SA-3000火檢系統在“W”型火焰鍋爐中的應用

姜烈偉

（韶關發電廠，廣東 韶關 512132）

1 系統概述

韶關發電廠10號鍋爐為東方鍋爐廠引進美國福斯特·惠勒公司技術制造的300 MW“W”型火焰燃燒方式的鍋爐，是廣東省第1臺“W”型火焰鍋爐。其火檢系統采用數字剖面火焰監測器(Digital Profile Detection，DPD)，包括DP7000數字剖面放大器、DPD數字剖面火檢探頭、電源模塊、連接電纜組件及冷卻風系統等。該系統中，24只煤燃燒器火檢探頭和24只油燃燒器火檢探頭均采用DPD78195-06的無光纖紅外直窺式探頭。這些探頭能對目標火焰的頻率和振幅特性不斷地進行監測，并輸出信號經電纜傳輸到控制室的DP7000放大器。DP7000放大器能區分火焰探頭產生的脈沖率，通過對火焰信號平均處理，再依據用戶選擇的火焰獨立門檻設定值，輸出開關量“著火”、“無火”信號和4～20 mA的火焰強度模擬量信號，并提供給分散控制系統(Distributed Control System，DCS)使用。

其冷卻風系統包括2臺互為備用的冷卻風機，正常情況下1臺冷卻風機就能保證足夠的空氣冷卻所有火檢觀測管。火檢冷卻風壓應不低于3.0 kPa。

2 設備現狀及原因分析

自2009年5月開始，10號爐大部分DPD火焰監測器的工作狀態不夠穩定。經過現場設備檢查及缺陷處理情況統計分析，發現存在以下問題。

(1)在現場確認燃燒器、油槍已著火的情況下，煤、油的火焰放大器不能輸出穩定的“著火”信號。利用非光纖型直窺式DPD火檢探頭進行檢測時，火檢探頭距離火焰燃燒位置遠，且檢測角度偏小，若鍋爐燃燒器配風發生變化，火焰著火點位置可能發生變化，容易造成火焰短路，進而導致“著火”信號不穩定。由于現場工作環境惡劣，直窺式探頭積灰問題嚴重，同時爐內高溫造成窺光管前端變形，也在很大程度上影響了探頭的檢測效果，部分火檢可能完全不能檢測到火焰。

(2)DPD火檢探頭工作溫度范圍為-20～65 ℃，運行溫度范圍較小，容易燒壞。由于鍋爐外壁周圍的保溫層未能有效阻斷熱源擴散，使得鍋爐爐墻外壁周圍溫度過高，夏天時最高溫度可達70～80 ℃。而DPD火檢探頭的工作溫度上限只有65 ℃，在鍋爐爐墻外壁周圍的探頭會嚴重超溫而損壞。此外，紅外直窺式探頭(DPD78195-06)產品較為落后，很難購買到備品，且價格昂貴。

(3)DPD火檢探頭的相關參數不能正常設置。10號爐火檢系統投運時間為2001年3月，而DPD火檢探頭及DP 7000放大器的正常使用壽命為6～8年，高溫環境下的長時間工作使火檢探頭的大部分按鍵損壞、不能正常操作，導致探頭就地參數設置操作困難或無法完成。DPD火檢探頭通過對火焰進行“學習”來檢測當前火焰是否處于有火或無火狀態，但是探頭的按鍵損壞后，無法完成“學習”功能，因此火檢探頭也無法投入使用。

(4)DPD火檢探頭距離火焰燃燒位置較遠，且檢測角度有限，實際運行時經常出現“火檢偷看”現象，即煤、油火檢總會檢測到附近其他煤、油火焰的燃燒情況，不能真實反映煤、油火焰檢測的實際情況，容易引起火檢保護誤動，給鍋爐的安全運行帶來隱患。

由于目前24套煤火檢系統和24套油火檢系統大部分已無法正常檢測火焰，導致爐膛火檢保護無法投入，對鍋爐安全運行構成威脅，且不能滿足火力發電廠安全性評價中爐膛安全監控裝置(Furnace Safety Supervision System，FSSS)應配有爐膛火焰監測裝置保護的相關要求，因此需要對鍋爐的火檢系統及設備進行升級改造。

