煤粉锅炉燃烧器火焰检测器检测距离确定方法

摘要

本发明公开了一种燃煤锅炉燃烧器火检检测距离的确定方法，该方法通过煤粉气流的着火特性来确定火检的最小检测距离，通过炉膛负压与着火距离的关系曲线确定火检的最大检测距离，然后根据燃烧器形式、煤种的波动等按一定的原则在最大检测距离和最小检测距离之间确定检测距离。按此方法确定的火检实际检测距离既可保证火检的观察视线超过黑龙区，并由此保证了火检的正确判断；又可绝对保证锅炉的安全运行，使炉膛负压波动在允许的范围内。此外，此种确定方法根据煤种特性设计火检的检测距离，解决了现有方法根据经验、对煤种着火特性考虑不够准确的固有弊端，为燃煤锅炉燃烧器火检检测距离的正确设计建立了一种切实可行的确定方法。

说明书

                          技术领域

本发明涉及煤粉锅炉燃烧器火焰检测系统，具体涉及一种煤粉锅炉燃烧器火焰检测器检测距离的确定方法。

                           背景技术

燃烧器火焰检测器(以下简称为火检)是用来监燃煤锅炉燃烧器出口煤粉气流是否着火的检测仪器，火焰检测器的检测结果是否正确与其检测距离(即火焰检测器光元件接受光照的位置)是否合理有着很大的关联。以大多数锅炉燃烧器所配置的红外线火检为例。该种火检利用火焰的闪烁频率和光的辐射强度来综合判断火焰的有无及强弱。当火检的检测距离在煤粉气流的黑龙区时，火检获得的信号量比较小，给出的指示值就比较低；当火检的观察视线处在初始燃烧区、燃烧区或燃尽区时，火检获得的信号量就比较大，给出的指示值就比较高。有火或无火的判断则取决于火检临界值或背景值的设置。很显然，红外线火检比较理想的检测距离应在燃烧初始区和燃烧区，最差的、易产生误判的检测距离为黑龙区。

目前的现状是：1)火检的检测距离并未有很好的确定方法，通常先由设计者根据经验确定，先将检测距离确定下来。然后在锅炉启动调试过程再由调试单位进行现场调整，调整的内容主要是火检的临界值或背景值，灵敏度以及是否偷窥等。也就是说，无论锅炉燃烧器火检的检测距离是否合理，都不去管它；有火或无火则由调试人员调整火检临界值来确定。这种做法实际是很不安全的。因为如果火检的检测距离为煤粉气流黑龙区，此种情况下将火检的临界值调低来显示有火，不但使火检失去了其监测功能，实际上也是很危险的。这说明目前火检的检测距离的设计、现场调整临界值的操作方法是不科学，其根源是给出的火检检测距离未必正确。因此，很有必要建立一种方法来正确确定火检的检测距离，一次性确定火检的检测距离，即可供设计者在设计时采用，又可以对投运锅炉的火检检测距离进行调整，无需现场调试过程；同时可以使各个燃烧器火检的检测距离相同，避免个别火检出现指示值偏低的问题(这是投运锅炉目前普遍存在的问题)。2)目前，在电站燃煤锅炉上经常发生的火检误判断正是由火检检测距离不当所引起的，由此误判断引发的锅炉假灭火(煤粉气流着火稳定，火检判断为无火)时有发生，合理设计新建机组锅炉燃烧器火检检测距离或有效调整现役锅炉燃烧器火检的检测距离是解决锅炉假灭火事故的非常有效的技术措施。

                           发明内容

针对目前的现状，本发明的目的是提供一种能够正确确定火焰检测距离的计算方法。

为了实现上述任务，本发明通过下述计算方法得以实现：

一种煤粉锅炉燃烧器火检检测距离的确定方法，其特征在于，根据煤粉气流的着火距离确定火检的最小检测距离S₁；根据着火距离与炉膛负压波动的关系曲线确定火检的最大检测距离S₂，在最大检测距离S₂与最小检测距离S₁之间确定实际检测距离S；

