燃煤機(jī)組天然氣點(diǎn)火系統(tǒng)火檢故障探討

商 政，賀彥鵬，何紅升，鄔 峰，劉新龍

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

天然氣作為一種清潔能源，以安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的特性[1]應(yīng)用于燃煤鍋爐點(diǎn)火和助燃中[2]。在鍋爐啟動(dòng)初期或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于爐膛內(nèi)溫度較低，需天然氣與煤粉同時(shí)投入燃燒。此時(shí)煤粉流會(huì)對(duì)天然氣氣槍火檢有火信號(hào)造成干擾，使火檢有火信號(hào)出現(xiàn)閃爍、跳躍、消失等現(xiàn)象，造成氣槍無(wú)法正常工作，甚至觸發(fā)主燃料跳閘(main fuel trip，MFT)。本文以某工程天然氣點(diǎn)火系統(tǒng)為例，提出上述問(wèn)題的解決方案。

1 系統(tǒng)概述

1.1 天然氣系統(tǒng)及火檢布置

某工程選用國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造的660 MW超超臨界參數(shù)變壓直流本生型鍋爐，一次再熱，單爐膛，前后墻對(duì)沖燃燒方式，全懸吊結(jié)構(gòu)π型鍋爐。燃燒設(shè)備采用旋流煤粉燃燒器，使用天然氣點(diǎn)火和助燃，燃燒器共36只，分6層前后墻布置，前墻A、B、C層，后墻D、E、F層，每層6只，每只燃燒器配1套天然氣氣槍和天然氣點(diǎn)火槍?zhuān)⒃O(shè)置有3套火檢裝置，分別用于煤、氣槍及點(diǎn)火槍的火焰檢測(cè)。氣槍火焰檢測(cè)型式為氣槍內(nèi)置的等離子火焰檢測(cè)器，如圖1所示。

圖1 天然氣氣槍結(jié)構(gòu)和等離子火檢位置圖

1.2 火焰檢測(cè)器型號(hào)和特點(diǎn)

火檢采用美國(guó)某品牌系列火焰檢測(cè)器，該系列火焰檢測(cè)器是基于微處理器設(shè)計(jì)的，包括固態(tài)的紅外線(xiàn)傳感器(infrared sensor，IR)、紫外線(xiàn)傳感器(ultraviolet sensor，UV)和雙傳感器IR+UV。煤火檢采用紅外線(xiàn)傳感器，可響應(yīng)紅外線(xiàn)光譜為700～1 700 nm波長(zhǎng)；天然氣氣槍火檢采用紫外線(xiàn)傳感器，可響應(yīng)紫外線(xiàn)光譜為295～320 nm波長(zhǎng)。

2 火焰檢測(cè)原理

2.1 火焰燃燒過(guò)程

燃料從燃燒器噴出燃燒后，會(huì)產(chǎn)生不同的光強(qiáng)亮度和閃爍頻率(頻率與燃料性質(zhì)有關(guān))[3-5]。現(xiàn)以煤粉燃燒進(jìn)行分析。火焰通?？梢苑殖晌慈紖^(qū)、初燃區(qū)、燃燒區(qū)、燃盡區(qū)四個(gè)階段，初燃區(qū)是檢測(cè)火焰的最佳部位，如圖2所示。

圖2 火焰的分區(qū)圖

2.2 火焰的閃爍

煤粉燃燒器運(yùn)行時(shí)，一次風(fēng)和煤粉的混合物在燃燒器噴口處形成紊流，使燃燒火焰產(chǎn)生無(wú)規(guī)律的波動(dòng)，稱(chēng)為火焰的閃爍?；鹧娴拈W爍頻率是火焰燃燒的重要特征，也是判斷有火和無(wú)火的重要依據(jù)，它具有以下特性：

1)混合物在氣流震動(dòng)越強(qiáng)時(shí)燃燒反應(yīng)速度越快，燃燒火焰的閃爍頻率也越高；

2)距離燃燒區(qū)越近，閃爍頻率越高；

3)不同的燃料，閃爍頻率不同。

2.3 火焰的檢測(cè)

