低负荷燃烧器摆角上摆受限于火检检测的探析

方国权 郝新凡

1.浙能阿克苏热电有限公司

2.浙江浙能兰溪发电有限责任公司

0 引言

浙能阿克苏热电超临界锅炉自投产以来，再热器汽温一直低于设计值，其控制以调节燃烧器喷嘴摆动角为主，事故喷水减温为辅。当燃烧器摆角上摆至75%～80%时，磨煤机火检信号开始出现脉动，严重时会造成磨煤机失去火检信号而跳磨，因此炉膛燃烧火焰的稳定是锅炉安全和经济运行的重要条件,其安装位置与角度决定了最佳火焰范围的可靠性与准确性。

1 探究对象分析

1.1 探究对象设备简介

阿电锅炉为超临界参数变压直流炉，单炉膛、四角切向燃烧、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构π 型锅炉。煤粉燃烧器四角布置、切向燃烧、摆动式低氮燃烧。煤粉喷嘴的周界风，每角主燃烧器共有二次风挡板17 组，每角主燃烧器喷嘴由一台智能型电动执行器集中带动上下摆动。煤粉燃烧器立面布置见图1。

图1 煤粉燃烧器立面布置图

火焰检测器为柔性光纤型，安装于各层煤粉喷嘴上方二次风道内与主燃烧器一次风摆角一起作上下摆动。主燃烧器一次风喷嘴摆动范围为-20～+20 （°摆角开度0～100%），二次风喷嘴（火焰检测器）摆动范围-30～+30 °。火检安装位置图见图2，柔性光纤型火检安装示意图见图3。

图2 火检安装位置图

图3 柔性光纤型火检安装示意图

1.2 火焰检测器工作原理

火焰检测器检测部件通常安装在燃烧器附件风道内或靠近燃烧器的地方，炉膛燃烧时产生的紫外线、红外线等可见光通过光纤送到检测器，检测器将光信号转换为电信号，通过屏蔽电缆送到火检放大器整形、放大后输出一模拟信号和数字信号到DCS 系统［1］，见图4。

图4 燃烧器火焰图像图

DCS 画面上模拟信号量与实际火焰信号值之间的关系为：

煤粉通过燃烧器喷嘴进入炉膛燃烧分为四个阶段，每个阶段火焰辐射的光谱频率和光强是不断变化的。

第一阶段为黑龙区，是一次风口喷出的暗色煤粉与一次热风的混合物流，是燃料射出喷口后预热阶段。此时燃料未燃，其发射的红外线光强较弱，频率域光强的变化较复杂。

第二阶段为初始燃烧区。燃料因受到高温炉气回流的加热开始燃烧，大量的燃料颗粒燃烧成亮点流。此段的亮度虽不是最大，但变化频率为最大。

第三阶段为完全燃烧区，也是燃烧释放大部分热量的区域，这时的火焰亮度最高。

第四阶段为燃烬区，此时的煤粉绝大部分燃烧完毕并形成飞灰，少数较大颗粒继续燃烧，最后形成高温炉气流，这时的亮度变化频率较低。

煤粉燃烧四个阶段见图5。

图5 煤粉燃烧四个阶段

炉膛火焰闪烁频率取决于燃料种类、燃烧器运行条件、燃烧器结构、监测方法以及观测角度等。

如上所述，火焰闪烁频率在初始燃烧区更高，在火焰外围更低。检测器距初始燃烧区越近，检测到的高频成分越强；探头视角越窄，检测到的频率越高，扩大视角会降低检测到的闪烁频率。燃烧器火焰存在与否，不仅会影响检测区的闪烁频率，且亮度也会发生变化：火焰存在时亮度大，火焰丢失时亮度减弱。

实际应用可结合闪烁频率和亮度两个参数综合判断，以取得更加准确的结果。火焰检测信号见图6。

图6 火焰检测信号

2 目前存在的问题

阿电超临界锅炉自投产一年来，再热器汽温一直较低，且起主要调节手段的主燃烧器摆角上摆受限。当主燃烧器一次风喷嘴摆角上摆时，火检探头和二次风喷嘴一起上摆。上摆至一定程度时，火检检测范围与角度发生变化，导致磨煤机火检信号强度变弱并产生脉动、闪烁，严重时造成磨煤机失去火检信号而跳闸。下面为阿电实际运行曲线说明：

