iFS智能火焰檢測技術在300 MW機組中的應用

石德勝

（華電青島發(fā)電有限公司，山東 青島 266031）

0 引言

青島電廠2號機組為300 MW機組，采用中儲式制粉系統(tǒng)，4臺磨煤機，16臺給粉機，風粉管道最長達50 m。設計煤種為貧煤，一次風速18～24 m／s。燃燒器為4層，每層4個共16個。點火油槍為3層，每層4只共12只。爐膛為四角切圓燃燒方式?；饳z裝置為ABB公司分體式Uvisor 810系列?；饳z裝置的基本作用就是檢測火焰狀態(tài)，向爐膛安全保護系統(tǒng)FSSS提供準確信息，以便在火焰滅火后迅速停粉，保證爐膛安全。

目前火檢裝置普遍存在“偷看”問題。所謂“偷看”，就是在當前噴燃器火焰消失后，由于背景火焰強度較大，火檢裝置依然發(fā)出“有火”信號，對爐膛安全帶來很大隱患[1]。不僅如此，由于近年來鍋爐普遍實行了低氮燃燒改造，火電機組負荷較低，以及煤炭的賣方市場形勢，煤粉質量難以保證，鍋爐結焦滅火、燃燒不平衡、燃燒不穩(wěn)問題十分突出，對機組的安全運行帶來了很大的挑戰(zhàn)，為此，青島電廠在2號機組上安裝了一套iFS智能火焰燃燒檢測系統(tǒng)[2-5]。iFS利用光纖紅外探測和數(shù)字頻譜分析技術，將光纖中的紅外特征全部分解，不僅完全區(qū)分當前火焰和背景火焰特征，徹底解決了火檢裝置中普遍存在的“偷看”問題，而且還利用頻譜分離技術得到的靜態(tài)特征實現(xiàn)了火焰溫度的測量[6-9]，通過28個觀測點，實現(xiàn)了整個爐膛的燃燒狀態(tài)監(jiān)測，為爐膛燃燒調(diào)整提供了一套新的監(jiān)測手段。其中，3個火焰檢測結果取代了已有的ABB火檢，直接接入FSSS，參與滅火保護。該系統(tǒng)自2015年11月投運以來，運行穩(wěn)定，已成為運行人員必不可少的觀測設備[10]。

1 iFS智能火焰檢測系統(tǒng)結構

iFS智能火焰檢測系統(tǒng)是一個由多個分體式結構的火焰檢測裝置構成的網(wǎng)絡化計算機監(jiān)測系統(tǒng)[11]。每個分體式結構的火焰檢測裝置包括兩部分，前端為光纖套管組件及探頭iFS10D，后端為控制器iFS10C，二者通過四芯屏蔽電纜連接?？刂破鱥FS10C安裝于電子間火檢機柜內(nèi)，對外提供模塊故障、滅火報警、預警開關量輸出（DO），1路火焰燃燒強度模擬量輸出（AO），滅火報警用于FSSS保護，燃燒強度用于DCS內(nèi)的火焰燃燒指數(shù)的監(jiān)視[12]。iFS系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 iFS系統(tǒng)結構

其中，iFS10D安裝于爐膛外側，與之配套的光纖及外護套管安裝于噴燃器上方的二次風口，與噴燃器水平線呈5°～8°的下傾角。中心視線穿過火焰的初始燃燒區(qū)，如圖2所示。

圖2 初始燃燒區(qū)

從火焰形態(tài)看，分為4個區(qū)，從一次風口噴射出的第1段是一股暗黑色的煤粉和一次風的混合物流，稱其為黑龍區(qū)；第2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了最大值，往往可以在100 Hz以上；第3段為完全燃燒區(qū)，各個煤粉顆粒在與二次風的完全混合下充分燃燒，產(chǎn)生很大的熱量，此段的火焰亮度最高且最穩(wěn)定，閃爍頻率低于初始燃燒區(qū)；第4段為燃燼區(qū)，這部分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。

2 iFS火焰全息檢測

2.1 光纖信號光電轉換

前端探頭iFS10D實現(xiàn)信息不失真的光電轉換，將光強度信號線性地變換為輸出電壓信號，其變換關系

紅外光敏電阻作為運算放大器的反饋電阻Rf，其阻值隨輻射強度的加強而減小，在R1不變的情況下，探頭輸出電壓Uout隨光敏電阻Rf的減小而減小，即輻射越強，輸出電壓越小，反之亦然。

