关于火焰检测器在锅炉上的使用及维护

吴海会，王建军

（新疆生产建设兵团 天盈石油化工股份有限公司，新疆维吾尔自治区 阿拉尔市 843300）

天盈石化项目中，有5台离心式压缩机是由汽轮机驱动的，锅炉主要作用是给汽轮机提供9.8MPa蒸汽，进而达到节约电量的目的。因此，锅炉长周期稳定运行，关系到整个乙二醇装置的安全和稳定[1]。乙二醇装置稳定运行与锅炉炉膛火焰检测器的稳定、准确息息相关。

1 火焰探测器结构与工作原理

天盈石化锅炉使用了两种火焰检测器，锅炉点火层，即燃气层选用的是紫外火焰检测器，锅炉燃煤层使用的是可见光火焰检测器。

不同燃料燃烧产生的火焰释放的波长不同，不同的火焰检测器探头即火检探头，对光的吸收程度是不同的，根据这一特性选择对应的火焰检测器。火焰检测器的结构和测量原理都是相同的，由图1可知，火焰检测器由探头和处理器两部分组成。其中，火检探头由光学镜头组、光导纤维、光电池组成。

1.1 光学镜头组

光学镜头组位于火焰检测器探头的最前端，其作用就是将目标火焰发出的光进行聚焦并将此光信号通过光导纤维传输至光电池端面。

1.2 光导纤维

光导纤维是高折射率的芯体与低折射率的包覆材料经拉制而成，其作用是以极低的衰减将目标火焰信号从镜头组一端传至光电池端面。

图1 火焰检测器工作原理框图Fig.1 Working principle block diagram of flame detector

图2 锅炉火检探头安装示意图Fig.2 Installation diagram of boiler fire inspection probe

1.3 光电池

光电池位于预处理线路板上正对着光导纤维的端面，其作用是接收光导纤维传送过来的光信号，并将光信号转换为电信号。

1.4 处理器

火焰检测器探头传来的信号经过处理器的转化、计算，将火焰强度、频率以模拟量的形式在处理器面板上显示。同时，处理器将有火信号通过两组继电器无源触点（开关量）输出，此开关量的信号又进入DCS控制系统参与锅炉控制逻辑。

2 火焰检测器安装

锅炉炉膛是一个四棱柱体，煤粉、燃气从锅炉的四个角，分四层进入锅炉炉膛燃烧，产生火焰。由图2锅炉火检探头安装示意图可知，紫色的圆点代表燃料进入炉膛的位置和火检探头安装位置。

天盈石化的一台锅炉对应3台磨机，一台磨机对应一层煤粉层，分别是煤粉层A、煤粉层B、煤粉层C，每层安装可见光火检探头4支，共计12支；锅炉最底层是用于点火的燃气层，安装紫外火检探头4支。

3 火检防“偷窥”处理

火检信号是锅炉运行的重要参数，火检探头运行是否平稳直接影响锅炉的保护控制，如果发生“偷窥”现象，将会造成锅炉持续过量投放燃料，造成锅炉不安全燃烧。

图3 火检探头安装平面图Fig.3 Installation floor plan of fire inspection probe

图4 火焰检测器预处理面板Fig.4 Flame detector preprocessing panel

3.1 阈值

阈值是火焰检测器区分燃烧器有火、无火时，强度、频率信号的门槛值。当实测强度或频率值大于设定的阈值，即强度或频率满足有火条件；当实测强度或频率值小于设定的阈值，即满足无火条件。

当火焰强度和火焰频率的实测值都大于对应的阈值时，则判定对应燃烧器有火；反之，则判定燃烧器无火。

3.2 “偷窥”

锅炉在点火或低负荷运行时，为了使火检探头检测到火焰，对火焰强度、频率阈值设置较低。但是，锅炉高负荷运行时，火焰强度、频率远大于锅炉低负荷运行。因此，火检探头的光学镜头组容易将对角、上层或下层火焰聚焦传送至处理器，这种现象就是“偷窥”。

“偷窥”有对角“偷窥”和不同层“偷窥”两种。

对角“偷窥”：如图3火检探头安装平面图所示，当实际情况为1#角有火，3#角无火，但是1#火检探头和3#火检探头同时输出有火信号。即3#角火检探头“偷窥”了1#燃烧器的火焰并输出了有火信号。

不同层“偷窥”：如图2所示，当实际情况是煤粉层A的1#角有火，煤粉层B的1#角无火。但是，煤粉层A的1#角火检探头和煤粉层B的1#角火检探头都检测到火焰并输出有火信号。即煤粉层B的1#角火检探头“偷窥”了煤粉层A的1#角燃烧器的火焰并输出有火信号。