3 設備升級可行性分析及方案

3.1 可行性分析

根據現場火檢系統設備狀況及東方鍋爐廠“W”型火焰鍋爐的特點，將設備升級為分體式智能型火檢系統SA-3000，接口與原火檢系統相同。為了獲得更好的火焰檢測效果，增大火焰的檢測視角，每套火檢均加裝了內外導管及光纖組件。燃燒器燃燒產生的紅外線通過光纖傳遞到火檢探頭，火檢探頭將接收到的光信號轉換為代表火焰特性的電信號，然后經過初級放大和處理后通過電纜組件傳遞到放大器，放大器再將電信號放大處理后輸出為“著火”或“無火”接點信號和相應火焰強度的模擬量信號，并輸入到DCS。為了節約成本，對原火檢系統的電源模塊及連接電纜組件不進行升級。

3.2 升級改造原因

(1)原DPD火檢探頭正常工作溫度范圍為-20～65 ℃，改造后的SF-300IR火檢探頭正常工作溫度范圍為-40～100 ℃，探頭工作溫度范圍增大。夏天現場的環境溫度可達70～80 ℃，使用SF-300IR火檢探頭時不會出現超溫現象，能提高設備的使用壽命，降低維修成本，減少工作量。

(2)SA-3000火檢系統是一套真正的分體式智能型一對一火焰檢測系統，即采用1個SF-300IR火檢探頭對應1個SA-3000火檢放大器來檢測煤火焰或油火焰。SA-3000火檢系統通過在電子間的放大器上設置增益、頻率、帶寬等參數來檢測火焰是否處于有火狀態，參數設置簡單直觀，不需像DPD火檢那樣在遠程通訊無法滿足的條件下還必須現場在火檢探頭上進行相關參數設置。

(3)SA-3000火檢系統采用光纖型監測器，比非光纖型DPD火檢更真實、可靠。其火檢光纖采用繞性光纖組件，這些繞性光纖組件安裝在鍋爐的二次風箱內，用以將鍋爐燃燒器燃燒產生的紅外線傳遞到火檢探頭。繞性光纖組件包括外導管組件、內導管組件、安裝管組件。其中，外導管組件固定在風箱內；內導管組件在使用時插入外導管組件中，由光導纖維、金屬軟管、導管、螺母等組成，并采用多種隔熱措施，光纖耐溫達到450 ℃，內導管光纖前端安裝耐溫達到1 200 ℃以上的石英鏡頭。在冷卻風系統正常運行的情況下，火檢內導管組件耐熱溫度不低于450 ℃，而二次風溫一般低于350 ℃，使內導管組件的使用壽命得到保證。此外，由于SA-3000火檢系統繞性光纖組件的內、外導管間通入冷卻風保證了光纖的長壽命，同時吹掃光纖前端的石英鏡頭保證了光纖的透光率，因此，SA-3000火檢系統更能準確反映爐膛工況，為鍋爐的安全穩定運行提供有力保障。

其中：p0為一個大氣壓，p0=1.013×105 Pa；β為經驗系數，對于吸送式兩相流β=1.5×10-7為常數；L為水品管的長度，m；v0為吸塵孔出氣流速度；μ為單位時間通過輸料管有效斷面的固體質量Gs與氣體質量Ga之比：

3.3 升級改造方案

通過對現場設備檢查及可行性分析判定，只要在設備中加裝內、外導管組件，升級火檢探頭就能解決目前火檢系統存在的問題。安裝在鍋爐的二次風箱內的繞性光纖組件包括外導管組件、內導管組件，火檢現場部分安裝方案如圖1所示。

3.3.1 外導管組件安裝方案

外導管組件前端頭通過墊塊焊接在預埋管內，墊塊用來確定火檢的觀測角度和范圍。外導管組件前端頭的安裝位置將直接影響火檢設備對爐膛火焰工況的檢測，必須保證現場導管的最前端至預埋管前段的距離(爐膛內外導管前端火檢至預埋管前段的距離)為120 mm，才能滿足火檢改造后SA-3000的檢測火焰要求。外導管組件安裝步驟如下。

