临界火焰概念在煤粉锅炉灭火保护逻辑中的应用

马连敏，郎澄宇

(1.华能烟台发电厂，山东 烟台 264002；2.山东电力科学研究院，山东 济南 250002)

0 引言

华能烟台电厂3台480 t/h锅炉是上海锅炉制造有限公司制造的超高压单汽包自然循环、平衡通风、四角切圆燃烧煤粉炉。 锅炉的制粉系统为直吹式，由4台中速磨组成。 每台磨煤机带1层4个煤粉喷燃器。共布置有4层煤粉喷燃器。锅炉的点火系统采用烟台龙源公司的等离子点火装置和少量油枪。 相应的火检系统采用图像火检，图像火检是用摄像头直接取出一次风喷口附近火焰的影像资料，在系统下位机内进行设置比较运算，从而得出有火无火信号。它的最大特点是运行人员能够直接看到炉内每一个喷燃器的燃烧情况，系统能自动进行录像，燃烧异常情况分析直观明了。 但是相应的全炉膛无火判断逻辑必须进行相应的改进，才能真正起到保护锅炉的作用。

1 存在问题

图1 全炉膛无火判断逻辑

机组投产时全炉膛无火判断逻辑如图1所示。从逻辑框图可以看出，该判断逻辑是采用通用的判断方法，即按照层火焰来判断的。 当层火检总数的3/4个检不到火就算该层无火，油层采用同样的判断方法。全部煤层和油层都无火就发出全炉膛无火判断信号。另外在无火信号上还附加有任一台磨运行的信号，主要作用是当锅炉启动时闭锁全炉膛无火信号的发出，进行锅炉正常点火。用磨煤机运行信号作为闭锁信号主要是因为采用等离子点火方式，点火时必须启动A磨煤机，同时因为初点火阶段火检信号很弱，容易造成全炉膛无火信号的发出，为此A磨启动信号要延时60 s置位，用于躲过这段燃烧不稳的时间。

另外，为增加火检工作的可靠性，对火检信号还应采取其它措施。

火检的“偷看”问题。 为防止火检的“偷看”，将设备运行或阀门开关信号与相应的火检信号进行与逻辑，对火检信号进行修正。

为屏蔽炉内燃烧短暂的不稳定状态，在火检发无火信号回路中增加2 s延时，避免保护回路的误动作。

保护的误动问题。烟台电厂3台480 t/h锅炉自投产以来，全炉膛无火判断逻辑运行正常，曾经多次因全炉膛无火触发了MFT，能够反映炉膛的燃烧情况，起到保护锅炉的作用。 但是随着煤炭价格的节节攀升，入厂煤的质量越来越差，大大偏离了锅炉的设计煤种。锅炉燃烧不稳的情况越来越频繁，锅炉局部灭火时常发生，临界火焰的状况更为复杂。运行人员为了稳定燃烧要及时投入油枪进行助燃。有时能够保住锅炉不发生灭火，但也多次出现了锅炉爆燃，炉膛压力高触发MFT的事件。这就说明在当时的情况下已经不适宜进行投油助燃的操作，应该手动触发MFT，停止锅炉的运行。但是要运行人员去判断炉内的燃烧情况是否到了停炉的界限，是非常困难的，不仅需要丰富的锅炉运行经验，还要有处理异常事故的心理素质，所以很难做到，最终还是需要从技术上去实现。

2 临界火焰概念的提出

临界火焰是大型锅炉BMS系统的重要监视概念之一，是对燃烧器火焰着火区进行“点监视”的火检系统中才存在的特有逻辑条件。出现了临界火焰时，如果不触发MFT则会在炉膛中形成可燃性混合物的积累，进而引起炉膛爆燃事故的发生。在这种情况下如果还要去投油助燃的话会大大提高锅炉爆燃的危险。 “临界火焰”触发MFT的特殊性在于：锅炉尚未灭火，处于事故萌发之前的不稳定临界状态，由这种状态引发MFT，可以预见性的避免爆燃事故的发生。

就其设计思想来说，临界火焰触发MFT是对锅炉灭火的前期保护，而正是由于其“提前量”的不好把握，导致临界火焰触发MFT保护一直被调试、运行、维护人员所顾忌。因此，在大多数情况下，在有锅炉灭火后期的“全炉膛灭火”保护以及全炉膛灭火以后的“炉膛压力高低限值MFT”保护的前提下，为保锅炉的运行而放弃了临界火焰触发MFT保护。特别是对蒸发量在几百吨的中小型锅炉来讲，采用的火检不是高端产品，对于单个喷燃器临界火焰的判断不很准确。 再者锅炉小，磨煤机的数量少，布置的喷燃器也少，每一个喷燃器占的能量比重大。在喷燃器燃烧不稳的情况下采用投油枪方式，检不到火就退出该燃烧器的运行，会进一步加大对炉膛燃烧的扰动，同时对磨煤机也会产生不小的影响。因此，临界火焰的判断逻辑要贴近炉型实际，不能盲目照搬。

