燃?xì)忮仩t低氮燃燒器安全聯(lián)鎖保護(hù)與檢驗

王永利 王強

北京市朝陽區(qū)特種設(shè)備檢測所，中國·北京 100122

論文結(jié)合筆者經(jīng)歷的鍋爐低氮改造工程檢驗，對新出現(xiàn)的低氮燃燒器進(jìn)行分析，主要分析了分級燃燒、煙氣再循環(huán)、貧燃預(yù)混表面燃燒常用低氮燃燒技術(shù)的特點；采用低氮新技術(shù)燃燒器的程控器、火焰監(jiān)測、閥組檢漏等主要配件識別；可能導(dǎo)致燃燒器爆燃的原因；結(jié)合燃燒器安全聯(lián)鎖的原理，總結(jié)了一套檢驗方法，試驗失敗的后解決方法；整理了新型聯(lián)鎖報警后的代碼。為鍋爐低氮改造提供借鑒，保障鍋爐安全運行。

燃?xì)忮仩t；低氮燃燒器；保護(hù)與檢驗

1 背景

DB 11/139—2015《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（中國北京市環(huán)境保護(hù)局與北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局于2015年5月13日頒布，2015年7月1日實施）對氮氧化物的排放限值更加嚴(yán)格，2017年3月31日前新建鍋爐不高于80 mg/m3。2017年4月1日后新建鍋爐不高于30 mg/m3。2017年4月1日后在用鍋爐不高于80 mg/m3（高污染燃料禁燃區(qū)）[1]。該新標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到全世界最高燃?xì)忮仩t氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，因此大部分的鍋爐需要進(jìn)行低氮改造，為此引進(jìn)了大量的低氮燃燒器(氮氧化物的排放限值滿足以上要求）。對承壓設(shè)備檢驗工作，有完整的檢驗標(biāo)準(zhǔn)體系，而燃燒器檢驗尚無規(guī)范統(tǒng)一的檢驗方法，新型低氮燃燒器控制復(fù)雜，更需要加強管理。

2 低氮燃燒技術(shù)分析

2.1 NOx按生成原理分類

燃料型NOx由燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成?？焖傩蚇Ox在碳?xì)淙剂先紵腋蝗剂系那闆r下，反應(yīng)區(qū)會快速生成NOx。熱力型NOx是指燃燒用空氣中的N2在高溫下氧化生成Nox。天然氣中含氮量較低，因此，熱力型NOx是其主要的控制類型。

2.2 熱力型NOx的生成機理

采用捷里道維奇機理：當(dāng)溫度低于1500℃時，熱力NOx的生成量很少；高于1500℃時，溫度每升高100℃，反應(yīng)速度將增大6～7倍。還與空氣氧濃度、氮濃度及在高溫區(qū)停留的時間有關(guān)。

2.3 低氮燃燒技術(shù)

傳統(tǒng)燃?xì)馊紵鞑捎脭U散燃燒方式，火焰穩(wěn)定，用空氣伺服馬達(dá)控制聯(lián)動機械連桿，同步燃?xì)獾y開度，操作更加安全。是我市鍋爐煤改氣工程中主要采用此類技術(shù)，但由于其火焰內(nèi)存在局部高溫區(qū)，會產(chǎn)生相對較多的熱力型NOx?，F(xiàn)有低NOx 燃燒技術(shù)主要圍繞如何降低燃燒溫度，減少熱力型NOx生成開展的。主要有分級燃燒、煙氣再循環(huán)、貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)。低氮燃燒技術(shù)的組合是超低氮燃燒技的大趨勢。