为了防止火焰检测器“偷窥”将燃烧器的实际无火信号误以有火信号输出。在实际应用中，需采用防“偷窥”措施。

3.3 防“偷窥”硬件方法

3.3.1 调整增益

火焰检测器的探头后部腔体内的预处理线路板上有一可调电位器，在燃烧器燃烧稳定时，若实时的强度值和频率值很高，可将探头后盖打开，逆时针调整电位器至合适位置，减小增益，可防止“偷窥”其它燃烧器的火焰。

3.3.2 阈值设定

天盈石化火焰检测器的预处理面板如图4所示，紫色方框用数码管显示火焰强度（单位：%）和火焰频率（单位：Hz）。红色背景框中的紫色三角，当第一次按下任一键后，在紫色方框内显示预先设定的强度或频率阈值。此时，若按下紫色正三角按键，则强度或频率阈值在原来阈值基础上递增“1”；若按下紫色倒三角按键，则强度或频率阈值在原来阈值基础上递减“1”。若在1s内没有按下相应的按键，即停止阈值的设定并返回显示实时值。

在点火阶段，由于火焰强度和火焰频率较正常运行时低。为了能检测到较弱火焰信号，火焰强度和火焰频率的阈值设定较低，以保证锅炉点火成功及低负荷运行。

在正常运行阶段，锅炉火焰较强，若火焰强度和火焰频率的阈值设置太低，火焰检测器易发生“偷窥”现象。因此，在锅炉运行正常的情况下，为防止发生“偷窥”现象，可将火焰强度和火焰频率的阈值同时设置较高的数值。

3.4 防“偷窥”软件方法

火焰检测器通过两组继电器无源触点输出开关量的火检信号，将此火检信号送至DCS控制系统。

软件防“偷窥”的措施，就是在DCS控制系统中，将开关量的火检信号与锅炉燃烧设备运行信号取“与”逻辑。

3.4.1 燃气层防“偷窥”

天盈石化锅炉点火以天然气为原料。因此，点火层也称为燃气层。由图5燃气层火检信号判断逻辑图可知：当燃气层1#角火焰检测器送至DCS控制系统的有火信号与燃气层1#角进气门开位输出都为“1”时，则表明燃气层的1#角火检有火，锅炉点火成功。燃气层2#角、3#角、4#角火检信号判断同理1#角。

3.4.2 燃煤层防“偷窥”

锅炉点火成功后，为了提高锅炉的负荷，就需要投入煤粉层。图6煤粉层火检信号判定逻辑图可知：A煤粉层的1#角火检信号有火与A磨煤机运行取“与”逻辑，当输出为“1”时，则判定A煤粉层1#火检有火，其它燃煤层火检信号判断同理。

图5 燃气层火检信号判断逻辑图Fig.5 Logic diagram of gas layer fire detection signal judgment

图6 煤粉层火检信号判断逻辑图Fig.6 Logic diagram for judging the fire test signal of pulverized coal layer

图7 火检信号参与磨机允许启动逻辑Fig.7 Fire detection signal participation in grinder allows startup logic

4 火检参与的控制逻辑

为了保证锅炉安全[2]、稳定运行，防止出现炉膛内无火，煤粉堆积造成爆燃危险。因此，需要将火检信号作为FSSS（Furnace Safety Supervision System）锅炉炉膛安全监控系统条件之一。

燃气层火检有火（4取3）：燃气层共有火焰检测器4台，其中任意3台显示有火，即表示燃气层有火。

燃气层火检无火（4取3）：燃气层共有火焰检测器4台，其中任意3台显示无火，即表示燃气层无火。

煤粉层火检有火、无火与燃气层有火、无火同理。

4.1 磨机启动逻辑

锅炉点火成功，即燃气层火检有火，煤粉进入炉膛才能被点燃。因此，燃气层火检有火是锅炉初始运行投用煤粉层的必须条件。火检信号是作为允许磨机启动的条件之一，由图7可知，当燃气层火检有火可以启动任何一台磨机。

锅炉在运行过程中，若有一台磨机在运行且对应火检层有火，此时锅炉负荷大于40%（即产生蒸汽的量为40%），则允许启动其余两台磨机，才能保证其他煤层投用时，煤粉进炉膛后被点燃。由图7可知，煤粉层火检有火与锅炉负荷大于40%取“与”逻辑，输出“1”时，锅炉可启动其余两台磨机。

图8 火检信号参与磨机跳闸逻辑Fig.8 Fire detection signal participation in grinder tripping logic

图9 煤层投用逻辑Fig.9 Coal seam casting logic

图10 燃气层投用逻辑Fig.10 Gas Layer casting logic

4.2 磨机跳闸逻辑

火检信号作为磨机跳闸判断条件之一。由图8可知，当磨煤机运行信号与给煤机运行信号取“与”逻辑，再与煤层火检信号无火（4取3）取“与”逻辑，结果输出为“1”时，磨机跳闸。

图8所示逻辑可以避免两种情况下煤粉堆积造成锅炉燃爆事故的可能性。第一，开车升负荷期间，煤粉进炉膛5min后没有燃烧，磨煤机跳闸；第二，锅炉正常运行远大于300s之后，火检无火信号触发，磨煤机跳闸。

