石德勝

（華電青島發(fā)電有限公司，山東 青島 266031）

0 引言

青島電廠2號(hào)機(jī)組為300 MW機(jī)組，采用中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)，4臺(tái)磨煤機(jī)，16臺(tái)給粉機(jī)，風(fēng)粉管道最長(zhǎng)達(dá)50 m。設(shè)計(jì)煤種為貧煤，一次風(fēng)速18～24 m／s。燃燒器為4層，每層4個(gè)共16個(gè)。點(diǎn)火油槍為3層，每層4只共12只。爐膛為四角切圓燃燒方式?；饳z裝置為ABB公司分體式Uvisor 810系列。火檢裝置的基本作用就是檢測(cè)火焰狀態(tài)，向爐膛安全保護(hù)系統(tǒng)FSSS提供準(zhǔn)確信息，以便在火焰滅火后迅速停粉，保證爐膛安全。

目前火檢裝置普遍存在“偷看”問(wèn)題。所謂“偷看”，就是在當(dāng)前噴燃器火焰消失后，由于背景火焰強(qiáng)度較大，火檢裝置依然發(fā)出“有火”信號(hào)，對(duì)爐膛安全帶來(lái)很大隱患[1]。不僅如此，由于近年來(lái)鍋爐普遍實(shí)行了低氮燃燒改造，火電機(jī)組負(fù)荷較低，以及煤炭的賣方市場(chǎng)形勢(shì)，煤粉質(zhì)量難以保證，鍋爐結(jié)焦滅火、燃燒不平衡、燃燒不穩(wěn)問(wèn)題十分突出，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，為此，青島電廠在2號(hào)機(jī)組上安裝了一套iFS智能火焰燃燒檢測(cè)系統(tǒng)[2-5]。iFS利用光纖紅外探測(cè)和數(shù)字頻譜分析技術(shù)，將光纖中的紅外特征全部分解，不僅完全區(qū)分當(dāng)前火焰和背景火焰特征，徹底解決了火檢裝置中普遍存在的“偷看”問(wèn)題，而且還利用頻譜分離技術(shù)得到的靜態(tài)特征實(shí)現(xiàn)了火焰溫度的測(cè)量[6-9]，通過(guò)28個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)爐膛的燃燒狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為爐膛燃燒調(diào)整提供了一套新的監(jiān)測(cè)手段。其中，3個(gè)火焰檢測(cè)結(jié)果取代了已有的ABB火檢，直接接入FSSS，參與滅火保護(hù)。該系統(tǒng)自2015年11月投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，已成為運(yùn)行人員必不可少的觀測(cè)設(shè)備[10]。

1 iFS智能火焰檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

iFS智能火焰檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)由多個(gè)分體式結(jié)構(gòu)的火焰檢測(cè)裝置構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[11]。每個(gè)分體式結(jié)構(gòu)的火焰檢測(cè)裝置包括兩部分，前端為光纖套管組件及探頭iFS10D，后端為控制器iFS10C，二者通過(guò)四芯屏蔽電纜連接?？刂破鱥FS10C安裝于電子間火檢機(jī)柜內(nèi)，對(duì)外提供模塊故障、滅火報(bào)警、預(yù)警開關(guān)量輸出（DO），1路火焰燃燒強(qiáng)度模擬量輸出（AO），滅火報(bào)警用于FSSS保護(hù)，燃燒強(qiáng)度用于DCS內(nèi)的火焰燃燒指數(shù)的監(jiān)視[12]。iFS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 iFS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，iFS10D安裝于爐膛外側(cè)，與之配套的光纖及外護(hù)套管安裝于噴燃器上方的二次風(fēng)口，與噴燃器水平線呈5°～8°的下傾角。中心視線穿過(guò)火焰的初始燃燒區(qū)，如圖2所示。

圖2 初始燃燒區(qū)

