方國(guó)權(quán) 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(zé)任公司

0 引言

浙能阿克蘇熱電超臨界鍋爐自投產(chǎn)以來(lái)，再熱器汽溫一直低于設(shè)計(jì)值，其控制以調(diào)節(jié)燃燒器噴嘴擺動(dòng)角為主，事故噴水減溫為輔。當(dāng)燃燒器擺角上擺至75%～80%時(shí)，磨煤機(jī)火檢信號(hào)開(kāi)始出現(xiàn)脈動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成磨煤機(jī)失去火檢信號(hào)而跳磨，因此爐膛燃燒火焰的穩(wěn)定是鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(zhǔn)確性。

1 探究對(duì)象分析

1.1 探究對(duì)象設(shè)備簡(jiǎn)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(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)π 型鍋爐。煤粉燃燒器四角布置、切向燃燒、擺動(dòng)式低氮燃燒。煤粉噴嘴的周界風(fēng)，每角主燃燒器共有二次風(fēng)擋板17 組，每角主燃燒器噴嘴由一臺(tái)智能型電動(dòng)執(zhí)行器集中帶動(dòng)上下擺動(dòng)。煤粉燃燒器立面布置見(jiàn)圖1。

圖1 煤粉燃燒器立面布置圖

火焰檢測(cè)器為柔性光纖型，安裝于各層煤粉噴嘴上方二次風(fēng)道內(nèi)與主燃燒器一次風(fēng)擺角一起作上下擺動(dòng)。主燃燒器一次風(fēng)噴嘴擺動(dòng)范圍為-20～+20 （°擺角開(kāi)度0～100%），二次風(fēng)噴嘴（火焰檢測(cè)器）擺動(dòng)范圍-30～+30 °?；饳z安裝位置圖見(jiàn)圖2，柔性光纖型火檢安裝示意圖見(jiàn)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(cè)器工作原理

火焰檢測(cè)器檢測(cè)部件通常安裝在燃燒器附件風(fēng)道內(nèi)或靠近燃燒器的地方，爐膛燃燒時(shí)產(chǎn)生的紫外線、紅外線等可見(jiàn)光通過(guò)光纖送到檢測(cè)器，檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)屏蔽電纜送到火檢放大器整形、放大后輸出一模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)到DCS 系統(tǒng)［1］，見(jiàn)圖4。

圖4 燃燒器火焰圖像圖

DCS 畫面上模擬信號(hào)量與實(shí)際火焰信號(hào)值之間的關(guān)系為：

煤粉通過(guò)燃燒器噴嘴進(jìn)入爐膛燃燒分為四個(gè)階段，每個(gè)階段火焰輻射的光譜頻率和光強(qiáng)是不斷變化的。

第一階段為黑龍區(qū)，是一次風(fēng)口噴出的暗色煤粉與一次熱風(fēng)的混合物流，是燃料射出噴口后預(yù)熱階段。此時(shí)燃料未燃，其發(fā)射的紅外線光強(qiáng)較弱，頻率域光強(qiáng)的變化較復(fù)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(kāi)始燃燒，大量的燃料顆粒燃燒成亮點(diǎn)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(shí)的火焰亮度最高。

第四階段為燃燼區(qū)，此時(shí)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(shí)的亮度變化頻率較低。

煤粉燃燒四個(gè)階段見(jiàn)圖5。

圖5 煤粉燃燒四個(gè)階段

爐膛火焰閃爍頻率取決于燃料種類、燃燒器運(yùn)行條件、燃燒器結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)方法以及觀測(cè)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(cè)器距初始燃燒區(qū)越近，檢測(cè)到的高頻成分越強(qiáng)；探頭視角越窄，檢測(cè)到的頻率越高，擴(kuò)大視角會(huì)降低檢測(cè)到的閃爍頻率。燃燒器火焰存在與否，不僅會(huì)影響檢測(cè)區(qū)的閃爍頻率，且亮度也會(huì)發(fā)生變化：火焰存在時(shí)亮度大，火焰丟失時(shí)亮度減弱。

實(shí)際應(yīng)用可結(jié)合閃爍頻率和亮度兩個(gè)參數(shù)綜合判斷，以取得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。火焰檢測(cè)信號(hào)見(jiàn)圖6。

圖6 火焰檢測(cè)信號(hào)

2 目前存在的問(wèn)題

阿電超臨界鍋爐自投產(chǎn)一年來(lái)，再熱器汽溫一直較低，且起主要調(diào)節(jié)手段的主燃燒器擺角上擺受限。當(dāng)主燃燒器一次風(fēng)噴嘴擺角上擺時(shí)，火檢探頭和二次風(fēng)噴嘴一起上擺。上擺至一定程度時(shí)，火檢檢測(cè)范圍與角度發(fā)生變化，導(dǎo)致磨煤機(jī)火檢信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)醪a(chǎn)生脈動(dòng)、閃爍，嚴(yán)重時(shí)造成磨煤機(jī)失去火檢信號(hào)而跳閘。下面為阿電實(shí)際運(yùn)行曲線說(shuō)明：

