等離子燃燒器火焰檢驗保護探討

邵興恩 ，李前宇 ，陳虎亮

（1.岱海發電有限責任公司，內蒙古涼城 013700；2.北京京能電力股份有限公司，北京 100124；3.北京源深節能技術有限責任公司，北京 100106）

0 引言

《電站煤粉鍋爐爐膛防爆規程》《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》及各火力發電廠規程、措施中均明確提出鍋爐保護是防止鍋爐發生擴大性事故的重要屏障，任何情況下都必須加強鍋爐保護，鍋爐點火時嚴禁解除全爐膛滅火保護。

通過調研多個燃煤電廠鍋爐冷態啟動時的實際情況得知，采用等離子無油點火方式的燃燒器，點火初期煤火焰檢驗（以下簡稱“火檢”）波動頻繁。為避免磨煤機跳閘、主燃料跳閘MFT（main fuel trip）頻繁動作，多數電廠采取手動退出磨煤機火檢保護和全爐膛滅火保護直到鍋爐達最低穩燃負荷以上，或者直接修改邏輯使其在等離子運行模式下自動退出上述兩項保護[1]。有相關文獻指出，等離子燃燒器滿足“有弧就有火”，在鍋爐爐膛安全監控系統 FSSS（furnace safety supervision system）邏輯里將等離子拉弧成功的信號和煤火檢本身的檢測信號以邏輯“或”的關系作為對應角火焰存在信號[2-3]。但任何涉及爐膛安全的邏輯變動都應以不違反安全規程為基礎，應充分理解“等離子運行模式”的含義，避免在點火能量不足的情況下向爐膛投入煤粉。

鍋爐冷態啟動初期，進入爐膛內的燃料較少風量較大，大部分未燃煤粉被風機抽走或落入省煤器灰斗而排出爐外，爐膛內積存煤粉相當一段時間內達不到爆炸當量。同時，點火初期爐膛內溫度低，即使短時存在未燃煤粉投入滅火的爐膛，也不會造成爐膛爆炸[4]，這是各電廠冷爐啟動時未投火檢保護而未造成爐膛爆燃的原因，這一點與熱態不同。但隨著鍋爐啟動進程的深入，特別是鍋爐即將達到最低穩燃負荷時，一旦遇到人為判斷失誤或工況調整不及時造成爐膛滅火，此時仍向爐膛送粉，極可能造成爐膛爆炸。另外，由于火檢誤判而投油助燃的情況則更為常見，造成無油點火難以實現。

1 鍋爐冷態點火初期煤火檢頻繁波動的原因分析

傳統點火方式是鍋爐啟動初期用油槍暖爐2 h后啟動制粉系統，暖爐油槍伴隨助燃，直至爐膛最低穩燃負荷。對于常規的燃燒器，其火焰有明顯的預燃區、著火區和燃燼區，而等離子點火或氣化微油點火燃燒器是內燃式燃燒器，煤粉在燃燒器內逐級點燃后形成火焰，火焰與部分煤粉一起噴入爐膛在燃燒器噴口形成了“粉包火”的著火工況，噴入爐膛的部分煤粉經高溫火焰加熱，溫度逐漸升高達到著火溫度后，在距離燃燒器噴口一定距離的爐膛內著火燃燒，形成明顯的火球狀火焰[5-6]。由于爐膛溫度較低，使得進入爐內的高溫火焰快速熄滅而轉變為高溫煙氣。磨煤機啟動初期煤粉燃燒不穩定、不充分，火焰充滿度差，火焰常常漂移，火焰亮度也無法與正常值相比擬，而常規火檢的閾值是為適應鍋爐帶正常負荷時的安全整定的。對于火焰檢測探頭視角設計得比較小的紅外光或可見光探頭，由于在燃燒器附近找不到明顯的火焰著火區，因此無法實現有效的探測和保護。點火初期調整探頭位置對檢測效果有一定改善[7]，但因存在某一角等離子燃燒器短時退出而投油的情況，這將使火檢裝置不具有通用性。若盲目地把探頭對準的部位向爐膛中心延伸，達到燃燼區，又無法對本燃燒器火焰和背景火焰有效地加以分辨，即使首臺磨煤機啟動也存在受其余角背景光影響的可能，探頭調至最佳視角范圍難度較大。