從火焰形態(tài)看，分為4個(gè)區(qū)，從一次風(fēng)口噴射出的第1段是一股暗黑色的煤粉和一次風(fēng)的混合物流，稱其為黑龍區(qū)；第2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，大量煤粉顆粒爆燃形成亮點(diǎn)流，此段的特點(diǎn)是這部分煤粉燃燒亮度不是很大，但其閃爍頻率卻達(dá)到了最大值，往往可以在100 Hz以上；第3段為完全燃燒區(qū)，各個(gè)煤粉顆粒在與二次風(fēng)的完全混合下充分燃燒，產(chǎn)生很大的熱量，此段的火焰亮度最高且最穩(wěn)定，閃爍頻率低于初始燃燒區(qū)；第4段為燃燼區(qū)，這部分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。

2 iFS火焰全息檢測(cè)

2.1 光纖信號(hào)光電轉(zhuǎn)換

前端探頭iFS10D實(shí)現(xiàn)信息不失真的光電轉(zhuǎn)換，將光強(qiáng)度信號(hào)線性地變換為輸出電壓信號(hào)，其變換關(guān)系

紅外光敏電阻作為運(yùn)算放大器的反饋電阻Rf，其阻值隨輻射強(qiáng)度的加強(qiáng)而減小，在R1不變的情況下，探頭輸出電壓Uout隨光敏電阻Rf的減小而減小，即輻射越強(qiáng)，輸出電壓越小，反之亦然。

2.2 信號(hào)的頻譜分離

iFS10C與智能檢測(cè)器iFS10D配套，實(shí)現(xiàn)信息的采集和數(shù)字頻譜處理。

智能控制器采用高性能、高集成度的數(shù)字處理器（DSP）進(jìn)行A／D變換和高速采樣，并通過(guò)數(shù)字頻譜分離技術(shù)，將輸入信號(hào)中的所有特征加以分離，包括輻射強(qiáng)度，關(guān)鍵頻率點(diǎn)的幅度等。根據(jù)傅里葉函數(shù)理論，任何一個(gè)函數(shù)均可表示為

頻譜分離技術(shù)是將函數(shù)中的U0、λ、Uk等逐一分離出來(lái)，U0為平均輻射強(qiáng)度，Uk為閃爍特征。

探頭的無(wú)失真變換和控制器的頻譜分離技術(shù)綜合起來(lái)就可稱之為火焰全息檢測(cè)[13]。

2.3 火焰頻譜特征與“遮擋效應(yīng)”

iFS根據(jù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，光纖中的頻譜特征呈現(xiàn)的是火焰的“遮擋效應(yīng)”[14]。

觀測(cè)光纖中的平均輻射強(qiáng)度U0在存在一定程度的背景強(qiáng)度時(shí)前方有煤粉遮擋時(shí)，強(qiáng)度變小，無(wú)遮擋時(shí)強(qiáng)度增大。而當(dāng)背景強(qiáng)度消失時(shí)，強(qiáng)度U0也隨之迅速跌落。

閃爍特征Uk，在煤粉燃燒和觀測(cè)角度一定時(shí)，所有觀測(cè)頻率的信號(hào)幅度隨煤粉濃度的變大而變大隨煤粉濃度的降低而降低，在燃燒器停粉時(shí)完全消失，與煤粉濃度呈高度的一致性。平均輻射強(qiáng)度U0作為靜態(tài)閃爍強(qiáng)度Uk作為動(dòng)態(tài)特征，均呈現(xiàn)出顆粒物由于“遮擋”背景光而產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，它展現(xiàn)出的實(shí)際是顆粒物的運(yùn)動(dòng)特征。根據(jù)流體力學(xué)理論[15]噴燃器出口處風(fēng)速高、壓力大，因此，該處的顆粒物運(yùn)動(dòng)頻率高，越向爐膛深處，運(yùn)動(dòng)頻率越低?！罢趽跣?yīng)”可完美地解釋火焰所呈現(xiàn)的復(fù)雜現(xiàn)象。

