适应火电机组深度调峰运行的锅炉火检系统优化

叶智明

（吉林电力股份有限公司白城发电公司，吉林 白城 137000）

0 引言

炉膛安全监控系统（furnace safety supervisory system，FSSS）是火电机组锅炉必备的监控系统，主燃料跳闸（main fuel trip，MFT）是FSSS中最重要的安全功能，全炉膛灭火保护是MFT主保护之一，火检系统则是全炉膛灭火保护的“眼睛”。火检系统可以判断燃料是否被点燃或者燃烧是否充分，及时触发全炉膛灭火保护和因燃料丧失导致炉膛灭火时能及时触发保护动作，防止因炉内堆积导致燃料爆燃。在机组正常运行时，操作人员通过火检信号了解炉膛燃烧情况，进行燃烧调整，保证机组安全稳定运行。本文结合某超临界燃煤机组在生产过程中的实际状况，对火检系统暴露出的问题进行分析，对火检系统维护及技术改造的经验进行总结，满足机组深度调峰至20%Pe（机组额定负荷）安全生产要求。

1 火检系统简述

某超临界燃煤机组锅炉采用前后墙对冲燃烧，前墙3层后墙3层布置，每层配有4支旋流燃烧器，每支燃烧器都配有1支煤火检装置和1支油火检装置，火检系统采用某分体式IDD9000系列产品，火检光纤、火检探头、信号电缆在就地分散布置，火检放大器集中在电子间火检控制柜。

IDD9000系列火焰检测装置安装时应对准燃烧器主燃烧区域，火焰发射的辐射能通过光纤传送到火检探头感光元件的表面，根据火焰亮度与火焰闪动程度的不同，光敏电阻的阻值发生变化，产生一个与火焰强度和频率成正比的交流电压输出信号，火检放大器通过检测火焰的强度及闪烁频率，有效区分目标火焰和背景火焰。另外，放大器将实际值与设定值进行比较，计算并输出至分散控制系统（distributed control system，DCS）4～20 m A 火检强度信号和开关量有火信号。IDD9000放大器还具有自检功能，每间隔一定时间（可手操器设定）发出自检脉冲信号，使光敏元件50 V 直流（direct current，DC）偏置电压瞬间消失，如果此时火检强度未降低至无火设定值以下，放大器将触发故障报警，火检开关量信号消失，模拟量信号保持当前值，只能通过到就地柜手动复位才可以消除报警信号。

在DCS逻辑上，火检有火信号是由火检装置有火信号与装置无故障信号综合判断所得。目前火检系统主要涉及全炉膛灭火MFT保护及磨煤机跳闸保护。当机组有煤层投运记忆或油燃烧器投运记忆时，每层油火检及煤火检信号同时有3个及以上消失，将触发全炉膛灭火保护；当每层煤燃烧器火检有火信号同时有3个及以上消失，将触发该层磨煤机灭火信号，导致磨煤机跳闸［1］。

2 火检系统存在的问题

由于火检系统安装工艺参差不齐、工作环境恶劣等因素，运行时易出现烧保险、误报警等问题，当机组在深度调峰负荷工况运行时，问题尤为突出。

2.1 探头角度偏移

火检检测信号不能正确反映炉膛内燃烧情况，有些燃烧器层火检信号在炉膛已经无火或燃烧器已经停运的情况下仍然存在较强的火检强度信号，存在“偷看”现象，无法正确指导运行人员对燃烧情况进行调整。通过手操器可以得知，调试期间厂家为火检放大器设定的频率统一定为12～24 Hz，显然这一参数不具有代表性。

2.2 火检系统两点接地

火检控制系统放大器至DCS输出信号电缆两端接地，会造成放大器输出信号保险熔断。DCS的模拟量输入（analog input，AI）卡件为24 V DC电源，信号在卡件负极接地，当放大器控制回路盘柜同时接地时，会出现两端对地悬浮，造成两端负极之间存在电势差，导致放大器输出信号回路过电流烧断保险，引起放大器故障，火检信号误报警等现象。

2.3 安装工艺差

在对放大器输入端电压进行检测时发现，部分火检装置测量不到工作电压（15 V DC）、偏置电压（50 V DC）、反馈电压（7 V DC）或信号衰减，更有放大器保险熔断的现象。通过对火检探头至放大器之间的电缆及焊接点排查，发现就地火检设备航空插头焊接工艺较差，存在虚接问题。另外，由于火检探头专用预制电缆长度不能满足现场要求，且专用电缆成本是普通电缆的10倍左右，安装单位将专用电缆与4×1.5 mm2普通屏蔽电缆简单铰接，导致放大器输入回路出现接地烧保险或信号衰减的现象，影响火检装置正常稳定使用。

2.4 冷却风量不足

火检光纤处于整个火检系统中温度最高、环境最恶劣的环境。设计中光纤配有保护套管，并且火检冷却风机提供一定压力的冷却风对其降温。运行过程中，由于炉膛结焦、炉膛压力波动、冷却风管堵塞、保护套管破损等因素，导致冷却风无法降低火检光纤顶端温度，光纤工作温度过高受损，无法真实反映出炉膛内部燃烧情况。

2.5 燃烧工况问题

机组稳定运行时，由于二次风、三次风开度及配风量与燃烧煤种不匹配，机组常态化深度调峰运行，部分火检强度变化幅度大，火焰强烈闪烁，而更换火检探头、修改放大器参数等都无法有效处理，影响操作人员对燃烧器状态的判断。

