iFS智能火焰检测技术在300 MW机组中的应用

石德胜

（华电青岛发电有限公司，山东 青岛 266031）

0 引言

青岛电厂2号机组为300 MW机组，采用中储式制粉系统，4台磨煤机，16台给粉机，风粉管道最长达50 m。设计煤种为贫煤，一次风速18～24 m／s。燃烧器为4层，每层4个共16个。点火油枪为3层，每层4只共12只。炉膛为四角切圆燃烧方式。火检装置为ABB公司分体式Uvisor 810系列。火检装置的基本作用就是检测火焰状态，向炉膛安全保护系统FSSS提供准确信息，以便在火焰灭火后迅速停粉，保证炉膛安全。

目前火检装置普遍存在“偷看”问题。所谓“偷看”，就是在当前喷燃器火焰消失后，由于背景火焰强度较大，火检装置依然发出“有火”信号，对炉膛安全带来很大隐患[1]。不仅如此，由于近年来锅炉普遍实行了低氮燃烧改造，火电机组负荷较低，以及煤炭的卖方市场形势，煤粉质量难以保证，锅炉结焦灭火、燃烧不平衡、燃烧不稳问题十分突出，对机组的安全运行带来了很大的挑战，为此，青岛电厂在2号机组上安装了一套iFS智能火焰燃烧检测系统[2-5]。iFS利用光纤红外探测和数字频谱分析技术，将光纤中的红外特征全部分解，不仅完全区分当前火焰和背景火焰特征，彻底解决了火检装置中普遍存在的“偷看”问题，而且还利用频谱分离技术得到的静态特征实现了火焰温度的测量[6-9]，通过28个观测点，实现了整个炉膛的燃烧状态监测，为炉膛燃烧调整提供了一套新的监测手段。其中，3个火焰检测结果取代了已有的ABB火检，直接接入FSSS，参与灭火保护。该系统自2015年11月投运以来，运行稳定，已成为运行人员必不可少的观测设备[10]。

1 iFS智能火焰检测系统结构

iFS智能火焰检测系统是一个由多个分体式结构的火焰检测装置构成的网络化计算机监测系统[11]。每个分体式结构的火焰检测装置包括两部分，前端为光纤套管组件及探头iFS10D，后端为控制器iFS10C，二者通过四芯屏蔽电缆连接。控制器iFS10C安装于电子间火检机柜内，对外提供模块故障、灭火报警、预警开关量输出（DO），1路火焰燃烧强度模拟量输出（AO），灭火报警用于FSSS保护，燃烧强度用于DCS内的火焰燃烧指数的监视[12]。iFS系统结构如图1所示。

图1 iFS系统结构

其中，iFS10D安装于炉膛外侧，与之配套的光纤及外护套管安装于喷燃器上方的二次风口，与喷燃器水平线呈5°～8°的下倾角。中心视线穿过火焰的初始燃烧区，如图2所示。

图2 初始燃烧区

从火焰形态看，分为4个区，从一次风口喷射出的第1段是一股暗黑色的煤粉和一次风的混合物流，称其为黑龙区；第2段是初始燃烧区，煤粉因受到高温炉气和火焰回流的加热开始燃烧，大量煤粉颗粒爆燃形成亮点流，此段的特点是这部分煤粉燃烧亮度不是很大，但其闪烁频率却达到了最大值，往往可以在100 Hz以上；第3段为完全燃烧区，各个煤粉颗粒在与二次风的完全混合下充分燃烧，产生很大的热量，此段的火焰亮度最高且最稳定，闪烁频率低于初始燃烧区；第4段为燃烬区，这部分的煤粉绝大部分燃烧完毕形成飞灰，少数较大的颗粒继续进行燃烧，最后形成高温炉气流，其火焰亮度和闪烁频率都比较低。

2 iFS火焰全息检测

2.1 光纤信号光电转换

前端探头iFS10D实现信息不失真的光电转换，将光强度信号线性地变换为输出电压信号，其变换关系

红外光敏电阻作为运算放大器的反馈电阻Rf，其阻值随辐射强度的加强而减小，在R1不变的情况下，探头输出电压Uout随光敏电阻Rf的减小而减小，即辐射越强，输出电压越小，反之亦然。