2.2 信號的頻譜分離

iFS10C與智能檢測器iFS10D配套，實現(xiàn)信息的采集和數(shù)字頻譜處理。

智能控制器采用高性能、高集成度的數(shù)字處理器（DSP）進行A／D變換和高速采樣，并通過數(shù)字頻譜分離技術，將輸入信號中的所有特征加以分離，包括輻射強度，關鍵頻率點的幅度等。根據(jù)傅里葉函數(shù)理論，任何一個函數(shù)均可表示為

頻譜分離技術是將函數(shù)中的U0、λ、Uk等逐一分離出來，U0為平均輻射強度，Uk為閃爍特征。

探頭的無失真變換和控制器的頻譜分離技術綜合起來就可稱之為火焰全息檢測[13]。

2.3 火焰頻譜特征與“遮擋效應”

iFS根據(jù)對歷史數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，光纖中的頻譜特征呈現(xiàn)的是火焰的“遮擋效應”[14]。

觀測光纖中的平均輻射強度U0在存在一定程度的背景強度時前方有煤粉遮擋時，強度變小，無遮擋時強度增大。而當背景強度消失時，強度U0也隨之迅速跌落。

閃爍特征Uk，在煤粉燃燒和觀測角度一定時，所有觀測頻率的信號幅度隨煤粉濃度的變大而變大隨煤粉濃度的降低而降低，在燃燒器停粉時完全消失，與煤粉濃度呈高度的一致性。平均輻射強度U0作為靜態(tài)閃爍強度Uk作為動態(tài)特征，均呈現(xiàn)出顆粒物由于“遮擋”背景光而產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，它展現(xiàn)出的實際是顆粒物的運動特征。根據(jù)流體力學理論[15]噴燃器出口處風速高、壓力大，因此，該處的顆粒物運動頻率高，越向爐膛深處，運動頻率越低?！罢趽跣笨赏昝赖亟忉尰鹧嫠尸F(xiàn)的復雜現(xiàn)象。

關于閃爍成分密度，研究結果是，低頻成分最大，中頻次之，高頻再次之，圖3為閃爍頻率成分及幅度曲線。

圖3 閃爍頻率平均曲線

3 iFS兩年來的動作情況統(tǒng)計分析

3.1 檢測結果的準確性

根據(jù)iFS記錄的歷史數(shù)據(jù)，對2016年5月以來3M2、9M3、11M4 3個燃燒器給粉機投停，以及鍋爐滅火、點火情況進行了檢查統(tǒng)計，對iFS10C給出的滅火、有火結果與其設定值進行了比對，比對結果顯示，在所有統(tǒng)計到的34種情形中，所有滅火檢測結果完全正確，正確率100%。

3.2 給粉機輔助信號對火焰檢測結果的影響

作為第一代產(chǎn)品，iFS10C也參照ABB的實現(xiàn)方案接入了給粉機運行狀態(tài)信號作為參照。當給粉機停止時，iFS立即發(fā)出“滅火”報警。因此，出現(xiàn)了如下檢測結果。

情形1：給粉機停，滅火報警，但火焰特征延續(xù)。

圖4是2016年10月15日給粉機停，而火焰繼續(xù)燃燒的情形。圖中，黃色線為iFS10C給出的火焰狀態(tài)信號，高電平（“1”）為有火，低電平（“0”）為滅火。粉紅色線為9 Hz特征線，顯示窗口得量程范圍為0～30。給粉機停止持續(xù)數(shù)十秒后火焰特征才徹底消失。之所以給粉機停止后火焰閃爍特征仍然持續(xù)，是因為給粉管道內(nèi)有大量煤粉殘留，煤粉附著較多，附著力較強，經(jīng)持續(xù)吹掃后才干凈。反映了真實的現(xiàn)場情況，若根據(jù)給粉機停止信號則反而有一定的危險隱患。

圖4 給粉機?；鹧胬^續(xù)燃燒

情形2：給粉機不停，火焰特征消失，裝置發(fā)滅火報警。

通過檢查對比統(tǒng)計情形，可以看到，給粉機轉速很低，不足以供粉，但尚未停機時，如火焰特征消失，則iFS10C立即、準確地報出“滅火”信號。圖5為3M2，9M3，11M4 的典型滅火畫面。

圖5 典型滅火畫面

4 結語

從iFS投入運行兩年來的檢測結果看，iFS對滅火檢測的準確率到達了100%。有火未報出的原因是，由于投用了給粉機停止信號作為強制滅火判斷條件，且由于未設定該信號的時效區(qū)間，造成給粉機停止后強制滅火條件一直存在，再次投粉時，仍報滅火。因此，該問題屬于給粉機停止信號使用不當造成的。從實際運行結果看，iFS的火焰檢測理論，較好地解釋了目前火焰觀測中的一些疑難問題，其火焰檢測技術，有效地解決了火焰觀測中“偷看”問題，具有很大的技術突破意義和重大的推廣價值。