1)工況不變，主燃燒器擺角上擺對(duì)火檢檢測(cè)火焰信號(hào)強(qiáng)度的影響，見(jiàn)圖7。

圖7 工況不變，主燃燒器擺角上擺對(duì)火檢檢測(cè)火焰信號(hào)強(qiáng)度的影響

2)降負(fù)荷過(guò)程中，伴隨主燃燒器擺角的上擺，磨煤機(jī)失去火檢信號(hào)而跳閘，見(jiàn)圖8。

圖8 降負(fù)荷過(guò)程中，主燃燒器擺角的上擺導(dǎo)致磨煤機(jī)失去火檢信號(hào)而跳閘

由圖7 可看出，在負(fù)荷、磨煤機(jī)一次風(fēng)速、風(fēng)壓不變的情況下，單純上擺燃燒器噴嘴擺角從70%至77%時(shí)，火檢檢測(cè)到的火焰信號(hào)強(qiáng)度開(kāi)始出現(xiàn)脈動(dòng)，即火檢信號(hào)開(kāi)始變?nèi)?，?dāng)擺至81%時(shí)火檢信號(hào)劇烈晃動(dòng)且浮動(dòng)值較大。而當(dāng)燃燒器噴嘴擺角由81%擺回至70%時(shí)，火檢強(qiáng)度信號(hào)趨于穩(wěn)定。圖8 顯示當(dāng)主燃燒器噴嘴擺角上擺至80%時(shí)，磨煤機(jī)火檢信號(hào)出現(xiàn)劇烈脈動(dòng)導(dǎo)致磨煤機(jī)失去火檢信號(hào)而跳閘。由此說(shuō)明當(dāng)主燃燒器擺角上擺超過(guò)一定值后，會(huì)對(duì)火焰檢測(cè)器檢測(cè)火焰的角度和區(qū)域造成影響，導(dǎo)致信號(hào)變?nèi)跎踔料А?/p>

3 原因分析

3.1 火焰檢測(cè)器傳輸信號(hào)問(wèn)題

造成火焰檢測(cè)器傳輸信號(hào)出現(xiàn)問(wèn)題的主要因素有［2］：

1)爐內(nèi)積灰多，造成火焰檢測(cè)器探頭臟而影響探頭正常檢測(cè)；

2)低負(fù)荷時(shí)磨煤機(jī)出力下降，一次風(fēng)粉配比調(diào)整較慢，爐膛風(fēng)量較大，造成火焰飄移，導(dǎo)致傳輸信號(hào)波動(dòng)；

3)火焰檢測(cè)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(fēng)速的影響

1)在機(jī)組負(fù)荷較低的情況下，爐內(nèi)燃燒會(huì)更差，火檢信號(hào)更弱、更易浮動(dòng)，且燃煤揮發(fā)分低會(huì)導(dǎo)致燃燒黑區(qū)延長(zhǎng)。

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(duì)磨煤機(jī)一次風(fēng)壓、風(fēng)速調(diào)整不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致燃燒器噴嘴處火焰四個(gè)區(qū)發(fā)生前移或后移，火檢探頭不能檢測(cè)出火焰的最佳燃燒區(qū)。當(dāng)火焰的閃爍頻率和光強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，亦使火檢探頭檢測(cè)的火焰信號(hào)變?nèi)酢?/p>

3)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磨煤機(jī)一次風(fēng)量低于60 t/h 時(shí)，煤粉著火中心前移，如若燃燒器擺角上擺而導(dǎo)致探頭視線變遠(yuǎn)，火檢信號(hào)會(huì)變得更弱。

3.3 火焰檢測(cè)器探頭安裝位置與角度問(wèn)題

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

1)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙尺寸或施工方案，將安裝管點(diǎn)焊在燃燒器外壁預(yù)先開(kāi)孔的位置上（通常鍋爐廠已開(kāi)孔，改造項(xiàng)目需調(diào)整孔徑或現(xiàn)場(chǎng)重新確定位置）。

2)安裝視角

安裝探頭撓性光纖時(shí)，導(dǎo)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(duì)應(yīng)火焰中心距離L1見(jiàn)表1。

表1 爐煤火檢擺角對(duì)應(yīng)火焰中心距離

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

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

4 可行性措施探究

4.1 定期對(duì)火焰檢測(cè)器進(jìn)行檢查

應(yīng)定期對(duì)探頭進(jìn)行清潔、擦拭，對(duì)火檢放大器二次回路進(jìn)行線路檢查及元器件監(jiān)測(cè)。

探頭工作溫度85 ℃，光纖工作溫度480 ℃，防護(hù)等級(jí):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(huì)使其運(yùn)行更可靠，壽命也更長(zhǎng)。因此，探頭冷卻風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行是探頭不損傷、探頭清潔可靠的有效手段。

4.2 提高機(jī)組負(fù)荷率，合理調(diào)整一次風(fēng)速、風(fēng)壓

1)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中盡可能申請(qǐng)高負(fù)荷，以改善爐內(nèi)煤粉燃燒工況，提升火檢檢測(cè)質(zhì)量。

