SA-3000火检系统在“W”型火焰锅炉中的应用

姜烈伟

（韶关发电厂，广东 韶关 512132）

1 系统概述

韶关发电厂10号锅炉为东方锅炉厂引进美国福斯特·惠勒公司技术制造的300 MW“W”型火焰燃烧方式的锅炉，是广东省第1台“W”型火焰锅炉。其火检系统采用数字剖面火焰监测器(Digital Profile Detection，DPD)，包括DP7000数字剖面放大器、DPD数字剖面火检探头、电源模块、连接电缆组件及冷却风系统等。该系统中，24只煤燃烧器火检探头和24只油燃烧器火检探头均采用DPD78195-06的无光纤红外直窥式探头。这些探头能对目标火焰的频率和振幅特性不断地进行监测，并输出信号经电缆传输到控制室的DP7000放大器。DP7000放大器能区分火焰探头产生的脉冲率，通过对火焰信号平均处理，再依据用户选择的火焰独立门槛设定值，输出开关量“着火”、“无火”信号和4～20 mA的火焰强度模拟量信号，并提供给分散控制系统(Distributed Control System，DCS)使用。

其冷却风系统包括2台互为备用的冷却风机，正常情况下1台冷却风机就能保证足够的空气冷却所有火检观测管。火检冷却风压应不低于3.0 kPa。

2 设备现状及原因分析

自2009年5月开始，10号炉大部分DPD火焰监测器的工作状态不够稳定。经过现场设备检查及缺陷处理情况统计分析，发现存在以下问题。

(1)在现场确认燃烧器、油枪已着火的情况下，煤、油的火焰放大器不能输出稳定的“着火”信号。利用非光纤型直窥式DPD火检探头进行检测时，火检探头距离火焰燃烧位置远，且检测角度偏小，若锅炉燃烧器配风发生变化，火焰着火点位置可能发生变化，容易造成火焰短路，进而导致“着火”信号不稳定。由于现场工作环境恶劣，直窥式探头积灰问题严重，同时炉内高温造成窥光管前端变形，也在很大程度上影响了探头的检测效果，部分火检可能完全不能检测到火焰。

(2)DPD火检探头工作温度范围为-20～65 ℃，运行温度范围较小，容易烧坏。由于锅炉外壁周围的保温层未能有效阻断热源扩散，使得锅炉炉墙外壁周围温度过高，夏天时最高温度可达70～80 ℃。而DPD火检探头的工作温度上限只有65 ℃，在锅炉炉墙外壁周围的探头会严重超温而损坏。此外，红外直窥式探头(DPD78195-06)产品较为落后，很难购买到备品，且价格昂贵。

(3)DPD火检探头的相关参数不能正常设置。10号炉火检系统投运时间为2001年3月，而DPD火检探头及DP 7000放大器的正常使用寿命为6～8年，高温环境下的长时间工作使火检探头的大部分按键损坏、不能正常操作，导致探头就地参数设置操作困难或无法完成。DPD火检探头通过对火焰进行“学习”来检测当前火焰是否处于有火或无火状态，但是探头的按键损坏后，无法完成“学习”功能，因此火检探头也无法投入使用。

(4)DPD火检探头距离火焰燃烧位置较远，且检测角度有限，实际运行时经常出现“火检偷看”现象，即煤、油火检总会检测到附近其他煤、油火焰的燃烧情况，不能真实反映煤、油火焰检测的实际情况，容易引起火检保护误动，给锅炉的安全运行带来隐患。

由于目前24套煤火检系统和24套油火检系统大部分已无法正常检测火焰，导致炉膛火检保护无法投入，对锅炉安全运行构成威胁，且不能满足火力发电厂安全性评价中炉膛安全监控装置(Furnace Safety Supervision System，FSSS)应配有炉膛火焰监测装置保护的相关要求，因此需要对锅炉的火检系统及设备进行升级改造。

3 设备升级可行性分析及方案

3.1 可行性分析

根据现场火检系统设备状况及东方锅炉厂“W”型火焰锅炉的特点，将设备升级为分体式智能型火检系统SA-3000，接口与原火检系统相同。为了获得更好的火焰检测效果，增大火焰的检测视角，每套火检均加装了内外导管及光纤组件。燃烧器燃烧产生的红外线通过光纤传递到火检探头，火检探头将接收到的光信号转换为代表火焰特性的电信号，然后经过初级放大和处理后通过电缆组件传递到放大器，放大器再将电信号放大处理后输出为“着火”或“无火”接点信号和相应火焰强度的模拟量信号，并输入到DCS。为了节约成本，对原火检系统的电源模块及连接电缆组件不进行升级。

3.2 升级改造原因

(1)原DPD火检探头正常工作温度范围为-20～65 ℃，改造后的SF-300IR火检探头正常工作温度范围为-40～100 ℃，探头工作温度范围增大。夏天现场的环境温度可达70～80 ℃，使用SF-300IR火检探头时不会出现超温现象，能提高设备的使用寿命，降低维修成本，减少工作量。

(2)SA-3000火检系统是一套真正的分体式智能型一对一火焰检测系统，即采用1个SF-300IR火检探头对应1个SA-3000火检放大器来检测煤火焰或油火焰。SA-3000火检系统通过在电子间的放大器上设置增益、频率、带宽等参数来检测火焰是否处于有火状态，参数设置简单直观，不需像DPD火检那样在远程通讯无法满足的条件下还必须现场在火检探头上进行相关参数设置。

