發電廠燃煤機組爐膛火焰檢測系統改造及效果分析

王勇　孟科技　李飛

摘要：本文主要介紹了徐州華潤電力有限公司320MW燃煤機組爐膛火焰檢測系統改造工程實例，機組典型的升級改造技術應用及實踐效果為同類型燃煤鍋爐火焰檢測系統改造方案選擇提供借鑒和參考，在行業中以推廣，從而實現鍋爐的有效控制及優化。

關鍵詞：火焰檢測；改造；效果；優化

引言

火災是一種常見而嚴重的災害，給人們的生命與財產安全帶來了巨大威脅，因此火焰檢測的研究與應用對于火災的預防與控制至關重要。本文介紹了爐膛火焰檢測系統改造的一種實例，該系統對預防爐膛爆炸與火災事故發生有著重要作用。

爐膛火焰檢測系統是發電機組爐膛安全監控系統（FSSS）的關鍵設備，其作用貫穿于鍋爐運行的全周期，用于判定爐膛內或單元燃燒器火焰的燃燒情況或有火無火狀態。火焰檢測系統能否安全可靠運行，直接影響到機組的穩定運行及設備安全，因此必須保證火焰檢測系統能正確可靠反映爐膛內或單元燃燒器火焰的燃燒情況[1]。

一、原理

爐膛火焰檢測系統作為鍋爐安全檢測設備，被廣泛運用于電站、石化、冶金等行業的單燃燒器或多燃燒器鍋爐中，在鍋爐啟動、運行、停運的各個階段，對燃燒器火焰進行準確檢測，能夠有效預防火災與爐膛爆炸的潛在危險，為鍋爐安全穩定運行提供保護。

油、煤等燃料的燃燒實質是燃料化學能以電磁波的形式釋放，不同燃料的燃燒中間產物所發射的光譜不完全一樣。火檢探頭內的光電傳感器在接收到不同波長的發射光譜后，通過固態信號處理技術，向鍋爐管理系統或燃燒控制器輸送火焰檢測信號。其中燃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[2]。

根據油、煤燃燒火焰的特點及安裝條件的限制，我公司#3機組采用紅外光纖型分體式火焰檢測系統，包括橈性光纖組件、安裝管、冷卻風管、檢測器探頭、火檢放大器、電纜組件等。其中紅外型橈性光纖安裝于外套管組件中，用于傳導爐膛內燃燒器的火焰信號；外套管組件上安裝有冷卻風軟管，用于輸送火檢冷卻風，火檢冷卻風可用來冷卻火焰檢測器探頭與光纖，并能起到清潔作用。火焰檢測器探頭實質上是一個光電傳感器，能接收到光纖傳輸來的具有一定火焰燃燒特性的光，并將其轉換成電信號，傳入火檢放大器處理模塊。火檢放大器能準確區分火焰檢測器探頭產生的脈沖頻率而使其具有最佳的鑒別能力，這種鑒別能力是通過特殊的火焰信號處理，并通過用戶設定火焰有火/無火的獨立門檻值來實現；火焰信號經放大器處理后輸出有火/無火接點信號和相應火焰強度的模擬量信號傳輸至DCS系統[3-5]。

二、設備概況

徐州華潤電力有限公司#3機組鍋爐為320MW單爐膛四角切圓燃燒汽包鍋爐，在鍋爐四角布置有5層煤粉燃燒器（A、B、C、D、E層）和3層油燃燒器（AB、BC、DE層），每層設4只燃燒器，共32只燃燒器，原火焰檢測系統采用ABB UVISOR MFD系列產品，分體式安裝，配置UR600紅外線型感應檢測器探頭32臺，安裝在燃燒器各角，用于接收各燃燒器的煤、油火檢信號并送至MFD放大器；電子間配置火檢監測機柜一套，火檢機柜配置UVISOR MFD雙通道放大器16臺，由4路交流220V電源供電，每個放大器可接收2個檢測器探頭信號并輸出至DCS系統。