2.3.1 分級燃燒

熱力型NOx生成很大程度上取決于燃燒溫度。燃燒溫度在當(dāng)量比為1的情況下達(dá)到最高，在貧燃或者富燃的情況下進(jìn)行燃燒，燃燒溫度會下降很多。運用該原理開發(fā)出了分級燃燒技術(shù)?？諝夥旨壢紵谝患壥歉蝗剂先紵?，在第二級加入過量空氣，為貧燃燃燒，兩級之間加入空氣冷卻以保證燃燒溫度不至于太高。燃料分級燃燒與空氣分級燃燒正好相反，第一級為燃料稀相燃燒，而在第二級加入燃料使當(dāng)量比達(dá)到要求的數(shù)值。這兩種方法最終會使整個系統(tǒng)的過量空氣系數(shù)保持一個定值。主要在低NOX值80mg以下采用。

2.3.2 煙氣再循環(huán)

燃燒溫度的降低可以通過在火焰區(qū)域加入煙氣來實現(xiàn)，加入的煙氣吸熱從而降低了燃燒溫度。通過將煙氣的燃燒產(chǎn)物加入到燃燒區(qū)域內(nèi)，不僅降低了燃燒溫度，減少了NOx生成；同時加入的煙氣降低了氧氣的分壓，這將減弱氧氣與氮氣生成熱力型NOx的過程，從而減少NOx的生成。內(nèi)部煙氣再循環(huán)主要通過高速噴射火焰的卷吸作用或旋流燃燒器使氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)達(dá)到循環(huán)效果。外部煙氣再循環(huán)可以減少70%的NOx生成。外循環(huán)比例對NOx 控制效果也有較大影響，隨著外循環(huán)比例的增加NOx 降低幅度也更加明顯，但循環(huán)風(fēng)機電耗也將增加。隨著氣溫變化和煙氣占比變化，需要及時調(diào)節(jié)配比，運行中易震動。在分級燃燒頭的基礎(chǔ)上采用FGR技術(shù)可以達(dá)到低NOX值30mg以下。

2.3.3 預(yù)混燃燒

預(yù)混燃燒是指在混合物點燃之前燃料與氧化劑在分子層面上完全混合，對于控制NOx的生成來說，這項技術(shù)的優(yōu)點是可以通過當(dāng)量比的完全控制實現(xiàn)對燃燒溫度的控制，從而降低熱力型NOx生成速率，另外，完全預(yù)混還可以減少因過量空氣系數(shù)不均勻性所導(dǎo)致的對NOx生成控制的降低。但是預(yù)混氣體由于其高度可燃性可能會導(dǎo)致回火，過高的過量空氣系數(shù)會導(dǎo)致排煙損失的增加。貧燃預(yù)混加表面燃燒技術(shù)可實現(xiàn)低NOX值20mg以下。

3 燃燒器主要配件

目前低氮燃燒器雖然作為特種設(shè)備的一部分，但尚未要求生產(chǎn)資質(zhì)。而是采用對生產(chǎn)廠家的燃燒器進(jìn)行型式試驗的方式管理。燃油（氣）鍋爐燃燒器應(yīng)當(dāng)符合《燃油(氣)燃燒器安全技術(shù)規(guī)則》（TSG ZB001）的要求，按照《燃油（氣）燃燒器型式試驗規(guī)則》（TSG B002）的要求進(jìn)行型式試驗，取得型式試驗合格證書，方可投入使用；“燃燒器主要配件發(fā)生變更時，燃燒器制造單位應(yīng)當(dāng)向原型式試驗機構(gòu)提交書面變更說明，如果變更可能對燃燒器安全性造成影響，則應(yīng)當(dāng)進(jìn)行型式試驗[2]。所以首先要核查型式試驗證書和報告，現(xiàn)場配件與型式試驗時是否一致，如果不一致是否做了備案說明。

圖1 燃燒器主要配件

3.1 燃燒頭

其形狀是低氮燃燒器的核心，利用空氣動力學(xué)結(jié)合燃燒技術(shù)制作出的燃?xì)鈬娮旌筒硷L(fēng)盤，使燃?xì)饩鶆蚍€(wěn)定燃燒，形成預(yù)定的火焰形狀。直流火焰、旋流火焰、組合式火焰，擴散燃燒、分級燃燒、預(yù)混燃燒、煙氣內(nèi)循環(huán)技術(shù)，都與燃燒頭形狀密不可分。其結(jié)構(gòu)變化要重新做型式實驗。但由于在爐膛內(nèi)，不容易看到。

