等离子燃烧器火焰检验保护探讨

邵兴恩 ，李前宇 ，陈虎亮

（1.岱海发电有限责任公司，内蒙古凉城 013700；2.北京京能电力股份有限公司，北京 100124；3.北京源深节能技术有限责任公司，北京 100106）

0 引言

《电站煤粉锅炉炉膛防爆规程》《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》及各火力发电厂规程、措施中均明确提出锅炉保护是防止锅炉发生扩大性事故的重要屏障，任何情况下都必须加强锅炉保护，锅炉点火时严禁解除全炉膛灭火保护。

通过调研多个燃煤电厂锅炉冷态启动时的实际情况得知，采用等离子无油点火方式的燃烧器，点火初期煤火焰检验（以下简称“火检”）波动频繁。为避免磨煤机跳闸、主燃料跳闸MFT（main fuel trip）频繁动作，多数电厂采取手动退出磨煤机火检保护和全炉膛灭火保护直到锅炉达最低稳燃负荷以上，或者直接修改逻辑使其在等离子运行模式下自动退出上述两项保护[1]。有相关文献指出，等离子燃烧器满足“有弧就有火”，在锅炉炉膛安全监控系统 FSSS（furnace safety supervision system）逻辑里将等离子拉弧成功的信号和煤火检本身的检测信号以逻辑“或”的关系作为对应角火焰存在信号[2-3]。但任何涉及炉膛安全的逻辑变动都应以不违反安全规程为基础，应充分理解“等离子运行模式”的含义，避免在点火能量不足的情况下向炉膛投入煤粉。

锅炉冷态启动初期，进入炉膛内的燃料较少风量较大，大部分未燃煤粉被风机抽走或落入省煤器灰斗而排出炉外，炉膛内积存煤粉相当一段时间内达不到爆炸当量。同时，点火初期炉膛内温度低，即使短时存在未燃煤粉投入灭火的炉膛，也不会造成炉膛爆炸[4]，这是各电厂冷炉启动时未投火检保护而未造成炉膛爆燃的原因，这一点与热态不同。但随着锅炉启动进程的深入，特别是锅炉即将达到最低稳燃负荷时，一旦遇到人为判断失误或工况调整不及时造成炉膛灭火，此时仍向炉膛送粉，极可能造成炉膛爆炸。另外，由于火检误判而投油助燃的情况则更为常见，造成无油点火难以实现。

1 锅炉冷态点火初期煤火检频繁波动的原因分析

传统点火方式是锅炉启动初期用油枪暖炉2 h后启动制粉系统，暖炉油枪伴随助燃，直至炉膛最低稳燃负荷。对于常规的燃烧器，其火焰有明显的预燃区、着火区和燃烬区，而等离子点火或气化微油点火燃烧器是内燃式燃烧器，煤粉在燃烧器内逐级点燃后形成火焰，火焰与部分煤粉一起喷入炉膛在燃烧器喷口形成了“粉包火”的着火工况，喷入炉膛的部分煤粉经高温火焰加热，温度逐渐升高达到着火温度后，在距离燃烧器喷口一定距离的炉膛内着火燃烧，形成明显的火球状火焰[5-6]。由于炉膛温度较低，使得进入炉内的高温火焰快速熄灭而转变为高温烟气。磨煤机启动初期煤粉燃烧不稳定、不充分，火焰充满度差，火焰常常漂移，火焰亮度也无法与正常值相比拟，而常规火检的阈值是为适应锅炉带正常负荷时的安全整定的。对于火焰检测探头视角设计得比较小的红外光或可见光探头，由于在燃烧器附近找不到明显的火焰着火区，因此无法实现有效的探测和保护。点火初期调整探头位置对检测效果有一定改善[7]，但因存在某一角等离子燃烧器短时退出而投油的情况，这将使火检装置不具有通用性。若盲目地把探头对准的部位向炉膛中心延伸，达到燃烬区，又无法对本燃烧器火焰和背景火焰有效地加以分辨，即使首台磨煤机启动也存在受其余角背景光影响的可能，探头调至最佳视角范围难度较大。

图像火检采用广角长焦距工作镜头和电荷耦合器件CCD（charge bubble devices）摄像机直接拍摄燃烧器火焰图像，视角可达85°～90°，可避免着火区位置漂移造成火检探头难以对准着火区，火检误判状况的发生。燃烧火焰图像包含着大量的信息，利用传像技术、计算机数字图像处理技术、模式识别技术对火焰图像进行处理，实现对燃烧器出口火焰图像的采样、数据处理和特征识别，准确发出单个燃烧器火焰的ON/OFF信号，ON/OFF信号不受煤种、负荷变化及背景火焰的影响，其系统流程如图1所示。该技术已在大唐张家口电厂、神华国能宁夏鸳鸯湖电厂等多家电厂应用多年[8-9]，用于替代传统的煤火检装置。然而，采取等离子燃烧器进行锅炉冷态点火时，图像火检也无法准确判断出有、无火的ON/OFF信号。

图1 图像火焰检测系统流程图

图像信息处理时需将画面划分出未燃区、着火区和燃烬区，根据3个特征区平均亮度的差别、未燃区和着火区温度场的分布情况，提取出图像的特征量，判断燃烧器有火和无火[10]。而等离子火焰所具有的“粉包火”状态，无法满足图像火检对于火检探头视角应能看到火焰燃烧全貌的要求。目前，等离子或微油燃烧器安装时，都配套安装了图像火检，该火检不参与保护控制，仅用来帮助运行人员观察燃烧器火焰的燃烧情况，磨煤机火焰保护仍采用锅炉原有的煤火检装置，这显然存在内燃型燃烧器燃烧特性与火焰检测原理不符的矛盾。美国《多燃烧器锅炉炉膛防外爆/内爆标准》NFPA8502要求，“除非每个主燃烧器都装有火焰监视器，否则禁止使用第三类特殊点火器”。该标准未明确所述火焰监视器是否能为分散控制系统DCS（distributed control system）或FSSS提供信号参与灭火保护，各厂家据此给等离子点火和气化微油点火系统配备了只具有屏幕显示功能的图像火焰检测系统，由人工监视判断燃烧状况。

