发电厂燃煤机组炉膛火焰检测系统改造及效果分析

摘要：本文主要介绍了徐州华润电力有限公司320MW燃煤机组炉膛火焰检测系统改造工程实例，机组典型的升级改造技术应用及实践效果为同类型燃煤锅炉火焰检测系统改造方案选择提供借鉴和参考，在行业中以推广，从而实现锅炉的有效控制及优化。关键词：火焰检测；改造；效果；优化引言火灾是一种常见而严重的灾害，给人们的生命与财产安全带来了巨大威胁，因此火焰检测的研究与应用对于火灾的预防与控制至关重要。本文介绍了炉膛火焰检测系统改造的一种实例，该系统对预防炉膛爆炸与火灾事故发生有着重要作用。炉膛火焰检测系统是发电机组炉膛安全监控系统（FSSS）的关键设备，其作用贯穿于锅炉运行的全周期，用于判定炉膛内或单元燃烧器火焰的燃烧情况或有火无火状态。火焰检测系统能否安全可靠运行，直接影响到机组的稳定运行及设备安全，因此必须保证火焰检测系统能正确可靠反映炉膛内或单元燃烧器火焰的燃烧情况[1]。一、原理炉膛火焰检测系统作为锅炉安全检测设备，被广泛运用于电站、石化、冶金等行业的单燃烧器或多燃烧器锅炉中，在锅炉启动、运行、停运的各个阶段，对燃烧器火焰进行准确检测，能够有效预防火灾与炉膛爆炸的潜在危险，为锅炉安全稳定运行提供保护。油、煤等燃料的燃烧实质是燃料化学能以电磁波的形式释放，不同燃料的燃烧中间产物所发射的光谱不完全一样。火检探头内的光电传感器在接收到不同波长的发射光谱后，通过固态信号处理技术，向锅炉管理系统或燃烧控制器输送火焰检测信号。其中燃油火焰含有大量的红外线、部分可见光和少量紫外线；煤粉火焰含有少量紫外线、丰富的可见光和红外线[2]。根据油、煤燃烧火焰的特点及安装条件的限制，我公司#3机组采用红外光纤型分体式火焰检测系统，包括桡性光纤组件、安装管、冷却风管、检测器探头、火检放大器、电缆组件等。其中红外型桡性光纤安装于外套管组件中，用于传导炉膛内燃烧器的火焰信号；外套管组件上安装有冷却风软管，用于输送火检冷却风，火检冷却风可用来冷却火焰检测器探头与光纤，并能起到清洁作用。火焰检测器探头实质上是一个光电传感器，能接收到光纤传输来的具有一定火焰燃烧特性的光，并将其转换成电信号，传入火检放大器处理模块。火检放大器能准确区分火焰检测器探头产生的脉冲频率而使其具有最佳的鉴别能力，这种鉴别能力是通过特殊的火焰信号处理，并通过用户设定火焰有火/无火的独立门槛值来实现；火焰信号经放大器处理后输出有火/无火接点信号和相应火焰强度的模拟量信号传输至DCS系统[3-5]。二、设备概况徐州华润电力有限公司#3机组锅炉为320MW单炉膛四角切圆燃烧汽包锅炉，在锅炉四角布置有5层煤粉燃烧器（A、B、C、D、E层）和3层油燃烧器（AB、BC、DE层），每层设4只燃烧器，共32只燃烧器，原火焰检测系统采用ABBUVISORMFD系列产品，分体式安装，配置UR600红外线型感应检测器探头32台，安装在燃烧器各角，用于接收各燃烧器的煤、油火检信号并送至MFD放大器；电子间配置火检监测机柜一套，火检机柜配置UVISORMFD双通道放大器16台，由4路交流220V电源供电，每个放大器可接收2个检测器探头信号并输出至DCS系统。三、改造背景原有的ABBUVISORMFD型火焰检测系统已使用近20年，放大器单元及火焰检测器内部的电子元件逐渐出现老化现象，故障率与维护量大大增加；炉膛内部火检光纤的安装角度与最初已有较大变化，且时有脱焊现象发生，已无法正常反映炉膛内火焰的燃烧情况；原有放大器为220VAC电源供电，配置两台双电源切换装置，对电源质量要求极高，电源电压稍有波动便会造成火检信号消失或烧损放大器单元，曾发生过因火检双电源切换装置故障造成机组MFT的现象；该系列产品为2004年的主流产品，目前已退出市场，还存在购买备件成本高且越来越困难的问题。四、改造方案#3机组在亚临界升温改造后，机组效率得到可靠提升，将作为公司主力机组长期运行。近年来，由于煤炭市场变化等方面的原因，公司机组曾出现炉膛灭火情况，因此炉膛火检系统的可靠性显得尤为重要。为提升炉膛火检系统的可靠性，计划对#3机组炉膛火焰检测系统进行升级改造。（一）方案选择经过与多家火检厂家沟通，并对同类型电厂火检升级改造情况进行调研，共确定两种改造方案可供选择。