3.2 程控器

燃燒器的控制單位，預(yù)設(shè)了燃燒器整個運行過程的時序，時間、檢測信號，故障觸發(fā)后的動作。當(dāng)在爐膛內(nèi)可燃?xì)馀c空氣的混合物濃度達(dá)到爆炸極限，在遇到明火的情況下容易發(fā)生鍋爐爆燃。所以必須設(shè)置點火程序，總的原則是先空氣吹掃，再進(jìn)行點火，先點小火再點大火。室燃鍋爐應(yīng)當(dāng)裝設(shè)點火程序控制裝置和熄火保護(hù)裝置，并且滿足下列要求：

在點火程序控制中，點火前的總通風(fēng)量應(yīng)當(dāng)不小于3倍的從爐膛到煙囪進(jìn)口煙道總?cè)莘e；鍋殼鍋爐、貫流鍋爐和非發(fā)電用直流鍋爐的通風(fēng)時間至少持續(xù)20s，水管鍋爐的通風(fēng)時間至少持續(xù)60s，電站鍋爐的通風(fēng)時間一般應(yīng)當(dāng)持續(xù)3min以上；熄火保護(hù)裝置動作時，應(yīng)當(dāng)保證自動切斷燃料供給，對A級鍋爐還應(yīng)當(dāng)對爐膛和煙道進(jìn)行充分吹掃[3]。

另外設(shè)定風(fēng)機電機頻率，前吹掃時間、檢漏時間、點火監(jiān)測時間、主火監(jiān)測時間，空氣、燃?xì)馑欧R達(dá)、煙氣伺服馬達(dá)的運行角度，檢漏型式，安全鏈允許次數(shù)等也需要在程控器中設(shè)定。程控器變化需要重新型式試驗。以前的LFL1.333 已不能滿足精確調(diào)節(jié)的要求。

程控器主要有LAMTEC BT300系列程控器（BT320，BT330，BT340），LAMTEC Etamatic系列程控器Etamatic、Etamatic s，SIEMENS LMV系列程控器LMV27、LMV37，LMV51、LMV52 Autoflame的minimk8（中文菜單）。

3.3 點火變壓器

在點火時產(chǎn)生高壓（8KV以上），通過點火電極放電產(chǎn)生電火花，為點火燃?xì)馓峁┗鸱N。單電極點火變壓器與穩(wěn)焰盤打火、雙電極點火變壓器與自己的電極打火。點火電極位置改變，電極污損會造成點火失敗。點火變壓器變化需要提供安全說明進(jìn)行備案

3.4 伺服馬達(dá)

電子調(diào)節(jié)的重要執(zhí)行元件，執(zhí)行程控器的統(tǒng)一發(fā)出的指令，通過空氣伺服馬達(dá)、燃?xì)馑欧R達(dá)、回流煙氣伺服馬達(dá)的轉(zhuǎn)動角度，自動驅(qū)動空氣檔板、燃?xì)獾y、回流煙氣蝶閥，步進(jìn)可以達(dá)到零點幾度的微調(diào)，以達(dá)到精準(zhǔn)的空燃比，實現(xiàn)在每個工況下的低氮燃燒。通過煙氣分析儀的數(shù)據(jù)，預(yù)設(shè)完成燃燒曲線。由于是分別轉(zhuǎn)動所以需要協(xié)調(diào)同步，避免誤動作，在大角度下點火。調(diào)節(jié)時先調(diào)大空氣再調(diào)大燃?xì)饨嵌?。有的程控器對伺服電機有位置反饋檢測，一旦偏離預(yù)設(shè)值會發(fā)出報警，但偏離值不能設(shè)置過大。根據(jù)調(diào)節(jié)對象的負(fù)載選用相應(yīng)的扭矩、轉(zhuǎn)速的伺服馬達(dá)，對伺服馬達(dá)變化需要安全說明進(jìn)行備案。