2 等离子模式时的逻辑优化

2.1 点火能量及火检保护逻辑优化

安装有等离子燃烧器的磨煤机设计“正常运行模式”与“等离子运行模式”两种运行模式。“正常运行模式”运行时，磨煤机维持原有的燃烧器管理系统 BMS（burner management system）逻辑。“等离子运行模式”运行时，磨煤机BMS启动条件中增加由等离子装置可编程控制器S7-300送来的等离子发生器工作正常信号，同时略去点火能量满足的条件；磨煤机运行时，等离子燃烧器的火焰保护仍采用锅炉原有的火检装置，保护逻辑为“四取二”，图像火检仅用来帮助运行人员观察等离子燃烧器火焰的燃烧情况；任一角等离子点火装置异常时，等离子装置可编程控制器S7-300发出报警，保护关闭磨煤机对应出口挡板；磨煤机出口挡板关闭，对应角等离子点火装置跳闸；任意两角等离子装置工作故障时，等离子控制器S7-300送信号至BMS，保护停磨煤机；磨煤机“等离子运行模式”运行时，磨煤机跳闸，等离子点火器跳闸；锅炉MFT时，等离子点火器跳闸，并禁止启动。为使锅炉冷态点火过程中磨煤机及炉膛火检保护能够全程投入，对“等离子运行模式”下相关逻辑进行优化，同时增加等离子磨煤机冷炉点火用火检，新增火检探头视角适当调大，以达到提高机组自动化水平和实现锅炉本质安全的目的。

等离子模式下磨煤机火检相关逻辑是相对于无油点火方式设置的，对于同时布置有等离子和油枪两种助燃方式的机组，需增加油枪关联保护：给煤机和磨煤机均运行延时180 s，任一台等离子点火装置异常，S7-300发报警并自动将断弧燃烧器所对应的油枪点燃，若油枪点火失败，保护关闭磨煤机对应出口挡板；任意两角等离子装置工作故障导致断弧时，若此时对应层断弧角无油枪投入，保护跳磨，否则投入对应层4根油枪，经延时后，切至“正常运行模式”，如果断弧角油枪未全部正常投入，保护跳磨；任意大于等于3/4角等离子装置工作故障，切至“正常运行模式”，若此时对应层油枪未全部投入，保护跳磨。

依据煤粉条件满足时，新式等离子燃烧器引燃效果的高度可靠性，将“等离子模式”下磨煤机火检保护修改为：给煤机和磨煤机均运行延时180 s，等离子煤层原火检3/4无火且新增火检3/4无火，延时10 s。同时，对仅有1台磨煤机启动且处于“等离子模式”时，全炉膛无火保护进行相应修改，采取新旧火检“相与”的逻辑关系。

根据等离子燃烧器的点燃特性，增加下列条件任一不满足时，触发“等离子燃烧器进入不稳定区”报警，延时60 s“等离子模式”下磨煤机火检保护切至原有回路：磨煤机出口温度＜55℃；煤粉质量分数＜0.3 kg/kg；一次风速＜17 m/s或＞23 m/s；飞灰含碳量＞40%。

2.2 等离子点火期间注意事项

a）磨煤机启动时，利用图像火检及就地看火孔检查煤粉着火情况，首次投粉3 min后任一只煤粉管燃烧器喷嘴处不着火，应立即停止供粉，经5 min充分吹扫后，找出煤粉不着火的原因，方可重新试投粉。

b）加强炉内燃烧状况监视，结合炉膛负压、汽包水位波动情况，综合判断炉膛燃烧状况。

c）根据等离子燃烧器要求，尽量维持煤种、煤量、煤粉浓度、煤粉细度、一次风速、风粉温度在设计工况，做好煤粉管的调平工作，做好二次风门、等离子燃烧器功率的调整工作。等离子磨煤机启动后，及时在煤粉管出口取样化验煤质挥发分及煤粉细度，为“等离子有弧就有火”提供保障。

d）重视尾部二次燃烧问题。冷炉点火初期煤粉燃烧率低，飞灰可燃物的质量分数为30%左右。应对空气预热器采取连续吹灰方式；加强对选择性催化还原SCR（selective catalytic reduction）反应器声波吹灰装置的监视，防止积粉；加强布袋除尘器、省煤器下部灰斗和电除尘灰斗的清理，及时排除积粉。

e）等离子在拉弧及运行过程中出现断弧的主要原因是等离子载体风含水、含油或压力波动大，因为杂用压缩空气一般不经油、水分离和干燥，同时由于用气点较多，压力扰动较大。有电厂采取仪用压缩空气供气，大大提高了拉弧的稳定性。

f）等离子点火技术日趋成熟，但其风险不能低估。对于一些煤质无法保证的机组，等离子启动前适当的油枪暖炉是必须的。

3 结束语

通过采取上述措施，实现了锅炉冷态点火时磨煤机火检保护的全程投入，满足了国家标准对全炉膛灭火保护的严格要求。随着科学技术的日益进步，人们认知程度的提高，特别是计算机处理技术的快速发展，锅炉燃烧好坏的评价必将实现分阶段量化，届时可实现对炉膛安全的实时量化分析。