關(guān)于火焰檢測(cè)器在鍋爐上的使用及維護(hù)

吳海會(huì)，王建軍

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán) 天盈石油化工股份有限公司，新疆維吾爾自治區(qū) 阿拉爾市 843300）

天盈石化項(xiàng)目中，有5臺(tái)離心式壓縮機(jī)是由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的，鍋爐主要作用是給汽輪機(jī)提供9.8MPa蒸汽，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約電量的目的。因此，鍋爐長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，關(guān)系到整個(gè)乙二醇裝置的安全和穩(wěn)定[1]。乙二醇裝置穩(wěn)定運(yùn)行與鍋爐爐膛火焰檢測(cè)器的穩(wěn)定、準(zhǔn)確息息相關(guān)。

1 火焰探測(cè)器結(jié)構(gòu)與工作原理

天盈石化鍋爐使用了兩種火焰檢測(cè)器，鍋爐點(diǎn)火層，即燃?xì)鈱舆x用的是紫外火焰檢測(cè)器，鍋爐燃煤層使用的是可見(jiàn)光火焰檢測(cè)器。

不同燃料燃燒產(chǎn)生的火焰釋放的波長(zhǎng)不同，不同的火焰檢測(cè)器探頭即火檢探頭，對(duì)光的吸收程度是不同的，根據(jù)這一特性選擇對(duì)應(yīng)的火焰檢測(cè)器。火焰檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理都是相同的，由圖1可知，火焰檢測(cè)器由探頭和處理器兩部分組成。其中，火檢探頭由光學(xué)鏡頭組、光導(dǎo)纖維、光電池組成。

1.1 光學(xué)鏡頭組

光學(xué)鏡頭組位于火焰檢測(cè)器探頭的最前端，其作用就是將目標(biāo)火焰發(fā)出的光進(jìn)行聚焦并將此光信號(hào)通過(guò)光導(dǎo)纖維傳輸至光電池端面。

1.2 光導(dǎo)纖維

光導(dǎo)纖維是高折射率的芯體與低折射率的包覆材料經(jīng)拉制而成，其作用是以極低的衰減將目標(biāo)火焰信號(hào)從鏡頭組一端傳至光電池端面。

圖1 火焰檢測(cè)器工作原理框圖Fig.1 Working principle block diagram of flame detector

圖2 鍋爐火檢探頭安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of boiler fire inspection probe

1.3 光電池

光電池位于預(yù)處理線路板上正對(duì)著光導(dǎo)纖維的端面，其作用是接收光導(dǎo)纖維傳送過(guò)來(lái)的光信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

1.4 處理器

火焰檢測(cè)器探頭傳來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理器的轉(zhuǎn)化、計(jì)算，將火焰強(qiáng)度、頻率以模擬量的形式在處理器面板上顯示。同時(shí)，處理器將有火信號(hào)通過(guò)兩組繼電器無(wú)源觸點(diǎn)（開(kāi)關(guān)量）輸出，此開(kāi)關(guān)量的信號(hào)又進(jìn)入DCS控制系統(tǒng)參與鍋爐控制邏輯。

2 火焰檢測(cè)器安裝

鍋爐爐膛是一個(gè)四棱柱體，煤粉、燃?xì)鈴腻仩t的四個(gè)角，分四層進(jìn)入鍋爐爐膛燃燒，產(chǎn)生火焰。由圖2鍋爐火檢探頭安裝示意圖可知，紫色的圓點(diǎn)代表燃料進(jìn)入爐膛的位置和火檢探頭安裝位置。

天盈石化的一臺(tái)鍋爐對(duì)應(yīng)3臺(tái)磨機(jī)，一臺(tái)磨機(jī)對(duì)應(yīng)一層煤粉層，分別是煤粉層A、煤粉層B、煤粉層C，每層安裝可見(jiàn)光火檢探頭4支，共計(jì)12支；鍋爐最底層是用于點(diǎn)火的燃?xì)鈱?，安裝紫外火檢探頭4支。

3 火檢防“偷窺”處理

火檢信號(hào)是鍋爐運(yùn)行的重要參數(shù)，火檢探頭運(yùn)行是否平穩(wěn)直接影響鍋爐的保護(hù)控制，如果發(fā)生“偷窺”現(xiàn)象，將會(huì)造成鍋爐持續(xù)過(guò)量投放燃料，造成鍋爐不安全燃燒。

