智能火焰檢測系統在發電廠的應用

劉 崗，郝建偉，王元雷

（1.華能煙臺發電有限公司，山東 煙臺 264002；2.華能濟南黃臺發電有限公司，山東 濟南 250100；3.華電章丘發電有限公司，山東 章丘 250216）

0 引言

大型火電機組中，為了保證鍋爐安全、平穩地運行，必須對鍋爐的火焰燃燒狀況進行實時監視，以便用鍋爐的燃料控制裝置聯鎖，保證鍋爐滅火時及時停止燃料供應，防止可燃性物質在爐膛或管道內聚積，發生爆燃甚至引起鍋爐爆炸。

黃臺發電廠9號機組為哈爾濱鍋爐廠的超臨界、直流對沖式、350 MW一次中間再熱鍋爐，單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、π型布置，配中速磨正壓直吹式制粉系統。鍋爐采用前后墻對沖燃燒方式，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火焰檢測系統。本著一對一檢測的原則，共對4層油16只油槍和5層煤20個粉燃燒器裝設36只紅外線安全火焰檢測器（SF810），18 個智能火焰分析單元（FAU810）。機組投運后，ABB UVISOR智能火檢系統的檢測效果不錯，能夠正確反映爐內燃燒情況，并有效防止偷看，便于維護工程師或者運行監控人員及時準確地判斷鍋爐燃燒的工況，及時做出適當調整。當出現熄火現象時，能迅速作出相應動作，保護鍋爐安全運行，有效避免鍋爐爆燃。

1 ABB UVISOR火檢系統的應用

1.1 火焰檢測原理

燃燒火焰具有各種特性，如發熱程度、電離狀態、火焰不同部位的輻射、光譜及火焰的脈動或閃爍現象、差壓、音響等，均可用來檢測火焰的“有”或“無”。以煤、油作為燃料的鍋爐在燃燒過程中都會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、可見光及紫外線。因此，整個光譜范圍都可以用來檢測火焰的“有”或“無”。

由于不同種類的燃料，其燃燒火焰輻射的光線強度不同，相應采用的火焰檢測元件也會不一樣。一般說來，煤粉火焰中除了含有不發光的CO2和水蒸氣等三原子氣體外，還有部分灼熱發光的焦炭粒子和炭粒，它們輻射較強的紅外線、可見光和一些紫外線，而紫外線往往容易被燃燒產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光或紅外線火焰檢測器。而在用于暖爐和點火用的油火焰中，除了有一部分CO2和水蒸氣外，還有大量的發光碳黑粒子，它也能輻射較強的可見光、紅外線和紫外線，因此可采用對這3種火焰較敏感的檢測元件進行測量。而可燃氣體作為主燃料燃燒時，在火焰初始燃燒區輻射產生較強的紫外線，此時可采用紫外線火焰檢測器進行檢測［1］。

火焰閃爍頻率與輻射強度之間的關系取決于燃燒器結構布置、檢測方法、燃料種類、燃燒器的運行條件（如燃料與空氣比、一次風速）、以及觀察角度等因素。一般來說，火焰閃爍頻率在火焰的初始燃燒器較高，然后向燃燼區依次降低；檢測器距火焰初始燃燒區越近檢測到的高頻成分 （100～400 Hz）越強；檢測器探頭視角越狹窄（6°～12°）檢測到的火焰信號越真實，反之亦然。根據現場經驗和相關文獻資料，可以推斷，全爐膛監視的閃爍頻率要比單只燃燒器監視的頻率低得多。

由于不同燃料的燃燒強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。火焰檢測器就是利用火焰的閃爍頻率和光的輻射強度來綜合判斷火焰的有無及強弱。

火焰可以分為4個區，圖1所示。

圖1 火焰分區示意圖

第一段黑龍區，是一股暗黑色的煤粉和一次風的混合物流，其輻射強度和閃爍頻率都很低（沒有點燃，一般有1 m長，有時可以達到2 m，頻率比較低，大約20 Hz左右）。

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

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

第四段為燃燼區，這時的煤粉絕大部分燃燒完畢形成飛灰，少數較大的顆粒繼續進行燃燒，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 火焰檢測系統的原理

ABB火焰檢測系統是鍋爐或鍋爐安全系統的一個至關重要的系統，其主要功能是鑒別點火器火焰和主火焰“熄火”的潛在危險。由于火焰檢測系統的重要性，要求產品必須極其可靠和經久耐用。