2.6 自适应能力弱

机组在稳定运行期间，火检放大器经常误发火检装置故障信号，变负荷阶段误报警现象尤为突出，导致火检有火信号消失，必须到电子间就地控制柜复位才可消除，不仅增加维护工作量，而且威胁机组安全稳定运行。

3 火检系统优化措施

经过对火检系统的故障排查、分析及改造，完善了火检设备的技术参数，提高了火检性能，适应火电机组深度调峰运行，满足机组深度调峰至20%Pe（Pe为额定负荷）安全生产要求。

3.1 优化探头安装位置

探头安装问题是影响火检测量最根本的原因，它会导致同一燃烧器煤和油火检相互“偷看”，相邻燃烧器煤和油火检相互“偷看”，火焰漂移引起火检闪烁等问题，所以寻找火检探头最佳的看火角度尤为重要［2］。技术人员利用机组停机检修的机会进入炉膛，核对每一个火检可视探头的安装位置和角度。根据燃烧火焰形状，可将燃烧火焰分为黑龙区、初始燃烧区域、燃烧区和燃尽区。黑龙区是风粉混合物从燃烧器喷射出的第一段区域，该区域火焰强度和闪烁频率都比较低；初始燃烧区是指高温气体与回流烟气对煤粉进行加热，使煤粉颗粒爆燃区域，该区域火焰亮度不大，但是闪烁频率较高；燃烧区是火焰强度最大、燃烧比较稳定的区域，煤粉可以在二次风的作用下充分燃烧；燃尽区内大多是飞灰，少量大颗粒煤粉进行燃烧，火焰强度及频率比较低。为了更好、更稳定地监测炉膛燃烧情况，火焰监视器的视野应最大限度监控火焰燃烧区。根据锅炉厂、火检装置设计参数，及燃烧器风门初步调整后火焰的状态，重新对火检监视器固定支架设计加工，使煤火检视线与燃烧器中心线相交的角度为5°，油火检视线与燃烧器中心线相交的角度为7°，即煤火检视野中心距燃烧器火焰喷口5 m左右，油火检炉膛视野中心距燃烧器火焰喷口3.5 m左右。将煤火检探头布置在燃烧器上半部分二次风旋流方向的37°，油火检探头布置在燃烧器上半部分二次风旋流反方向的53°，确保煤、油火检探头获得最佳的监视效果。火栓监视器固定支架结构设计见图1。

图1 火检监视器固定支架结构设计

3.2 优化接地装置

IDD9000装置放大器将火检探头参考接地点与放大器输出信号接地点合并在一点，导致工作中频繁发生保险熔断事件。为保证设备可靠工作，优化方案中取消火检放大器端接地，只保留DCS卡件负极接地。在IDD9000放大器输出开关量及模拟量信号回路加装无缘隔离栅，将火检放大器与DCS控制器两端接地点进行有效隔离，解决了放大器与DCS之间信号参考点存在电势差形成接地环路的问题，保证了设备安全和系统稳定。

3.3 优化火检装置安装

通过对火检系统航空插头焊接点重新铰接挂锡，所有与普通电缆铰接的地方更换成端子排，确保连接可靠，消除电缆干扰，解决了火检装置安装工艺差及工作环境恶劣导致探头供电电压消失、放大器检测信号微弱的问题。验收阶段，对所有火检电缆进行全面的绝缘检查，防止电缆接地引起放大器烧保险事故发生，为火检装置正常工作提供基础保障。

3.4 加强冷却风压维护

光纤时刻传输炉膛里燃料的燃烧情况，为了防止光纤温度过高受损，机组运行过程中重点监视冷却风压，并调节冷却风压由原来的5 k Pa提高至6 k Pa，保证光纤不超过300℃的最大耐温。在机组检修期间进入二次风箱认真检查光纤保护套管情况，确保光纤在保护套管顶端形成一层冷却风［2］。

3.5 调整无火信号门槛电压

电厂燃料来源复杂，煤质种类较多，常用煤种燃烧数据对比分析尤为重要，根据燃料燃烧特性的不同，将放大器煤火检频率设置为20～40 Hz，油火检频率设置为40～80 Hz。根据不同负荷段火检强度的反馈情况，将煤火检放大器有火门槛设置为200，油火检放大器有火门槛设置为300；根据多次探头自检试验的结果，煤火检放大器无火信号由50改为100，油火检放大器无火信号由50改为200，通过更改增益数值来改变火焰强度数值，以达到燃烧器运行时火检强度适中（250～700）的目的。解决火检探头自检过程中，火检强度不能瞬间降低至无火信号值以下，触发火检故障报警的问题。

3.6 优化逻辑

优化制粉系统油枪快速投入逻辑，在火检闪烁及给煤机跳闸后，快速投入微油稳燃层油枪及相应燃烧器1号、3号油枪，若60 s后煤火检无火信号仍然存在，将继续投入2号、4号油枪。确保稳燃层油枪可靠投入，防止炉膛燃烧恶化，同时，降低因火检系统故障造成的成本投入［3］。

4 结论

通过优化火检系统控制回路、接地回路和调整运行参数，火检探头及放大器的故障率降低90%，火检缺陷发生率降低96%，延长设备使用寿命，炉膛灭火保护动作可靠性提高。机组火焰检测系统满足了设备保护和运行监视的要求，降低了火检维护的工作量，为机组在深度调峰负荷工况安全经济稳定运行打下了坚实的基础。