火焰檢測(cè)器是采用光電原理測(cè)量火焰產(chǎn)生的振幅頻率，通過(guò)光敏電阻感應(yīng)，經(jīng)處理單元濾波、放大并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出有火、無(wú)火狀態(tài)以及模擬量(4～20 mA)火焰強(qiáng)度信號(hào)。不同種類(lèi)的燃料，其燃燒火焰輻射的光線(xiàn)強(qiáng)度不同，相應(yīng)采用的火焰檢測(cè)元件也不相同。一般情況下，煤粉火焰中除了含有不發(fā)光的CO2和水蒸氣等三原子氣體外，還有部分灼熱發(fā)光的焦炭粒子和炭粒，它們輻射較強(qiáng)的紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光和一些紫外線(xiàn)，而這部分紫外線(xiàn)往往容易被燃燒產(chǎn)物和灰粒吸收而很快被減弱，因此煤粉燃燒火焰通常采用可見(jiàn)光或紅外線(xiàn)火焰檢測(cè)器。

當(dāng)采用可燃?xì)怏w作為主燃料燃燒時(shí)，在火焰初燃區(qū)產(chǎn)生輻射較強(qiáng)的紫外線(xiàn)，此時(shí)可采用紫外線(xiàn)火焰檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。由于氣體火焰不具有煤火焰和油火焰所特有的高頻(100～300 Hz)脈動(dòng)特性，因而紅外線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)氣體火焰不起作用。

3 天然氣火檢發(fā)生的問(wèn)題

某工程鍋爐整套啟動(dòng)期間，火檢系統(tǒng)在初期天然氣點(diǎn)火及氣槍投入運(yùn)行時(shí)火檢有火信號(hào)均正常。但在投入煤粉進(jìn)行燃燒后，煤火檢有火信號(hào)正常，氣槍火檢有火信號(hào)會(huì)發(fā)生閃爍、跳躍、消失的情況，如圖3所示。

圖3 天然氣氣槍火檢有火信號(hào)跳躍、消失曲線(xiàn)圖

運(yùn)行過(guò)程中先投入氣槍和點(diǎn)火槍?zhuān)瑑烧呋饳z的有火信號(hào)和火焰強(qiáng)度均正常。隨后投入煤粉，煤火檢火焰強(qiáng)度正常，點(diǎn)火槍有火信號(hào)也正常，但氣槍的有火信號(hào)在0與1之間跳動(dòng)，并且火檢強(qiáng)度信號(hào)開(kāi)始在0%至100%范圍內(nèi)快速波動(dòng)。

此時(shí)氣槍有火信號(hào)和強(qiáng)度信號(hào)都不停地閃爍，最終導(dǎo)致氣槍退出，觸發(fā)保護(hù)邏輯，磨煤機(jī)停機(jī)。在對(duì)天然氣管道和煤粉管道吹掃完并確認(rèn)具備投運(yùn)條件后再次投入氣槍和該層煤粉，然而雖對(duì)燃燒器進(jìn)行了調(diào)整，但氣槍火檢有火信號(hào)和火焰強(qiáng)度信號(hào)仍然不斷地閃爍、跳躍、消失。

通過(guò)鍋爐觀火孔觀察，天然氣氣槍火焰燃燒穩(wěn)定；進(jìn)一步對(duì)火焰檢測(cè)器及電源進(jìn)行逐一排查，火檢系統(tǒng)未見(jiàn)異常；就地探頭觀測(cè)到的火檢有火信號(hào)火焰強(qiáng)度信號(hào)也不斷閃爍、跳躍、消失，與畫(huà)面顯示狀況一致；調(diào)整冷卻風(fēng)風(fēng)量也沒(méi)有任何效果。

4 原因分析

火焰檢測(cè)器均嚴(yán)格按照廠(chǎng)家說(shuō)明書(shū)進(jìn)行安裝和調(diào)試，并且在未投煤粉時(shí)氣槍火檢有火信號(hào)正常，所以排除了安裝和調(diào)試問(wèn)題。在投煤粉后氣槍火檢有火信號(hào)閃爍、跳躍、消失現(xiàn)象不斷，通過(guò)分析判斷有以下原因：

