關于火焰檢測器在鍋爐上的使用及維護

吳海會，王建軍

（新疆生產建設兵團 天盈石油化工股份有限公司，新疆維吾爾自治區(qū) 阿拉爾市 843300）

天盈石化項目中，有5臺離心式壓縮機是由汽輪機驅動的，鍋爐主要作用是給汽輪機提供9.8MPa蒸汽，進而達到節(jié)約電量的目的。因此，鍋爐長周期穩(wěn)定運行，關系到整個乙二醇裝置的安全和穩(wěn)定[1]。乙二醇裝置穩(wěn)定運行與鍋爐爐膛火焰檢測器的穩(wěn)定、準確息息相關。

1 火焰探測器結構與工作原理

天盈石化鍋爐使用了兩種火焰檢測器，鍋爐點火層，即燃氣層選用的是紫外火焰檢測器，鍋爐燃煤層使用的是可見光火焰檢測器。

不同燃料燃燒產生的火焰釋放的波長不同，不同的火焰檢測器探頭即火檢探頭，對光的吸收程度是不同的，根據這一特性選擇對應的火焰檢測器。火焰檢測器的結構和測量原理都是相同的，由圖1可知，火焰檢測器由探頭和處理器兩部分組成。其中，火檢探頭由光學鏡頭組、光導纖維、光電池組成。

1.1 光學鏡頭組

光學鏡頭組位于火焰檢測器探頭的最前端，其作用就是將目標火焰發(fā)出的光進行聚焦并將此光信號通過光導纖維傳輸至光電池端面。

1.2 光導纖維

光導纖維是高折射率的芯體與低折射率的包覆材料經拉制而成，其作用是以極低的衰減將目標火焰信號從鏡頭組一端傳至光電池端面。

圖1 火焰檢測器工作原理框圖Fig.1 Working principle block diagram of flame detector

圖2 鍋爐火檢探頭安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of boiler fire inspection probe

1.3 光電池

光電池位于預處理線路板上正對著光導纖維的端面，其作用是接收光導纖維傳送過來的光信號，并將光信號轉換為電信號。

1.4 處理器

火焰檢測器探頭傳來的信號經過處理器的轉化、計算，將火焰強度、頻率以模擬量的形式在處理器面板上顯示。同時，處理器將有火信號通過兩組繼電器無源觸點（開關量）輸出，此開關量的信號又進入DCS控制系統(tǒng)參與鍋爐控制邏輯。

2 火焰檢測器安裝

鍋爐爐膛是一個四棱柱體，煤粉、燃氣從鍋爐的四個角，分四層進入鍋爐爐膛燃燒，產生火焰。由圖2鍋爐火檢探頭安裝示意圖可知，紫色的圓點代表燃料進入爐膛的位置和火檢探頭安裝位置。

天盈石化的一臺鍋爐對應3臺磨機，一臺磨機對應一層煤粉層，分別是煤粉層A、煤粉層B、煤粉層C，每層安裝可見光火檢探頭4支，共計12支；鍋爐最底層是用于點火的燃氣層，安裝紫外火檢探頭4支。

3 火檢防“偷窺”處理

火檢信號是鍋爐運行的重要參數，火檢探頭運行是否平穩(wěn)直接影響鍋爐的保護控制，如果發(fā)生“偷窺”現象，將會造成鍋爐持續(xù)過量投放燃料，造成鍋爐不安全燃燒。

圖3 火檢探頭安裝平面圖Fig.3 Installation floor plan of fire inspection probe

圖4 火焰檢測器預處理面板Fig.4 Flame detector preprocessing panel

3.1 閾值

閾值是火焰檢測器區(qū)分燃燒器有火、無火時，強度、頻率信號的門檻值。當實測強度或頻率值大于設定的閾值，即強度或頻率滿足有火條件；當實測強度或頻率值小于設定的閾值，即滿足無火條件。

當火焰強度和火焰頻率的實測值都大于對應的閾值時，則判定對應燃燒器有火；反之，則判定燃燒器無火。

3.2 “偷窺”