1)工况不变，主燃烧器摆角上摆对火检检测火焰信号强度的影响，见图7。

图7 工况不变，主燃烧器摆角上摆对火检检测火焰信号强度的影响

2)降负荷过程中，伴随主燃烧器摆角的上摆，磨煤机失去火检信号而跳闸，见图8。

图8 降负荷过程中，主燃烧器摆角的上摆导致磨煤机失去火检信号而跳闸

由图7 可看出，在负荷、磨煤机一次风速、风压不变的情况下，单纯上摆燃烧器喷嘴摆角从70%至77%时，火检检测到的火焰信号强度开始出现脉动，即火检信号开始变弱，当摆至81%时火检信号剧烈晃动且浮动值较大。而当燃烧器喷嘴摆角由81%摆回至70%时，火检强度信号趋于稳定。图8 显示当主燃烧器喷嘴摆角上摆至80%时，磨煤机火检信号出现剧烈脉动导致磨煤机失去火检信号而跳闸。由此说明当主燃烧器摆角上摆超过一定值后，会对火焰检测器检测火焰的角度和区域造成影响，导致信号变弱甚至消失。

3 原因分析

3.1 火焰检测器传输信号问题

造成火焰检测器传输信号出现问题的主要因素有［2］：

1)炉内积灰多，造成火焰检测器探头脏而影响探头正常检测；

2)低负荷时磨煤机出力下降，一次风粉配比调整较慢，炉膛风量较大，造成火焰飘移，导致传输信号波动；

3)火焰检测器接线松脱；

4)火检放大器元件老化。

3.2 炉膛燃烧及一次风速的影响

1)在机组负荷较低的情况下，炉内燃烧会更差，火检信号更弱、更易浮动，且燃煤挥发分低会导致燃烧黑区延长。

2)在火检探头安装完毕，位置和角度一定的情况下，如果操作人员对磨煤机一次风压、风速调整不当会导致燃烧器喷嘴处火焰四个区发生前移或后移，火检探头不能检测出火焰的最佳燃烧区。当火焰的闪烁频率和光强度发生变化时，亦使火检探头检测的火焰信号变弱。

3)实际运行经验发现，当磨煤机一次风量低于60 t/h 时，煤粉着火中心前移，如若燃烧器摆角上摆而导致探头视线变远，火检信号会变得更弱。

3.3 火焰检测器探头安装位置与角度问题

火焰检测器外导管组件前端头通过垫块焊接在二次风箱的隔板上，垫块确定了火检的观测角度和范围，外导管组件前端头的安装位置将直接影响火检设备对炉膛工况的检测。外导管组件的安装步骤如下：

1)根据设计图纸尺寸或施工方案，将安装管点焊在燃烧器外壁预先开孔的位置上（通常锅炉厂已开孔，改造项目需调整孔径或现场重新确定位置）。

2)安装视角

安装探头挠性光纤时，导管的视线与燃烧器中心线相交成一很小的角度a（5～15 °），且最大限度看到主燃烧区，如图9所示。

图9 探头安装视角

阿电炉煤火检摆角对应火焰中心距离L1见表1。

表1 炉煤火检摆角对应火焰中心距离

由上表可看出，L1 值人工取点测算方法存在较大误差，再加上安装误差，更易导致探头检测的最佳火焰区域偏离理论值。

火焰检测器安装在主燃烧器一次风喷嘴上一层二次风道内，随着二次风喷嘴同主燃烧器喷嘴摆角集中作上下摆动。当探头安装位置确定后，其角度是根据二次风喷嘴摆角范围及火焰燃烧最佳区域范围长度进行测算得出的，但由于人为焊接时易出现误差，从而使探头检测火焰区域发生偏移，造成火检信号强度偏离理论值。此外，由于火焰检测器安装在二次风道内，二次风喷嘴摆角范围与主燃烧器一次风喷嘴摆角范围存在偏差，故当主燃烧器喷嘴摆角摆动时易导致二次风道壁影响探头“视线”。

4 可行性措施探究

4.1 定期对火焰检测器进行检查

应定期对探头进行清洁、擦拭，对火检放大器二次回路进行线路检查及元器件监测。

探头工作温度85 ℃，光纤工作温度480 ℃，防护等级:IP66(NEMA 4)。

探头工作在温度高、飞灰大的锅炉旁，尽管探头光纤可在较高的温度下工作，但温度低会使其运行更可靠，寿命也更长。因此，探头冷却风系统的正常运行是探头不损伤、探头清洁可靠的有效手段。

