低負荷燃燒器擺角上擺受限于火檢檢測的探析

方國權 郝新凡

1.浙能阿克蘇熱電有限公司

2.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責任公司

0 引言

浙能阿克蘇熱電超臨界鍋爐自投產以來，再熱器汽溫一直低于設計值，其控制以調節(jié)燃燒器噴嘴擺動角為主，事故噴水減溫為輔。當燃燒器擺角上擺至75%～80%時，磨煤機火檢信號開始出現(xiàn)脈動，嚴重時會造成磨煤機失去火檢信號而跳磨，因此爐膛燃燒火焰的穩(wěn)定是鍋爐安全和經濟運行的重要條件,其安裝位置與角度決定了最佳火焰范圍的可靠性與準確性。

1 探究對象分析

1.1 探究對象設備簡介

阿電鍋爐為超臨界參數(shù)變壓直流爐，單爐膛、四角切向燃燒、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構π 型鍋爐。煤粉燃燒器四角布置、切向燃燒、擺動式低氮燃燒。煤粉噴嘴的周界風，每角主燃燒器共有二次風擋板17 組，每角主燃燒器噴嘴由一臺智能型電動執(zhí)行器集中帶動上下擺動。煤粉燃燒器立面布置見圖1。

圖1 煤粉燃燒器立面布置圖

火焰檢測器為柔性光纖型，安裝于各層煤粉噴嘴上方二次風道內與主燃燒器一次風擺角一起作上下擺動。主燃燒器一次風噴嘴擺動范圍為-20～+20 （°擺角開度0～100%），二次風噴嘴（火焰檢測器）擺動范圍-30～+30 °?；饳z安裝位置圖見圖2，柔性光纖型火檢安裝示意圖見圖3。

圖2 火檢安裝位置圖

圖3 柔性光纖型火檢安裝示意圖

1.2 火焰檢測器工作原理

火焰檢測器檢測部件通常安裝在燃燒器附件風道內或靠近燃燒器的地方，爐膛燃燒時產生的紫外線、紅外線等可見光通過光纖送到檢測器，檢測器將光信號轉換為電信號，通過屏蔽電纜送到火檢放大器整形、放大后輸出一模擬信號和數(shù)字信號到DCS 系統(tǒng)［1］，見圖4。

圖4 燃燒器火焰圖像圖

DCS 畫面上模擬信號量與實際火焰信號值之間的關系為：

煤粉通過燃燒器噴嘴進入爐膛燃燒分為四個階段，每個階段火焰輻射的光譜頻率和光強是不斷變化的。

第一階段為黑龍區(qū)，是一次風口噴出的暗色煤粉與一次熱風的混合物流，是燃料射出噴口后預熱階段。此時燃料未燃，其發(fā)射的紅外線光強較弱，頻率域光強的變化較復雜。

第二階段為初始燃燒區(qū)。燃料因受到高溫爐氣回流的加熱開始燃燒，大量的燃料顆粒燃燒成亮點流。此段的亮度雖不是最大，但變化頻率為最大。

第三階段為完全燃燒區(qū)，也是燃燒釋放大部分熱量的區(qū)域，這時的火焰亮度最高。

第四階段為燃燼區(qū)，此時的煤粉絕大部分燃燒完畢并形成飛灰，少數(shù)較大顆粒繼續(xù)燃燒，最后形成高溫爐氣流，這時的亮度變化頻率較低。

煤粉燃燒四個階段見圖5。

圖5 煤粉燃燒四個階段

爐膛火焰閃爍頻率取決于燃料種類、燃燒器運行條件、燃燒器結構、監(jiān)測方法以及觀測角度等。

如上所述，火焰閃爍頻率在初始燃燒區(qū)更高，在火焰外圍更低。檢測器距初始燃燒區(qū)越近，檢測到的高頻成分越強；探頭視角越窄，檢測到的頻率越高，擴大視角會降低檢測到的閃爍頻率。燃燒器火焰存在與否，不僅會影響檢測區(qū)的閃爍頻率，且亮度也會發(fā)生變化：火焰存在時亮度大，火焰丟失時亮度減弱。

實際應用可結合閃爍頻率和亮度兩個參數(shù)綜合判斷，以取得更加準確的結果?；鹧鏅z測信號見圖6。

圖6 火焰檢測信號

2 目前存在的問題

阿電超臨界鍋爐自投產一年來，再熱器汽溫一直較低，且起主要調節(jié)手段的主燃燒器擺角上擺受限。當主燃燒器一次風噴嘴擺角上擺時，火檢探頭和二次風噴嘴一起上擺。上擺至一定程度時，火檢檢測范圍與角度發(fā)生變化，導致磨煤機火檢信號強度變弱并產生脈動、閃爍，嚴重時造成磨煤機失去火檢信號而跳閘。下面為阿電實際運行曲線說明：

