商 政，贺彦鹏，何红升，邬 峰，刘新龙

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

天然气作为一种清洁能源，以安全、经济、环保的特性[1]应用于燃煤锅炉点火和助燃中[2]。在锅炉启动初期或低负荷运行时，由于炉膛内温度较低，需天然气与煤粉同时投入燃烧。此时煤粉流会对天然气气枪火检有火信号造成干扰，使火检有火信号出现闪烁、跳跃、消失等现象，造成气枪无法正常工作，甚至触发主燃料跳闸(main fuel trip，MFT)。本文以某工程天然气点火系统为例，提出上述问题的解决方案。

1 系统概述

1.1 天然气系统及火检布置

某工程选用国内设计制造的660 MW超超临界参数变压直流本生型锅炉，一次再热，单炉膛，前后墙对冲燃烧方式，全悬吊结构π型锅炉。燃烧设备采用旋流煤粉燃烧器，使用天然气点火和助燃，燃烧器共36只，分6层前后墙布置，前墙A、B、C层，后墙D、E、F层，每层6只，每只燃烧器配1套天然气气枪和天然气点火枪，并设置有3套火检装置，分别用于煤、气枪及点火枪的火焰检测。气枪火焰检测型式为气枪内置的等离子火焰检测器，如图1所示。

图1 天然气气枪结构和等离子火检位置图

1.2 火焰检测器型号和特点

火检采用美国某品牌系列火焰检测器，该系列火焰检测器是基于微处理器设计的，包括固态的红外线传感器(infrared sensor，IR)、紫外线传感器(ultraviolet sensor，UV)和双传感器IR+UV。煤火检采用红外线传感器，可响应红外线光谱为700～1 700 nm波长；天然气气枪火检采用紫外线传感器，可响应紫外线光谱为295～320 nm波长。

2 火焰检测原理

2.1 火焰燃烧过程

燃料从燃烧器喷出燃烧后，会产生不同的光强亮度和闪烁频率(频率与燃料性质有关)[3-5]。现以煤粉燃烧进行分析。火焰通常可以分成未燃区、初燃区、燃烧区、燃尽区四个阶段，初燃区是检测火焰的最佳部位，如图2所示。

图2 火焰的分区图

2.2 火焰的闪烁

煤粉燃烧器运行时，一次风和煤粉的混合物在燃烧器喷口处形成紊流，使燃烧火焰产生无规律的波动，称为火焰的闪烁。火焰的闪烁频率是火焰燃烧的重要特征，也是判断有火和无火的重要依据，它具有以下特性：

1)混合物在气流震动越强时燃烧反应速度越快，燃烧火焰的闪烁频率也越高；

2)距离燃烧区越近，闪烁频率越高；

3)不同的燃料，闪烁频率不同。

2.3 火焰的检测

火焰检测器是采用光电原理测量火焰产生的振幅频率，通过光敏电阻感应，经处理单元滤波、放大并转换成电信号输出有火、无火状态以及模拟量(4～20 mA)火焰强度信号。不同种类的燃料，其燃烧火焰辐射的光线强度不同，相应采用的火焰检测元件也不相同。一般情况下，煤粉火焰中除了含有不发光的CO2和水蒸气等三原子气体外，还有部分灼热发光的焦炭粒子和炭粒，它们辐射较强的红外线、可见光和一些紫外线，而这部分紫外线往往容易被燃烧产物和灰粒吸收而很快被减弱，因此煤粉燃烧火焰通常采用可见光或红外线火焰检测器。

当采用可燃气体作为主燃料燃烧时，在火焰初燃区产生辐射较强的紫外线，此时可采用紫外线火焰检测器进行检测。由于气体火焰不具有煤火焰和油火焰所特有的高频(100～300 Hz)脉动特性，因而红外线检测系统对气体火焰不起作用。

3 天然气火检发生的问题

某工程锅炉整套启动期间，火检系统在初期天然气点火及气枪投入运行时火检有火信号均正常。但在投入煤粉进行燃烧后，煤火检有火信号正常，气枪火检有火信号会发生闪烁、跳跃、消失的情况，如图3所示。