三、改造背景

原有的ABB UVISOR MFD型火焰檢測系統已使用近20年，放大器單元及火焰檢測器內部的電子元件逐漸出現老化現象，故障率與維護量大大增加；爐膛內部火檢光纖的安裝角度與最初已有較大變化，且時有脫焊現象發生，已無法正常反映爐膛內火焰的燃燒情況；原有放大器為220VAC電源供電，配置兩臺雙電源切換裝置，對電源質量要求極高，電源電壓稍有波動便會造成火檢信號消失或燒損放大器單元，曾發生過因火檢雙電源切換裝置故障造成機組MFT的現象；該系列產品為2004年的主流產品，目前已退出市場，還存在購買備件成本高且越來越困難的問題。

四、改造方案

#3機組在亞臨界升溫改造后，機組效率得到可靠提升，將作為公司主力機組長期運行。近年來，由于煤炭市場變化等方面的原因，公司機組曾出現爐膛滅火情況，因此爐膛火檢系統的可靠性顯得尤為重要。為提升爐膛火檢系統的可靠性，計劃對#3機組爐膛火焰檢測系統進行升級改造。

（一）方案選擇

經過與多家火檢廠家溝通，并對同類型電廠火檢升級改造情況進行調研，共確定兩種改造方案可供選擇。

1.方案一：升級改造為ABB SF810火焰檢測系統。改造內容：原理及設備數量與原系統相同，仍采用分體式安裝。電子間原有機柜可保留，機柜內所有設備全部拆除，在原機柜內安裝放大器單元及電源風扇等輔助設備；就地火焰檢測器探頭、光纖及套管全部拆除并更換。放大器單元為24VDC供電，仍采用火檢放大器與火焰檢測器探頭1對2配置，即一臺放大器單元含有兩個獨立的通道（一臺放大器單元配置兩臺火焰探頭，即一個煤、一個油火焰探頭或兩個煤火焰探頭）；煤和油燃燒器仍采用“一對一”的形式配置火焰檢測器探頭。現場的所有控制電纜、冷卻風系統可以完全利舊使用。費用：16套放大器單元（包含機柜內的電源等輔助設備）、32套火焰檢測器探頭（包含32根光纖及套管），總計費用大概90萬元。施工：施工內容包括熱控電子間火檢柜與現場燃燒器區域的設備安裝、施工、接線調試等工作，現場區域施工涉及鍋爐爐膛內光纖套管的安裝，施工存在一定的難度，總施工工期大概需要兩周。

2.方案二：改造為safefire SA-3000火焰檢測系統。改造內容：原理及內容與方案一基本相同，不同之處在于放大器單元采用火檢放大器與火焰檢測器探頭1對1配置，即一臺放大器單元只有一個獨立的通道（一臺放大器單元僅配置一臺火焰探頭，即一個煤或一個油火焰探頭）；放大器柜內電源數量亦增加為原來的兩倍，共使用四組共八臺電源模塊，兩臺電源模塊為一組，互為冗余，為某一個角的所有火檢放大器單元供電；就地火焰檢測器探頭附近需安裝中間接線盒，將遠方的電纜先引入中間接線盒后再接入就地的火焰檢測器探頭處。費用：32套放大器單元（包含機柜內的電源等輔助設備）、32套火焰檢測器探頭（包含32根光纖及套管），總計費用大概75萬元。施工：施工內容與方案一大致相同，總施工工期亦為兩周左右。

