煤粉锅炉煤气掺烧改造中火焰检测系统设计要点分析

2018-02-15于晓辉司瑞才刁云鹏

吉林电力 2018年3期

于晓辉，司瑞才，刁云鹏

(1.吉林电力股份有限公司二道江发电公司，吉林通化 134003;2.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021;3，国网吉林省电力有限公司，长春 130021))

随着国家环保要求的提高、监管力度的加强，排污费用日渐提高，火力发电厂为了减少污染物排放量，降低企业成本，根据具体情况采取不同措施以求可持续发展。吉林电力股份有限公司二道江发电公司(以下简称二道江发电公司)邻近通化钢铁公司，可以就近利用该公司的煤气，减少发电燃煤量从而减少烟气污染物排放量，保护大气环境。以下对该公司粉锅炉掺烧煤气改造项目及火焰检测系统设计要点进行分析。

1 机组概况

二道江发电公司现有4台燃煤机组，总装机容量为600 MW。其中 7、8号机组单机容量为100 MW，锅炉蒸发量为410 t/h，采用四角切圆燃烧方式，燃烧器按照3层粉1层油布置，共12个煤粉燃烧器和4根重柴油点火枪，1、2号机组单机容量为200 MW，锅炉蒸发量为670 t/h，同样采用四角切圆燃烧方式，燃烧器按照4层粉2层油布置，共配置16个煤粉燃烧器和8个油燃烧器。

根据通化钢铁公司当前可提供的焦炉煤气和高炉煤气量和未来气量的变化情况，二道江发电公司煤粉炉掺烧煤气工程共涉及4台机组(2×100 MW机组配2×410 t/h锅炉;2×200 MW机组配2×670 t/h锅炉)，其中2台410 t/h锅炉掺烧焦炉煤气，2台670 t/h锅炉掺烧高炉煤气。锅炉燃烧器改造，410 t/h锅炉在B层和C层煤粉一次风喷口之间增加1层焦炉煤气燃烧器，共加装4个焦炉煤气燃烧器;670 t/h锅炉在三次风喷口加装1层共4个高炉煤气燃烧器。

目前煤气仅用于掺烧，当锅炉负荷达到掺烧负荷低限，炉内温度水平已远高于煤气着火温度时，锅炉可采用投入煤气掺烧运行模式。掺烧改造之后维持原有油点火方式，点火燃料为重柴油。高炉煤气掺烧量为13.5%，焦炉煤气掺烧量为4.6%，锅炉掺烧的合理范围为高炉煤气掺烧量不大于20%，焦炉煤气掺烧量不大于10%。

2 火焰检测系统设计分析

2.1 配置火焰检测器的必要性

火焰检测器是构成锅炉炉膛安全监控系统(FSSS)最重要的核心检测仪表设备，是灭火保护系统的可靠性、稳定性以及点火燃烧自动控制系统实现的决定性因素，因此，火焰检测器配置方案的完整性与选型的合理性是保证FSSS准确可靠的关键。

按照DL/T 1091—2008《火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统技术规程》，容量等级670 t/h以下的锅炉可采用全炉膛火焰监视和灭火保护;容量等级1 000 t/h以上的锅炉，应对各燃烧器(包括主燃烧器和点火燃烧器)单独监视，一旦检测到某个燃烧器火焰熄灭，应自动关闭该燃烧器的安全关断阀。

按照DL/T 435—2004《火电厂煤粉锅炉燃烧室防爆规程》规定，在设计炉膛及布置燃烧器时，应根据炉型选定压力取样点、火焰检测器、点火器、油(气)枪的安装地点，及提供能正确观察到燃烧器着火区情况的条件，因此，对用于点火助燃的油气枪要求配置火焰检测器。对掺烧燃气，根据美国国家防火协会ANSI/NFPA 85—2007《锅炉及其燃烧系统安全规范》的规定，所有燃气燃烧器均需配置长明灯和火焰检测装置。本着对标准执行就高不就低的准则以及燃气应用存在较大的潜在危害，并参考了同类工程案例经验，执行美国NFPA 85—2007规定。以一对一方式为锅炉4只煤气燃烧器配置独立的火焰监测装置。