4.2 提高机组负荷率，合理调整一次风速、风压

1)机组运行过程中尽可能申请高负荷，以改善炉内煤粉燃烧工况，提升火检检测质量。

2)机组工况稳定期间，做好磨煤机主要参数的监视，不可大幅度调整磨煤机一次风量及风压，避免主燃烧器喷嘴煤粉着火距离发生改变，影响火检探头检测的最佳火焰区域偏移。

3)定期观火。判断着火距离是否合适，结合实际火检信号对一次风压进行调整。根据喷嘴处火焰发散情况调整周界风，确保煤粉在未完全燃烧的情况下向四周发散，并保证炉膛与二次风差压在合理范围内。

4.3 火焰检测器的调整

1)安装位置的确定

火检安装位置根据锅炉厂提供的燃烧数据，由火检供应商确定。

2)火检探头导管视线与燃烧器中心线角度的确定

角度的计算在3.3 中已有说明，但该人工采点测算方法存在较大误差。改进方法：机组运行后记录多工况下磨煤机一次风速、风压、摆角开度及火检信号强度值，同时参考人工观火估测的煤粉火焰最佳燃烧距离进行综合分析，待锅炉大修时应用高精密测量仪器及多点测算方式测算探头安装角度以减小误差。

3)对火焰频率及强度设定值进行调整

火检检测到的火焰信号经放大器后如低于频率或光强度任一跳闸值时，均会导致磨煤机跳闸。

由1.2 中火检信号模拟量与开关量计算公式可知，在摆角上摆过程中，火检探头检测到的火焰区域后移，亮度变化频率变弱，这时可通过对频率和光强度的设定值进行调整，提高模拟量信号值，使其远离起跳值，避免磨煤机跳闸事故。

4)改进

目前阿电使用的是内窥式火检探头，由于二次风喷嘴与燃烧器喷嘴摆角范围存在偏差，探头在二次风道内随主燃烧器一次风喷嘴摆角一起上下摆动，极易受到影响。

改进方法：将火检探头通过连杆与主燃烧器一次风喷嘴周界风外壁固定，活动范围仍在二次风管内。在摆角从50%上摆至100%过程中仍能实现火检探头对最佳火焰范围的同步跟踪，排除因二次风喷嘴与主燃烧器一次风喷嘴摆角范围偏差带来的影响。

火检探头现状与改进示意图见图10。

图10 火检探头现状与改进示意图

改进中需考虑的问题：

(1)由于火检探头是随燃烧器喷嘴作上下摆动的，有可能在二次风管内活动时与管壁相触，带来隐患。

主燃烧器喷嘴摆角上摆至最高时火检探头位置见图11。

图11 主燃烧器喷嘴摆角上摆至最高时火检探头位置图

图中1、2为摆角处于水平位置时火检探头的位置。1’、2’为摆角摆至最高开度时探头改进前、后的位置，为避免在摆角上摆过程中出现探头与二次风管下壁发生摩擦，须保证：

(2)在主燃烧器摆角上下摆动时，二次风喷嘴摆角范围是-30～+30°，燃烧器一次风喷嘴摆角范围-20～+20°，火检探头在二次风管道内随燃烧器喷嘴摆角同步摆动，“视线”易受到二次风管下壁的影响，故需根据煤粉细度、一次风速、着火时间等确定探头焊接位置并对二次风管壁进行适当切割（如有必要）。

(3)连杆需选用耐高温、耐腐蚀的材料。

5 结论

机组投运1 年以来，再热器汽温的调整严重受到摆角上摆时火检信号强度发生脉动的影响，经采取措施后有一定的好转，但低负荷时，摆角上摆开度仍不能超过80%，通过分析及探究，发现火检探头固定在二次风管壁上随主燃烧器喷嘴摆角集中摆动存在一定的弊端，改进后可将该影响减至最低，且摆角上摆过程中火检探头随主燃烧器喷嘴火焰中心线一起摆动，避免了“视线”偏离火焰最佳区域理论计算值，低负荷时可实现主燃烧器喷嘴摆角自由上摆，提高了锅炉运行的经济性及安全性。