智能火焰檢測(cè)系統(tǒng)在發(fā)電廠的應(yīng)用

劉 崗，郝建偉，王元雷

（1.華能煙臺(tái)發(fā)電有限公司，山東 煙臺(tái) 264002；2.華能濟(jì)南黃臺(tái)發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)南 250100；3.華電章丘發(fā)電有限公司，山東 章丘 250216）

0 引言

大型火電機(jī)組中，為了保證鍋爐安全、平穩(wěn)地運(yùn)行，必須對(duì)鍋爐的火焰燃燒狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，以便用鍋爐的燃料控制裝置聯(lián)鎖，保證鍋爐滅火時(shí)及時(shí)停止燃料供應(yīng)，防止可燃性物質(zhì)在爐膛或管道內(nèi)聚積，發(fā)生爆燃甚至引起鍋爐爆炸。

黃臺(tái)發(fā)電廠9號(hào)機(jī)組為哈爾濱鍋爐廠的超臨界、直流對(duì)沖式、350 MW一次中間再熱鍋爐，單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、π型布置，配中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)。鍋爐采用前后墻對(duì)沖燃燒方式，共布置5層燃燒器（前3后2），每層布置4只，共20只低NOx軸向旋流燃燒器，底層磨配微油，為徐州燃燒器廠配置，其余燃燒器均配ABB UVISOR火焰檢測(cè)系統(tǒng)。本著一對(duì)一檢測(cè)的原則，共對(duì)4層油16只油槍和5層煤20個(gè)粉燃燒器裝設(shè)36只紅外線安全火焰檢測(cè)器（SF810），18 個(gè)智能火焰分析單元（FAU810）。機(jī)組投運(yùn)后，ABB UVISOR智能火檢系統(tǒng)的檢測(cè)效果不錯(cuò)，能夠正確反映爐內(nèi)燃燒情況，并有效防止偷看，便于維護(hù)工程師或者運(yùn)行監(jiān)控人員及時(shí)準(zhǔn)確地判斷鍋爐燃燒的工況，及時(shí)做出適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)出現(xiàn)熄火現(xiàn)象時(shí)，能迅速作出相應(yīng)動(dòng)作，保護(hù)鍋爐安全運(yùn)行，有效避免鍋爐爆燃。

1 ABB UVISOR火檢系統(tǒng)的應(yīng)用

1.1 火焰檢測(cè)原理

燃燒火焰具有各種特性，如發(fā)熱程度、電離狀態(tài)、火焰不同部位的輻射、光譜及火焰的脈動(dòng)或閃爍現(xiàn)象、差壓、音響等，均可用來(lái)檢測(cè)火焰的“有”或“無(wú)”。以煤、油作為燃料的鍋爐在燃燒過(guò)程中都會(huì)輻射一定量的紫外線和大量的紅外線，且光譜范圍涉及紅外線、可見(jiàn)光及紫外線。因此，整個(gè)光譜范圍都可以用來(lái)檢測(cè)火焰的“有”或“無(wú)”。

由于不同種類(lèi)的燃料，其燃燒火焰輻射的光線強(qiáng)度不同，相應(yīng)采用的火焰檢測(cè)元件也會(huì)不一樣。一般說(shuō)來(lái)，煤粉火焰中除了含有不發(fā)光的CO2和水蒸氣等三原子氣體外，還有部分灼熱發(fā)光的焦炭粒子和炭粒，它們輻射較強(qiáng)的紅外線、可見(jiàn)光和一些紫外線，而紫外線往往容易被燃燒產(chǎn)物和灰粒吸收而很快被減弱，因此煤粉燃燒火焰宜采用可見(jiàn)光或紅外線火焰檢測(cè)器。而在用于暖爐和點(diǎn)火用的油火焰中，除了有一部分CO2和水蒸氣外，還有大量的發(fā)光碳黑粒子，它也能輻射較強(qiáng)的可見(jiàn)光、紅外線和紫外線，因此可采用對(duì)這3種火焰較敏感的檢測(cè)元件進(jìn)行測(cè)量。而可燃?xì)怏w作為主燃料燃燒時(shí)，在火焰初始燃燒區(qū)輻射產(chǎn)生較強(qiáng)的紫外線，此時(shí)可采用紫外線火焰檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)［1］。