图3 天然气气枪火检有火信号跳跃、消失曲线图

运行过程中先投入气枪和点火枪，两者火检的有火信号和火焰强度均正常。随后投入煤粉，煤火检火焰强度正常，点火枪有火信号也正常，但气枪的有火信号在0与1之间跳动，并且火检强度信号开始在0%至100%范围内快速波动。

此时气枪有火信号和强度信号都不停地闪烁，最终导致气枪退出，触发保护逻辑，磨煤机停机。在对天然气管道和煤粉管道吹扫完并确认具备投运条件后再次投入气枪和该层煤粉，然而虽对燃烧器进行了调整，但气枪火检有火信号和火焰强度信号仍然不断地闪烁、跳跃、消失。

通过锅炉观火孔观察，天然气气枪火焰燃烧稳定；进一步对火焰检测器及电源进行逐一排查，火检系统未见异常；就地探头观测到的火检有火信号火焰强度信号也不断闪烁、跳跃、消失，与画面显示状况一致；调整冷却风风量也没有任何效果。

4 原因分析

火焰检测器均严格按照厂家说明书进行安装和调试，并且在未投煤粉时气枪火检有火信号正常，所以排除了安装和调试问题。在投煤粉后气枪火检有火信号闪烁、跳跃、消失现象不断，通过分析判断有以下原因：

1)气枪火焰检测器受到煤粉燃烧火焰的影响，导致有火信号不稳定。而煤粉燃烧状况与煤质和燃烧工况有关：煤质差、一次风温低、煤粉颗粒粗、从燃烧器喷出后煤粉流动性小、导致煤粉着火推迟，火焰未燃区分布过大；天然气燃烧辐射的紫外线被煤粉燃烧产生的碳粒和灰粒等吸收而很快减弱，使天然气气枪火焰检测器检测不到紫外线或检测到少量的紫外线而导致信号闪烁、跳跃、消失；

2)天然气气枪火焰检测器安装位置离天然气火焰的距离较远，天然气燃烧所发出的紫外线光被煤粉火焰遮挡，使天然气火焰检测器检测不到紫外线；

3)天然气火焰振幅频率在初燃区较高，在火焰外围处较低，并且紫外线容易被吸收减弱，而煤粉火焰在天然气火焰的外围，遮挡了天然气火焰所产生的光线。

5 采取措施及处理方案

调试阶段，适当降低一次风压，调整磨煤机的磨辊升降，使煤粉颗粒更细；调整燃烧器的外二次风挡板开度，适当增大外二次风量和外二次风旋流强度，使煤粉旋流增大，缩小火焰未燃区以改变燃烧工况。通过观察可知，这种方法改善了燃烧工况，但天然气气枪火检有火信号的闪烁、跳跃、消失的状况没有明显改善。随后将气枪火焰检测器UV更换为IR+UV，投煤后煤粉火检和天然气气枪火检有火信号都稳定，但在退出气枪后，天然气火检有火信号并未消失。经分析，在不改变燃烧器结构的情况下，天然气气枪火焰检测器和煤粉火焰检测器的物理位置已无法调整，导致气枪火焰检测器会监测到煤粉燃烧火焰情况，所以在气枪退出后，天然气火检有火信号依然存在。

调整天然气气枪火检的控制逻辑如图4所示。由于天然气点火枪的火焰检测器是内置的等离子火焰检测器，这种火焰检测器测量准确可靠、信号稳定，其物理位置及监测效果可以满足对气枪的火焰监测。将气枪火检的有火信号替换成天然气点火枪火检的有火信号，并与气枪进气阀开关状态做相关保护逻辑。在逻辑调整后，磨煤机再未发生因气枪无火原因而造成的跳机情况。

图4 天然气气枪火检控制逻辑

6 结语

针对某天然气点火燃煤锅炉在启动过程中天然气气枪火检信号闪烁问题，通过原理分析、现场试验确定了信号闪烁的原因主要为煤粉燃烧对天然气气枪火检有火信号造成了干扰。

基于现场实际经验，提出了一种用于天然气点火燃煤锅炉的火检逻辑优化方案，即将气枪火检的有火信号替换成点火枪火检的有火信号，在同类型锅炉及燃烧器的火焰检测器布置时，可以考虑取消气枪火焰检测器，由点火枪火焰检测器替代。