2.2 火焰检测器的选型方案

2.2.1 火焰检测器的选型

煤、油、煤气、天然气等各类燃料燃烧过程主要表现出发热、电离状态，火焰不同部位的辐射出红外线、可见光、紫外线以及光谱及火焰的脉动或闪烁现象等物理或化学变化特征。目前，红外、紫外以可见光以及双传感器等型式的辐射型火焰检测器以寿命长、运行稳定、性价比高、识别能力强等诸多优点，成为当前火电机组的主导应用类型。而间接辐射型火焰检测器通常由光电传感器探头部分和信号分析单元两部分组成。将探头与信号分析单元在物理结构集成为一体，则称为一体化火焰检测器。相应的如果探头与信号分析单元在物理结构上各自独立各成一体，则称为分体式火焰检测器。火检探头为适应摆动燃烧器和安装空间受限的锅炉结构，又被分为外窥式和光纤型，柔性探头与钢性探头2种。

二道江发电公司1、2号锅炉同为四角切圆燃烧方式，燃烧器为固定式，二次风道略长，现有的煤粉火焰检测器和油枪配置的均为分体式火焰检测器，原有的火检柜和就地接线盒有加装4路火焰检测器的空间，在此基础上加装分体式气火焰检测器比较方便，公用部分如火焰检测器屏、端子箱、冷却风等可以利用已有的设备。锅炉掺烧的高炉煤气体积分数为:CO 23.1%、CH40.8%、H21.2%、N255.6%、CmHn0%、CO217.9%、O21%，煤气低位发热量为3 001.24 kJ/m3。这种燃料在燃烧时将释放大量的红外线，因此根据燃烧的成分、锅炉的结构和现有煤和油燃烧器配置的火焰检测器类型、产品的运行环境等综合因素分析，以最大的减少工程造价并保证系统的完整性和可靠性为根本，1、2号锅炉配置的高炉煤气火焰检测器采用防爆红外型分体光纤型。

二道江发电公司7号、8号锅炉为四角切圆燃烧方式，燃烧器为固定式，二次风道短，现有的煤粉火焰检测器和油枪配置的火焰检测器均为外窥式一体化火焰检测器。锅炉掺烧的焦炉煤气体积分数为:CH423.31%、H256.71%、N27.38%、CO 8%、CmHn1.80%、O20.4%、CO22.4%，煤气低位发热量为16 778 kJ/m3。从焦炉煤气的成分比重来看，主要成分为CH4，燃烧时会释放出大量的紫外线，因此，根据燃料的成份特性、锅炉结构和现有煤和油燃烧器配置的火焰检测器类型、产品的运行环境等综合因素考虑，7、8号锅炉配置的焦炉煤气火焰检测器采用防爆紫外型一体化内窥式配置。

2.2.2 探头位置选择

掺烧煤气后，锅炉燃烧随掺烧煤气量变化会有如下波动。

a.炉膛温度随掺烧高炉煤气量增加而下降，随焦炉煤气量增加而增加。

b.燃烧器区域的火焰黑度随高炉煤气量增加而减小，随焦炉煤气量增加而增加;高炉煤气会抑制煤粉燃烧，而焦炉煤气会促进煤粉燃烧。

c.掺烧高炉煤气会使主蒸汽温度降低，而掺烧焦炉煤气会使主蒸汽温度升高。

d.随着高炉煤气掺烧量的增大，排烟温度呈上升趋势，随着焦炉煤气掺烧量的增大，排烟温度呈下降趋势。

e.锅炉效率随高炉煤气量增大而下降，随焦炉煤气量增大而上升。

根据7、8炉焦炉煤气燃烧器布置在B层和C层之间二次风喷口处，1、2号炉高炉煤气燃烧器加装在顶层的三次风喷口的位置情况。同时结合掺烧后火焰的燃烧特征，为更好地观察到煤气燃烧器喷口根部的初始燃烧情况，并保证检测到燃烧信号的稳定性，确定火焰检测器安装位置应在煤气的燃烧器喷口内，且保持探头与燃烧器水平轴线平行。

2.2.3 火检冷却风系统的校核

二道江发电公司1、2号锅炉和7、8号锅炉均采用火检专用风机向火检探头提供冷却风源，经过单台锅炉加装的4路火焰检测器所需冷却风量总计为240 m3/h，现有的冷却风机的容量为300 m3/h，完全满足提供所需的冷却风量，且现有的冷却风系统管路系统不需要扩容改造。加装的火检冷却风由原冷却风竖管的上端接入，在支管与火焰检测器间安装一根金属软管为探头提供冷却风源。