当S₂比S₁大1000mm以上的条件下，在燃烧器的安装条件许可的情况下，取实际检测距离S＝S₁+500mm，否则根据燃烧器的安装条件确定S，但必须保证S＞S₁；

当S₂比S₁大500mm以上的条件下，在燃烧器的安装条件许可的情况下，取实际检测距离S＝S₁+300mm，否则根据燃烧器的安装条件确定S，但必须保证S＞S1；

当S₂比S₁大300mm以上的条件下，在燃烧器的安装条件许可的情况下，取实际检测距离S＝S₁+200mm，否则根据燃烧器的安装条件确定S，但必须保证S＞S1；

在S₂比S₁大200mm以上的条件下，在燃烧器的安装条件许可的情况下，取实际检测距离S＝S₁+100mm，否则根据燃烧器的安装条件确定S，但必须保证S＞S1；

S₂-S₁＜200mm的条件下，在燃烧器的安装条件许可的情况下，取实际检测距离S＝S₂，否则根据燃烧器的安装条件确定S，但必须保证S＞S1。

本发明通过燃用煤着火距离计算确定火检的最小检测距离，可以保证火检观察视线在着火区。通过着火之前着火距离波动与炉膛负压之间的关系式，确定火检的最大检测距离，根据燃烧器的形式和结构在此最大值与最小值之间确定一合理的检测距离，既可确保火检的正确判断，又可确保锅炉的安全运行。火检检测距离的确定既考虑了火检的正确判断、锅炉的安全运行，同时也考虑了安装施工与维修。便于安装，又可防止火检的偷窥。

                       具体实施方式

本发明的火检检测距离确定方法通过3个步骤实现，1)根据燃煤特性和煤粉气流在炉内的加热速率确定煤粉气流的着火距离，此距离即为火检检测距离的最小值；2)建立着火距离波动与炉膛负压的关系曲线，根据炉膛负压允许的最大波动值由其关系曲线确定允许的最大着火距离。此最大距离即为火检所允许的最大检测距离；3)根据燃烧器形式、结构，电厂煤源的稳定情况等，在上述最大值和最小值之间选择一合理的距离，该距离应大于最小值，不大于最大值，且便于安装。现将此方法涉及的计算方法和选取原则描述如下。

1)检测距离最小值S₁即着火距离的计算方法

设煤粉气流的着火温度为T，在炉内的加热速率为R，煤粉气流燃烧器出口速度为V，初始温度T₀，具体煤种的着火温度可以通过试验炉测定，炉内的加热速率可以根据燃烧器形式和燃烧方式通过计算求得，煤粉气流的出口速度和初始温度为设计参数，因此上述4参数对于具体研究对象为已知数。因此火检检测距离的最小值S₁或时间t₁为：

S₁＝V/(T-T₀)×Cp/R  或t₁＝(T-T₀)×Cp/R

式中Cp为煤粉气流的比热容。

2)检测距离最大值S₂的确定

在电站锅炉的炉内这个特殊的定容开放系统中。当炉内燃烧稳定，通过风粉系统送入炉内的空气量和煤粉流量不变，由引风机排出炉膛的烟气体积流量不变，滞留在炉内的高温烟气的体积、温度和压力也不会发生变化，炉内除燃烧脉动外无其它压力扰动产生，其表现形式为炉膛负压波动稳定。但是，当炉内燃烧不稳、煤粉气流着火距离波动较大时，特别是煤粉气流发生脱火时，在煤粉气流着火之前或爆燃之前，炉膛负压下降，在着火或爆燃瞬间后，炉膛负压则增加。如果在着火距离变化之前，炉膛负压为0，在着火距离增加后，炉膛负压将下降为负值。

