智能火焰檢測系統(tǒng)在發(fā)電廠的應(yīng)用

1、智能火焰檢測系統(tǒng)在發(fā)電廠的應(yīng)用Application of Intelligent Fire Detection System in Power Plant劉崗1，郝建偉2，王元雷3（1.華 能 煙 臺 發(fā) 電 有 限 公 司 ，山 東 煙 臺 264002；2.華 能 濟(jì) 南 黃 臺 發(fā) 電 有 限 公 司 ，山 東 濟(jì) 南 250100；3.華 電 章 丘 發(fā) 電 有 限 公 司 ，山 東 章 丘 250216）摘要：介紹ABB UVISOR智能火焰檢測系統(tǒng)在華能濟(jì)南黃臺電廠9號機組的應(yīng)用，分析安全火焰檢測器SF810和智能火焰分析單元FAU810的工作原理、功能、特點及應(yīng)用。關(guān)鍵詞：智能

2、火焰檢測系統(tǒng)；對沖鍋爐；應(yīng)用Abstract: According to the application of Intelligent Fire Detection System ABB UVISOR in Huaneng Jinan Huangtai Power Plant No.9， analyses are given on work principle， function， characteristic and application of Safety Fire Detector SF810 are analysed.Key words: intelligent fire detec

3、tion system； face-fired furnace； application中圖分類號：TM621.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號：10079904（2011）06006805確地判斷鍋爐燃燒的工況， 及時做出適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)出現(xiàn)熄火現(xiàn)象時，能迅速作出相應(yīng)動作，保護(hù)鍋 爐安全運行，有效避免鍋爐爆燃。引言0大型火電機組中，為了保證鍋爐安全、平穩(wěn)地運行，必須對鍋爐的火焰燃燒狀況進(jìn)行實時監(jiān)視， 以便用鍋爐的燃料控制裝置聯(lián)鎖， 保證鍋爐滅火 時及時停止燃料供應(yīng) ， 防 止可燃性物 質(zhì)在爐膛 或 管道內(nèi)聚積，發(fā)生爆燃甚至引起鍋爐爆炸。黃臺發(fā)電廠 9 號機組為哈爾濱鍋爐廠的超臨 界、直流對沖式、350

4、MW 一次中間再熱鍋爐，單爐 膛 、 平 衡 通 風(fēng) 、 固 態(tài) 排 渣 、 全 鋼 架 、 全 懸 吊 結(jié) 構(gòu) 、 型布置，配中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)。 鍋爐采 用前后墻對沖燃燒方式，共布置 5 層燃燒器（前 3 后 2），每層布置 4 只，共 20 只低 NOx 軸向旋流燃 燒器， 底層磨配微油， 為徐州燃燒器 廠配置 ， 其余 燃 燒 器 均 配 ABB UVISOR 火 焰 檢 測 系 統(tǒng) 。 本 著 一對一檢測的原則，共對 4 層油 16 只油槍和 5 層 煤 20 個粉燃燒器裝設(shè) 36 只紅外線安全火焰檢測 器（SF810），18 個智能火焰分析單元（FAU810）。 機 組投運后

5、， ABB UVISOR 智能火檢系統(tǒng)的檢測效 果不錯，能夠正確反映爐內(nèi)燃燒情況，并有效防止 偷看， 便于維護(hù)工程師或者運行監(jiān)控人員及時準(zhǔn)ABB UVISOR 火檢系統(tǒng)的應(yīng)用11.1 火焰檢測原理燃燒火焰具有各種特性，如發(fā)熱程度、電離狀 態(tài)、火焰不同部位的輻射、光譜及火焰的脈動或閃 爍現(xiàn)象、差壓、音響等，均可用來檢測火焰的“有”或 “無”。 以煤、 油作為燃料的鍋爐在燃燒過程中都 會輻射一定量的紫外線和大量的紅外線，且光譜范 圍涉及紅外線、可見光及紫外線。 因此，整個光譜 范圍都可以用來檢測火焰的“有”或“無”。由于不同種類的燃料， 其燃燒火焰輻射的光 線強度不同， 相應(yīng) 采用的火 焰檢測元件