鍋爐在點火或低負荷運行時，為了使火檢探頭檢測到火焰，對火焰強度、頻率閾值設置較低。但是，鍋爐高負荷運行時，火焰強度、頻率遠大于鍋爐低負荷運行。因此，火檢探頭的光學鏡頭組容易將對角、上層或下層火焰聚焦傳送至處理器，這種現象就是“偷窺”。

“偷窺”有對角“偷窺”和不同層“偷窺”兩種。

對角“偷窺”：如圖3火檢探頭安裝平面圖所示，當實際情況為1#角有火，3#角無火，但是1#火檢探頭和3#火檢探頭同時輸出有火信號。即3#角火檢探頭“偷窺”了1#燃燒器的火焰并輸出了有火信號。

不同層“偷窺”：如圖2所示，當實際情況是煤粉層A的1#角有火，煤粉層B的1#角無火。但是，煤粉層A的1#角火檢探頭和煤粉層B的1#角火檢探頭都檢測到火焰并輸出有火信號。即煤粉層B的1#角火檢探頭“偷窺”了煤粉層A的1#角燃燒器的火焰并輸出有火信號。

為了防止火焰檢測器“偷窺”將燃燒器的實際無火信號誤以有火信號輸出。在實際應用中，需采用防“偷窺”措施。

3.3 防“偷窺”硬件方法

3.3.1 調整增益

火焰檢測器的探頭后部腔體內的預處理線路板上有一可調電位器，在燃燒器燃燒穩(wěn)定時，若實時的強度值和頻率值很高，可將探頭后蓋打開，逆時針調整電位器至合適位置，減小增益，可防止“偷窺”其它燃燒器的火焰。

3.3.2 閾值設定

天盈石化火焰檢測器的預處理面板如圖4所示，紫色方框用數碼管顯示火焰強度（單位：%）和火焰頻率（單位：Hz）。紅色背景框中的紫色三角，當第一次按下任一鍵后，在紫色方框內顯示預先設定的強度或頻率閾值。此時，若按下紫色正三角按鍵，則強度或頻率閾值在原來閾值基礎上遞增“1”；若按下紫色倒三角按鍵，則強度或頻率閾值在原來閾值基礎上遞減“1”。若在1s內沒有按下相應的按鍵，即停止閾值的設定并返回顯示實時值。

在點火階段，由于火焰強度和火焰頻率較正常運行時低。為了能檢測到較弱火焰信號，火焰強度和火焰頻率的閾值設定較低，以保證鍋爐點火成功及低負荷運行。

在正常運行階段，鍋爐火焰較強，若火焰強度和火焰頻率的閾值設置太低，火焰檢測器易發(fā)生“偷窺”現象。因此，在鍋爐運行正常的情況下，為防止發(fā)生“偷窺”現象，可將火焰強度和火焰頻率的閾值同時設置較高的數值。

3.4 防“偷窺”軟件方法

火焰檢測器通過兩組繼電器無源觸點輸出開關量的火檢信號，將此火檢信號送至DCS控制系統(tǒng)。

軟件防“偷窺”的措施，就是在DCS控制系統(tǒng)中，將開關量的火檢信號與鍋爐燃燒設備運行信號取“與”邏輯。

3.4.1 燃氣層防“偷窺”

天盈石化鍋爐點火以天然氣為原料。因此，點火層也稱為燃氣層。由圖5燃氣層火檢信號判斷邏輯圖可知：當燃氣層1#角火焰檢測器送至DCS控制系統(tǒng)的有火信號與燃氣層1#角進氣門開位輸出都為“1”時，則表明燃氣層的1#角火檢有火，鍋爐點火成功。燃氣層2#角、3#角、4#角火檢信號判斷同理1#角。

3.4.2 燃煤層防“偷窺”

鍋爐點火成功后，為了提高鍋爐的負荷，就需要投入煤粉層。圖6煤粉層火檢信號判定邏輯圖可知：A煤粉層的1#角火檢信號有火與A磨煤機運行取“與”邏輯，當輸出為“1”時，則判定A煤粉層1#火檢有火，其它燃煤層火檢信號判斷同理。

