燃煤機組天然氣點火系統火檢故障探討

商 政，賀彥鵬，何紅升，鄔 峰，劉新龍

(中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

天然氣作為一種清潔能源，以安全、經濟、環保的特性[1]應用于燃煤鍋爐點火和助燃中[2]。在鍋爐啟動初期或低負荷運行時，由于爐膛內溫度較低，需天然氣與煤粉同時投入燃燒。此時煤粉流會對天然氣氣槍火檢有火信號造成干擾，使火檢有火信號出現閃爍、跳躍、消失等現象，造成氣槍無法正常工作，甚至觸發主燃料跳閘(main fuel trip，MFT)。本文以某工程天然氣點火系統為例，提出上述問題的解決方案。

1 系統概述

1.1 天然氣系統及火檢布置

某工程選用國內設計制造的660 MW超超臨界參數變壓直流本生型鍋爐，一次再熱，單爐膛，前后墻對沖燃燒方式，全懸吊結構π型鍋爐。燃燒設備采用旋流煤粉燃燒器，使用天然氣點火和助燃，燃燒器共36只，分6層前后墻布置，前墻A、B、C層，后墻D、E、F層，每層6只，每只燃燒器配1套天然氣氣槍和天然氣點火槍，并設置有3套火檢裝置，分別用于煤、氣槍及點火槍的火焰檢測。氣槍火焰檢測型式為氣槍內置的等離子火焰檢測器，如圖1所示。

圖1 天然氣氣槍結構和等離子火檢位置圖

1.2 火焰檢測器型號和特點

火檢采用美國某品牌系列火焰檢測器，該系列火焰檢測器是基于微處理器設計的，包括固態的紅外線傳感器(infrared sensor，IR)、紫外線傳感器(ultraviolet sensor，UV)和雙傳感器IR+UV。煤火檢采用紅外線傳感器，可響應紅外線光譜為700～1 700 nm波長；天然氣氣槍火檢采用紫外線傳感器，可響應紫外線光譜為295～320 nm波長。

2 火焰檢測原理

2.1 火焰燃燒過程

燃料從燃燒器噴出燃燒后，會產生不同的光強亮度和閃爍頻率(頻率與燃料性質有關)[3-5]。現以煤粉燃燒進行分析?；鹧嫱ǔ？梢苑殖晌慈紖^、初燃區、燃燒區、燃盡區四個階段，初燃區是檢測火焰的最佳部位，如圖2所示。

圖2 火焰的分區圖

2.2 火焰的閃爍

煤粉燃燒器運行時，一次風和煤粉的混合物在燃燒器噴口處形成紊流，使燃燒火焰產生無規律的波動，稱為火焰的閃爍?；鹧娴拈W爍頻率是火焰燃燒的重要特征，也是判斷有火和無火的重要依據，它具有以下特性：

1)混合物在氣流震動越強時燃燒反應速度越快，燃燒火焰的閃爍頻率也越高；

2)距離燃燒區越近，閃爍頻率越高；

3)不同的燃料，閃爍頻率不同。

2.3 火焰的檢測

火焰檢測器是采用光電原理測量火焰產生的振幅頻率，通過光敏電阻感應，經處理單元濾波、放大并轉換成電信號輸出有火、無火狀態以及模擬量(4～20 mA)火焰強度信號。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不相同。一般情況下，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，而這部分紫外線往往容易被燃燒產物和灰粒吸收而很快被減弱，因此煤粉燃燒火焰通常采用可見光或紅外線火焰檢測器。

當采用可燃氣體作為主燃料燃燒時，在火焰初燃區產生輻射較強的紫外線，此時可采用紫外線火焰檢測器進行檢測。由于氣體火焰不具有煤火焰和油火焰所特有的高頻(100～300 Hz)脈動特性，因而紅外線檢測系統對氣體火焰不起作用。

3 天然氣火檢發生的問題

某工程鍋爐整套啟動期間，火檢系統在初期天然氣點火及氣槍投入運行時火檢有火信號均正常。但在投入煤粉進行燃燒后，煤火檢有火信號正常，氣槍火檢有火信號會發生閃爍、跳躍、消失的情況，如圖3所示。

圖3 天然氣氣槍火檢有火信號跳躍、消失曲線圖

運行過程中先投入氣槍和點火槍，兩者火檢的有火信號和火焰強度均正常。隨后投入煤粉，煤火檢火焰強度正常，點火槍有火信號也正常，但氣槍的有火信號在0與1之間跳動，并且火檢強度信號開始在0%至100%范圍內快速波動。