(3)SA-3000火检系统采用光纤型监测器，比非光纤型DPD火检更真实、可靠。其火检光纤采用绕性光纤组件，这些绕性光纤组件安装在锅炉的二次风箱内，用以将锅炉燃烧器燃烧产生的红外线传递到火检探头。绕性光纤组件包括外导管组件、内导管组件、安装管组件。其中，外导管组件固定在风箱内；内导管组件在使用时插入外导管组件中，由光导纤维、金属软管、导管、螺母等组成，并采用多种隔热措施，光纤耐温达到450 ℃，内导管光纤前端安装耐温达到1 200 ℃以上的石英镜头。在冷却风系统正常运行的情况下，火检内导管组件耐热温度不低于450 ℃，而二次风温一般低于350 ℃，使内导管组件的使用寿命得到保证。此外，由于SA-3000火检系统绕性光纤组件的内、外导管间通入冷却风保证了光纤的长寿命，同时吹扫光纤前端的石英镜头保证了光纤的透光率，因此，SA-3000火检系统更能准确反映炉膛工况，为锅炉的安全稳定运行提供有力保障。

其中：p0为一个大气压，p0=1.013×105 Pa；β为经验系数，对于吸送式两相流β=1.5×10-7为常数；L为水品管的长度，m；v0为吸尘孔出气流速度；μ为单位时间通过输料管有效断面的固体质量Gs与气体质量Ga之比：

3.3 升级改造方案

通过对现场设备检查及可行性分析判定，只要在设备中加装内、外导管组件，升级火检探头就能解决目前火检系统存在的问题。安装在锅炉的二次风箱内的绕性光纤组件包括外导管组件、内导管组件，火检现场部分安装方案如图1所示。

3.3.1 外导管组件安装方案

外导管组件前端头通过垫块焊接在预埋管内，垫块用来确定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火焰工况的检测，必须保证现场导管的最前端至预埋管前段的距离(炉膛内外导管前端火检至预埋管前段的距离)为120 mm，才能满足火检改造后SA-3000的检测火焰要求。外导管组件安装步骤如下。

(1)在炉墙外将安装法兰盘点焊在预埋管上。把安装管插入法兰盘内，在露出距法兰盘130 mm的距离处点焊安装管。

(2)将火检外导管从安装管中插入炉膛内。由于锅炉内油火检预埋管前端部分已被烧毁，且锅炉内无法补接预埋管，因此在预埋管内新增1根外径为60 mm的不锈钢管，然后把油火检外导管安装在不锈钢管内。油火检外导管前端焊接处距不锈钢管前端80 mm、距水冷壁平面240 mm。锅炉内煤火检前端距预埋管120 mm。

(3)将1块用来确定火检观察角度的垫块(15 mm×5 mm×10 mm)焊接在外导管的前端。在距离导管前端10 mm处进行焊接，垫块的另一面焊接在预埋管上，焊接使用不锈钢焊条。导管的最前端至预埋管前段的距离为120 mm，同时应将外导管后端的冷却风管接口朝向冷却风的方向，焊接时均采用满焊。

(4)炉墙外预埋管上安装的法兰盘及管烧焊必须满焊，要拉直外导管并固定住安装管上的顶丝，保证外导管不弯曲、不晃动。

(1)将内导管组件(含光纤)顺时针旋入外导管组件内。

(2)旋紧外导管组件的端盖组件。

(3)将SF-300IR火焰检测器和内导管组件的连接器连接。

(4)将原火检电缆组件的航空插头和SF-300IR火焰检测器的相应接口连接。

3.3.3 防止“火检偷看”方案

图1 火检现场部分安装示意

为避免“火检偷看”问题，通过增加硬接线、使用火检放大器SA-3000上的“远程文件”选择功能进行解决。从DCS引出1个开关量(干接点)作为逻辑条件，连接至每个火检放大器，共48个开关量。煤火检放大器引入煤火嘴开、关状态，油火检放大器引入油阀开、关状态，通过“煤火嘴开、关”开关量作为逻辑条件来判断“燃烧器是否处于运行状态”，通过“油阀开、关”开关量作为逻辑条件来判断“每个油枪是否投运”，从而分别选择火检放大器SA-3000上2组不同的参数，以解决“火检偷看”问题。

4 方案实施

要得到理想的火焰检测效果，必须严格按照设计方案的要求进行施工。2010年6月机组检修期间，按照设计方案进行了火检系统升级改造工作，准确安装了外导管组件、内导管组件及探头，并通过引入开关量解决了“火检偷看”问题。外导管组件完成安装后(炉膛内部分)的结构如图2所示。

图2 外导管组件(炉膛内部分)

5 应用情况

自升级改造完成以来，经过2年的观察、使用，分体式智能型火检系统SA-3000具有高度火焰鉴别功能，火焰检测信号准确、稳定，能够真实反映炉膛内的火焰燃烧情况，避免了火检保护拒动、误动等问题，解决了锅炉安全隐患，同时满足了火力发电厂安全性评价中对炉膛安全的有关要求。

6 结束语

针对300 MW机组“W”型火焰锅炉的火检系统故障，将原系统升级为分体式智能型火检系统SA-3000，同时解决了“火检偷看”问题，彻底解决了火检系统故障。

(1)煤火检采用导管组件，安装在燃烧器预留管或预留开孔处，导管前端安装在煤火检预留管内。应注意锅炉预埋管角度是否符合要求，保证火检绕性光纤组件的抽出距离。

(2)由于煤火检安装位置在2个乏气口间，通风和散热较差，探头长期处于高温环境。为保证火检探头的长期稳定运行，可在煤火检内导管后端加装延长管和弯头，将探头伸至温度相对较低的位置。

(3)若采用观测管，应将观测短管和锅炉厂预留的观测管通过焊接或法兰、螺纹等方式连接。

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