3.5 燃?xì)獍踩袛?閥

為了防止漏氣到爐膛，燃?xì)夤苈飞弦惭b串聯(lián)兩只電磁閥或安裝燃?xì)忾y組。大于1200kw的燃燒器要配備閥門檢漏裝置。常見有DUNGS、SIMENS 生產(chǎn)的電磁閥。安全切斷閥變化需要備案。

3.6 火焰監(jiān)測器，

是重要的安全保護(hù)元件。監(jiān)視點火火焰和運行中的火焰，按照點火和運行中的意外，可分為點火安全時間和熄火安全時間。點火安全時間是指無點火火焰形成時，到點火燃料控制閥開始動作的最長時間，一般小于5s。熄火安全時間是指燃燒器運行過程中火焰熄滅時，從火焰熄滅起至主燃料控制閥開始關(guān)閉的時間間隔，要小于1s。

4 燃燒器安全聯(lián)鎖保護(hù)的試驗

為保證燃燒器安全運行，設(shè)置了熄火、檢漏、燃?xì)鈮毫Φ?、燃?xì)鈮毫Ω?、風(fēng)壓低保護(hù)裝置。另外鍋爐的溫度、壓力、水位超限也要連鎖保護(hù)。每項試驗需要選擇適當(dāng)?shù)臅r機和拆卸調(diào)節(jié)一些裝置模擬故障工況，人為制造所需的故障信號，觸發(fā)程控器動作，發(fā)出相應(yīng)的報警信號，以驗證保護(hù)裝置的完好靈敏性。

4.1 啟動程序

選擇試驗時機首先要了解燃燒器的啟動程序，通常的啟動順序如下。

4.1.1 檢測啟動外部條件

安全回路信號（溫度、壓力、循環(huán)泵、水位、燃?xì)鈮毫Φ龋?/p>

4.1.2 前吹掃

啟動風(fēng)機，風(fēng)機擋板由關(guān)閉狀態(tài)趨于大風(fēng)位（大火位），伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)至上限位，風(fēng)機擋板停止在“大火位”進(jìn)行前吹掃，伺服馬達(dá)停滯在上限位。期間風(fēng)壓開關(guān)將檢測到的風(fēng)壓信號傳送至程控器即檢測到風(fēng)機正常運轉(zhuǎn)。

4.1.3 在吹掃同時閥組檢漏

程控器通過檢漏雙電磁閥自帶的壓力開關(guān)，對其自身進(jìn)行泄露檢測，如果發(fā)現(xiàn)電磁閥泄露則燃燒器停止運行，并輸出報警信號，如果檢漏通過則繼續(xù)吹掃步驟。

4.1.4 點小火

前吹掃完畢后風(fēng)門擋板關(guān)小返回到點火位，伺服馬達(dá)停在點火位。燃燒器自動啟動點火變壓器（點火變壓器得電，點火電極放電打火）。點火電極打火1～3s后，點火氣路的電磁閥自動打開，點火火焰建立，此時火焰探頭將檢測到的火焰信號持續(xù)的反饋到程控器，若檢測不到火焰則燃燒器停止工作，并輸出報警。

4.1.5 主火焰啟動

點火電磁閥打開后，點火變壓器失電（斷電），點火電極停止放電。同時，主回路電磁閥打開（得電），主火焰建立。

4.1.6 自動運行

主回路電磁閥打開后，點火氣路電磁閥失電斷氣（大型機有不關(guān)斷的長明燈模式），主火逐漸加大燃燒，根據(jù)負(fù)荷進(jìn)入自動調(diào)節(jié)狀態(tài)[4]。