圖5 燃氣層火檢信號判斷邏輯圖Fig.5 Logic diagram of gas layer fire detection signal judgment

圖6 煤粉層火檢信號判斷邏輯圖Fig.6 Logic diagram for judging the fire test signal of pulverized coal layer

圖7 火檢信號參與磨機允許啟動邏輯Fig.7 Fire detection signal participation in grinder allows startup logic

4 火檢參與的控制邏輯

為了保證鍋爐安全[2]、穩(wěn)定運行，防止出現爐膛內無火，煤粉堆積造成爆燃危險。因此，需要將火檢信號作為FSSS（Furnace Safety Supervision System）鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)條件之一。

燃氣層火檢有火（4取3）：燃氣層共有火焰檢測器4臺，其中任意3臺顯示有火，即表示燃氣層有火。

燃氣層火檢無火（4取3）：燃氣層共有火焰檢測器4臺，其中任意3臺顯示無火，即表示燃氣層無火。

煤粉層火檢有火、無火與燃氣層有火、無火同理。

4.1 磨機啟動邏輯

鍋爐點火成功，即燃氣層火檢有火，煤粉進入爐膛才能被點燃。因此，燃氣層火檢有火是鍋爐初始運行投用煤粉層的必須條件。火檢信號是作為允許磨機啟動的條件之一，由圖7可知，當燃氣層火檢有火可以啟動任何一臺磨機。

鍋爐在運行過程中，若有一臺磨機在運行且對應火檢層有火，此時鍋爐負荷大于40%（即產生蒸汽的量為40%），則允許啟動其余兩臺磨機，才能保證其他煤層投用時，煤粉進爐膛后被點燃。由圖7可知，煤粉層火檢有火與鍋爐負荷大于40%取“與”邏輯，輸出“1”時，鍋爐可啟動其余兩臺磨機。

圖8 火檢信號參與磨機跳閘邏輯Fig.8 Fire detection signal participation in grinder tripping logic

圖9 煤層投用邏輯Fig.9 Coal seam casting logic

圖10 燃氣層投用邏輯Fig.10 Gas Layer casting logic

4.2 磨機跳閘邏輯

火檢信號作為磨機跳閘判斷條件之一。由圖8可知，當磨煤機運行信號與給煤機運行信號取“與”邏輯，再與煤層火檢信號無火（4取3）取“與”邏輯，結果輸出為“1”時，磨機跳閘。

圖8所示邏輯可以避免兩種情況下煤粉堆積造成鍋爐燃爆事故的可能性。第一，開車升負荷期間，煤粉進爐膛5min后沒有燃燒，磨煤機跳閘；第二，鍋爐正常運行遠大于300s之后，火檢無火信號觸發(fā)，磨煤機跳閘。

上述兩種情況都是防止爐膛無火，煤粉持續(xù)進入，導致因煤粉堆積造成燃爆事故而采取的安全措施。

4.3 燃料喪失邏輯

在鍋爐運行過程中，若燃料中斷，則會導致鍋爐運行不平穩(wěn)，負荷降低、負壓增大等情況，危害鍋爐設備安全。

圖9煤層投用邏輯，表示磨煤機運行和煤層火檢有火信號取“與”邏輯，當結果輸出為“1”時，表示煤層投用且爐膛燃料燃燒正常，當輸出為“0”時，表示煤層未投用。

點火記憶：表示鍋爐已經點火成功。圖10燃氣層投用邏輯，表示燃氣層主氣門開和點火記憶兩個信號取“與”邏輯，當結果輸出為“1”時，表示燃氣層投用，否則表示燃氣層未投用。

圖11 鍋爐燃料喪失邏輯Fig.11 Boiler fuel loss logic

圖12 全爐膛滅火邏輯Fig.12 Fire extinguishing logic in the whole furnace

圖11鍋爐燃料喪失邏輯中，煤層投用邏輯取“反”、燃氣層投用邏輯取“反”與點火記憶共5個信號取“與”邏輯，若輸出為“1”時，則表示“鍋爐燃料喪失”，即沒有燃料進入爐膛，此時鍋爐MFT（Main Fuel Trip）停爐。