圖3 火檢探頭安裝平面圖Fig.3 Installation floor plan of fire inspection probe

圖4 火焰檢測(cè)器預(yù)處理面板Fig.4 Flame detector preprocessing panel

3.1 閾值

閾值是火焰檢測(cè)器區(qū)分燃燒器有火、無(wú)火時(shí)，強(qiáng)度、頻率信號(hào)的門(mén)檻值。當(dāng)實(shí)測(cè)強(qiáng)度或頻率值大于設(shè)定的閾值，即強(qiáng)度或頻率滿足有火條件；當(dāng)實(shí)測(cè)強(qiáng)度或頻率值小于設(shè)定的閾值，即滿足無(wú)火條件。

當(dāng)火焰強(qiáng)度和火焰頻率的實(shí)測(cè)值都大于對(duì)應(yīng)的閾值時(shí)，則判定對(duì)應(yīng)燃燒器有火；反之，則判定燃燒器無(wú)火。

3.2 “偷窺”

鍋爐在點(diǎn)火或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，為了使火檢探頭檢測(cè)到火焰，對(duì)火焰強(qiáng)度、頻率閾值設(shè)置較低。但是，鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，火焰強(qiáng)度、頻率遠(yuǎn)大于鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行。因此，火檢探頭的光學(xué)鏡頭組容易將對(duì)角、上層或下層火焰聚焦傳送至處理器，這種現(xiàn)象就是“偷窺”。

“偷窺”有對(duì)角“偷窺”和不同層“偷窺”兩種。

對(duì)角“偷窺”：如圖3火檢探頭安裝平面圖所示，當(dāng)實(shí)際情況為1#角有火，3#角無(wú)火，但是1#火檢探頭和3#火檢探頭同時(shí)輸出有火信號(hào)。即3#角火檢探頭“偷窺”了1#燃燒器的火焰并輸出了有火信號(hào)。

不同層“偷窺”：如圖2所示，當(dāng)實(shí)際情況是煤粉層A的1#角有火，煤粉層B的1#角無(wú)火。但是，煤粉層A的1#角火檢探頭和煤粉層B的1#角火檢探頭都檢測(cè)到火焰并輸出有火信號(hào)。即煤粉層B的1#角火檢探頭“偷窺”了煤粉層A的1#角燃燒器的火焰并輸出有火信號(hào)。

為了防止火焰檢測(cè)器“偷窺”將燃燒器的實(shí)際無(wú)火信號(hào)誤以有火信號(hào)輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，需采用防“偷窺”措施。

3.3 防“偷窺”硬件方法

3.3.1 調(diào)整增益

火焰檢測(cè)器的探頭后部腔體內(nèi)的預(yù)處理線路板上有一可調(diào)電位器，在燃燒器燃燒穩(wěn)定時(shí)，若實(shí)時(shí)的強(qiáng)度值和頻率值很高，可將探頭后蓋打開(kāi)，逆時(shí)針調(diào)整電位器至合適位置，減小增益，可防止“偷窺”其它燃燒器的火焰。

3.3.2 閾值設(shè)定

天盈石化火焰檢測(cè)器的預(yù)處理面板如圖4所示，紫色方框用數(shù)碼管顯示火焰強(qiáng)度（單位：%）和火焰頻率（單位：Hz）。紅色背景框中的紫色三角，當(dāng)?shù)谝淮伟聪氯我绘I后，在紫色方框內(nèi)顯示預(yù)先設(shè)定的強(qiáng)度或頻率閾值。此時(shí)，若按下紫色正三角按鍵，則強(qiáng)度或頻率閾值在原來(lái)閾值基礎(chǔ)上遞增“1”；若按下紫色倒三角按鍵，則強(qiáng)度或頻率閾值在原來(lái)閾值基礎(chǔ)上遞減“1”。若在1s內(nèi)沒(méi)有按下相應(yīng)的按鍵，即停止閾值的設(shè)定并返回顯示實(shí)時(shí)值。

在點(diǎn)火階段，由于火焰強(qiáng)度和火焰頻率較正常運(yùn)行時(shí)低。為了能檢測(cè)到較弱火焰信號(hào)，火焰強(qiáng)度和火焰頻率的閾值設(shè)定較低，以保證鍋爐點(diǎn)火成功及低負(fù)荷運(yùn)行。