1)工況不變，主燃燒器擺角上擺對火檢檢測火焰信號強度的影響，見圖7。

圖7 工況不變，主燃燒器擺角上擺對火檢檢測火焰信號強度的影響

2)降負荷過程中，伴隨主燃燒器擺角的上擺，磨煤機失去火檢信號而跳閘，見圖8。

圖8 降負荷過程中，主燃燒器擺角的上擺導致磨煤機失去火檢信號而跳閘

由圖7 可看出，在負荷、磨煤機一次風速、風壓不變的情況下，單純上擺燃燒器噴嘴擺角從70%至77%時，火檢檢測到的火焰信號強度開始出現(xiàn)脈動，即火檢信號開始變弱，當擺至81%時火檢信號劇烈晃動且浮動值較大。而當燃燒器噴嘴擺角由81%擺回至70%時，火檢強度信號趨于穩(wěn)定。圖8 顯示當主燃燒器噴嘴擺角上擺至80%時，磨煤機火檢信號出現(xiàn)劇烈脈動導致磨煤機失去火檢信號而跳閘。由此說明當主燃燒器擺角上擺超過一定值后，會對火焰檢測器檢測火焰的角度和區(qū)域造成影響，導致信號變弱甚至消失。

3 原因分析

3.1 火焰檢測器傳輸信號問題

造成火焰檢測器傳輸信號出現(xiàn)問題的主要因素有［2］：

1)爐內積灰多，造成火焰檢測器探頭臟而影響探頭正常檢測；

2)低負荷時磨煤機出力下降，一次風粉配比調整較慢，爐膛風量較大，造成火焰飄移，導致傳輸信號波動；

3)火焰檢測器接線松脫；

4)火檢放大器元件老化。

3.2 爐膛燃燒及一次風速的影響

1)在機組負荷較低的情況下，爐內燃燒會更差，火檢信號更弱、更易浮動，且燃煤揮發(fā)分低會導致燃燒黑區(qū)延長。

2)在火檢探頭安裝完畢，位置和角度一定的情況下，如果操作人員對磨煤機一次風壓、風速調整不當會導致燃燒器噴嘴處火焰四個區(qū)發(fā)生前移或后移，火檢探頭不能檢測出火焰的最佳燃燒區(qū)。當火焰的閃爍頻率和光強度發(fā)生變化時，亦使火檢探頭檢測的火焰信號變弱。

3)實際運行經驗發(fā)現(xiàn)，當磨煤機一次風量低于60 t/h 時，煤粉著火中心前移，如若燃燒器擺角上擺而導致探頭視線變遠，火檢信號會變得更弱。

3.3 火焰檢測器探頭安裝位置與角度問題

火焰檢測器外導管組件前端頭通過墊塊焊接在二次風箱的隔板上，墊塊確定了火檢的觀測角度和范圍，外導管組件前端頭的安裝位置將直接影響火檢設備對爐膛工況的檢測。外導管組件的安裝步驟如下：

1)根據(jù)設計圖紙尺寸或施工方案，將安裝管點焊在燃燒器外壁預先開孔的位置上（通常鍋爐廠已開孔，改造項目需調整孔徑或現(xiàn)場重新確定位置）。

2)安裝視角

安裝探頭撓性光纖時，導管的視線與燃燒器中心線相交成一很小的角度a（5～15 °），且最大限度看到主燃燒區(qū)，如圖9所示。

圖9 探頭安裝視角

阿電爐煤火檢擺角對應火焰中心距離L1見表1。

表1 爐煤火檢擺角對應火焰中心距離

由上表可看出，L1 值人工取點測算方法存在較大誤差，再加上安裝誤差，更易導致探頭檢測的最佳火焰區(qū)域偏離理論值。

火焰檢測器安裝在主燃燒器一次風噴嘴上一層二次風道內，隨著二次風噴嘴同主燃燒器噴嘴擺角集中作上下擺動。當探頭安裝位置確定后，其角度是根據(jù)二次風噴嘴擺角范圍及火焰燃燒最佳區(qū)域范圍長度進行測算得出的，但由于人為焊接時易出現(xiàn)誤差，從而使探頭檢測火焰區(qū)域發(fā)生偏移，造成火檢信號強度偏離理論值。此外，由于火焰檢測器安裝在二次風道內，二次風噴嘴擺角范圍與主燃燒器一次風噴嘴擺角范圍存在偏差，故當主燃燒器噴嘴擺角擺動時易導致二次風道壁影響探頭“視線”。

4 可行性措施探究

4.1 定期對火焰檢測器進行檢查

應定期對探頭進行清潔、擦拭，對火檢放大器二次回路進行線路檢查及元器件監(jiān)測。

探頭工作溫度85 ℃，光纖工作溫度480 ℃，防護等級:IP66(NEMA 4)。

探頭工作在溫度高、飛灰大的鍋爐旁，盡管探頭光纖可在較高的溫度下工作，但溫度低會使其運行更可靠，壽命也更長。因此，探頭冷卻風系統(tǒng)的正常運行是探頭不損傷、探頭清潔可靠的有效手段。