關(guān)于閃爍成分密度，研究結(jié)果是，低頻成分最大，中頻次之，高頻再次之，圖3為閃爍頻率成分及幅度曲線。

圖3 閃爍頻率平均曲線

3 iFS兩年來(lái)的動(dòng)作情況統(tǒng)計(jì)分析

3.1 檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性

根據(jù)iFS記錄的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)2016年5月以來(lái)3M2、9M3、11M4 3個(gè)燃燒器給粉機(jī)投停，以及鍋爐滅火、點(diǎn)火情況進(jìn)行了檢查統(tǒng)計(jì)，對(duì)iFS10C給出的滅火、有火結(jié)果與其設(shè)定值進(jìn)行了比對(duì)，比對(duì)結(jié)果顯示，在所有統(tǒng)計(jì)到的34種情形中，所有滅火檢測(cè)結(jié)果完全正確，正確率100%。

3.2 給粉機(jī)輔助信號(hào)對(duì)火焰檢測(cè)結(jié)果的影響

作為第一代產(chǎn)品，iFS10C也參照ABB的實(shí)現(xiàn)方案接入了給粉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)作為參照。當(dāng)給粉機(jī)停止時(shí)，iFS立即發(fā)出“滅火”報(bào)警。因此，出現(xiàn)了如下檢測(cè)結(jié)果。

情形1：給粉機(jī)停，滅火報(bào)警，但火焰特征延續(xù)。

圖4是2016年10月15日給粉機(jī)停，而火焰繼續(xù)燃燒的情形。圖中，黃色線為iFS10C給出的火焰狀態(tài)信號(hào)，高電平（“1”）為有火，低電平（“0”）為滅火。粉紅色線為9 Hz特征線，顯示窗口得量程范圍為0～30。給粉機(jī)停止持續(xù)數(shù)十秒后火焰特征才徹底消失。之所以給粉機(jī)停止后火焰閃爍特征仍然持續(xù)，是因?yàn)榻o粉管道內(nèi)有大量煤粉殘留，煤粉附著較多，附著力較強(qiáng)，經(jīng)持續(xù)吹掃后才干凈。反映了真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)情況，若根據(jù)給粉機(jī)停止信號(hào)則反而有一定的危險(xiǎn)隱患。

圖4 給粉機(jī)?；鹧胬^續(xù)燃燒

情形2：給粉機(jī)不停，火焰特征消失，裝置發(fā)滅火報(bào)警。

通過(guò)檢查對(duì)比統(tǒng)計(jì)情形，可以看到，給粉機(jī)轉(zhuǎn)速很低，不足以供粉，但尚未停機(jī)時(shí)，如火焰特征消失，則iFS10C立即、準(zhǔn)確地報(bào)出“滅火”信號(hào)。圖5為3M2，9M3，11M4 的典型滅火畫面。

圖5 典型滅火畫面

4 結(jié)語(yǔ)

從iFS投入運(yùn)行兩年來(lái)的檢測(cè)結(jié)果看，iFS對(duì)滅火檢測(cè)的準(zhǔn)確率到達(dá)了100%。有火未報(bào)出的原因是，由于投用了給粉機(jī)停止信號(hào)作為強(qiáng)制滅火判斷條件，且由于未設(shè)定該信號(hào)的時(shí)效區(qū)間，造成給粉機(jī)停止后強(qiáng)制滅火條件一直存在，再次投粉時(shí)，仍報(bào)滅火。因此，該問(wèn)題屬于給粉機(jī)停止信號(hào)使用不當(dāng)造成的。從實(shí)際運(yùn)行結(jié)果看，iFS的火焰檢測(cè)理論，較好地解釋了目前火焰觀測(cè)中的一些疑難問(wèn)題，其火焰檢測(cè)技術(shù)，有效地解決了火焰觀測(cè)中“偷看”問(wèn)題，具有很大的技術(shù)突破意義和重大的推廣價(jià)值。