圖像火檢采用廣角長焦距工作鏡頭和電荷耦合器件CCD（charge bubble devices）攝像機直接拍攝燃燒器火焰圖像，視角可達85°～90°，可避免著火區位置漂移造成火檢探頭難以對準著火區，火檢誤判狀況的發生。燃燒火焰圖像包含著大量的信息，利用傳像技術、計算機數字圖像處理技術、模式識別技術對火焰圖像進行處理，實現對燃燒器出口火焰圖像的采樣、數據處理和特征識別，準確發出單個燃燒器火焰的ON/OFF信號，ON/OFF信號不受煤種、負荷變化及背景火焰的影響，其系統流程如圖1所示。該技術已在大唐張家口電廠、神華國能寧夏鴛鴦湖電廠等多家電廠應用多年[8-9]，用于替代傳統的煤火檢裝置。然而，采取等離子燃燒器進行鍋爐冷態點火時，圖像火檢也無法準確判斷出有、無火的ON/OFF信號。

圖1 圖像火焰檢測系統流程圖

圖像信息處理時需將畫面劃分出未燃區、著火區和燃燼區，根據3個特征區平均亮度的差別、未燃區和著火區溫度場的分布情況，提取出圖像的特征量，判斷燃燒器有火和無火[10]。而等離子火焰所具有的“粉包火”狀態，無法滿足圖像火檢對于火檢探頭視角應能看到火焰燃燒全貌的要求。目前，等離子或微油燃燒器安裝時，都配套安裝了圖像火檢，該火檢不參與保護控制，僅用來幫助運行人員觀察燃燒器火焰的燃燒情況，磨煤機火焰保護仍采用鍋爐原有的煤火檢裝置，這顯然存在內燃型燃燒器燃燒特性與火焰檢測原理不符的矛盾。美國《多燃燒器鍋爐爐膛防外爆/內爆標準》NFPA8502要求，“除非每個主燃燒器都裝有火焰監視器，否則禁止使用第三類特殊點火器”。該標準未明確所述火焰監視器是否能為分散控制系統DCS（distributed control system）或FSSS提供信號參與滅火保護，各廠家據此給等離子點火和氣化微油點火系統配備了只具有屏幕顯示功能的圖像火焰檢測系統，由人工監視判斷燃燒狀況。

2 等離子模式時的邏輯優化

2.1 點火能量及火檢保護邏輯優化

安裝有等離子燃燒器的磨煤機設計“正常運行模式”與“等離子運行模式”兩種運行模式。“正常運行模式”運行時，磨煤機維持原有的燃燒器管理系統 BMS（burner management system）邏輯。“等離子運行模式”運行時，磨煤機BMS啟動條件中增加由等離子裝置可編程控制器S7-300送來的等離子發生器工作正常信號，同時略去點火能量滿足的條件；磨煤機運行時，等離子燃燒器的火焰保護仍采用鍋爐原有的火檢裝置，保護邏輯為“四取二”，圖像火檢僅用來幫助運行人員觀察等離子燃燒器火焰的燃燒情況；任一角等離子點火裝置異常時，等離子裝置可編程控制器S7-300發出報警，保護關閉磨煤機對應出口擋板；磨煤機出口擋板關閉，對應角等離子點火裝置跳閘；任意兩角等離子裝置工作故障時，等離子控制器S7-300送信號至BMS，保護停磨煤機；磨煤機“等離子運行模式”運行時，磨煤機跳閘，等離子點火器跳閘；鍋爐MFT時，等離子點火器跳閘，并禁止啟動。為使鍋爐冷態點火過程中磨煤機及爐膛火檢保護能夠全程投入，對“等離子運行模式”下相關邏輯進行優化，同時增加等離子磨煤機冷爐點火用火檢，新增火檢探頭視角適當調大，以達到提高機組自動化水平和實現鍋爐本質安全的目的。

