等離子燃燒器火焰檢驗(yàn)保護(hù)探討

邵興恩 ，李前宇 ，陳虎亮

（1.岱海發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古涼城 013700；2.北京京能電力股份有限公司，北京 100124；3.北京源深節(jié)能技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100106）

0 引言

《電站煤粉鍋爐爐膛防爆規(guī)程》《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》及各火力發(fā)電廠規(guī)程、措施中均明確提出鍋爐保護(hù)是防止鍋爐發(fā)生擴(kuò)大性事故的重要屏障，任何情況下都必須加強(qiáng)鍋爐保護(hù)，鍋爐點(diǎn)火時(shí)嚴(yán)禁解除全爐膛滅火保護(hù)。

通過(guò)調(diào)研多個(gè)燃煤電廠鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)的實(shí)際情況得知，采用等離子無(wú)油點(diǎn)火方式的燃燒器，點(diǎn)火初期煤火焰檢驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱“火檢”）波動(dòng)頻繁。為避免磨煤機(jī)跳閘、主燃料跳閘MFT（main fuel trip）頻繁動(dòng)作，多數(shù)電廠采取手動(dòng)退出磨煤機(jī)火檢保護(hù)和全爐膛滅火保護(hù)直到鍋爐達(dá)最低穩(wěn)燃負(fù)荷以上，或者直接修改邏輯使其在等離子運(yùn)行模式下自動(dòng)退出上述兩項(xiàng)保護(hù)[1]。有相關(guān)文獻(xiàn)指出，等離子燃燒器滿足“有弧就有火”，在鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng) FSSS（furnace safety supervision system）邏輯里將等離子拉弧成功的信號(hào)和煤火檢本身的檢測(cè)信號(hào)以邏輯“或”的關(guān)系作為對(duì)應(yīng)角火焰存在信號(hào)[2-3]。但任何涉及爐膛安全的邏輯變動(dòng)都應(yīng)以不違反安全規(guī)程為基礎(chǔ)，應(yīng)充分理解“等離子運(yùn)行模式”的含義，避免在點(diǎn)火能量不足的情況下向爐膛投入煤粉。

鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)初期，進(jìn)入爐膛內(nèi)的燃料較少風(fēng)量較大，大部分未燃煤粉被風(fēng)機(jī)抽走或落入省煤器灰斗而排出爐外，爐膛內(nèi)積存煤粉相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)達(dá)不到爆炸當(dāng)量。同時(shí)，點(diǎn)火初期爐膛內(nèi)溫度低，即使短時(shí)存在未燃煤粉投入滅火的爐膛，也不會(huì)造成爐膛爆炸[4]，這是各電廠冷爐啟動(dòng)時(shí)未投火檢保護(hù)而未造成爐膛爆燃的原因，這一點(diǎn)與熱態(tài)不同。但隨著鍋爐啟動(dòng)進(jìn)程的深入，特別是鍋爐即將達(dá)到最低穩(wěn)燃負(fù)荷時(shí)，一旦遇到人為判斷失誤或工況調(diào)整不及時(shí)造成爐膛滅火，此時(shí)仍向爐膛送粉，極可能造成爐膛爆炸。另外，由于火檢誤判而投油助燃的情況則更為常見，造成無(wú)油點(diǎn)火難以實(shí)現(xiàn)。