(1)在爐墻外將安裝法蘭盤點焊在預埋管上。把安裝管插入法蘭盤內，在露出距法蘭盤130 mm的距離處點焊安裝管。

(2)將火檢外導管從安裝管中插入爐膛內。由于鍋爐內油火檢預埋管前端部分已被燒毀，且鍋爐內無法補接預埋管，因此在預埋管內新增1根外徑為60 mm的不銹鋼管，然后把油火檢外導管安裝在不銹鋼管內。油火檢外導管前端焊接處距不銹鋼管前端80 mm、距水冷壁平面240 mm。鍋爐內煤火檢前端距預埋管120 mm。

(3)將1塊用來確定火檢觀察角度的墊塊(15 mm×5 mm×10 mm)焊接在外導管的前端。在距離導管前端10 mm處進行焊接，墊塊的另一面焊接在預埋管上，焊接使用不銹鋼焊條。導管的最前端至預埋管前段的距離為120 mm，同時應將外導管后端的冷卻風管接口朝向冷卻風的方向，焊接時均采用滿焊。

(4)爐墻外預埋管上安裝的法蘭盤及管燒焊必須滿焊，要拉直外導管并固定住安裝管上的頂絲，保證外導管不彎曲、不晃動。

(1)將內導管組件(含光纖)順時針旋入外導管組件內。

(2)旋緊外導管組件的端蓋組件。

(3)將SF-300IR火焰檢測器和內導管組件的連接器連接。

(4)將原火檢電纜組件的航空插頭和SF-300IR火焰檢測器的相應接口連接。

3.3.3 防止“火檢偷看”方案

圖1 火檢現場部分安裝示意

為避免“火檢偷看”問題，通過增加硬接線、使用火檢放大器SA-3000上的“遠程文件”選擇功能進行解決。從DCS引出1個開關量(干接點)作為邏輯條件，連接至每個火檢放大器，共48個開關量。煤火檢放大器引入煤火嘴開、關狀態，油火檢放大器引入油閥開、關狀態，通過“煤火嘴開、關”開關量作為邏輯條件來判斷“燃燒器是否處于運行狀態”，通過“油閥開、關”開關量作為邏輯條件來判斷“每個油槍是否投運”，從而分別選擇火檢放大器SA-3000上2組不同的參數，以解決“火檢偷看”問題。

4 方案實施

要得到理想的火焰檢測效果，必須嚴格按照設計方案的要求進行施工。2010年6月機組檢修期間，按照設計方案進行了火檢系統升級改造工作，準確安裝了外導管組件、內導管組件及探頭，并通過引入開關量解決了“火檢偷看”問題。外導管組件完成安裝后(爐膛內部分)的結構如圖2所示。

圖2 外導管組件(爐膛內部分)

5 應用情況

自升級改造完成以來，經過2年的觀察、使用，分體式智能型火檢系統SA-3000具有高度火焰鑒別功能，火焰檢測信號準確、穩定，能夠真實反映爐膛內的火焰燃燒情況，避免了火檢保護拒動、誤動等問題，解決了鍋爐安全隱患，同時滿足了火力發電廠安全性評價中對爐膛安全的有關要求。

6 結束語

針對300 MW機組“W”型火焰鍋爐的火檢系統故障，將原系統升級為分體式智能型火檢系統SA-3000，同時解決了“火檢偷看”問題，徹底解決了火檢系統故障。

(1)煤火檢采用導管組件，安裝在燃燒器預留管或預留開孔處，導管前端安裝在煤火檢預留管內。應注意鍋爐預埋管角度是否符合要求，保證火檢繞性光纖組件的抽出距離。

(2)由于煤火檢安裝位置在2個乏氣口間，通風和散熱較差，探頭長期處于高溫環境。為保證火檢探頭的長期穩定運行，可在煤火檢內導管后端加裝延長管和彎頭，將探頭伸至溫度相對較低的位置。

(3)若采用觀測管，應將觀測短管和鍋爐廠預留的觀測管通過焊接或法蘭、螺紋等方式連接。

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