此時氣槍有火信號和強度信號都不停地閃爍，最終導致氣槍退出，觸發保護邏輯，磨煤機停機。在對天然氣管道和煤粉管道吹掃完并確認具備投運條件后再次投入氣槍和該層煤粉，然而雖對燃燒器進行了調整，但氣槍火檢有火信號和火焰強度信號仍然不斷地閃爍、跳躍、消失。

通過鍋爐觀火孔觀察，天然氣氣槍火焰燃燒穩定；進一步對火焰檢測器及電源進行逐一排查，火檢系統未見異常；就地探頭觀測到的火檢有火信號火焰強度信號也不斷閃爍、跳躍、消失，與畫面顯示狀況一致；調整冷卻風風量也沒有任何效果。

4 原因分析

火焰檢測器均嚴格按照廠家說明書進行安裝和調試，并且在未投煤粉時氣槍火檢有火信號正常，所以排除了安裝和調試問題。在投煤粉后氣槍火檢有火信號閃爍、跳躍、消失現象不斷，通過分析判斷有以下原因：

1)氣槍火焰檢測器受到煤粉燃燒火焰的影響，導致有火信號不穩定。而煤粉燃燒狀況與煤質和燃燒工況有關：煤質差、一次風溫低、煤粉顆粒粗、從燃燒器噴出后煤粉流動性小、導致煤粉著火推遲，火焰未燃區分布過大；天然氣燃燒輻射的紫外線被煤粉燃燒產生的碳粒和灰粒等吸收而很快減弱，使天然氣氣槍火焰檢測器檢測不到紫外線或檢測到少量的紫外線而導致信號閃爍、跳躍、消失；

2)天然氣氣槍火焰檢測器安裝位置離天然氣火焰的距離較遠，天然氣燃燒所發出的紫外線光被煤粉火焰遮擋，使天然氣火焰檢測器檢測不到紫外線；

3)天然氣火焰振幅頻率在初燃區較高，在火焰外圍處較低，并且紫外線容易被吸收減弱，而煤粉火焰在天然氣火焰的外圍，遮擋了天然氣火焰所產生的光線。

5 采取措施及處理方案

調試階段，適當降低一次風壓，調整磨煤機的磨輥升降，使煤粉顆粒更細；調整燃燒器的外二次風擋板開度，適當增大外二次風量和外二次風旋流強度，使煤粉旋流增大，縮小火焰未燃區以改變燃燒工況。通過觀察可知，這種方法改善了燃燒工況，但天然氣氣槍火檢有火信號的閃爍、跳躍、消失的狀況沒有明顯改善。隨后將氣槍火焰檢測器UV更換為IR+UV，投煤后煤粉火檢和天然氣氣槍火檢有火信號都穩定，但在退出氣槍后，天然氣火檢有火信號并未消失。經分析，在不改變燃燒器結構的情況下，天然氣氣槍火焰檢測器和煤粉火焰檢測器的物理位置已無法調整，導致氣槍火焰檢測器會監測到煤粉燃燒火焰情況，所以在氣槍退出后，天然氣火檢有火信號依然存在。

調整天然氣氣槍火檢的控制邏輯如圖4所示。由于天然氣點火槍的火焰檢測器是內置的等離子火焰檢測器，這種火焰檢測器測量準確可靠、信號穩定，其物理位置及監測效果可以滿足對氣槍的火焰監測。將氣槍火檢的有火信號替換成天然氣點火槍火檢的有火信號，并與氣槍進氣閥開關狀態做相關保護邏輯。在邏輯調整后，磨煤機再未發生因氣槍無火原因而造成的跳機情況。

圖4 天然氣氣槍火檢控制邏輯

6 結語

針對某天然氣點火燃煤鍋爐在啟動過程中天然氣氣槍火檢信號閃爍問題，通過原理分析、現場試驗確定了信號閃爍的原因主要為煤粉燃燒對天然氣氣槍火檢有火信號造成了干擾。

基于現場實際經驗，提出了一種用于天然氣點火燃煤鍋爐的火檢邏輯優化方案，即將氣槍火檢的有火信號替換成點火槍火檢的有火信號，在同類型鍋爐及燃燒器的火焰檢測器布置時，可以考慮取消氣槍火焰檢測器，由點火槍火焰檢測器替代。