4.4 全爐膛滅火邏輯

在圖12全爐膛滅火邏輯中，表明當三層煤粉層（4取3）無火、燃氣層（4取3）無火及點火記憶5個信號取“與”邏輯，輸出為“1”時，表示全爐膛無火，則啟動MFT停止鍋爐運行。目的是避免無火狀態(tài)下，燃料繼續(xù)進入爐膛堆積，可能會因高溫導致堆積的煤粉爆炸；也可能再次點火時吹掃不徹底發(fā)生燃爆事故。

5 火檢導致停車事故

DCS系統(tǒng)作為裝置運行的監(jiān)控系統(tǒng)，有以下作用：第一，工藝人員監(jiān)視裝置運行情況；第二，工藝人員根據裝置運行情況調整運行參數在規(guī)定的范圍內；第三，FSSS根據鍋爐運行情況啟動MFT，保護人員、設備安全。因此，控制邏輯的嚴密性是裝置平穩(wěn)運行的關鍵。

5.1 事故原因分析

天盈石化鍋爐在運行過程中，曾出現“鍋爐燃料喪失”導致的鍋爐MFT。經分析，C煤粉層未投用、燃氣層未投用，點火記憶這3個條件都輸出為“1”。鍋爐在運行過程中僅有A、B磨煤機運行，即A、B兩層煤粉層投用，在圖11鍋爐燃料喪失邏輯中輸出為“0”。

查A煤層和B煤層運行過程中的8個火檢信號的歷史趨勢。在同一時刻，兩個煤層各有兩個火檢信號消失，即不滿足圖9中煤層火檢有火（4取3）條件，即A煤層和B煤層未投用，即滿足圖11鍋爐燃料喪失邏輯。因此，導致MFT，鍋爐停止運行。

5.2 火檢信號聯鎖變更過

由5.1節(jié)的事故原因分析可知，鍋爐MFT主要原因是投用的A、B兩煤層中，各有兩個火檢信號丟失，判斷火檢信號（4取2）無火，即煤層不能投用。與火檢信號參與“磨機跳閘”邏輯中，火檢信號（4取3）無火的邏輯沖突，即整體邏輯不嚴密，存在漏洞。

在FSSS中，“鍋爐燃料喪失”與“全爐膛滅火”都使用了火檢信號，屬于重復使用。

因此，將“煤層投用”邏輯中的火檢判斷條件取消，即可以保證鍋爐更加平穩(wěn)運行。

6 火檢探頭維護

由上述文章闡述可知，火檢信號是FSSS的判斷條件之一。火焰檢測器的探頭安裝在鍋爐爐膛內，處于1000℃以上的輻射熱中，火檢探頭較容易損壞。因此，需要工藝控制人員與儀表維護人員共同努力保證火焰檢測器輸出信號的準確性。

6.1 工藝控制

火檢冷卻風機運行，不斷提供冷卻風給火檢探頭降溫，是保證火檢探頭壽命和準確度的措施之一。特別注意的是：在鍋爐開車之前火檢風機必須運行；鍋爐停車之后，火檢風機運行直至爐膛溫度降至常溫。

6.2 儀表維護

鍋爐在運行過程中，若是發(fā)現火檢信號不穩(wěn)定，儀表人員切除火檢信號參與的控制后，拆卸火檢探頭，清洗光學鏡頭組，使火檢探頭更準確地聚焦火焰信號。當鍋爐停車后，若火檢風機故障，可拆除火檢探頭避免高溫輻射熱損壞火檢探頭。

7 小結

本文對火焰檢測器的結構、原理進行介紹說明，對火焰檢測器在天盈石化鍋爐上的應用和維護從各個方面進行闡述，并描述具體事故，分析說明鍋爐穩(wěn)定運行的關鍵是火檢信號參與FSSS控制邏輯的嚴密性和火焰檢測器信號輸出的準確性。本文關于火焰檢測器在鍋爐上的使用及維護具有一定的指導意義。