火焰檢測器在循環流化床氣化裝置中的應用

董清鋒

（陜西延長石油（集團）有限責任公司碳氫高效利用技術研究中心）

火焰檢測器（以下簡稱火檢）是用來檢測爐膛內火焰燃燒情況的。 火焰燃燒時具有亮度變化和脈動閃爍的特點［1］。不同的燃料、不同的點火方式需采用不同類型的火檢。 根據燃料的不同，火電廠和化工裝置常用的火檢類型為紅外光火檢和紫外光火檢。 紅外線不易被煤塵、水蒸氣和其他燃燒產物吸收， 因此適合于檢測煤粉火焰、重油火焰［2］。氣體燃料燃燒時會產生較強的紫外線，因此宜使用紫外光火檢。 火檢的傳感器采集到紅外光、紫外光后經過放大電路轉換為開關量或模擬量，送給控制系統用于火焰檢測和控制。

開工預熱爐是在裝置正式投料前用于給系統升溫的裝置。 一般情況下開工預熱爐的點火標志著裝置正式進入開車階段。 在開工預熱爐點火中經常出現火檢誤報而投燃料和火檢誤報啟動聯鎖信號導致跳車的情況，火檢不能正確反映火焰狀態，已成為目前較普遍存在的現象。 筆者以循環流化床氣化裝置開工預熱爐紫外光火檢為例， 對工程實際應用中存在的問題進行剖析，并給出了解決辦法。

1 開工預熱爐概況

開工預熱爐的點火環境為帶壓（0.4～20MPa）惰性氣體環境， 燃燒室內有用于循環流化的砂子。 開工預熱爐的點火順序為：首先天然氣長明燈低流量點火，長明燈點火成功后逐漸調整至正常流量，然后開啟柴油燒嘴低流量點火，柴油燒嘴點火成功后根據氣化爐升溫曲線，逐漸調整柴油的噴射量，達到氣化爐投料溫度后，逐步退出開工預熱爐。 開工預熱爐長明燈和柴油燒嘴均配置紫外光火檢，同時配置紅外工業電視。

2 火檢裝置

開工預熱爐火檢結構如圖1 所示。 整套火檢裝置主要由火檢、 玻璃及火檢光纖等部件組成。火檢為常壓儀表，開工預熱爐為帶壓設備，不能直接檢測火焰信號，因此需要由耐高溫高壓的石英玻璃進行隔離，火檢光纖為采光通道，將火焰信號通過光纖傳導至火檢。

圖1 火檢結構示意圖

3 火檢誤判原因分析

根據紫外光火檢檢測原理，造成火檢誤判的原因主要有兩類：一類是火檢本身問題，一類是燃燒器的問題［3］。燃燒器在出廠測試時，火焰燃燒穩定，無脫火現象，因此排除燃燒器問題。 筆者將從以下幾個方面，著重討論火檢本身的問題。

3.1 光信號衰減

在開工預熱爐第1 次點火測試時一直無火焰信號，但是工業電視可看到火焰。 停車后，將火檢拆開，發現火檢光纖采光端已被嚴重燒壞。 將火檢及組件解體后，對火檢探頭用打火機進行測試，火焰信號正常，且火焰信號達到最大值，排除火檢本身問題。 將火檢與視鏡組裝好后通過光纖多次測試，信號強度只有30%。 經查火檢二次表發現，設定的有火信號動作值是40%，故無火焰信號，降低火檢有火信號閾值至15%后，用打火機測試正常。 由此可見通過采光組件后，火焰光信號衰減嚴重。 火焰信號的衰減，加上不合理的設定值，造成火檢一直無信號。

3.2 火檢光纖燒壞

發現光纖燒壞后， 供應商判斷光纖太長，采光端離火焰過近，溫度較高造成燒壞。 更換為縮短的光纖后，第2 次開車發現火檢短暫有信號后又消失。 停車后拆檢，發現光纖采光端再次被燒壞。 對于光纖燒壞的原因分析如下：

a. 火檢光纖的冷卻效果差。一般火檢用光纖的最高耐受溫度為350℃， 而燃燒火焰的溫度超過1 000℃，因此需要冷卻風對光纖進行冷卻。 根據燒嘴結構，火檢光纖有冷卻風，且流量在正常范圍內。 但是火檢光纖為單層結構，只與玻璃視鏡組合端固定，采光端未固定，在高溫環境下冷卻效果較差。

b. 火檢光纖太長。 根據燒嘴結構，光纖外保護套管與燒嘴長度基本一致，光纖采光端離火焰太近， 加上冷卻效果差， 致使火檢光纖在超過350℃的高溫下工作，采光端極易被燒焦、脫落，造成火檢光纖透光度變差，甚至不透光，嚴重影響采光效果。