1.方案一：升级改造为ABBSF810火焰检测系统。改造内容：原理及设备数量与原系统相同，仍采用分体式安装。电子間原有机柜可保留，机柜内所有设备全部拆除，在原机柜内安装放大器单元及电源风扇等辅助设备；就地火焰检测器探头、光纤及套管全部拆除并更换。放大器单元为24VDC供电，仍采用火检放大器与火焰检测器探头1对2配置，即一台放大器单元含有两个独立的通道（一台放大器单元配置两台火焰探头，即一个煤、一个油火焰探头或两个煤火焰探头）；煤和油燃烧器仍采用“一对一”的形式配置火焰检测器探头。现场的所有控制电缆、冷却风系统可以完全利旧使用。费用：16套放大器单元（包含机柜内的电源等辅助设备）、32套火焰检测器探头（包含32根光纤及套管），总计费用大概90万元。施工：施工内容包括热控电子间火检柜与现场燃烧器区域的设备安装、施工、接线调试等工作，现场区域施工涉及锅炉炉膛内光纤套管的安装，施工存在一定的难度，总施工工期大概需要两周。2.方案二：改造为safefireSA-3000火焰检测系统。改造内容：原理及内容与方案一基本相同，不同之处在于放大器单元采用火检放大器与火焰检测器探头1对1配置，即一台放大器单元只有一个独立的通道（一台放大器单元仅配置一台火焰探头，即一个煤或一个油火焰探头）；放大器柜内电源数量亦增加为原来的两倍，共使用四组共八台电源模块，两台电源模块为一组，互为冗余，为某一个角的所有火检放大器单元供电；就地火焰检测器探头附近需安装中间接线盒，将远方的电缆先引入中间接线盒后再接入就地的火焰检测器探头处。费用：32套放大器单元（包含机柜内的电源等辅助设备）、32套火焰检测器探头（包含32根光纤及套管），总计费用大概75万元。施工：施工内容与方案一大致相同，总施工工期亦为两周左右。比较上述两种方案：原理与改造内容、施工内容与工期大致相同，因公司控制费用的需要，选择方案二，改造原理图如下图1所示。（二）方案实施拆除火检柜内原有的16套放大器单元及附属设备。保留原机柜的柜体，在柜内新装32套放大器单元及附件：放大器分4层布置，每层8套放大器，系统I/O点、DCS接口和原系统保持不变。其中每台放大器的故障报警均需要输出至DCS中显示出来。保留原机柜的4路220VAC电源（两路UPS电源，两路保安段电源），取消原有的两套双电源切换装置，采用四组共八台220VAC/24VDC电源模块，为32套放大器供电，其中每个角配备一套冗余电源（即每组两台电源模块）。任何一路220VAC电源或24VDC电源丢失，均发出报警到DCS中显示出来[6-8]。锅炉煤油燃烧器各角现场施工区域，需分别拆除每一角的火焰探头、光纤及套管；安装新的火焰探头、光纤及套管，共计32套。其中光纤套管的拆除与安装需进入炉膛内部，涉及动火施工、受限空间作业及高处作业。由于新火检光纤套管尺寸较原有套管尺寸大，套管安装之前还需重新开孔。就地安装8台接线箱，分布于四个角上，每个角上两台，一台安装于上层油枪点火器上端支架上，另一台安装于下层油枪点火器上端支架上，分别引入各个火焰探头的接线。施工范围内的所有电缆充分利旧，原火焰探头至火检机柜的电缆、输入输出信号均保持不变，DCS中各火检系统的画面及逻辑均保持不变。五、效果分析（一）火检检测可靠性提升本次#3机组炉膛火焰监测系统升级改造，由原来的ABBUVISOR系列火焰监测系统换型升级为safefireSA-3000型火焰监测系统。目前已安装使用半年有余，运行可靠稳定，设备可靠性大幅提升，火检系统检测准确，利于机组稳定燃烧。机组运行中，火检模拟量跟随锅炉燃烧情况正常变化，均能真实反映炉膛燃烧情况。火检柜改造前后对比图如下图2所示（左为改造前，右为改造后）。（二）火检电源系统可靠性提高本次改造较为显著的变化为电源系统的升级。原有的电源系统为将四路220VAC电源（其中两路UPS电源，两路保安段电源，UPS与保安段电源互为冗余，为两组冗余电源），分别接入两套双电源切换装置中，两套装置分别为所有#1、3角火检及所有#2、4火检供电，原有放大器模块为220VAC供电电源，对电源切换时间要求高。本次改造将四路220VAC电源接入四组八台电源模块中，电源模块输出为24VDC电源，每组