在炉内系统中，气体可看作由N+1个不同的气体组分混合而成(忽略煤粉颗粒的影响)，其中一个组分是炉内高温烟气，N个组分是从各个燃烧器喷口喷入炉内的煤粉气流。

首先计算着火距离为0，后因某种原因推迟到S着火的情况。此种情况下，煤粉气流离开燃烧器后就着火燃烧，且其燃烧气体和高温烟气混合为一体，其炉内混合气体的温度为T_i0。后因某种原因当煤粉气流在推迟到S处着火燃烧，在S处着火瞬间之前，煤粉气流喷入炉内受到高温烟气的加热，煤粉气流温度升高，高温烟气温度下降，其混合气体在着火瞬间前的混合温度为T_i。由于在此过程中无燃烧放热反应发生，因此两者混合后的平均温度可根据各自的初始状态和热量平衡法得。即：

∑Q_i0×t×C_pm×(T_i-T₀)＝V_y×C_py×(T_i0-T_i)       (式1)

式中：Q_i0为I股煤粉气流的初始流量，m³/s，；

t为到达着火距离前所用时间，单位s；

T₀为煤粉气流的初始温度，单位℃；

T_i0为炉内混合烟气的初始温度，单位℃；

T_i为混合气体在着火瞬间前的混合平均温度，单位℃；

C_pm为煤粉气流的平均比热容，单位kJ/m³.℃；

C_py为高温烟气的平均比热容，单位kJ/m³.℃；

V_y为高温烟气的容积，单位m³。

炉膛的容积为V，所以有：

V_y＝V-∑Q_i0×t，代入1式整理后得：

T_i＝(C_py×T_i0+∑(Q_i0×t/V)×(T₀×C_pm-T_i0×C_py))/(C_py+∑(Q_i0×t/V)×(C_pm-C_py))                                    (式2)

由于在着火之前炉内的热力学过程为无燃烧反应的定容开放系统，且炉内气体的混合温度较高，因此混合气体可视之为理想气体，按理想气体状态方程可得出煤粉气流未着火前的状态。

     P_i＝P_i0×T_i/T_i0                        (式3)

炉膛负压的波动值则为：

ΔP_i＝P_i-P_i0＝P_i0×(T_i-T_i0)/T_i0             (式4)

由式2可以清楚看出：由于T_i＜T_i0，因此炉膛负压是下降的。

当煤粉气流在燃烧器出口S₁处着火(所用时间为t₁)，后因某种原因着火距离推后，即在燃烧器出口S₂处着火(所用时间为t₂)，在此2处的温度变化和炉膛负压波动值分别如下：

T_i1＝(C_py1×T_i0+∑(Q_i0×t₁/V)×(T₀×C_pm1-T_i0×C_py1))/(C_py1+∑(Q_i0×t₁/V)×(C_pm1-C_py1))                           (式5)

T_i2＝(C_py2×T_i0+∑(Q_i0×t₂/V)×(T₀×C_pm2-T_i0×C_py2))/(C_py2+∑(Q_i0×t₂/V)×(C_pm2-C_py2))                           (式6)

ΔP_i1＝P_i1-P_i10＝P_i10×(T_i1-T_i10)/T_i10    (式7)

ΔP_i2＝P_i2-P_i20＝P_i20×(T_i2-T_i20)/T_i20    (式8)

在式7和式8中，下标1、2的含义分别与着火距离S₁、S₂的含义相对应，当煤粉气流在此2处发生着火距离波动时，炉膛压力波动值则为

ΔP₁₂＝ΔP_i2-ΔP_i1＝P_i20×(T_i2-T_i20)/T_i20-P_i10×(T_i1-T_i10)/T_i10  (式9)

由式2的推导过程和式5和式6可知，P_i10和P_i20以及T_i10和T_i20均是对应在燃烧器出口处着火情况而言的，因此有，T_i20＝T_i20＝T_i0，P_i10＝P_i20＝P_i0，所以式9转化为：

ΔP₁₂＝ΔP_i2-ΔP_i1＝P_i0×(T_i2-T_i1)/T_i0     (式10)