4 解決方案探討

針對上述關于火檢無信號原因的分析，制定如下解決方案：

a. 火焰信號經高溫高壓玻璃后衰減嚴重，屬玻璃選型問題，在玻璃設計選型時，除了滿足高溫高壓的條件外，對紫外光的透光率和玻璃的拆射率也要考慮進去。 該玻璃應經鍍膜處理，以減少對紫外光的反射， 增加對紫外光的透過率，同時玻璃結構應經過特別處理，使對紫外光的折射率盡量減小，最大限度地增加到火檢探頭的紫外光通量。 同時該火檢具備火焰信號4～20mA 模擬量輸出功能，將該信號接入DCS 后，可根據火焰信號強度，設置合理的有火/無火信號動作值。

b. 火檢光纖燒壞，應從兩個方面解決。 一是以火檢能夠正確檢測到火焰信號的最大長度為依據，盡量縮短光纖采光端至火焰根部的直線距離，使火檢采光端遠離火焰高溫區，以最大限度地保護光纖采光端石英片。 二是改變光纖的冷卻方式，采用內外導管的固定方式。 內導管用于固定光纖，外導管用于通入冷卻風。 內外導管管壁間縫隙盡量減小，使冷卻風從內外導管的間隙通過，到達內導管前端［4］。 在流量不變的情況下，通過縮小截面積以增加氣流速度，從而進一步加強冷卻效果。 同時，在內導管入口開孔以冷卻內導管和光纖；在外導管的末端，通過采用特殊結構，使冷卻氣以較高的射流速度集中從四周吹向光纖采光端石英，一方面有利于對光纖采光端的冷卻，另一方面能夠防止光纖采光端積灰。

圖2 直接采光方式火檢結構示意圖

c. 火檢結構。 采用光纖傳導光信號是工業鍋爐常用的使用方式。 工業鍋爐爐膛為微負壓且直徑較大， 用火檢直接檢測火焰信號難度較大，必須使用光纖方式將火焰信號傳導至火檢，以檢測火焰信號。 而開工預熱爐與鍋爐不同，燃料往往是天然氣或柴油，且爐膛直徑較小，燒嘴一般只有兩臺，且為高壓工況。 因此，可采用直接采光的方式，火檢結構如圖2 所示。 與原結構最大的區別在于取消了采光光纖，這樣一方面減少了光纖采光面積小、光信號衰減這一弊端，另一方面取消了光纖， 使光信號通過高溫高壓玻璃直達火檢，可靠性更高。

火檢采用直接采光方式時需注意以下幾點：

a. 采光通道與燒嘴的角度應盡可能得小，使火檢能夠正對火焰燃燒的初始著火區［5］，可以減少甚至消除火檢的誤報；

b. 火檢位置要離火焰根部距離盡量近，火檢傳感器的視角應該始終包括火焰底部的1/3［6］；

c. 采光通道的直徑應盡可能得大一些，以增加火焰的光通量；

d. 采光通道應加冷卻風吹掃，一方面降低采光玻璃的工作溫度，另一方面阻擋爐膛內的雜質（用于循環流化的砂子、燃燒產物等）進入采光通道，吸收紫外光線，使紫外光信號減弱；

e. 采光玻璃后應設置壓力開關，且該壓力信號應接入安全聯鎖系統，作用是當采光玻璃損壞后能動作于安全聯鎖。

5 結束語

循環流化床氣化裝置開工預熱爐點火和火檢系統有別于工業鍋爐，火檢的工作環境為高溫高壓，若采用光纖形式，一旦出現光纖燒壞情況，將導致火檢誤報， 造成停車等不必要的損失，而且光纖一旦燒壞，無法在線更換。 使用工業電視監視火焰時，因工業電視不能區分背景火焰與燒嘴火焰，若在升溫過程中突然熄火，而爐膛已被燒紅（背景火焰），則無法給出正確判斷信號，不能啟動無火聯鎖， 致使大量天然氣進入氣化爐，帶來巨大的安全隱患。 因此筆者給出了火檢光纖誤報的解決方案， 但對于正壓工況下的火檢，直接檢測火焰信號仍是優先選擇的方案。