等離子模式下磨煤機火檢相關邏輯是相對于無油點火方式設置的，對于同時布置有等離子和油槍兩種助燃方式的機組，需增加油槍關聯保護：給煤機和磨煤機均運行延時180 s，任一臺等離子點火裝置異常，S7-300發報警并自動將斷弧燃燒器所對應的油槍點燃，若油槍點火失敗，保護關閉磨煤機對應出口擋板；任意兩角等離子裝置工作故障導致斷弧時，若此時對應層斷弧角無油槍投入，保護跳磨，否則投入對應層4根油槍，經延時后，切至“正常運行模式”，如果斷弧角油槍未全部正常投入，保護跳磨；任意大于等于3/4角等離子裝置工作故障，切至“正常運行模式”，若此時對應層油槍未全部投入，保護跳磨。

依據煤粉條件滿足時，新式等離子燃燒器引燃效果的高度可靠性，將“等離子模式”下磨煤機火檢保護修改為：給煤機和磨煤機均運行延時180 s，等離子煤層原火檢3/4無火且新增火檢3/4無火，延時10 s。同時，對僅有1臺磨煤機啟動且處于“等離子模式”時，全爐膛無火保護進行相應修改，采取新舊火檢“相與”的邏輯關系。

根據等離子燃燒器的點燃特性，增加下列條件任一不滿足時，觸發“等離子燃燒器進入不穩定區”報警，延時60 s“等離子模式”下磨煤機火檢保護切至原有回路：磨煤機出口溫度＜55℃；煤粉質量分數＜0.3 kg/kg；一次風速＜17 m/s或＞23 m/s；飛灰含碳量＞40%。

2.2 等離子點火期間注意事項

a）磨煤機啟動時，利用圖像火檢及就地看火孔檢查煤粉著火情況，首次投粉3 min后任一只煤粉管燃燒器噴嘴處不著火，應立即停止供粉，經5 min充分吹掃后，找出煤粉不著火的原因，方可重新試投粉。

b）加強爐內燃燒狀況監視，結合爐膛負壓、汽包水位波動情況，綜合判斷爐膛燃燒狀況。

c）根據等離子燃燒器要求，盡量維持煤種、煤量、煤粉濃度、煤粉細度、一次風速、風粉溫度在設計工況，做好煤粉管的調平工作，做好二次風門、等離子燃燒器功率的調整工作。等離子磨煤機啟動后，及時在煤粉管出口取樣化驗煤質揮發分及煤粉細度，為“等離子有弧就有火”提供保障。

d）重視尾部二次燃燒問題。冷爐點火初期煤粉燃燒率低，飛灰可燃物的質量分數為30%左右。應對空氣預熱器采取連續吹灰方式；加強對選擇性催化還原SCR（selective catalytic reduction）反應器聲波吹灰裝置的監視，防止積粉；加強布袋除塵器、省煤器下部灰斗和電除塵灰斗的清理，及時排除積粉。

e）等離子在拉弧及運行過程中出現斷弧的主要原因是等離子載體風含水、含油或壓力波動大，因為雜用壓縮空氣一般不經油、水分離和干燥，同時由于用氣點較多，壓力擾動較大。有電廠采取儀用壓縮空氣供氣，大大提高了拉弧的穩定性。

f）等離子點火技術日趨成熟，但其風險不能低估。對于一些煤質無法保證的機組，等離子啟動前適當的油槍暖爐是必須的。

3 結束語

通過采取上述措施，實現了鍋爐冷態點火時磨煤機火檢保護的全程投入，滿足了國家標準對全爐膛滅火保護的嚴格要求。隨著科學技術的日益進步，人們認知程度的提高，特別是計算機處理技術的快速發展，鍋爐燃燒好壞的評價必將實現分階段量化，屆時可實現對爐膛安全的實時量化分析。