1)氣槍火焰檢測(cè)器受到煤粉燃燒火焰的影響，導(dǎo)致有火信號(hào)不穩(wěn)定。而煤粉燃燒狀況與煤質(zhì)和燃燒工況有關(guān)：煤質(zhì)差、一次風(fēng)溫低、煤粉顆粒粗、從燃燒器噴出后煤粉流動(dòng)性小、導(dǎo)致煤粉著火推遲，火焰未燃區(qū)分布過(guò)大；天然氣燃燒輻射的紫外線(xiàn)被煤粉燃燒產(chǎn)生的碳粒和灰粒等吸收而很快減弱，使天然氣氣槍火焰檢測(cè)器檢測(cè)不到紫外線(xiàn)或檢測(cè)到少量的紫外線(xiàn)而導(dǎo)致信號(hào)閃爍、跳躍、消失；

2)天然氣氣槍火焰檢測(cè)器安裝位置離天然氣火焰的距離較遠(yuǎn)，天然氣燃燒所發(fā)出的紫外線(xiàn)光被煤粉火焰遮擋，使天然氣火焰檢測(cè)器檢測(cè)不到紫外線(xiàn)；

3)天然氣火焰振幅頻率在初燃區(qū)較高，在火焰外圍處較低，并且紫外線(xiàn)容易被吸收減弱，而煤粉火焰在天然氣火焰的外圍，遮擋了天然氣火焰所產(chǎn)生的光線(xiàn)。

5 采取措施及處理方案

調(diào)試階段，適當(dāng)降低一次風(fēng)壓，調(diào)整磨煤機(jī)的磨輥升降，使煤粉顆粒更細(xì)；調(diào)整燃燒器的外二次風(fēng)擋板開(kāi)度，適當(dāng)增大外二次風(fēng)量和外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，使煤粉旋流增大，縮小火焰未燃區(qū)以改變?nèi)紵r。通過(guò)觀察可知，這種方法改善了燃燒工況，但天然氣氣槍火檢有火信號(hào)的閃爍、跳躍、消失的狀況沒(méi)有明顯改善。隨后將氣槍火焰檢測(cè)器UV更換為IR+UV，投煤后煤粉火檢和天然氣氣槍火檢有火信號(hào)都穩(wěn)定，但在退出氣槍后，天然氣火檢有火信號(hào)并未消失。經(jīng)分析，在不改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)的情況下，天然氣氣槍火焰檢測(cè)器和煤粉火焰檢測(cè)器的物理位置已無(wú)法調(diào)整，導(dǎo)致氣槍火焰檢測(cè)器會(huì)監(jiān)測(cè)到煤粉燃燒火焰情況，所以在氣槍退出后，天然氣火檢有火信號(hào)依然存在。

調(diào)整天然氣氣槍火檢的控制邏輯如圖4所示。由于天然氣點(diǎn)火槍的火焰檢測(cè)器是內(nèi)置的等離子火焰檢測(cè)器，這種火焰檢測(cè)器測(cè)量準(zhǔn)確可靠、信號(hào)穩(wěn)定，其物理位置及監(jiān)測(cè)效果可以滿(mǎn)足對(duì)氣槍的火焰監(jiān)測(cè)。將氣槍火檢的有火信號(hào)替換成天然氣點(diǎn)火槍火檢的有火信號(hào)，并與氣槍進(jìn)氣閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)做相關(guān)保護(hù)邏輯。在邏輯調(diào)整后，磨煤機(jī)再未發(fā)生因氣槍無(wú)火原因而造成的跳機(jī)情況。

圖4 天然氣氣槍火檢控制邏輯

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某天然氣點(diǎn)火燃煤鍋爐在啟動(dòng)過(guò)程中天然氣氣槍火檢信號(hào)閃爍問(wèn)題，通過(guò)原理分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定了信號(hào)閃爍的原因主要為煤粉燃燒對(duì)天然氣氣槍火檢有火信號(hào)造成了干擾。

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出了一種用于天然氣點(diǎn)火燃煤鍋爐的火檢邏輯優(yōu)化方案，即將氣槍火檢的有火信號(hào)替換成點(diǎn)火槍火檢的有火信號(hào)，在同類(lèi)型鍋爐及燃燒器的火焰檢測(cè)器布置時(shí)，可以考慮取消氣槍火焰檢測(cè)器，由點(diǎn)火槍火焰檢測(cè)器替代。