4.2 提高機組負荷率，合理調整一次風速、風壓

1)機組運行過程中盡可能申請高負荷，以改善爐內煤粉燃燒工況，提升火檢檢測質量。

2)機組工況穩(wěn)定期間，做好磨煤機主要參數(shù)的監(jiān)視，不可大幅度調整磨煤機一次風量及風壓，避免主燃燒器噴嘴煤粉著火距離發(fā)生改變，影響火檢探頭檢測的最佳火焰區(qū)域偏移。

3)定期觀火。判斷著火距離是否合適，結合實際火檢信號對一次風壓進行調整。根據(jù)噴嘴處火焰發(fā)散情況調整周界風，確保煤粉在未完全燃燒的情況下向四周發(fā)散，并保證爐膛與二次風差壓在合理范圍內。

4.3 火焰檢測器的調整

1)安裝位置的確定

火檢安裝位置根據(jù)鍋爐廠提供的燃燒數(shù)據(jù)，由火檢供應商確定。

2)火檢探頭導管視線與燃燒器中心線角度的確定

角度的計算在3.3 中已有說明，但該人工采點測算方法存在較大誤差。改進方法：機組運行后記錄多工況下磨煤機一次風速、風壓、擺角開度及火檢信號強度值，同時參考人工觀火估測的煤粉火焰最佳燃燒距離進行綜合分析，待鍋爐大修時應用高精密測量儀器及多點測算方式測算探頭安裝角度以減小誤差。

3)對火焰頻率及強度設定值進行調整

火檢檢測到的火焰信號經放大器后如低于頻率或光強度任一跳閘值時，均會導致磨煤機跳閘。

由1.2 中火檢信號模擬量與開關量計算公式可知，在擺角上擺過程中，火檢探頭檢測到的火焰區(qū)域后移，亮度變化頻率變弱，這時可通過對頻率和光強度的設定值進行調整，提高模擬量信號值，使其遠離起跳值，避免磨煤機跳閘事故。

4)改進

目前阿電使用的是內窺式火檢探頭，由于二次風噴嘴與燃燒器噴嘴擺角范圍存在偏差，探頭在二次風道內隨主燃燒器一次風噴嘴擺角一起上下擺動，極易受到影響。

改進方法：將火檢探頭通過連桿與主燃燒器一次風噴嘴周界風外壁固定，活動范圍仍在二次風管內。在擺角從50%上擺至100%過程中仍能實現(xiàn)火檢探頭對最佳火焰范圍的同步跟蹤，排除因二次風噴嘴與主燃燒器一次風噴嘴擺角范圍偏差帶來的影響。

火檢探頭現(xiàn)狀與改進示意圖見圖10。

圖10 火檢探頭現(xiàn)狀與改進示意圖

改進中需考慮的問題：

(1)由于火檢探頭是隨燃燒器噴嘴作上下擺動的，有可能在二次風管內活動時與管壁相觸，帶來隱患。

主燃燒器噴嘴擺角上擺至最高時火檢探頭位置見圖11。

圖11 主燃燒器噴嘴擺角上擺至最高時火檢探頭位置圖

圖中1、2為擺角處于水平位置時火檢探頭的位置。1’、2’為擺角擺至最高開度時探頭改進前、后的位置，為避免在擺角上擺過程中出現(xiàn)探頭與二次風管下壁發(fā)生摩擦，須保證：

(2)在主燃燒器擺角上下擺動時，二次風噴嘴擺角范圍是-30～+30°，燃燒器一次風噴嘴擺角范圍-20～+20°，火檢探頭在二次風管道內隨燃燒器噴嘴擺角同步擺動，“視線”易受到二次風管下壁的影響，故需根據(jù)煤粉細度、一次風速、著火時間等確定探頭焊接位置并對二次風管壁進行適當切割（如有必要）。

(3)連桿需選用耐高溫、耐腐蝕的材料。

5 結論

機組投運1 年以來，再熱器汽溫的調整嚴重受到擺角上擺時火檢信號強度發(fā)生脈動的影響，經采取措施后有一定的好轉，但低負荷時，擺角上擺開度仍不能超過80%，通過分析及探究，發(fā)現(xiàn)火檢探頭固定在二次風管壁上隨主燃燒器噴嘴擺角集中擺動存在一定的弊端，改進后可將該影響減至最低，且擺角上擺過程中火檢探頭隨主燃燒器噴嘴火焰中心線一起擺動，避免了“視線”偏離火焰最佳區(qū)域理論計算值，低負荷時可實現(xiàn)主燃燒器噴嘴擺角自由上擺，提高了鍋爐運行的經濟性及安全性。