1 鍋爐冷態(tài)點(diǎn)火初期煤火檢頻繁波動(dòng)的原因分析

傳統(tǒng)點(diǎn)火方式是鍋爐啟動(dòng)初期用油槍暖爐2 h后啟動(dòng)制粉系統(tǒng)，暖爐油槍伴隨助燃，直至爐膛最低穩(wěn)燃負(fù)荷。對(duì)于常規(guī)的燃燒器，其火焰有明顯的預(yù)燃區(qū)、著火區(qū)和燃燼區(qū)，而等離子點(diǎn)火或氣化微油點(diǎn)火燃燒器是內(nèi)燃式燃燒器，煤粉在燃燒器內(nèi)逐級(jí)點(diǎn)燃后形成火焰，火焰與部分煤粉一起噴入爐膛在燃燒器噴口形成了“粉包火”的著火工況，噴入爐膛的部分煤粉經(jīng)高溫火焰加熱，溫度逐漸升高達(dá)到著火溫度后，在距離燃燒器噴口一定距離的爐膛內(nèi)著火燃燒，形成明顯的火球狀火焰[5-6]。由于爐膛溫度較低，使得進(jìn)入爐內(nèi)的高溫火焰快速熄滅而轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷責(zé)煔狻Ｄッ簷C(jī)啟動(dòng)初期煤粉燃燒不穩(wěn)定、不充分，火焰充滿度差，火焰常常漂移，火焰亮度也無(wú)法與正常值相比擬，而常規(guī)火檢的閾值是為適應(yīng)鍋爐帶正常負(fù)荷時(shí)的安全整定的。對(duì)于火焰檢測(cè)探頭視角設(shè)計(jì)得比較小的紅外光或可見光探頭，由于在燃燒器附近找不到明顯的火焰著火區(qū)，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的探測(cè)和保護(hù)。點(diǎn)火初期調(diào)整探頭位置對(duì)檢測(cè)效果有一定改善[7]，但因存在某一角等離子燃燒器短時(shí)退出而投油的情況，這將使火檢裝置不具有通用性。若盲目地把探頭對(duì)準(zhǔn)的部位向爐膛中心延伸，達(dá)到燃燼區(qū)，又無(wú)法對(duì)本燃燒器火焰和背景火焰有效地加以分辨，即使首臺(tái)磨煤機(jī)啟動(dòng)也存在受其余角背景光影響的可能，探頭調(diào)至最佳視角范圍難度較大。

圖像火檢采用廣角長(zhǎng)焦距工作鏡頭和電荷耦合器件CCD（charge bubble devices）攝像機(jī)直接拍攝燃燒器火焰圖像，視角可達(dá)85°～90°，可避免著火區(qū)位置漂移造成火檢探頭難以對(duì)準(zhǔn)著火區(qū)，火檢誤判狀況的發(fā)生。燃燒火焰圖像包含著大量的信息，利用傳像技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)對(duì)火焰圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒器出口火焰圖像的采樣、數(shù)據(jù)處理和特征識(shí)別，準(zhǔn)確發(fā)出單個(gè)燃燒器火焰的ON/OFF信號(hào)，ON/OFF信號(hào)不受煤種、負(fù)荷變化及背景火焰的影響，其系統(tǒng)流程如圖1所示。該技術(shù)已在大唐張家口電廠、神華國(guó)能寧夏鴛鴦湖電廠等多家電廠應(yīng)用多年[8-9]，用于替代傳統(tǒng)的煤火檢裝置。然而，采取等離子燃燒器進(jìn)行鍋爐冷態(tài)點(diǎn)火時(shí)，圖像火檢也無(wú)法準(zhǔn)確判斷出有、無(wú)火的ON/OFF信號(hào)。

圖1 圖像火焰檢測(cè)系統(tǒng)流程圖

圖像信息處理時(shí)需將畫面劃分出未燃區(qū)、著火區(qū)和燃燼區(qū)，根據(jù)3個(gè)特征區(qū)平均亮度的差別、未燃區(qū)和著火區(qū)溫度場(chǎng)的分布情況，提取出圖像的特征量，判斷燃燒器有火和無(wú)火[10]。而等離子火焰所具有的“粉包火”狀態(tài)，無(wú)法滿足圖像火檢對(duì)于火檢探頭視角應(yīng)能看到火焰燃燒全貌的要求。目前，等離子或微油燃燒器安裝時(shí)，都配套安裝了圖像火檢，該火檢不參與保護(hù)控制，僅用來(lái)幫助運(yùn)行人員觀察燃燒器火焰的燃燒情況，磨煤機(jī)火焰保護(hù)仍采用鍋爐原有的煤火檢裝置，這顯然存在內(nèi)燃型燃燒器燃燒特性與火焰檢測(cè)原理不符的矛盾。美國(guó)《多燃燒器鍋爐爐膛防外爆/內(nèi)爆標(biāo)準(zhǔn)》NFPA8502要求，“除非每個(gè)主燃燒器都裝有火焰監(jiān)視器，否則禁止使用第三類特殊點(diǎn)火器”。該標(biāo)準(zhǔn)未明確所述火焰監(jiān)視器是否能為分散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system）或FSSS提供信號(hào)參與滅火保護(hù)，各廠家據(jù)此給等離子點(diǎn)火和氣化微油點(diǎn)火系統(tǒng)配備了只具有屏幕顯示功能的圖像火焰檢測(cè)系統(tǒng)，由人工監(jiān)視判斷燃燒狀況。