6、 也會不一 樣 。 一般說來 ， 煤 粉 火 焰 中 除 了 含 有 不 發(fā) 光 的 CO2 和水蒸氣等三原子氣體外， 還有部分灼熱發(fā) 光的焦炭粒子和炭粒，它們輻射較強的紅外線、可見光和一些紫外 線 ， 而紫外線 往往容易被 燃燒產(chǎn) 物和灰粒吸收而 很快被減 弱 ， 因此煤粉 燃燒火焰 宜采用可見光或紅外線火焰檢測器。 而在用于暖68山東電力技術(shù)SHANDONG DIANLI JISHU2011 年第 6 期（總第 184 期）爐和點火用 的油火焰中 ， 除了有一部 分 CO2 和水蒸氣外，還有大量的發(fā)光碳黑粒子，它也能輻射較 強的可見光、紅外線和紫外線，因此可采用對這 3 種 火焰較 敏 感

7、 的 檢 測 元 件 進(jìn) 行 測 量 。 而 可 燃 氣 體作為主燃料燃燒時 ， 在火 焰初始燃燒 區(qū)輻射產(chǎn) 生較強的紫外線， 此時可 采用紫外線 火焰檢測器 進(jìn)行檢測1。火焰閃爍頻率與輻射強度之間的關(guān)系取決于 燃燒器結(jié)構(gòu)布置、 檢測方法、 燃料種類 、 燃燒器的 運行條件（如燃料與空氣比、一次風(fēng)速）、以及觀察 角度等因素。 一般來說，火焰閃爍頻率在火焰的 初始燃燒器較高，然后向燃燼區(qū)依次降低；檢測器形成亮點流 ， 此段的特點 是這部分煤 粉燃燒亮度不是很大，但其閃爍頻率卻達(dá)到最大值，往往可以 在 100 Hz 以 上 （ 亮 度 不 是 很 高 ， 由 于 一 次 風(fēng) 產(chǎn) 生 湍流，頻率變化

8、比較明顯，大約 60200 Hz）。第三段為燃燒區(qū)，也稱完全燃燒區(qū)，各個煤粉 顆粒與二次風(fēng)的 充分混合 后完全燃燒 ， 產(chǎn)生很大 熱 量 ， 此 段 的 火 焰 亮 度 最 高 且 最 穩(wěn) 定 ， 但 閃 爍 頻 率要低于初始燃燒區(qū)（亮度 很高， 但頻率 較低 ， 約50 Hz）。第四段為燃 燼區(qū) ， 這時的 煤粉絕 大 部 分 燃 燒 完畢形成飛灰，少數(shù)較大的顆粒繼續(xù)進(jìn)行燃燒，最 后形成高溫爐氣流， 其火焰亮度和閃爍頻率都比 較低（含灰量較大，頻率降低，約 30 Hz）2。1.2 火焰檢測系統(tǒng)的原理ABB 火焰檢測系統(tǒng)是鍋爐或鍋爐安全系統(tǒng)的 一個至關(guān)重要的系 統(tǒng) ， 其主要 功能是鑒別 點火

9、器 火焰 和主火焰 “ 熄 火” 的 潛 在 危 險 。 由 于 火 焰 檢 測系統(tǒng)的重要性 ， 要 求產(chǎn)品必須 極其可靠和 經(jīng)久 耐用。距火焰初始燃燒區(qū)越近檢測到的高頻成分（100400 Hz）越強；檢測器探頭視角越狹窄（612）檢測到的火焰信號越真實，反之亦然。 根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗 和相關(guān)文獻(xiàn)資料，可以推斷，全爐膛監(jiān)視的閃爍頻 率要比單只燃燒器監(jiān)視的頻率低得多。由于不同燃料的燃燒強度有不同亮度和燃燒 頻率，燃燒越熾烈，亮度和頻率越高；燃燒越弱，其 亮度和頻率越低； 火焰熄滅其亮度和頻率為零。 火焰檢測器就是利用火焰的閃爍頻率和光的輻射 強度來綜合判斷火焰的有無及強弱?；鹧婵梢苑譃?4 個區(qū)，圖