上述两种情况都是防止炉膛无火，煤粉持续进入，导致因煤粉堆积造成燃爆事故而采取的安全措施。

4.3 燃料丧失逻辑

在锅炉运行过程中，若燃料中断，则会导致锅炉运行不平稳，负荷降低、负压增大等情况，危害锅炉设备安全。

图9煤层投用逻辑，表示磨煤机运行和煤层火检有火信号取“与”逻辑，当结果输出为“1”时，表示煤层投用且炉膛燃料燃烧正常，当输出为“0”时，表示煤层未投用。

点火记忆：表示锅炉已经点火成功。图10燃气层投用逻辑，表示燃气层主气门开和点火记忆两个信号取“与”逻辑，当结果输出为“1”时，表示燃气层投用，否则表示燃气层未投用。

图11 锅炉燃料丧失逻辑Fig.11 Boiler fuel loss logic

图12 全炉膛灭火逻辑Fig.12 Fire extinguishing logic in the whole furnace

图11锅炉燃料丧失逻辑中，煤层投用逻辑取“反”、燃气层投用逻辑取“反”与点火记忆共5个信号取“与”逻辑，若输出为“1”时，则表示“锅炉燃料丧失”，即没有燃料进入炉膛，此时锅炉MFT（Main Fuel Trip）停炉。

4.4 全炉膛灭火逻辑

在图12全炉膛灭火逻辑中，表明当三层煤粉层（4取3）无火、燃气层（4取3）无火及点火记忆5个信号取“与”逻辑，输出为“1”时，表示全炉膛无火，则启动MFT停止锅炉运行。目的是避免无火状态下，燃料继续进入炉膛堆积，可能会因高温导致堆积的煤粉爆炸；也可能再次点火时吹扫不彻底发生燃爆事故。

5 火检导致停车事故

DCS系统作为装置运行的监控系统，有以下作用：第一，工艺人员监视装置运行情况；第二，工艺人员根据装置运行情况调整运行参数在规定的范围内；第三，FSSS根据锅炉运行情况启动MFT，保护人员、设备安全。因此，控制逻辑的严密性是装置平稳运行的关键。

5.1 事故原因分析

天盈石化锅炉在运行过程中，曾出现“锅炉燃料丧失”导致的锅炉MFT。经分析，C煤粉层未投用、燃气层未投用，点火记忆这3个条件都输出为“1”。锅炉在运行过程中仅有A、B磨煤机运行，即A、B两层煤粉层投用，在图11锅炉燃料丧失逻辑中输出为“0”。

查A煤层和B煤层运行过程中的8个火检信号的历史趋势。在同一时刻，两个煤层各有两个火检信号消失，即不满足图9中煤层火检有火（4取3）条件，即A煤层和B煤层未投用，即满足图11锅炉燃料丧失逻辑。因此，导致MFT，锅炉停止运行。

5.2 火检信号联锁变更过

由5.1节的事故原因分析可知，锅炉MFT主要原因是投用的A、B两煤层中，各有两个火检信号丢失，判断火检信号（4取2）无火，即煤层不能投用。与火检信号参与“磨机跳闸”逻辑中，火检信号（4取3）无火的逻辑冲突，即整体逻辑不严密，存在漏洞。

在FSSS中，“锅炉燃料丧失”与“全炉膛灭火”都使用了火检信号，属于重复使用。

因此，将“煤层投用”逻辑中的火检判断条件取消，即可以保证锅炉更加平稳运行。

6 火检探头维护

由上述文章阐述可知，火检信号是FSSS的判断条件之一。火焰检测器的探头安装在锅炉炉膛内，处于1000℃以上的辐射热中，火检探头较容易损坏。因此，需要工艺控制人员与仪表维护人员共同努力保证火焰检测器输出信号的准确性。

6.1 工艺控制

火检冷却风机运行，不断提供冷却风给火检探头降温，是保证火检探头寿命和准确度的措施之一。特别注意的是：在锅炉开车之前火检风机必须运行；锅炉停车之后，火检风机运行直至炉膛温度降至常温。

6.2 仪表维护

锅炉在运行过程中，若是发现火检信号不稳定，仪表人员切除火检信号参与的控制后，拆卸火检探头，清洗光学镜头组，使火检探头更准确地聚焦火焰信号。当锅炉停车后，若火检风机故障，可拆除火检探头避免高温辐射热损坏火检探头。

7 小结

本文对火焰检测器的结构、原理进行介绍说明，对火焰检测器在天盈石化锅炉上的应用和维护从各个方面进行阐述，并描述具体事故，分析说明锅炉稳定运行的关键是火检信号参与FSSS控制逻辑的严密性和火焰检测器信号输出的准确性。本文关于火焰检测器在锅炉上的使用及维护具有一定的指导意义。