火焰檢測器在循環(huán)流化床氣化裝置中的應(yīng)用

董清鋒

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心）

火焰檢測器（以下簡稱火檢）是用來檢測爐膛內(nèi)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(jù)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(chǎn)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(chǎn)生較強(qiáng)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(jīng)過放大電路轉(zhuǎn)換為開關(guān)量或模擬量，送給控制系統(tǒng)用于火焰檢測和控制。

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

1 開工預(yù)熱爐概況

開工預(yù)熱爐的點火環(huán)境為帶壓（0.4～20MPa）惰性氣體環(huán)境， 燃燒室內(nèi)有用于循環(huán)流化的砂子。 開工預(yù)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(diào)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(jù)氣化爐升溫曲線，逐漸調(diào)整柴油的噴射量，達(dá)到氣化爐投料溫度后，逐步退出開工預(yù)熱爐。 開工預(yù)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(yè)電視。

2 火檢裝置

開工預(yù)熱爐火檢結(jié)構(gòu)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?；饳z為常壓儀表，開工預(yù)熱爐為帶壓設(shè)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(jìn)行隔離，火檢光纖為采光通道，將火焰信號通過光纖傳導(dǎo)至火檢。

圖1 火檢結(jié)構(gòu)示意圖

3 火檢誤判原因分析

根據(jù)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(wěn)定，無脫火現(xiàn)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(yù)熱爐第1 次點火測試時一直無火焰信號，但是工業(yè)電視可看到火焰。 停車后，將火檢拆開，發(fā)現(xiàn)火檢光纖采光端已被嚴(yán)重?zé)龎摹?將火檢及組件解體后，對火檢探頭用打火機(jī)進(jìn)行測試，火焰信號正常，且火焰信號達(dá)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(qiáng)度只有30%。 經(jīng)查火檢二次表發(fā)現(xiàn)，設(shè)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(jī)測試正常。 由此可見通過采光組件后，火焰光信號衰減嚴(yán)重。 火焰信號的衰減，加上不合理的設(shè)定值，造成火檢一直無信號。

3.2 火檢光纖燒壞

發(fā)現(xiàn)光纖燒壞后， 供應(yīng)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(fā)現(xiàn)火檢短暫有信號后又消失。 停車后拆檢，發(fā)現(xiàn)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(fēng)對光纖進(jìn)行冷卻。 根據(jù)燒嘴結(jié)構(gòu)，火檢光纖有冷卻風(fēng)，且流量在正常范圍內(nèi)。 但是火檢光纖為單層結(jié)構(gòu)，只與玻璃視鏡組合端固定，采光端未固定，在高溫環(huán)境下冷卻效果較差。

b. 火檢光纖太長。 根據(jù)燒嘴結(jié)構(gòu)，光纖外保護(hù)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(yán)重影響采光效果。

4 解決方案探討

針對上述關(guān)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(jīng)高溫高壓玻璃后衰減嚴(yán)重，屬玻璃選型問題，在玻璃設(shè)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(jìn)去。 該玻璃應(yīng)經(jīng)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(jié)構(gòu)應(yīng)經(jīng)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(jù)火焰信號強(qiáng)度，設(shè)置合理的有火/無火信號動作值。

b. 火檢光纖燒壞，應(yīng)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(jù)，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(yuǎn)離火焰高溫區(qū)，以最大限度地保護(hù)光纖采光端石英片。 二是改變光纖的冷卻方式，采用內(nèi)外導(dǎo)管的固定方式。 內(nèi)導(dǎo)管用于固定光纖，外導(dǎo)管用于通入冷卻風(fēng)。 內(nèi)外導(dǎo)管管壁間縫隙盡量減小，使冷卻風(fēng)從內(nèi)外導(dǎo)管的間隙通過，到達(dá)內(nèi)導(dǎo)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(jìn)一步加強(qiáng)冷卻效果。 同時，在內(nèi)導(dǎo)管入口開孔以冷卻內(nèi)導(dǎo)管和光纖；在外導(dǎo)管的末端，通過采用特殊結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)示意圖

c. 火檢結(jié)構(gòu)。 采用光纖傳導(dǎo)光信號是工業(yè)鍋爐常用的使用方式。 工業(yè)鍋爐爐膛為微負(fù)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(dǎo)至火檢，以檢測火焰信號。 而開工預(yù)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(jié)構(gòu)如圖2 所示。 與原結(jié)構(gòu)最大的區(qū)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(dá)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(yīng)盡可能得小，使火檢能夠正對火焰燃燒的初始著火區(qū)［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(yīng)該始終包括火焰底部的1/3［6］；

c. 采光通道的直徑應(yīng)盡可能得大一些，以增加火焰的光通量；

d. 采光通道應(yīng)加冷卻風(fēng)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(nèi)的雜質(zhì)（用于循環(huán)流化的砂子、燃燒產(chǎn)物等）進(jìn)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(yīng)設(shè)置壓力開關(guān)，且該壓力信號應(yīng)接入安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，作用是當(dāng)采光玻璃損壞后能動作于安全聯(lián)鎖。

5 結(jié)束語

循環(huán)流化床氣化裝置開工預(yù)熱爐點火和火檢系統(tǒng)有別于工業(yè)鍋爐，火檢的工作環(huán)境為高溫高壓，若采用光纖形式，一旦出現(xiàn)光纖燒壞情況，將導(dǎo)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(yè)電視監(jiān)視火焰時，因工業(yè)電視不能區(qū)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(lián)鎖， 致使大量天然氣進(jìn)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(yōu)先選擇的方案。