2.2 信号的频谱分离

iFS10C与智能检测器iFS10D配套，实现信息的采集和数字频谱处理。

智能控制器采用高性能、高集成度的数字处理器（DSP）进行A／D变换和高速采样，并通过数字频谱分离技术，将输入信号中的所有特征加以分离，包括辐射强度，关键频率点的幅度等。根据傅里叶函数理论，任何一个函数均可表示为

频谱分离技术是将函数中的U0、λ、Uk等逐一分离出来，U0为平均辐射强度，Uk为闪烁特征。

探头的无失真变换和控制器的频谱分离技术综合起来就可称之为火焰全息检测[13]。

2.3 火焰频谱特征与“遮挡效应”

iFS根据对历史数据的研究发现，光纤中的频谱特征呈现的是火焰的“遮挡效应”[14]。

观测光纤中的平均辐射强度U0在存在一定程度的背景强度时前方有煤粉遮挡时，强度变小，无遮挡时强度增大。而当背景强度消失时，强度U0也随之迅速跌落。

闪烁特征Uk，在煤粉燃烧和观测角度一定时，所有观测频率的信号幅度随煤粉浓度的变大而变大随煤粉浓度的降低而降低，在燃烧器停粉时完全消失，与煤粉浓度呈高度的一致性。平均辐射强度U0作为静态闪烁强度Uk作为动态特征，均呈现出颗粒物由于“遮挡”背景光而产生的一种现象，它展现出的实际是颗粒物的运动特征。根据流体力学理论[15]喷燃器出口处风速高、压力大，因此，该处的颗粒物运动频率高，越向炉膛深处，运动频率越低。“遮挡效应”可完美地解释火焰所呈现的复杂现象。

关于闪烁成分密度，研究结果是，低频成分最大，中频次之，高频再次之，图3为闪烁频率成分及幅度曲线。

图3 闪烁频率平均曲线

3 iFS两年来的动作情况统计分析

3.1 检测结果的准确性

根据iFS记录的历史数据，对2016年5月以来3M2、9M3、11M4 3个燃烧器给粉机投停，以及锅炉灭火、点火情况进行了检查统计，对iFS10C给出的灭火、有火结果与其设定值进行了比对，比对结果显示，在所有统计到的34种情形中，所有灭火检测结果完全正确，正确率100%。

3.2 给粉机辅助信号对火焰检测结果的影响

作为第一代产品，iFS10C也参照ABB的实现方案接入了给粉机运行状态信号作为参照。当给粉机停止时，iFS立即发出“灭火”报警。因此，出现了如下检测结果。

情形1：给粉机停，灭火报警，但火焰特征延续。

图4是2016年10月15日给粉机停，而火焰继续燃烧的情形。图中，黄色线为iFS10C给出的火焰状态信号，高电平（“1”）为有火，低电平（“0”）为灭火。粉红色线为9 Hz特征线，显示窗口得量程范围为0～30。给粉机停止持续数十秒后火焰特征才彻底消失。之所以给粉机停止后火焰闪烁特征仍然持续，是因为给粉管道内有大量煤粉残留，煤粉附着较多，附着力较强，经持续吹扫后才干净。反映了真实的现场情况，若根据给粉机停止信号则反而有一定的危险隐患。

图4 给粉机停火焰继续燃烧

情形2：给粉机不停，火焰特征消失，装置发灭火报警。

通过检查对比统计情形，可以看到，给粉机转速很低，不足以供粉，但尚未停机时，如火焰特征消失，则iFS10C立即、准确地报出“灭火”信号。图5为3M2，9M3，11M4 的典型灭火画面。

图5 典型灭火画面

4 结语

从iFS投入运行两年来的检测结果看，iFS对灭火检测的准确率到达了100%。有火未报出的原因是，由于投用了给粉机停止信号作为强制灭火判断条件，且由于未设定该信号的时效区间，造成给粉机停止后强制灭火条件一直存在，再次投粉时，仍报灭火。因此，该问题属于给粉机停止信号使用不当造成的。从实际运行结果看，iFS的火焰检测理论，较好地解释了目前火焰观测中的一些疑难问题，其火焰检测技术，有效地解决了火焰观测中“偷看”问题，具有很大的技术突破意义和重大的推广价值。