圖2 火焰檢測系統原理圖

圖2所示，火焰檢測器單元檢測到火焰初始燃燒區的輻射強度后，通過前置放大器轉換為帶火焰強度及火焰的閃爍頻率的火焰原始信號輸出至智能放大器單元。

UVISOR火焰檢測放大器單元每個通道有4個校準設置，我廠使用了兩個設置，SET1是對跟蹤背景方式的設置，即在燃燒器無火及剛點燃時對火焰的監視。SET4是對見火方式的設置，即燃燒器穩定后對火焰的監視。火焰剛點燃初期處于SET1方式，放大器接受SF810的信號，然后通過SET1設置的帶通過濾器選擇，當信號大于坎值時，輸出火檢“見火”開關量信號至DCS。

DCS邏輯中，“見火”信號同“燃燒器投運”信號相“與”，輸出信號激發放大器的SET4方式，這時放大器由SET1切換到了SET4方式。通過SET4設置的帶通過濾器選擇后，在面板上顯示0～100的火焰強度信號，當信號大于門檻值時，同樣輸出開關量“見火”信號至DCS。

1.3 火焰檢測系統硬件

1.3.1 火焰檢測器的類型

紫外線（UV）檢測器：這種探頭用來檢測燃油，利用火焰所產生的紫外脈沖信號來檢測火焰有無。檢測光譜范圍從190～550 nm，可以在任何負荷情況下，區別被檢測火焰和其它火焰，從而提供極好的辨別能力。

可見光火焰檢測器：利用火焰中存在的大量可見光檢測火焰，對可見光敏感。該檢測器的特點是結構簡單，特別適合監視整個爐膛的火焰；但爐墻的紅外線會干擾其測量信號，光電管耐高溫能力低，工作一段時間后靈敏度會降低。華能濟南黃臺發電有限公司5、6號機組的鍋爐使用了國產的可見光式檢測器，效果并不理想。

紅外線（IR）檢測器：利用紅外線探測器件，可檢測燃燒火焰中大量存在的、不易被煤塵和其它燃燒產物所吸收的可見光和900 nm以上的紅外線，是一種可靠性高、應用范圍廣、單只燃燒器監視效果好的火焰檢測器。檢測光譜范圍600～3 000 nm，它只接收燃料燃燒時湍流引起的閃爍火焰信號，即燃燒的動態輻射部分，而對于鍋爐內壁或熱管線產生的靜態輻射，即使它們強度再大也并不敏感。該檢測器的特點是對紅外線、可見光敏感，結構簡單，靈敏度高，可靠性強［3］。

1.3.2 火焰檢測器的系統組成

就地的UVISOR SF810檢測器探頭為一對一檢測，控制柜中的FAU810放大器單元為一對二通道，即一個放大器單元可以處理兩個探頭信號，圖3所示。

1.3.3 火焰檢測器單元UVISOR SF810

SF810型火焰檢測器有相對較小的圓柱型鋁殼（防爆型）組成。在其內腔包含電子電路板，電纜通過側孔進入機殼，接插件在電纜入口有一個連接器。后蓋允許內部接線端子板進入，提供有透明窗口的后蓋。

圖3 火焰檢測器的系統組成

在電纜端子一側，配有綠色發光二極管，幫助用戶將設備對準目標火焰，發光二極管的閃爍頻率與火焰的強度關聯，發光二極管閃爍的越快，火焰的強度越高。

SF810火焰探測器及其安裝附件不需要定期維護，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，確定火焰檢測器檢測的是否為一個穩定的火焰。火焰安全觸點、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的輸入值。

（1）基本火焰探測。安裝在點火器或主燃燒器上的火焰檢測器測量燃料燃燒產生的瞬時能量，FAU810將火焰信號以2 000次/s的速度進行數字處理后，用圖4所示的分析算法測量火焰特性。

圖4 強度、閃爍頻率和AC振幅

（2）火焰測量比較。

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

如果測量值低于編程的退出設定值，FAU810將在火焰邏輯程序中選擇無火狀態；切斷火焰繼電器供電；在冗余串行端口提供一個無火信號。

圖5是閃爍頻率引入與退出設定值的示例。

圖5 閃爍頻率跳閘點

（3）濾波和延時。由于燃燒的火焰會發生快速的變化，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誤差。FAU810火焰邏輯包括一個延時器，延時時間在2.5 s內可調。