比較上述兩種方案：原理與改造內容、施工內容與工期大致相同，因公司控制費用的需要，選擇方案二，改造原理圖如下圖1所示。

（二）方案實施

拆除火檢柜內原有的16套放大器單元及附屬設備。保留原機柜的柜體，在柜內新裝32套放大器單元及附件：放大器分4層布置，每層8套放大器，系統I/O點、DCS接口和原系統保持不變。其中每臺放大器的故障報警均需要輸出至DCS中顯示出來。保留原機柜的4路220VAC電源（兩路UPS電源，兩路保安段電源），取消原有的兩套雙電源切換裝置，采用四組共八臺220VAC/24VDC電源模塊，為32套放大器供電，其中每個角配備一套冗余電源（即每組兩臺電源模塊）。任何一路220VAC電源或24VDC電源丟失，均發出報警到DCS中顯示出來[6-8]。鍋爐煤油燃燒器各角現場施工區域，需分別拆除每一角的火焰探頭、光纖及套管；安裝新的火焰探頭、光纖及套管，共計32套。其中光纖套管的拆除與安裝需進入爐膛內部，涉及動火施工、受限空間作業及高處作業。由于新火檢光纖套管尺寸較原有套管尺寸大，套管安裝之前還需重新開孔。就地安裝8臺接線箱，分布于四個角上，每個角上兩臺，一臺安裝于上層油槍點火器上端支架上，另一臺安裝于下層油槍點火器上端支架上，分別引入各個火焰探頭的接線。施工范圍內的所有電纜充分利舊，原火焰探頭至火檢機柜的電纜、輸入輸出信號均保持不變，DCS中各火檢系統的畫面及邏輯均保持不變。

五、效果分析

（一）火檢檢測可靠性提升

本次#3機組爐膛火焰監測系統升級改造，由原來的ABB UVISOR系列火焰監測系統換型升級為safefire SA-3000型火焰監測系統。目前已安裝使用半年有余，運行可靠穩定，設備可靠性大幅提升，火檢系統檢測準確，利于機組穩定燃燒。機組運行中，火檢模擬量跟隨鍋爐燃燒情況正常變化，均能真實反映爐膛燃燒情況。火檢柜改造前后對比圖如下圖2所示（左為改造前，右為改造后）。

（二）火檢電源系統可靠性提高

本次改造較為顯著的變化為電源系統的升級。原有的電源系統為將四路220VAC電源（其中兩路UPS電源，兩路保安段電源，UPS與保安段電源互為冗余，為兩組冗余電源），分別接入兩套雙電源切換裝置中，兩套裝置分別為所有#1、3角火檢及所有#2、4火檢供電，原有放大器模塊為220VAC供電電源，對電源切換時間要求高。本次改造將四路220VAC電源接入四組八臺電源模塊中，電源模塊輸出為24VDC電源，每組兩臺電源模塊為其中某一個角的所有火檢供電，兩臺電源模塊互為冗余，不需切換，電源控制更為分散，安全性更高。電源系統改造前后對比圖如下圖3所示（左為改造前，右為改造后）。

結語

綜上所述，本次#3機組爐膛火焰檢測系統升級改造非常成功，故障率與維護量大幅減少，設備性能與可靠性均達到了預期的效果，火焰檢測能真實反映爐膛內的燃燒情況，對于預防火災與爐膛爆炸的潛在危險亦起到較好效果。

參考文獻

[1]ABB UVISOR 火焰監測系統介紹.

[2]safefire SA-3000 火焰檢測器用戶手冊，Rev3.1.

[3]張永旺.鍋爐火檢監測系統電源可靠性優化[J].機電信息，2021（24）：31-32.

[4]楊國保，蔣曉秋.臺山電廠火檢控制系統可靠性研究及改進[J].能源科技，2020，18（06）：53-56.

[5]賈延濤.淺談鍋爐火檢系統升級改造在電廠應用[J].山東工業技術，2016（21）：42+61.

[6]辛立坤.火焰監測系統在燃氣加熱爐中的選型與應用[J].天津化工，2021，35（02）：75-76.

[7]謝文奮.優化內窺式火焰監測系統控制方案[J].儀器儀表用戶，2019，26（02）：43-46.

[8]馬明榮. 基于圖像處理的爐膛火焰監測系統研究和設計[D].蘭州理工大學，2022.

作者簡介：王勇（1987- ），男，漢族，山東鄄城人，本科，工程師，研究方向：發電廠熱控專業火檢及點火系統控制。