火焰閃爍頻率與輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系取決于燃燒器結(jié)構(gòu)布置、檢測(cè)方法、燃料種類(lèi)、燃燒器的運(yùn)行條件（如燃料與空氣比、一次風(fēng)速）、以及觀察角度等因素。一般來(lái)說(shuō)，火焰閃爍頻率在火焰的初始燃燒器較高，然后向燃燼區(qū)依次降低；檢測(cè)器距火焰初始燃燒區(qū)越近檢測(cè)到的高頻成分 （100～400 Hz）越強(qiáng)；檢測(cè)器探頭視角越狹窄（6°～12°）檢測(cè)到的火焰信號(hào)越真實(shí)，反之亦然。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料，可以推斷，全爐膛監(jiān)視的閃爍頻率要比單只燃燒器監(jiān)視的頻率低得多。

由于不同燃料的燃燒強(qiáng)度有不同亮度和燃燒頻率，燃燒越熾烈，亮度和頻率越高；燃燒越弱，其亮度和頻率越低；火焰熄滅其亮度和頻率為零。火焰檢測(cè)器就是利用火焰的閃爍頻率和光的輻射強(qiáng)度來(lái)綜合判斷火焰的有無(wú)及強(qiáng)弱。

火焰可以分為4個(gè)區(qū)，圖1所示。

圖1 火焰分區(qū)示意圖

第一段黑龍區(qū)，是一股暗黑色的煤粉和一次風(fēng)的混合物流，其輻射強(qiáng)度和閃爍頻率都很低（沒(méi)有點(diǎn)燃，一般有1 m長(zhǎng)，有時(shí)可以達(dá)到2 m，頻率比較低，大約20 Hz左右）。

第二段是初始燃燒區(qū)，煤粉因受到高溫爐氣和火焰回流的加熱開(kāi)始燃燒，大量煤粉顆粒爆燃形成亮點(diǎn)流，此段的特點(diǎn)是這部分煤粉燃燒亮度不是很大，但其閃爍頻率卻達(dá)到最大值，往往可以在100 Hz以上（亮度不是很高，由于一次風(fēng)產(chǎn)生湍流，頻率變化比較明顯，大約60～200 Hz）。

第三段為燃燒區(qū)，也稱(chēng)完全燃燒區(qū)，各個(gè)煤粉顆粒與二次風(fēng)的充分混合后完全燃燒，產(chǎn)生很大熱量，此段的火焰亮度最高且最穩(wěn)定，但閃爍頻率要低于初始燃燒區(qū)（亮度很高，但頻率較低，約50 Hz）。

第四段為燃燼區(qū)，這時(shí)的煤粉絕大部分燃燒完畢形成飛灰，少數(shù)較大的顆粒繼續(xù)進(jìn)行燃燒，最后形成高溫爐氣流，其火焰亮度和閃爍頻率都比較低（含灰量較大，頻率降低，約 30 Hz）［2］。

1.2 火焰檢測(cè)系統(tǒng)的原理

ABB火焰檢測(cè)系統(tǒng)是鍋爐或鍋爐安全系統(tǒng)的一個(gè)至關(guān)重要的系統(tǒng)，其主要功能是鑒別點(diǎn)火器火焰和主火焰“熄火”的潛在危險(xiǎn)。由于火焰檢測(cè)系統(tǒng)的重要性，要求產(chǎn)品必須極其可靠和經(jīng)久耐用。

圖2 火焰檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

圖2所示，火焰檢測(cè)器單元檢測(cè)到火焰初始燃燒區(qū)的輻射強(qiáng)度后，通過(guò)前置放大器轉(zhuǎn)換為帶火焰強(qiáng)度及火焰的閃爍頻率的火焰原始信號(hào)輸出至智能放大器單元。

UVISOR火焰檢測(cè)放大器單元每個(gè)通道有4個(gè)校準(zhǔn)設(shè)置，我廠使用了兩個(gè)設(shè)置，SET1是對(duì)跟蹤背景方式的設(shè)置，即在燃燒器無(wú)火及剛點(diǎn)燃時(shí)對(duì)火焰的監(jiān)視。SET4是對(duì)見(jiàn)火方式的設(shè)置，即燃燒器穩(wěn)定后對(duì)火焰的監(jiān)視。火焰剛點(diǎn)燃初期處于SET1方式，放大器接受SF810的信號(hào)，然后通過(guò)SET1設(shè)置的帶通過(guò)濾器選擇，當(dāng)信號(hào)大于坎值時(shí)，輸出火檢“見(jiàn)火”開(kāi)關(guān)量信號(hào)至DCS。