10、1 所示。圖 2 火焰檢測系統(tǒng)原理圖圖 2 所示， 火焰 檢測器單元 檢測 到 火 焰 初 始 燃燒區(qū)的輻射強度 后 ， 通過前 置放大器轉(zhuǎn) 換為帶 火焰強度及火焰的閃爍頻率的火焰原始信號輸出 至智能放大器單元。UVISOR 火 焰 檢 測 放 大 器 單 元 每 個 通 道 有 4 個 校準(zhǔn)設(shè)置 ， 我 廠 使 用 了 兩 個 設(shè) 置 ，SET1 是 對 跟 蹤背景方式的設(shè)置 ， 即在燃燒器 無火及剛點 燃時圖 1 火焰分區(qū)示意圖第一段黑龍 區(qū) ， 是一股暗 黑色的煤粉 和一 次 風(fēng)的混合物流，其輻射強度和閃爍頻率都很低（沒 有 點 燃 ， 一 般 有 1 m 長 ， 有 時 可 以 達(dá) 到

11、 2 m， 頻 率 比較低，大約 20 Hz 左右）。第二段是初 始燃燒區(qū) ， 煤 粉因受到高 溫爐 氣和火焰回流的加 熱開始燃 燒 ， 大量煤粉 顆粒爆燃對 火 焰 的 監(jiān) 視 。SET4 是 對 見 火 方 式 的 設(shè) 置 ， 即燃 燒器 穩(wěn) 定 后 對 火 焰 的 監(jiān) 視 。 火 焰 剛 點 燃 初 期處于 SET1 方式，放大器接受 SF810 的信 號， 然后 通過 SET1 設(shè)置的帶通過濾器選擇，當(dāng)信號大于坎 值時，輸出火檢“見火”開關(guān)量信號至 DCS。DCS 邏輯中，“ 見火 ” 信號同“ 燃燒 器投運 ” 信69山東電力技術(shù)SHANDONG DIANLI JISHU2011 年

12、第 6 期（總第 184 期）號相“與”， 輸出信號激發(fā)放大器的 SET4 方式， 這時 放 大 器 由 SET1 切 換 到 了 SET4 方 式 。通 過SET4 設(shè) 置 的 帶 通 過 濾 器 選 擇 后 ， 在 面 板 上 顯 示0100 的火焰強度信號，當(dāng)信號大于門檻值時，同 樣輸出開關(guān)量“見火”信號至 DCS。1.3火焰檢測系統(tǒng)硬件1.3.1火焰檢測器的類型紫 外 線 （UV） 檢 測 器 ： 這 種 探 頭 用 來 檢 測 燃 油，利用火焰所產(chǎn)生的紫 外脈沖信 號來檢測火 焰 有無。 檢測光譜范圍從 190550 nm，可以在任何 負(fù)荷情況下，區(qū)別被檢測火焰和其它火焰，從而提 供

13、極好的辨別能力?？梢姽饣鹧鏅z測器：利用火焰中存在的大量可 見光檢測火焰，對可見光敏感。 該檢測器的特點 是結(jié)構(gòu)簡單，特別適合監(jiān)視整個爐膛的火焰；但爐 墻的紅外線會干擾其測 量信號 ， 光電 管耐高溫 能 力低，工作一段時間后靈敏度會降低。 華能濟(jì)南 黃臺發(fā)電有限公司 5、6 號機組的鍋爐使用了國產(chǎn) 的可見光式檢測器，效果并不理想。紅外線（IR）檢測器：利用紅外線探測器件，可 檢測燃燒火焰中大量存在的、不易被煤塵和其它燃 燒產(chǎn)物所吸收的可見光和 900 nm 以上的紅外線， 是一種可靠性高、應(yīng)用范圍廣、單只燃燒器監(jiān)視效果圖 3 火焰檢測器的系統(tǒng)組成在電纜端子一側(cè)，配有綠色發(fā)光二極管，幫助 用戶將

14、設(shè)備對準(zhǔn)目標(biāo)火焰， 發(fā)光二極管的閃爍頻 率與火焰的強度關(guān)聯(lián)，發(fā)光二極管閃爍的越快，火 焰的強度越高。SF810 火焰探測器及其安裝附件不需要定期 維護(hù)，只需要定期清潔。1.3.4火焰放大器單元 UVISOR FAU810FAU810 火焰分析單元處理電信號，確定火焰 檢測器 檢 測 的 是 否 為 一 個 穩(wěn) 定 的 火 焰 。 火 焰 安全觸點、模擬輸出和/或 FAU810 上的冗余串行輸出則成為鍋爐或爐膛安全系統(tǒng)的輸入值。（1）基本火焰探測。安裝在點火器或主燃燒器上的火焰檢測器測量燃料燃燒產(chǎn)生的瞬時能量，F(xiàn)AU810 將火焰信號以 2 000 次/s 的速度進(jìn)行數(shù)字 處理后，用圖 4 所示

