn)行選頻濾波，輸入到信號處理器，處理器對各種不同類型的火焰頻率特性進(jìn)行響應(yīng)，被放大的火焰信號可由增益電位器進(jìn)行調(diào)整，并且與背景電平相比較，輸出火焰狀態(tài)信號[2]。

圖4 火檢傳感器原理

3 問題的原因分析

（1）火檢探頭的檢測視角較小，不能適應(yīng)火焰中心大幅度漂移的檢測要求。為保證信號的可靠性，減少其他燃燒器火焰和背景火焰對信號的干擾，探頭的安裝視角一般為10～15°，但是實(shí)際運(yùn)行中由于煤種變化或鍋爐燃燒工況調(diào)整、配風(fēng)的變化等等，燃燒火焰會(huì)在較大范圍內(nèi)漂移，導(dǎo)致火焰信號的晃動(dòng)甚至誤動(dòng)而錯(cuò)發(fā)滅火信號。

（2）火檢信號檢測器調(diào)節(jié)參數(shù)的靜態(tài)整定不能有效滿足火焰動(dòng)態(tài)變化的需求。一般情況下，在火焰檢測系統(tǒng)的調(diào)試過程中，分不同工況和不同負(fù)荷階段對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，按步調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，使其能夠正確表征燃燒器火焰的有無，最大程度地避免“偷看”現(xiàn)象的發(fā)生，一旦功能調(diào)試正常后，參數(shù)就一次性整定結(jié)束，不再調(diào)整。然而，當(dāng)機(jī)組煤種頻繁變化或機(jī)組運(yùn)行方式變化時(shí)，對火檢探頭信號的檢測頻率、強(qiáng)度等參數(shù)有不同的要求，固定參數(shù)不能實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)，使火檢可靠性大大降低。

（3）火檢探頭固定式安裝不能滿足火檢靈活調(diào)整的需求。因燃燒火焰的漂移變化，需要提高檢測信號可靠性，降低“偷看”或“漏看”可能性，要求靈活調(diào)整探頭的安裝角度，但目前幾乎所有電廠都采取固定式的安裝方式，無法在線調(diào)節(jié)探頭的觀察角度。

4 解決問題的措施

針對火焰檢測系統(tǒng)存在的這些問題，提出以下解決方案并實(shí)施改造。

（1）提高冷卻風(fēng)壓力，保證足夠的火檢冷卻風(fēng)量。改造火檢冷卻風(fēng)機(jī)，提高風(fēng)機(jī)出力，由3 kPa提高到9 kPa，有效地對探頭進(jìn)行冷卻，一方面防止探頭燒損，另一方面使火檢光纖溫度不高于400℃，防止高溫膠的融化。

（2）改造調(diào)整火檢透鏡探頭套筒結(jié)構(gòu)。改造光纖套筒的結(jié)構(gòu)，在套筒內(nèi)部增加通風(fēng)槽，使得冷卻風(fēng)吹出時(shí)不是平行于透鏡吹出，而是先折向透鏡，加大對透鏡表面的吹掃力度，使得探頭實(shí)現(xiàn)了自清灰功能，減少了日常維護(hù)的工作量，大大地提高了信號的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。火檢透鏡套筒的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 火檢透鏡套筒結(jié)構(gòu)圖

（3）調(diào)整優(yōu)化火檢探頭安裝角度和位置。因?yàn)槊夯鹧娴娜紵匦裕饳z探頭的安裝角度需對準(zhǔn)火焰的高頻區(qū)，該區(qū)域的紅外信號釋放最為豐富，如圖6所示。需根據(jù)一二次風(fēng)配比情況和燃燒火焰的實(shí)際情況，將探頭對焦點(diǎn)定為從燃燒器噴口沿一次風(fēng)筒邊緣往爐膛內(nèi)延伸約1.5 m處。為避免內(nèi)二次風(fēng)筒對探頭的遮擋和適當(dāng)增大探頭的視角，提高對不同火焰的適應(yīng)性，火檢探頭的安裝位置應(yīng)在保證充分冷卻的情況下適當(dāng)前移，幅度根據(jù)不同燃燒器而靈活把握。

圖6 火檢透鏡對焦區(qū)域

（4）全面整定系統(tǒng)參數(shù)，完善控制邏輯。火焰檢測系統(tǒng)的調(diào)試過程中，應(yīng)分不同工況和不同負(fù)荷階段對系統(tǒng)分別進(jìn)行調(diào)試，需要對每一個(gè)火焰探測器的參數(shù)進(jìn)行分別設(shè)置，模擬高負(fù)荷時(shí)爐膛的背景火焰強(qiáng)度，對被調(diào)燃燒器對應(yīng)的火焰探測器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，確保不“偷看”。再模擬低負(fù)荷時(shí)爐膛非常暗弱的背景強(qiáng)度，最好是只投用被調(diào)燃燒器，停用其他所有的燃燒器，調(diào)整火焰探測器的參數(shù)確保不“漏看”。若經(jīng)過長期多次調(diào)整仍然不理想時(shí)，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整火焰檢測器的靈敏度，采用對油火檢“寧漏不偷”、對煤火檢“寧偷不漏”的原則處理，因?yàn)橥队蜁r(shí)爐溫比較低，所以必須保證爐膛安全，投粉時(shí)爐溫一般已經(jīng)較高，煤粉幾乎都能燃著。經(jīng)過這些細(xì)致調(diào)試工作之后，能夠最大程度提高火檢系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)束語

機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與火焰檢測系統(tǒng)的可靠性是密切相關(guān)的，所以必須正視火焰檢測系統(tǒng)的重要性，通過系統(tǒng)改造，維護(hù)消缺和控制優(yōu)化等手段，保證其功能可靠，確保機(jī)組正常運(yùn)行。目前江蘇國信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司的火檢系統(tǒng)經(jīng)過成功改造，火檢信號可靠性得到有效提高，日常維護(hù)工作量也大大減小。

[1]GAYDON A G,WORLFHARD H G.火焰學(xué)[M].王 方譯.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

[2]丁麗麗，馬 玎.火焰檢測器的抗干擾技術(shù)[C].濟(jì)南：山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009.