DCS邏輯中，“見(jiàn)火”信號(hào)同“燃燒器投運(yùn)”信號(hào)相“與”，輸出信號(hào)激發(fā)放大器的SET4方式，這時(shí)放大器由SET1切換到了SET4方式。通過(guò)SET4設(shè)置的帶通過(guò)濾器選擇后，在面板上顯示0～100的火焰強(qiáng)度信號(hào)，當(dāng)信號(hào)大于門(mén)檻值時(shí)，同樣輸出開(kāi)關(guān)量“見(jiàn)火”信號(hào)至DCS。

1.3 火焰檢測(cè)系統(tǒng)硬件

1.3.1 火焰檢測(cè)器的類(lèi)型

紫外線（UV）檢測(cè)器：這種探頭用來(lái)檢測(cè)燃油，利用火焰所產(chǎn)生的紫外脈沖信號(hào)來(lái)檢測(cè)火焰有無(wú)。檢測(cè)光譜范圍從190～550 nm，可以在任何負(fù)荷情況下，區(qū)別被檢測(cè)火焰和其它火焰，從而提供極好的辨別能力。

可見(jiàn)光火焰檢測(cè)器：利用火焰中存在的大量可見(jiàn)光檢測(cè)火焰，對(duì)可見(jiàn)光敏感。該檢測(cè)器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別適合監(jiān)視整個(gè)爐膛的火焰；但爐墻的紅外線會(huì)干擾其測(cè)量信號(hào)，光電管耐高溫能力低，工作一段時(shí)間后靈敏度會(huì)降低。華能濟(jì)南黃臺(tái)發(fā)電有限公司5、6號(hào)機(jī)組的鍋爐使用了國(guó)產(chǎn)的可見(jiàn)光式檢測(cè)器，效果并不理想。

紅外線（IR）檢測(cè)器：利用紅外線探測(cè)器件，可檢測(cè)燃燒火焰中大量存在的、不易被煤塵和其它燃燒產(chǎn)物所吸收的可見(jiàn)光和900 nm以上的紅外線，是一種可靠性高、應(yīng)用范圍廣、單只燃燒器監(jiān)視效果好的火焰檢測(cè)器。檢測(cè)光譜范圍600～3 000 nm，它只接收燃料燃燒時(shí)湍流引起的閃爍火焰信號(hào)，即燃燒的動(dòng)態(tài)輻射部分，而對(duì)于鍋爐內(nèi)壁或熱管線產(chǎn)生的靜態(tài)輻射，即使它們強(qiáng)度再大也并不敏感。該檢測(cè)器的特點(diǎn)是對(duì)紅外線、可見(jiàn)光敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，可靠性強(qiáng)［3］。

1.3.2 火焰檢測(cè)器的系統(tǒng)組成

就地的UVISOR SF810檢測(cè)器探頭為一對(duì)一檢測(cè)，控制柜中的FAU810放大器單元為一對(duì)二通道，即一個(gè)放大器單元可以處理兩個(gè)探頭信號(hào)，圖3所示。

1.3.3 火焰檢測(cè)器單元UVISOR SF810

SF810型火焰檢測(cè)器有相對(duì)較小的圓柱型鋁殼（防爆型）組成。在其內(nèi)腔包含電子電路板，電纜通過(guò)側(cè)孔進(jìn)入機(jī)殼，接插件在電纜入口有一個(gè)連接器。后蓋允許內(nèi)部接線端子板進(jìn)入，提供有透明窗口的后蓋。

圖3 火焰檢測(cè)器的系統(tǒng)組成

在電纜端子一側(cè)，配有綠色發(fā)光二極管，幫助用戶(hù)將設(shè)備對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)火焰，發(fā)光二極管的閃爍頻率與火焰的強(qiáng)度關(guān)聯(lián)，發(fā)光二極管閃爍的越快，火焰的強(qiáng)度越高。

SF810火焰探測(cè)器及其安裝附件不需要定期維護(hù)，只需要定期清潔。

1.3.4 火焰放大器單元UVISOR FAU810

FAU810火焰分析單元處理電信號(hào)，確定火焰檢測(cè)器檢測(cè)的是否為一個(gè)穩(wěn)定的火焰。火焰安全觸點(diǎn)、模擬輸出和/或FAU810上的冗余串行輸出則成為鍋爐或爐膛安全系統(tǒng)的輸入值。

（1）基本火焰探測(cè)。安裝在點(diǎn)火器或主燃燒器上的火焰檢測(cè)器測(cè)量燃料燃燒產(chǎn)生的瞬時(shí)能量，F(xiàn)AU810將火焰信號(hào)以2 000次/s的速度進(jìn)行數(shù)字處理后，用圖4所示的分析算法測(cè)量火焰特性。