15、的分析算法測量火焰特性。好的火焰檢測器。檢測光譜范圍 6003 000 nm，它只接收燃料燃燒時湍流 引起的閃爍 火焰信號 ， 即燃燒的動態(tài)輻射部分， 而 對于鍋爐內(nèi) 壁或熱管 線 產(chǎn)生的靜態(tài)輻射，即使它們強度再大也并不敏感。 該檢測器的特點是對紅外線、可見光敏感，結(jié)構(gòu)簡 單，靈敏度高，可靠性強3。1.3.2火焰檢測器的系統(tǒng)組成就地的 UVISOR SF810 檢測器探頭為一 對一 檢 測 ， 控 制 柜 中 的 FAU810 放 大 器 單 元 為 一 對 二 通道，即一個放大器單元可以處理兩個探頭信號， 圖 3 所示。1.3.3火焰檢測器單元 UVISOR SF810SF810 型火焰檢測

16、器有相對較小的圓柱型鋁 殼（防爆型）組成。 在其內(nèi)腔包含電子電路板，電 纜通過側(cè)孔進(jìn)入機殼， 接插件在電纜入口有一個 連接器。 后蓋允許內(nèi)部接線端子板進(jìn)入，提供有 透明窗口的后蓋。圖 4 強度、閃爍頻率和 AC 振幅（2）火焰測量比較。測 量 值 是 可 以 由 FAU810 測 量 的 能 量 特 性 ， 包括強度、 閃爍頻率、AC 振幅、 燃燒指數(shù)（CI）。 這些數(shù)值與在調(diào)整階段設(shè)置的引入和退出設(shè)定值 相比較， 如果測量值大于引入設(shè)定值，F(xiàn)AU810 將 在火焰邏輯程序中選擇有火狀態(tài)； 給火焰繼電器 加電（受電）；在冗余串行端口提供一個有火信號。如果測量值低于編程的退出設(shè)定值 ，F(xiàn)AU81

17、070山東電力技術(shù)SHANDONG DIANLI JISHU2011 年第 6 期（總第 184 期）將在火焰邏輯程序中選擇無火狀態(tài)； 切斷火焰繼電器供電；在冗余串行端口提供一個無火信號。圖 5 是閃爍頻率引入與退出設(shè)定值的示例。范圍更廣，可能見火效果會更好。 就地的火檢位置應(yīng)該正確，對于對沖的旋流燃燒器，按照一次風(fēng) 旋流的方向 ， 煤的在背火側(cè) ， 油的在 向火側(cè) ， 安裝 完成后各螺母一定要鎖緊， 防止位置變化導(dǎo)致看 火不好 。 火 檢 探 頭 及 其 控 制 系 統(tǒng) 一 定 要 嚴(yán) 格 按 照說明單獨接地，否則易造成信號干擾。圖 5閃爍頻率跳閘點（3）濾波和延時。 由于燃燒的火焰會發(fā)生快

18、速的變化，平滑濾波器采取了一些特殊的方法，以 最大限度地降低由于火焰的瞬間變化引起的檢測 誤差。 FAU810 火焰邏輯包括一個延時器， 延時 時間在 2.5 s 內(nèi)可調(diào)。（4）火焰品質(zhì)。 品質(zhì)是衡量火焰強弱和有無的標(biāo)準(zhǔn)， 范 圍在 0%100% 之間， 品 質(zhì) 值 從 最 高 的100% 稍 有 下 降 就 表 示 一 個 或 多 個 測 量值接近了 跳閘點，可以利用這一信息在跳閘發(fā)生以前采取措 施。 品質(zhì)值不能具體確定燃燒器故障原因， 它只 能表示火焰燃燒的一般情況：品質(zhì)計算不影響火焰 邏輯算法；不直接觸發(fā) FAU810 的火焰無火條件。（5） 鑒 別 。 FAU810 的 鑒 別 特 性