在正常運(yùn)行階段，鍋爐火焰較強(qiáng)，若火焰強(qiáng)度和火焰頻率的閾值設(shè)置太低，火焰檢測(cè)器易發(fā)生“偷窺”現(xiàn)象。因此，在鍋爐運(yùn)行正常的情況下，為防止發(fā)生“偷窺”現(xiàn)象，可將火焰強(qiáng)度和火焰頻率的閾值同時(shí)設(shè)置較高的數(shù)值。

3.4 防“偷窺”軟件方法

火焰檢測(cè)器通過(guò)兩組繼電器無(wú)源觸點(diǎn)輸出開(kāi)關(guān)量的火檢信號(hào)，將此火檢信號(hào)送至DCS控制系統(tǒng)。

軟件防“偷窺”的措施，就是在DCS控制系統(tǒng)中，將開(kāi)關(guān)量的火檢信號(hào)與鍋爐燃燒設(shè)備運(yùn)行信號(hào)取“與”邏輯。

3.4.1 燃?xì)鈱臃馈巴蹈Q”

天盈石化鍋爐點(diǎn)火以天然氣為原料。因此，點(diǎn)火層也稱為燃?xì)鈱?。由圖5燃?xì)鈱踊饳z信號(hào)判斷邏輯圖可知：當(dāng)燃?xì)鈱?#角火焰檢測(cè)器送至DCS控制系統(tǒng)的有火信號(hào)與燃?xì)鈱?#角進(jìn)氣門(mén)開(kāi)位輸出都為“1”時(shí)，則表明燃?xì)鈱拥?#角火檢有火，鍋爐點(diǎn)火成功。燃?xì)鈱?#角、3#角、4#角火檢信號(hào)判斷同理1#角。

3.4.2 燃煤層防“偷窺”

鍋爐點(diǎn)火成功后，為了提高鍋爐的負(fù)荷，就需要投入煤粉層。圖6煤粉層火檢信號(hào)判定邏輯圖可知：A煤粉層的1#角火檢信號(hào)有火與A磨煤機(jī)運(yùn)行取“與”邏輯，當(dāng)輸出為“1”時(shí)，則判定A煤粉層1#火檢有火，其它燃煤層火檢信號(hào)判斷同理。

圖5 燃?xì)鈱踊饳z信號(hào)判斷邏輯圖Fig.5 Logic diagram of gas layer fire detection signal judgment

圖6 煤粉層火檢信號(hào)判斷邏輯圖Fig.6 Logic diagram for judging the fire test signal of pulverized coal layer

圖7 火檢信號(hào)參與磨機(jī)允許啟動(dòng)邏輯Fig.7 Fire detection signal participation in grinder allows startup logic

4 火檢參與的控制邏輯

為了保證鍋爐安全[2]、穩(wěn)定運(yùn)行，防止出現(xiàn)爐膛內(nèi)無(wú)火，煤粉堆積造成爆燃危險(xiǎn)。因此，需要將火檢信號(hào)作為FSSS（Furnace Safety Supervision System）鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)條件之一。

燃?xì)鈱踊饳z有火（4取3）：燃?xì)鈱庸灿谢鹧鏅z測(cè)器4臺(tái)，其中任意3臺(tái)顯示有火，即表示燃?xì)鈱佑谢稹?/p>

燃?xì)鈱踊饳z無(wú)火（4取3）：燃?xì)鈱庸灿谢鹧鏅z測(cè)器4臺(tái)，其中任意3臺(tái)顯示無(wú)火，即表示燃?xì)鈱訜o(wú)火。

煤粉層火檢有火、無(wú)火與燃?xì)鈱佑谢?、無(wú)火同理。

4.1 磨機(jī)啟動(dòng)邏輯

鍋爐點(diǎn)火成功，即燃?xì)鈱踊饳z有火，煤粉進(jìn)入爐膛才能被點(diǎn)燃。因此，燃?xì)鈱踊饳z有火是鍋爐初始運(yùn)行投用煤粉層的必須條件?；饳z信號(hào)是作為允許磨機(jī)啟動(dòng)的條件之一，由圖7可知，當(dāng)燃?xì)鈱踊饳z有火可以啟動(dòng)任何一臺(tái)磨機(jī)。

鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中，若有一臺(tái)磨機(jī)在運(yùn)行且對(duì)應(yīng)火檢層有火，此時(shí)鍋爐負(fù)荷大于40%（即產(chǎn)生蒸汽的量為40%），則允許啟動(dòng)其余兩臺(tái)磨機(jī)，才能保證其他煤層投用時(shí)，煤粉進(jìn)爐膛后被點(diǎn)燃。由圖7可知，煤粉層火檢有火與鍋爐負(fù)荷大于40%取“與”邏輯，輸出“1”時(shí)，鍋爐可啟動(dòng)其余兩臺(tái)磨機(jī)。

圖8 火檢信號(hào)參與磨機(jī)跳閘邏輯Fig.8 Fire detection signal participation in grinder tripping logic

圖9 煤層投用邏輯Fig.9 Coal seam casting logic

圖10 燃?xì)鈱油队眠壿婩ig.10 Gas Layer casting logic

4.2 磨機(jī)跳閘邏輯

火檢信號(hào)作為磨機(jī)跳閘判斷條件之一。由圖8可知，當(dāng)磨煤機(jī)運(yùn)行信號(hào)與給煤機(jī)運(yùn)行信號(hào)取“與”邏輯，再與煤層火檢信號(hào)無(wú)火（4取3）取“與”邏輯，結(jié)果輸出為“1”時(shí)，磨機(jī)跳閘。

圖8所示邏輯可以避免兩種情況下煤粉堆積造成鍋爐燃爆事故的可能性。第一，開(kāi)車升負(fù)荷期間，煤粉進(jìn)爐膛5min后沒(méi)有燃燒，磨煤機(jī)跳閘；第二，鍋爐正常運(yùn)行遠(yuǎn)大于300s之后，火檢無(wú)火信號(hào)觸發(fā)，磨煤機(jī)跳閘。

上述兩種情況都是防止?fàn)t膛無(wú)火，煤粉持續(xù)進(jìn)入，導(dǎo)致因煤粉堆積造成燃爆事故而采取的安全措施。

4.3 燃料喪失邏輯

在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，若燃料中斷，則會(huì)導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行不平穩(wěn)，負(fù)荷降低、負(fù)壓增大等情況，危害鍋爐設(shè)備安全。

圖9煤層投用邏輯，表示磨煤機(jī)運(yùn)行和煤層火檢有火信號(hào)取“與”邏輯，當(dāng)結(jié)果輸出為“1”時(shí)，表示煤層投用且爐膛燃料燃燒正常，當(dāng)輸出為“0”時(shí)，表示煤層未投用。

點(diǎn)火記憶：表示鍋爐已經(jīng)點(diǎn)火成功。圖10燃?xì)鈱油队眠壿?，表示燃?xì)鈱又鳉忾T(mén)開(kāi)和點(diǎn)火記憶兩個(gè)信號(hào)取“與”邏輯，當(dāng)結(jié)果輸出為“1”時(shí)，表示燃?xì)鈱油队?，否則表示燃?xì)鈱游赐队谩?/p>

圖11 鍋爐燃料喪失邏輯Fig.11 Boiler fuel loss logic

圖12 全爐膛滅火邏輯Fig.12 Fire extinguishing logic in the whole furnace

圖11鍋爐燃料喪失邏輯中，煤層投用邏輯取“反”、燃?xì)鈱油队眠壿嬋　胺础迸c點(diǎn)火記憶共5個(gè)信號(hào)取“與”邏輯，若輸出為“1”時(shí)，則表示“鍋爐燃料喪失”，即沒(méi)有燃料進(jìn)入爐膛，此時(shí)鍋爐MFT（Main Fuel Trip）停爐。

4.4 全爐膛滅火邏輯

在圖12全爐膛滅火邏輯中，表明當(dāng)三層煤粉層（4取3）無(wú)火、燃?xì)鈱樱?取3）無(wú)火及點(diǎn)火記憶5個(gè)信號(hào)取“與”邏輯，輸出為“1”時(shí)，表示全爐膛無(wú)火，則啟動(dòng)MFT停止鍋爐運(yùn)行。目的是避免無(wú)火狀態(tài)下，燃料繼續(xù)進(jìn)入爐膛堆積，可能會(huì)因高溫導(dǎo)致堆積的煤粉爆炸；也可能再次點(diǎn)火時(shí)吹掃不徹底發(fā)生燃爆事故。