圖4 強(qiáng)度、閃爍頻率和AC振幅

（2）火焰測(cè)量比較。

測(cè)量值是可以由FAU810測(cè)量的能量特性，包括強(qiáng)度、閃爍頻率、AC振幅、燃燒指數(shù)（CI）。這些數(shù)值與在調(diào)整階段設(shè)置的引入和退出設(shè)定值相比較，如果測(cè)量值大于引入設(shè)定值，F(xiàn)AU810將在火焰邏輯程序中選擇有火狀態(tài)；給火焰繼電器加電（受電）；在冗余串行端口提供一個(gè)有火信號(hào)。

如果測(cè)量值低于編程的退出設(shè)定值，F(xiàn)AU810將在火焰邏輯程序中選擇無(wú)火狀態(tài)；切斷火焰繼電器供電；在冗余串行端口提供一個(gè)無(wú)火信號(hào)。

圖5是閃爍頻率引入與退出設(shè)定值的示例。

圖5 閃爍頻率跳閘點(diǎn)

（3）濾波和延時(shí)。由于燃燒的火焰會(huì)發(fā)生快速的變化，平滑濾波器采取了一些特殊的方法，以最大限度地降低由于火焰的瞬間變化引起的檢測(cè)誤差。FAU810火焰邏輯包括一個(gè)延時(shí)器，延時(shí)時(shí)間在2.5 s內(nèi)可調(diào)。

（4）火焰品質(zhì)。品質(zhì)是衡量火焰強(qiáng)弱和有無(wú)的標(biāo)準(zhǔn)，范圍在0%～100%之間，品質(zhì)值從最高的100%稍有下降就表示一個(gè)或多個(gè)測(cè)量值接近了跳閘點(diǎn)，可以利用這一信息在跳閘發(fā)生以前采取措施。品質(zhì)值不能具體確定燃燒器故障原因，它只能表示火焰燃燒的一般情況：品質(zhì)計(jì)算不影響火焰邏輯算法；不直接觸發(fā)FAU810的火焰無(wú)火條件。

（5）鑒別。FAU810的鑒別特性使一個(gè)火焰檢測(cè)器可以監(jiān)控兩個(gè)不同的火焰，這個(gè)特性通常用于一個(gè)火焰檢測(cè)器同時(shí)監(jiān)控燃煤火焰和燃油火焰。因?yàn)橐粋€(gè)火焰檢測(cè)器有兩個(gè)功能組，所以只需要一個(gè)通道，這樣就節(jié)省了FAU810的另一個(gè)通道，從而為用于其它功能實(shí)施提供了可能。

2 火檢系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 安裝

SF810火焰探測(cè)器既可以水平安裝，也可以垂直安裝。必須小心面向下對(duì)準(zhǔn)電纜入口，防止水珠滲入。如果在墻壁上安裝，建議將火焰探測(cè)器安裝在旋轉(zhuǎn)法蘭上，這樣有助于火焰探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)燃燒器火焰。

對(duì)沖式鍋爐采用剛性光纖火檢，安裝比較簡(jiǎn)單，將火檢直接插入支撐法蘭即可，圖6所示。建議若采用不帶光纖的外窺式探頭，能使見(jiàn)火的范圍更廣，可能見(jiàn)火效果會(huì)更好。就地的火檢位置應(yīng)該正確，對(duì)于對(duì)沖的旋流燃燒器，按照一次風(fēng)旋流的方向，煤的在背火側(cè)，油的在向火側(cè)，安裝完成后各螺母一定要鎖緊，防止位置變化導(dǎo)致看火不好?；饳z探頭及其控制系統(tǒng)一定要嚴(yán)格按照說(shuō)明單獨(dú)接地，否則易造成信號(hào)干擾。

圖6 剛性光纖型火檢安裝示意圖

2.2 調(diào)試

ABB UVISOR產(chǎn)品的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)燃料/負(fù)荷的切換。在某些燃燒系統(tǒng)中，火焰特性會(huì)隨燃料或負(fù)荷的變化而變化，在這些情況下，不同的燃料或負(fù)荷的理想跳閘、靈敏度和延時(shí)設(shè)定值會(huì)有所不同，利用燃料/負(fù)荷的切換特性可以更加精確地確定這些狀態(tài)下的火焰特性。判斷燃燒器是否投運(yùn)的切換邏輯是在DCS中實(shí)現(xiàn)的，判斷方式可以自由定義，這為更精確的判斷火焰提供了便利。我廠使用的810系列有四套切換參數(shù)，可以根據(jù)負(fù)荷或燃料自由定義切換，目前只使用兩套，僅根據(jù)燃燒器是否投運(yùn)來(lái)切換參數(shù)，使用SET1和SET4通道。