3 临界火焰判断逻辑及实际应用

会同相关人员对照火检录像，对每次锅炉灭火的情况进行分析，特别是对投油后出现爆燃的情况进行了重点研究。发现的共性是：投油前炉膛内的燃烧已经非常弱，只有一层的两个或三个火检能检到火，其它层全检不到火或偶尔有一个火检能检到火。经过多次讨论，按照最大程度保护锅炉但又不能因炉内燃烧稍有异动就跳闸的原则，最终确定采用以投入燃烧器总数的3/4燃烧器检不到火，做为临界火焰的标准。逻辑框图如图2所示。投入油枪个数计算逻辑如图3所示。投入的油枪检不到火的个数计算逻辑如图4所示。

图2 临界火焰MFT逻辑

图3 运行油枪统计逻辑

图4 投入的油枪检不到火的个数计算逻辑

图5 局部灭火触发MFT逻辑

临界火焰判断逻辑虽然仍然采用3/4的界限，但与原来全炉膛无火判断逻辑相比较，它不是采用层火焰来判断而是按照整个炉膛投入燃烧器的总数的3/4来判断。全炉膛无火逻辑不考虑炉膛内投入燃烧器的数量，只考虑每层火焰的数量。如果按照层火焰的判断标准，炉膛内没有发生灭火，不应该触发MFT，但按照总数的3/4的标准，已经到了触发MFT的条件。这样相对于全炉膛无火判断逻辑就产生了一定的“提前量”。在发生临界火焰以前迅速投油助燃是相对安全的，有助于稳定燃烧。最后输出的信号与发电机并网信号相“与”后输出，是为了避免锅炉刚启动时，一直触发“MFT”而无法正常点火。经过一段时间的应用，效果较好，炉膛内燃烧不稳投油助燃时，出现爆燃的次数大大降低，但仍然偶尔有爆燃的情况出现。继续对爆燃情况进行认真深入分析，发现有一个共性，都是在3台磨运行时3层喷燃器中2层喷燃发器已经完全无火，但有一层喷燃器燃烧正常时发生的。分析原因是：这种规格型号的锅炉正常运行时一般是3台磨运行，如果煤质符合要求的话可以达到满负荷运行。这种情况下有两层喷燃器灭火，炉膛内燃烧情况已非常差，即使投油助燃，油枪的位置和点火能量也不一定能把两层煤粉喷燃器都能点着，炉内燃烧不充分就有爆燃的可能。另外假设有两台磨同时断煤或跳闸，炉内失去2层喷燃器，炉内的瞬间负压也会使运行人员无法调整，再去投油稳燃也于事无补。因此，我们把3台磨运行的这种情况单独做成一个判断逻辑，称为局部灭火逻辑。 其实它也是临界火焰的一种情况，也可以说是临界火焰逻辑的补充，如图5所示。

逻辑框图中完全无火的层数比较器采用了“≥3”的参数，是因为对于4台磨煤机的配置，当有3台磨运行时，炉膛内本来就1层火检无火，如果再有2层无火就是3层无火，所以应采用“≥3”的比较器。运行磨数量后的延时复位功能块是为了保证3台磨运行的信号在其中的磨跳闸后能将信号送出，实现局部灭火信号能够触发“MFT”。3台磨运行时的局部灭火逻辑是临界火焰的一种特例，而且将临界火焰的提前量在某些特定条件下又提前了一个燃烧器的量，进一步降低了锅炉发生爆燃的可能，经过几年的应用收到了较好的效果。

4 结语

煤粉锅炉的燃烧状况比较复杂，影响它的因素比较多，但煤质变化的影响是最大的。近几年，鉴于严峻的发电形式，为节约发电成本，入厂煤的质量普遍不高，好坏掺烧是通用做法，入炉煤普遍偏离锅炉设计煤种，造成锅炉燃烧不稳甚至灭火是常事。 所以，锅炉灭火保护逻辑设置正确与否变得非常关键。 通过认真分析总结每次灭火的情况，结合烟台电厂锅炉的具体结构，在传统灭火保护逻辑的基础上，对灭火保护逻辑进行了多次完善，经过多年来的应用实践，证明完善后的灭火保护逻辑是正确有效的。找到了保护锅炉和维持锅炉稳定运行两者之间的平衡点，运行效果明显。运行人员也非常自信，燃烧不稳时就立即投油稳燃，无需再为投油后是否能引起爆燃而担心。