4.2 燃燒器安全聯(lián)鎖保護(hù)試驗順序

根據(jù)運行程序，燃燒器安全聯(lián)鎖保護(hù)試驗順序是，點火前試驗燃?xì)鈮毫Φ?，檢漏，風(fēng)壓低，點燃后試驗熄火，火檢不回裝試驗點火失敗，火檢回裝后再次點燃試驗燃?xì)鈮毫Ω?。這樣少拆裝一次火檢。雖然燃?xì)鈮毫Φ?、風(fēng)壓低在運行中也可測，但這樣測節(jié)省時間、燃料、相對安全。

4.3 燃?xì)鈮毫Φ驮囼?/h3>

為防止燃?xì)饣鼗鸷偷皖l共振燃燒，設(shè)置了燃壓低連鎖保護(hù)，當(dāng)燃?xì)鈮毫Φ陀谠O(shè)定值是燃燒器不啟動，運行中燃?xì)鈮毫Φ蜁r切斷燃料供應(yīng)。

圖2 燃?xì)鈮毫﹂_關(guān)與風(fēng)壓開關(guān)

試驗方法：燃?xì)鈮毫﹂_關(guān)一般位于閥組入口處，當(dāng)與檢漏開關(guān)共用時，位于兩閥之間見圖2。旋轉(zhuǎn)刻度盤高于當(dāng)前壓力值。如果入口壓力高與燃壓開關(guān)的最大量程，可適當(dāng)關(guān)閉管道上的燃?xì)馇蜷y。模擬燃?xì)鈮毫Φ凸r。有時程控器默認(rèn)燃壓低為5次后才進(jìn)入安全聯(lián)鎖，需要重新設(shè)定。

4.4 檢漏試驗

為防止燃?xì)馇袛嚅y組關(guān)閉不嚴(yán)，泄漏后燃?xì)膺M(jìn)入爐膛，每次點火前對閥組進(jìn)行檢漏測試。

4.4.1 VPS504檢漏裝置

其原理是在閥組入口燃?xì)馔ㄟ^隔膜泵抽到兩個閥之間，如果閥門無泄漏，閥間壓力可以很快升高，檢漏通過。如果在26s內(nèi)仍達(dá)不到20mbar，則發(fā)出報警信號，燃燒器停止點火。

圖3 檢漏試驗位置

試驗方法：在啟動前用螺絲刀將VPS504 上P2位置的密封螺絲擰松如圖3所示，這樣隔膜泵無法保壓?；蛘咴陂y組對應(yīng)的3 口上用內(nèi)六方扳手?jǐn)Q松密封螺絲，模擬閥組泄漏。當(dāng)運行到檢漏程序時保壓不成功，發(fā)出信號切斷燃料供給。紅色警報燈亮，需要人工摁下復(fù)位。注意一定提前擰松，一旦點火成功了，檢漏就不在監(jiān)測了。

4.4.2 程序檢漏裝置

利用程序控制器給燃?xì)忾y組的兩只閥門分別通電。檢測燃?xì)鈮毫﹂_關(guān)是否達(dá)到設(shè)定值，首先burner側(cè)閥門送電排空后斷電，此時檢測壓力是否升高。然后gas側(cè)閥門送電充氣后斷電，此時檢測壓力是否降低。

試驗方法：檢漏燃?xì)鈮毫﹂_關(guān)位于兩閥之間如圖3所示，通過調(diào)整壓力開關(guān)的設(shè)定值，模擬閥組泄漏工況。

4.5 風(fēng)壓低保護(hù)

為防止異常進(jìn)風(fēng)量減少，如進(jìn)風(fēng)門被異物堵住，風(fēng)門檔板卡住，造成燃燒不充分產(chǎn)生爆燃。當(dāng)風(fēng)壓降低到設(shè)定值以下時，切斷燃料供應(yīng)。

試驗方法：如圖2所示，旋轉(zhuǎn)風(fēng)壓開關(guān)刻度盤，調(diào)整到大于當(dāng)前風(fēng)壓值。一般當(dāng)運行到點火位時風(fēng)門最小，會觸發(fā)動作。也可以拔掉進(jìn)入風(fēng)壓開關(guān)的進(jìn)氣軟管。模擬風(fēng)壓低工況。