按照式5、式6和式10可以计算出煤粉气流着火推迟后的炉膛负压变化，其变化值与ΔS＝S₂-S₁成正比，Δs越大，ΔP₁₂越大，反之亦然。在S₁＝0时，式10还原为式4。也就是说式4是式10的一种特殊情况。

由式4、式9和式10可以得出炉膛负压和着火距离S₁、S₂的关系曲线，根据炉膛负压运行的最大波动值可以由此关系曲线确定出S₂，

以下是发明者给出的实施例。

实施例1：

首先计算出火检检测距离的最大值和最小值，在S₂比S₁大1000mm以上的条件下，如果燃烧器的安装条件许可，取实际检测距离S＝S₁+500mm，否则根据燃烧器的安装条件确定S，但必须保证S＞S1。

实施例2：

首先计算出火检检测距离的最大值和最小值，在S₂比S₁大500mm以上的条件下，如果燃烧器的安装条件许可，取实际检测距离S＝S₁+300mm，否则根据燃烧器的安装条件确定S，但必须保证S＞S1。

实施例3：

首先计算出火检检测距离的最大值和最小值，在S₂比S₁大300mm以上的条件下，如果燃烧器的安装条件许可，取实际检测距离S＝S₁+200mm，否则根据燃烧器的安装条件确定S，但必须保证S＞S1。

实施例4：

首先计算出火检检测距离的最大值和最小值，在S₂比S₁大200mm以上的条件下，如果燃烧器的安装条件许可，取实际检测距离S＝S₁+100mm，否则根据燃烧器的安装条件确定S，但必须保证S＞S1。

实施例5：

首先计算出火检检测距离的最大值和最小值，在S₂-S₁＜200mm的条件下，如果燃烧器的安装条件许可，取实际检测距离S＝S₂，否则根据燃烧器的安装条件确定S，但必须保证S＞S1。

本发明的工作原理如下：

本发明根据煤粉气流的着火距离来确定火检的最小检测距离，可以保证火检的观察视线能够观察到煤粉气流的着火区；根据炉膛负压波动与着火距离的关系确定与炉膛负压允许波动值相对应的着火距离作为火检的最大检测距离，这样可以保证在火检观察距离以前因着火距离波动引发的炉膛负压波动绝对不会影响锅炉的安全运行。在此最大值与最小值之间根据燃烧器形式、结构和一定的选取原则确定火检的实际检测距离，这样既可保证火检的检测正确性、安全性；同时有便于设计和安装。此外，本发明方法充分考虑了煤种的着火特性，针对具体煤种设计合理的检测距离，解决了现有火检检测距离根据经验设计、与煤种的特性有可能不适应的固有弊端。本发明的检测距离确定方法适应于各种燃烧方式锅炉中监视燃烧器煤粉气流着火情况的火检检测距离确定。

本发明的方法具有以下技术特点：

1、本发明推倒出了着火距离波动与炉膛负压变化之间的对应关系式，为火检检测距离的确定建立了基础。

2、本发明根据燃煤的着火温度、炉内加热速率等来计算煤粉气流的着火距离，得出的火检检测距离的最小值，可以确保火检的检测距离在煤粉气流黑龙区以外，消除火检由此发生的误判断。

3、根据着火之前着火距离波动和炉膛负压的关系式，计算出炉膛负压允许波动值(比如说±50Pa或±30Pa)所对应的最大着火距离，以此作为火检检测距离的最大值，在此检测距离范围内，不会发生火检判断“有火”而着火距离波动过大影响炉膛负压以及锅炉安全运行的问题，确保不会在发生煤粉气流着火不稳，着火距离过迟且波动较大的情况下将燃烧情况判断为正常燃烧。

4、根据燃煤特性(着火温度等)和检测距离对炉膛负压的影响确定检测距离的最大值与最小值。根据燃烧器形式及结构，在最大值和最小值之间选择一合适的值作为火检的检测距离，既可防止偷窥，又便于布置、安装和维修。

5、该确定方法考虑全面，计算合理，可以做到一次性确定火检的检测距离，对火焰检测系统和锅炉燃烧系统不产生任何其它影响。