2)機(jī)組工況穩(wěn)定期間，做好磨煤機(jī)主要參數(shù)的監(jiān)視，不可大幅度調(diào)整磨煤機(jī)一次風(fēng)量及風(fēng)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(cè)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(jié)合實(shí)際火檢信號(hào)對(duì)一次風(fēng)壓進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)噴嘴處火焰發(fā)散情況調(diào)整周界風(fēng)，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(fēng)差壓在合理范圍內(nèi)。

4.3 火焰檢測(cè)器的調(diào)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(yīng)商確定。

2)火檢探頭導(dǎo)管視線與燃燒器中心線角度的確定

角度的計(jì)算在3.3 中已有說(shuō)明，但該人工采點(diǎn)測(cè)算方法存在較大誤差。改進(jìn)方法：機(jī)組運(yùn)行后記錄多工況下磨煤機(jī)一次風(fēng)速、風(fēng)壓、擺角開(kāi)度及火檢信號(hào)強(qiáng)度值，同時(shí)參考人工觀火估測(cè)的煤粉火焰最佳燃燒距離進(jìn)行綜合分析，待鍋爐大修時(shí)應(yīng)用高精密測(cè)量?jī)x器及多點(diǎn)測(cè)算方式測(cè)算探頭安裝角度以減小誤差。

3)對(duì)火焰頻率及強(qiáng)度設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整

火檢檢測(cè)到的火焰信號(hào)經(jīng)放大器后如低于頻率或光強(qiáng)度任一跳閘值時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致磨煤機(jī)跳閘。

由1.2 中火檢信號(hào)模擬量與開(kāi)關(guān)量計(jì)算公式可知，在擺角上擺過(guò)程中，火檢探頭檢測(cè)到的火焰區(qū)域后移，亮度變化頻率變?nèi)?，這時(shí)可通過(guò)對(duì)頻率和光強(qiáng)度的設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，提高模擬量信號(hào)值，使其遠(yuǎn)離起跳值，避免磨煤機(jī)跳閘事故。

4)改進(jìn)

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

改進(jìn)方法：將火檢探頭通過(guò)連桿與主燃燒器一次風(fēng)噴嘴周界風(fēng)外壁固定，活動(dòng)范圍仍在二次風(fēng)管內(nèi)。在擺角從50%上擺至100%過(guò)程中仍能實(shí)現(xiàn)火檢探頭對(duì)最佳火焰范圍的同步跟蹤，排除因二次風(fēng)噴嘴與主燃燒器一次風(fēng)噴嘴擺角范圍偏差帶來(lái)的影響。

火檢探頭現(xiàn)狀與改進(jìn)示意圖見(jiàn)圖10。

圖10 火檢探頭現(xiàn)狀與改進(jìn)示意圖

改進(jìn)中需考慮的問(wèn)題：

(1)由于火檢探頭是隨燃燒器噴嘴作上下擺動(dòng)的，有可能在二次風(fēng)管內(nèi)活動(dòng)時(shí)與管壁相觸，帶來(lái)隱患。

主燃燒器噴嘴擺角上擺至最高時(shí)火檢探頭位置見(jiàn)圖11。

圖11 主燃燒器噴嘴擺角上擺至最高時(shí)火檢探頭位置圖

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

(2)在主燃燒器擺角上下擺動(dòng)時(shí)，二次風(fēng)噴嘴擺角范圍是-30～+30°，燃燒器一次風(fēng)噴嘴擺角范圍-20～+20°，火檢探頭在二次風(fēng)管道內(nèi)隨燃燒器噴嘴擺角同步擺動(dòng)，“視線”易受到二次風(fēng)管下壁的影響，故需根據(jù)煤粉細(xì)度、一次風(fēng)速、著火時(shí)間等確定探頭焊接位置并對(duì)二次風(fēng)管壁進(jìn)行適當(dāng)切割（如有必要）。

(3)連桿需選用耐高溫、耐腐蝕的材料。

5 結(jié)論

機(jī)組投運(yùn)1 年以來(lái)，再熱器汽溫的調(diào)整嚴(yán)重受到擺角上擺時(shí)火檢信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生脈動(dòng)的影響，經(jīng)采取措施后有一定的好轉(zhuǎn)，但低負(fù)荷時(shí)，擺角上擺開(kāi)度仍不能超過(guò)80%，通過(guò)分析及探究，發(fā)現(xiàn)火檢探頭固定在二次風(fēng)管壁上隨主燃燒器噴嘴擺角集中擺動(dòng)存在一定的弊端，改進(jìn)后可將該影響減至最低，且擺角上擺過(guò)程中火檢探頭隨主燃燒器噴嘴火焰中心線一起擺動(dòng)，避免了“視線”偏離火焰最佳區(qū)域理論計(jì)算值，低負(fù)荷時(shí)可實(shí)現(xiàn)主燃燒器噴嘴擺角自由上擺，提高了鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及安全性。