2 等離子模式時(shí)的邏輯優(yōu)化

2.1 點(diǎn)火能量及火檢保護(hù)邏輯優(yōu)化

安裝有等離子燃燒器的磨煤機(jī)設(shè)計(jì)“正常運(yùn)行模式”與“等離子運(yùn)行模式”兩種運(yùn)行模式。“正常運(yùn)行模式”運(yùn)行時(shí)，磨煤機(jī)維持原有的燃燒器管理系統(tǒng) BMS（burner management system）邏輯。“等離子運(yùn)行模式”運(yùn)行時(shí)，磨煤機(jī)BMS啟動(dòng)條件中增加由等離子裝置可編程控制器S7-300送來(lái)的等離子發(fā)生器工作正常信號(hào)，同時(shí)略去點(diǎn)火能量滿足的條件；磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，等離子燃燒器的火焰保護(hù)仍采用鍋爐原有的火檢裝置，保護(hù)邏輯為“四取二”，圖像火檢僅用來(lái)幫助運(yùn)行人員觀察等離子燃燒器火焰的燃燒情況；任一角等離子點(diǎn)火裝置異常時(shí)，等離子裝置可編程控制器S7-300發(fā)出報(bào)警，保護(hù)關(guān)閉磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)出口擋板；磨煤機(jī)出口擋板關(guān)閉，對(duì)應(yīng)角等離子點(diǎn)火裝置跳閘；任意兩角等離子裝置工作故障時(shí)，等離子控制器S7-300送信號(hào)至BMS，保護(hù)停磨煤機(jī)；磨煤機(jī)“等離子運(yùn)行模式”運(yùn)行時(shí)，磨煤機(jī)跳閘，等離子點(diǎn)火器跳閘；鍋爐MFT時(shí)，等離子點(diǎn)火器跳閘，并禁止啟動(dòng)。為使鍋爐冷態(tài)點(diǎn)火過(guò)程中磨煤機(jī)及爐膛火檢保護(hù)能夠全程投入，對(duì)“等離子運(yùn)行模式”下相關(guān)邏輯進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)增加等離子磨煤機(jī)冷爐點(diǎn)火用火檢，新增火檢探頭視角適當(dāng)調(diào)大，以達(dá)到提高機(jī)組自動(dòng)化水平和實(shí)現(xiàn)鍋爐本質(zhì)安全的目的。

等離子模式下磨煤機(jī)火檢相關(guān)邏輯是相對(duì)于無(wú)油點(diǎn)火方式設(shè)置的，對(duì)于同時(shí)布置有等離子和油槍兩種助燃方式的機(jī)組，需增加油槍關(guān)聯(lián)保護(hù)：給煤機(jī)和磨煤機(jī)均運(yùn)行延時(shí)180 s，任一臺(tái)等離子點(diǎn)火裝置異常，S7-300發(fā)報(bào)警并自動(dòng)將斷弧燃燒器所對(duì)應(yīng)的油槍點(diǎn)燃，若油槍點(diǎn)火失敗，保護(hù)關(guān)閉磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)出口擋板；任意兩角等離子裝置工作故障導(dǎo)致斷弧時(shí)，若此時(shí)對(duì)應(yīng)層斷弧角無(wú)油槍投入，保護(hù)跳磨，否則投入對(duì)應(yīng)層4根油槍，經(jīng)延時(shí)后，切至“正常運(yùn)行模式”，如果斷弧角油槍未全部正常投入，保護(hù)跳磨；任意大于等于3/4角等離子裝置工作故障，切至“正常運(yùn)行模式”，若此時(shí)對(duì)應(yīng)層油槍未全部投入，保護(hù)跳磨。