火焰檢測(cè)器安裝完成后，幾乎不用做任何現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整了，只需對(duì)放大器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置即可，設(shè)置放大器參數(shù)時(shí)，可以使用火焰分析軟件自動(dòng)調(diào)整，也可以手動(dòng)根據(jù)實(shí)際燃燒情況調(diào)整，需設(shè)置的調(diào)整參數(shù)有兩個(gè)，即頻率和強(qiáng)度，但應(yīng)注意燃燒器投運(yùn)后的設(shè)置與背景值得設(shè)置應(yīng)有所區(qū)別，坎值的調(diào)整應(yīng)讓見(jiàn)火即不飽和也不過(guò)弱。參數(shù)的切換用燃燒器投運(yùn)與否，控制邏輯是用油閥開(kāi)和給煤機(jī)運(yùn)行。9號(hào)機(jī)組在開(kāi)機(jī)第一次點(diǎn)火過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)集控室火焰電視及現(xiàn)場(chǎng)看火均已點(diǎn)著油槍?zhuān)?0 s后因火檢不見(jiàn)火而強(qiáng)行關(guān)閉了油閥，這種現(xiàn)象在調(diào)試過(guò)程中很難解決，從控制邏輯及系統(tǒng)組成上看沒(méi)什么問(wèn)題，但問(wèn)題恰恰是出在信號(hào)傳遞的時(shí)間問(wèn)題上，前面所述油閥開(kāi)到位信號(hào)用油閥不關(guān)來(lái)代替全都能點(diǎn)著火。ABB系統(tǒng)中其實(shí)配有4個(gè)通道可以設(shè)置4種不同工況，我們現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多的就是這種根據(jù)點(diǎn)火與否用兩套參數(shù)切換，其實(shí)可以考慮將4套參數(shù)都用起來(lái)，考慮根據(jù)煤種或根據(jù)負(fù)荷來(lái)切換不同的參數(shù)。因此，信號(hào)的使用以及切換邏輯繼續(xù)完善能夠使火檢應(yīng)用的更好。

2.3 存在問(wèn)題

9號(hào)機(jī)組于2011年1月1日投產(chǎn)，10號(hào)機(jī)組于2011年1月5日投產(chǎn)，從點(diǎn)火開(kāi)機(jī)起火檢見(jiàn)火信號(hào)穩(wěn)定，動(dòng)作準(zhǔn)確，且維護(hù)量小，但在使用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題：

判斷火檢冷卻風(fēng)壓力的壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)，目前都裝在冷卻風(fēng)機(jī)出口管路的出口上，應(yīng)放在末端才能真正起到保護(hù)作用。

采用的剛性光纖火檢應(yīng)用效果不錯(cuò)，但為了節(jié)約維護(hù)成本，今后的檢修中可以考慮更換為不帶光纖的外窺式火焰檢測(cè)器，這種觀念還有待進(jìn)一步論證。

火檢系統(tǒng)中光纖是個(gè)十分重要的傳導(dǎo)部件，光纖的粗細(xì)，耐溫程度都很重要。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際看，光纖很容易燒壞造成火焰不能正確傳遞，ABB火檢雖已采用較粗的新型光纖，但如何確保光纖冷卻值得研究。

火檢裝置都需要設(shè)置門(mén)坎電壓和頻率，如何設(shè)置好這個(gè)基準(zhǔn)值需要現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)才能得出相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)果，日后隨工況不同，還需繼續(xù)完善。

為保證見(jiàn)火的準(zhǔn)確性，火檢設(shè)備如何在DCS中做合適的控制邏輯來(lái)切換火檢的各套控制參數(shù)，讓火檢正確“睜眼”和“瞇眼”需要研究。

目前火檢產(chǎn)品還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量火焰檢測(cè)準(zhǔn)確性，如火焰的強(qiáng)度和頻率坎值、判讀火焰有沒(méi)有延時(shí)情況等，如何定量評(píng)價(jià)火檢效果，需要在今后的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中繼續(xù)探索，以此制定出新的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語(yǔ)

ABB UVISOR智能火焰檢測(cè)系統(tǒng)在黃臺(tái)發(fā)電廠9、10號(hào)機(jī)組得到良好應(yīng)用，解決了以往火檢冷卻不好易燒壞、探頭積灰見(jiàn)火不好，工況不同參數(shù)需頻繁調(diào)整等問(wèn)題。但也存在一些不足，今后將不斷地改進(jìn)、完善，使機(jī)組的保護(hù)更加可靠、穩(wěn)定。