4.6 熄火保護(hù)

防止熄火后繼續(xù)供氣造成爆燃，一旦點火時安全時間內(nèi)或運行中未檢測到火焰信號，切斷燃料供應(yīng)。

試驗方法：主火剛點燃后，從監(jiān)視孔拔出電眼或在控制器端子斷開接線離子探針如圖1所示，人為失去火焰信號，模擬運行中熄火。這時應(yīng)切斷燃料供應(yīng)，發(fā)出報警信號，進(jìn)入鎖定狀態(tài)。此時不回裝火焰監(jiān)測裝置，程控器復(fù)位后再次啟動燃燒器，試驗點火失敗，模擬檢測不到火焰信號的工況。有時燃燒器設(shè)置為了迎合無人值守理念，熄火設(shè)置了自動復(fù)位功能，可以5次以后才進(jìn)入安全聯(lián)鎖狀態(tài)，需修改。

4.7 燃?xì)鈮毫Ω?/h3>

燃?xì)鈮毫^高會造成燃燒器火焰脫火。當(dāng)閥門出口處燃?xì)鈮毫χ蹈哂谠O(shè)定值時如圖2所示，切斷燃料供應(yīng)。由于裝在閥門出口處，在點火前此處無壓力，所以需要在點火后測試。

試驗方法：旋轉(zhuǎn)刻度盤，調(diào)低燃?xì)鈮毫Ω弑Ｗo(hù)值小于當(dāng)前的燃?xì)鈮毫Γ袛嗳剂瞎?yīng)。燃壓高保護(hù)開關(guān)上紅色的按鈕是復(fù)位按鈕。

4.8 表面燃燒器的其它保護(hù)

對于表面燃燒器，還設(shè)置了防回火的預(yù)混室溫度控制器、風(fēng)機入口處的負(fù)壓開關(guān)。

5 聯(lián)鎖保護(hù)試驗故障代碼

低氮燃燒器安全聯(lián)鎖試驗后，程控器會發(fā)出對應(yīng)的故障代碼，如果不掌握這些代碼，僅憑是否停機，不能找到故障的原因。聯(lián)鎖試驗項目是否正確動作，不要被其它故障掩蓋造成誤判。通過試驗積累，列舉了一些機型的聯(lián)鎖保護(hù)試驗故障代碼表如表1所示。

對燃燒器檢驗的最終目的是防止燃燒器發(fā)生爆燃，聯(lián)鎖保護(hù)試驗試驗是保障安全的重要環(huán)節(jié)。但有些情況即使聯(lián)鎖檢測合格后也不一定能避免：①不充分的吹掃，如前吹掃時間不足，或吹掃時風(fēng)門開度不夠，風(fēng)機改變頻變頻后的頻率下降，吹掃時煙道檔板未開啟，當(dāng)達(dá)到一定濃度的情況下，會產(chǎn)生爆燃。②燃料氣與空氣的配比不當(dāng)，燃?xì)鈮毫εc風(fēng)壓波動，導(dǎo)致可燃?xì)庠跔t膛內(nèi)沒有得到充分燃燒，被帶到煙道某處，產(chǎn)生二次燃燒或爆燃。③多次點火失敗后，在沒有查找原因及強制長時間吹掃爐膛的情況下，反復(fù)啟動燃燒器導(dǎo)致鍋爐爆燃。④燃料氣電磁閥泄漏，而閥組檢漏裝置故障（處于常閉狀態(tài)或人為封線），點火電磁閥從主燃?xì)夤芤霾⑿孤ㄒ话銦o檢漏），即使得到充分的吹掃，但由于燃料氣不斷往爐膛內(nèi)泄漏，導(dǎo)致爆燃。

由此僅靠每年一次的檢驗不夠，需要由專業(yè)的燃燒器廠家或授權(quán)單位進(jìn)行維保調(diào)試，定期進(jìn)行自檢測試，保障鍋爐安全運行。

表1 聯(lián)鎖保護(hù)試驗故障代碼表