（4）火焰品質。品質是衡量火焰強弱和有無的標準，范圍在0%～100%之間，品質值從最高的100%稍有下降就表示一個或多個測量值接近了跳閘點，可以利用這一信息在跳閘發生以前采取措施。品質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：品質計算不影響火焰邏輯算法；不直接觸發FAU810的火焰無火條件。

（5）鑒別。FAU810的鑒別特性使一個火焰檢測器可以監控兩個不同的火焰，這個特性通常用于一個火焰檢測器同時監控燃煤火焰和燃油火焰。因為一個火焰檢測器有兩個功能組，所以只需要一個通道，這樣就節省了FAU810的另一個通道，從而為用于其它功能實施提供了可能。

2 火檢系統的應用

2.1 安裝

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

對沖式鍋爐采用剛性光纖火檢，安裝比較簡單，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，能使見火的范圍更廣，可能見火效果會更好。就地的火檢位置應該正確，對于對沖的旋流燃燒器，按照一次風旋流的方向，煤的在背火側，油的在向火側，安裝完成后各螺母一定要鎖緊，防止位置變化導致看火不好。火檢探頭及其控制系統一定要嚴格按照說明單獨接地，否則易造成信號干擾。

圖6 剛性光纖型火檢安裝示意圖

2.2 調試

ABB UVISOR產品的特點是可以實現燃料/負荷的切換。在某些燃燒系統中，火焰特性會隨燃料或負荷的變化而變化，在這些情況下，不同的燃料或負荷的理想跳閘、靈敏度和延時設定值會有所不同，利用燃料/負荷的切換特性可以更加精確地確定這些狀態下的火焰特性。判斷燃燒器是否投運的切換邏輯是在DCS中實現的，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，可以根據負荷或燃料自由定義切換，目前只使用兩套，僅根據燃燒器是否投運來切換參數，使用SET1和SET4通道。

火焰檢測器安裝完成后，幾乎不用做任何現場調整了，只需對放大器參數進行設置即可，設置放大器參數時，可以使用火焰分析軟件自動調整，也可以手動根據實際燃燒情況調整，需設置的調整參數有兩個，即頻率和強度，但應注意燃燒器投運后的設置與背景值得設置應有所區別，坎值的調整應讓見火即不飽和也不過弱。參數的切換用燃燒器投運與否，控制邏輯是用油閥開和給煤機運行。9號機組在開機第一次點火過程中出現過集控室火焰電視及現場看火均已點著油槍，但10 s后因火檢不見火而強行關閉了油閥，這種現象在調試過程中很難解決，從控制邏輯及系統組成上看沒什么問題，但問題恰恰是出在信號傳遞的時間問題上，前面所述油閥開到位信號用油閥不關來代替全都能點著火。ABB系統中其實配有4個通道可以設置4種不同工況，我們現場應用較多的就是這種根據點火與否用兩套參數切換，其實可以考慮將4套參數都用起來，考慮根據煤種或根據負荷來切換不同的參數。因此，信號的使用以及切換邏輯繼續完善能夠使火檢應用的更好。

2.3 存在問題

9號機組于2011年1月1日投產，10號機組于2011年1月5日投產，從點火開機起火檢見火信號穩定，動作準確，且維護量小，但在使用過程中也發現一些問題：

判斷火檢冷卻風壓力的壓力開關信號，目前都裝在冷卻風機出口管路的出口上，應放在末端才能真正起到保護作用。

采用的剛性光纖火檢應用效果不錯，但為了節約維護成本，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器，這種觀念還有待進一步論證。

火檢系統中光纖是個十分重要的傳導部件，光纖的粗細，耐溫程度都很重要。從現場實際看，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。

火檢裝置都需要設置門坎電壓和頻率，如何設置好這個基準值需要現場反復試驗才能得出相對準確的結果，日后隨工況不同，還需繼續完善。

為保證見火的準確性，火檢設備如何在DCS中做合適的控制邏輯來切換火檢的各套控制參數，讓火檢正確“睜眼”和“瞇眼”需要研究。

目前火檢產品還沒有統一的標準來衡量火焰檢測準確性，如火焰的強度和頻率坎值、判讀火焰有沒有延時情況等，如何定量評價火檢效果，需要在今后的現場實踐中繼續探索，以此制定出新的標準。

3 結語

ABB UVISOR智能火焰檢測系統在黃臺發電廠9、10號機組得到良好應用，解決了以往火檢冷卻不好易燒壞、探頭積灰見火不好，工況不同參數需頻繁調整等問題。但也存在一些不足，今后將不斷地改進、完善，使機組的保護更加可靠、穩定。