5 火檢導(dǎo)致停車事故

DCS系統(tǒng)作為裝置運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)，有以下作用：第一，工藝人員監(jiān)視裝置運(yùn)行情況；第二，工藝人員根據(jù)裝置運(yùn)行情況調(diào)整運(yùn)行參數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)；第三，F(xiàn)SSS根據(jù)鍋爐運(yùn)行情況啟動(dòng)MFT，保護(hù)人員、設(shè)備安全。因此，控制邏輯的嚴(yán)密性是裝置平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。

5.1 事故原因分析

天盈石化鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中，曾出現(xiàn)“鍋爐燃料喪失”導(dǎo)致的鍋爐MFT。經(jīng)分析，C煤粉層未投用、燃?xì)鈱游赐队?，點(diǎn)火記憶這3個(gè)條件都輸出為“1”。鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中僅有A、B磨煤機(jī)運(yùn)行，即A、B兩層煤粉層投用，在圖11鍋爐燃料喪失邏輯中輸出為“0”。

查A煤層和B煤層運(yùn)行過(guò)程中的8個(gè)火檢信號(hào)的歷史趨勢(shì)。在同一時(shí)刻，兩個(gè)煤層各有兩個(gè)火檢信號(hào)消失，即不滿足圖9中煤層火檢有火（4取3）條件，即A煤層和B煤層未投用，即滿足圖11鍋爐燃料喪失邏輯。因此，導(dǎo)致MFT，鍋爐停止運(yùn)行。

5.2 火檢信號(hào)聯(lián)鎖變更過(guò)

由5.1節(jié)的事故原因分析可知，鍋爐MFT主要原因是投用的A、B兩煤層中，各有兩個(gè)火檢信號(hào)丟失，判斷火檢信號(hào)（4取2）無(wú)火，即煤層不能投用。與火檢信號(hào)參與“磨機(jī)跳閘”邏輯中，火檢信號(hào)（4取3）無(wú)火的邏輯沖突，即整體邏輯不嚴(yán)密，存在漏洞。

在FSSS中，“鍋爐燃料喪失”與“全爐膛滅火”都使用了火檢信號(hào)，屬于重復(fù)使用。

因此，將“煤層投用”邏輯中的火檢判斷條件取消，即可以保證鍋爐更加平穩(wěn)運(yùn)行。

6 火檢探頭維護(hù)

由上述文章闡述可知，火檢信號(hào)是FSSS的判斷條件之一?；鹧鏅z測(cè)器的探頭安裝在鍋爐爐膛內(nèi)，處于1000℃以上的輻射熱中，火檢探頭較容易損壞。因此，需要工藝控制人員與儀表維護(hù)人員共同努力保證火焰檢測(cè)器輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。

6.1 工藝控制

火檢冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行，不斷提供冷卻風(fēng)給火檢探頭降溫，是保證火檢探頭壽命和準(zhǔn)確度的措施之一。特別注意的是：在鍋爐開(kāi)車之前火檢風(fēng)機(jī)必須運(yùn)行；鍋爐停車之后，火檢風(fēng)機(jī)運(yùn)行直至爐膛溫度降至常溫。

6.2 儀表維護(hù)

鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中，若是發(fā)現(xiàn)火檢信號(hào)不穩(wěn)定，儀表人員切除火檢信號(hào)參與的控制后，拆卸火檢探頭，清洗光學(xué)鏡頭組，使火檢探頭更準(zhǔn)確地聚焦火焰信號(hào)。當(dāng)鍋爐停車后，若火檢風(fēng)機(jī)故障，可拆除火檢探頭避免高溫輻射熱損壞火檢探頭。

7 小結(jié)

本文對(duì)火焰檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行介紹說(shuō)明，對(duì)火焰檢測(cè)器在天盈石化鍋爐上的應(yīng)用和維護(hù)從各個(gè)方面進(jìn)行闡述，并描述具體事故，分析說(shuō)明鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵是火檢信號(hào)參與FSSS控制邏輯的嚴(yán)密性和火焰檢測(cè)器信號(hào)輸出的準(zhǔn)確性。本文關(guān)于火焰檢測(cè)器在鍋爐上的使用及維護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。