19、 使 一 個 火 焰檢測器可以監(jiān)控兩個不同的火焰， 這個特性通常 用于一個火焰檢測器同時監(jiān)控燃煤火焰和燃油火 焰。 因為一個火焰檢測器有兩個功能組，所以只 需要一個通道， 這樣就節(jié)省了 FAU810 的另一個 通道，從而為用于其它功能實施提供了可能。圖 6 剛性光纖型火檢安裝示意圖調(diào)試ABB UVISOR 產(chǎn)品的特點是可以實現(xiàn)燃料/負(fù)2.2荷的切換。 在某些燃燒系統(tǒng)中，火焰特性會隨燃料或負(fù)荷的變化而變化，在這些情況下，不同的燃 料或負(fù)荷的理想跳閘 、 靈 敏度和延 時設(shè)定值會 有 所不同，利用燃料/負(fù)荷的切換特性可以更加精確 地確定 這 些 狀 態(tài) 下 的 火 焰 特 性 。 判 斷 燃 燒

20、器 是 否投運的切換邏輯是在 DCS 中實現(xiàn)的， 判斷方式 可以自由定義 ， 這為更 精確的判斷 火焰提供了 便 利。 我廠使用的 810 系列有四套切換參數(shù)， 可以 根據(jù)負(fù)荷或燃料自由定義切換，目前只使用兩套， 僅根據(jù)燃燒器是否投運來切換參數(shù)，使用 SET1 和 SET4 通道?；鹧鏅z測器 安裝完成后 ， 幾乎不 用 做 任 何 現(xiàn)場調(diào)整了，只需對放大器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置即可，設(shè)置 放大器參數(shù)時，可以使用火焰分析軟件自動調(diào)整， 也可以手動根據(jù)實際燃 燒情況調(diào)整 ， 需設(shè)置的 調(diào) 整參數(shù)有兩個，即頻率和強度，但應(yīng)注意燃燒器投 運后的設(shè)置與背景值得設(shè)置應(yīng)有所區(qū)別， 坎值的 調(diào)整應(yīng) 讓 見 火 即 不

21、飽 和 也 不 過 弱 。 參 數(shù) 的 切 換 用燃燒器投運與否 ， 控制邏輯 是用油閥開 和給煤 機運行。 9 號機組在開機第一次點火過程中出現(xiàn) 過集控室火焰電 視及現(xiàn)場看 火均已點著 油槍 ， 但10 s 后因火檢不見火而強行關(guān)閉了油閥， 這種現(xiàn)火檢系統(tǒng)的應(yīng)用22.1安裝SF810 火 焰 探 測 器 既 可 以 水 平 安 裝 ， 也 可 以 垂直安裝。 必須小心面向下對準(zhǔn)電纜入口，防止 水珠滲入。 如果在墻壁上安裝，建議將火焰探測器安裝在旋轉(zhuǎn)法蘭上，準(zhǔn)燃燒器火焰。這樣有助于火焰探測器對對沖式鍋爐 采用剛性光 纖火檢 ， 安 裝 比 較 簡單 ， 將 火 檢 直 接 插 入 支 撐 法

22、蘭 即 可 ， 圖 6 所 示 。建議若采用不帶光纖的外窺式探頭， 能使見火的71山東電力技術(shù)SHANDONG DIANLI JISHU2011 年第 6 期（總第 184 期）象在調(diào)試過程中很難解決， 從控制邏輯及系統(tǒng)組成上看沒什么問題， 但問題恰恰是出在信號傳遞 的時間問題上， 前面所 述油閥開 到位信號用 油閥設(shè)置好這個基準(zhǔn)值需要現(xiàn)場反復(fù)試驗才能得出相對準(zhǔn)確的結(jié)果，日后隨工況不同，還需繼續(xù)完善。為保證見火 的準(zhǔn)確性 ， 火 檢設(shè) 備 如 何 在 DCS 中 做 合 適 的 控 制 邏 輯 來 切 換 火 檢 的 各 套 控 制 參 數(shù)，讓火檢正確“睜眼”和“瞇眼”需要研究。目前火檢產(chǎn)品還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來衡量火焰 檢測準(zhǔn)確性，如火焰的強度和頻率坎值、判讀火焰 有沒有延時情況等，如何定量評價火檢效果，需要 在今后的現(xiàn)場實踐中繼續(xù)探索， 以此制定出新的 標(biāo)準(zhǔn)。不關(guān)來 代替全都能 點著火 。ABB 系 統(tǒng) 中 其 實 配有 4 個通道可以設(shè)置 4 種不同工況， 我們現(xiàn)場應(yīng)用 較 多 的 就 是 這 種 根 據(jù) 點 火 與 否 用 兩 套 參 數(shù) 切 換，其實可以考慮將 4 套參