依據(jù)煤粉條件滿足時(shí)，新式等離子燃燒器引燃效果的高度可靠性，將“等離子模式”下磨煤機(jī)火檢保護(hù)修改為：給煤機(jī)和磨煤機(jī)均運(yùn)行延時(shí)180 s，等離子煤層原火檢3/4無(wú)火且新增火檢3/4無(wú)火，延時(shí)10 s。同時(shí)，對(duì)僅有1臺(tái)磨煤機(jī)啟動(dòng)且處于“等離子模式”時(shí)，全爐膛無(wú)火保護(hù)進(jìn)行相應(yīng)修改，采取新舊火檢“相與”的邏輯關(guān)系。

根據(jù)等離子燃燒器的點(diǎn)燃特性，增加下列條件任一不滿足時(shí)，觸發(fā)“等離子燃燒器進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)”報(bào)警，延時(shí)60 s“等離子模式”下磨煤機(jī)火檢保護(hù)切至原有回路：磨煤機(jī)出口溫度＜55℃；煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜0.3 kg/kg；一次風(fēng)速＜17 m/s或＞23 m/s；飛灰含碳量＞40%。

2.2 等離子點(diǎn)火期間注意事項(xiàng)

a）磨煤機(jī)啟動(dòng)時(shí)，利用圖像火檢及就地看火孔檢查煤粉著火情況，首次投粉3 min后任一只煤粉管燃燒器噴嘴處不著火，應(yīng)立即停止供粉，經(jīng)5 min充分吹掃后，找出煤粉不著火的原因，方可重新試投粉。

b）加強(qiáng)爐內(nèi)燃燒狀況監(jiān)視，結(jié)合爐膛負(fù)壓、汽包水位波動(dòng)情況，綜合判斷爐膛燃燒狀況。

c）根據(jù)等離子燃燒器要求，盡量維持煤種、煤量、煤粉濃度、煤粉細(xì)度、一次風(fēng)速、風(fēng)粉溫度在設(shè)計(jì)工況，做好煤粉管的調(diào)平工作，做好二次風(fēng)門、等離子燃燒器功率的調(diào)整工作。等離子磨煤機(jī)啟動(dòng)后，及時(shí)在煤粉管出口取樣化驗(yàn)煤質(zhì)揮發(fā)分及煤粉細(xì)度，為“等離子有弧就有火”提供保障。

d）重視尾部二次燃燒問(wèn)題。冷爐點(diǎn)火初期煤粉燃燒率低，飛灰可燃物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%左右。應(yīng)對(duì)空氣預(yù)熱器采取連續(xù)吹灰方式；加強(qiáng)對(duì)選擇性催化還原SCR（selective catalytic reduction）反應(yīng)器聲波吹灰裝置的監(jiān)視，防止積粉；加強(qiáng)布袋除塵器、省煤器下部灰斗和電除塵灰斗的清理，及時(shí)排除積粉。

e）等離子在拉弧及運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)斷弧的主要原因是等離子載體風(fēng)含水、含油或壓力波動(dòng)大，因?yàn)殡s用壓縮空氣一般不經(jīng)油、水分離和干燥，同時(shí)由于用氣點(diǎn)較多，壓力擾動(dòng)較大。有電廠采取儀用壓縮空氣供氣，大大提高了拉弧的穩(wěn)定性。

f）等離子點(diǎn)火技術(shù)日趨成熟，但其風(fēng)險(xiǎn)不能低估。對(duì)于一些煤質(zhì)無(wú)法保證的機(jī)組，等離子啟動(dòng)前適當(dāng)?shù)挠蜆屌癄t是必須的。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采取上述措施，實(shí)現(xiàn)了鍋爐冷態(tài)點(diǎn)火時(shí)磨煤機(jī)火檢保護(hù)的全程投入，滿足了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)全爐膛滅火保護(hù)的嚴(yán)格要求。隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，人們認(rèn)知程度的提高，特別是計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的快速發(fā)展，鍋爐燃燒好壞的評(píng)價(jià)必將實(shí)現(xiàn)分階段量化，屆時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛安全的實(shí)時(shí)量化分析。