摘要： 　　在实现某电厂1号炉受热面灰污监测的基础上，进行了各个受热面吹灰试验，通过开发的基于锅炉运行热力参数的在线计算系统，对试验过程中各受热面污染状态进行了实时监测。分析表明，在线监测系统能够有效反映各受热面的污染情况，以及吹灰对各受热面的不同影响。 关键词： 锅炉灰污；在线监测；监测模型 　　 　　锅炉是电站的关键主设备，燃煤锅炉运行中会产生灰污（结渣和积灰）现象，不仅降低锅炉效率，加快受热面腐蚀，还可能引发设备和人身安全事故。吹灰是清除灰污和维持锅炉受热面清洁的一种极为有效的手段。研究灰污状态的实时监测和锅炉吹灰系统的合理投用，对提高锅炉的安全性和经济性有非常重要的意义。目前，国内大型电厂在锅炉吹灰运行优化的研究工作方面已开发了相应的优化软件，这些软件能够实现受热面的在线监测，具有指导吹灰优化的基本功能。但总体上,灰污监测和吹灰优化软件的研发与应用尚处于起步阶段。本文以某电厂1号炉为监测对象，以受热面热平衡和传热计算为基础，建立运行参数与灰污特征参数之间的函数关联，利用数据采集系统获取原有数据，在不增加新测点的前提下实现了受热面灰污状态的在线监测。


1 　研究对象


　　该电厂所装东方锅炉厂生产的DGl025／18.2－116型锅炉, 整体呈“Π”型布置,该锅炉为亚临界压力、一次中间再热、自然循环、单炉膛、平衡通风、四角切圆燃烧、固态排渣、露天布置、全钢架全悬吊结构的汽包锅炉。吹灰装置采用蒸汽吹灰器，布置在炉膛内及对流受热面区域(包括空气预热器)，共122台,吹灰采用程序控制。锅炉吹灰器系统在炉膛装有66台IR－3型吹灰器，过热器、再热器区域42台IK－525长伸缩式吹灰器，省煤器区域12台IK－525EL加长伸缩式吹灰器，空气预热器区域2台IK－AH伸缩式吹灰器。吹灰汽源正常情况下由大屏与后屏过热器连接管上引出经减压后使用。
　　该项研究工作以该电厂1号炉为研究对象，开发了锅炉吹灰优化系统，对各受热面污染状况实时监测，通过分别对锅炉各受热面进行单独吹扫，消除受热面吹扫间相互影响。根据监测结果，分析锅炉各受热面吹灰前后污染状态及受热面传热效果的变化特性。


2 　锅炉受热面灰污监测模型


　　锅炉不同受热面由于其所处位置不同，传热特性也有所区别。本文根据传热方式，对锅炉不同受热面采用不同的灰污监测模型，在应用中用清洁因子CF（Cleanliess Factor）直观地表现灰污状态。当CF=1 时，受热面处于理想的清洁状态；CF<1 时，受热面处于灰污状态，CF越小受热面污染越严重。在不同模型中使用不同的清洁因子定义方法：对流受热面以对流换热为主，用热平衡的方法进行建模；炉膛以半对流半辐射的方式进行传热，用基于推导得出的反映炉内灰污状况的一元函数If对其进行建模；对于尾部受热面，由于通用对流受热面监测结果不是非常明显，则采用基于烟气压差的方法直接建模。


2.1　对流受热面灰污监测


　　对于对流过热器的管式受热面来说，在稳态情况下，其金属管壁的热阻与烟气侧或工质侧的热阻相比很小，可以忽略不计。而本文主要研究管外灰污现象，且一般锅炉管内结垢现象并不严重，因此其热阻也可不予考虑。根据传热学基本原理［1］，管式受热面的传热系数K可简化为按多层平壁(见图1)的传热系数进行计算，即








图1 灰污受热面传热过程


式中，、分别为烟气侧和工质侧传热热阻，在结构一定的前提下，它们分别与烟气侧的烟气流速、温度等变量和工质侧工质流速、温度等变量有关；为灰污热阻，记为Rh，它与燃料的种类、受热面的冲刷方式及排列方式等因素有关。上式中的传热系数不仅受烟气侧和工质侧各参数的影响，而且受到受热面灰污变化的影响。如果受热面是清洁的，即Rh=0，则





式中，K0称为“清洁管子的传热系数”或“理想传热系数”，而在考虑灰污时的K 称为“实际传热系数”。
　　在锅炉整体热平衡和受热面热平衡的基础上，已知受热面出口烟温，工质侧进、出口参数，根据烟气放热和工质吸热的热平衡，进行各对流受热面的热平衡和传热计算，得到反映受热面灰污程度的参数，上述实际传热系数可由传热方程（3）倒推求得，即按下列计算式得出






式中，F为受热面传热面积；Q为受热面总的传热量；ΔTm为受热面传热平均温差。
　　定义同工况下该受热面的实际传热系数K和理想传热系数K0的比值为该受热面的清洁因子，即





　　通过将实际传热系数与理想传热系数在相同的烟气和工质状况下进行比较，其比值能够反映受热面的灰污程度。


2.2　炉膛灰污监测模型


　　炉内发生灰污时，将导致传热性能下降，水冷壁吸热量减小，从而使得炉膛出口排烟温度升高。受炉内积灰和结渣影响的参数较多，炉膛出口烟气温度T″l是出现灰污时最为明显的参数，其计算公式为





式中，T″l代表炉膛出口烟气温度；Ta为理论绝对燃烧温度；α1为炉膛黑度；Bo为波尔兹曼准则数。对波尔兹曼准则数进行转化，可把式（5）改写成





式中，B0j为额定工况下的计算燃料量；B0o为水冷壁无灰污时的波尔兹曼准则数。





　　由于M和ψ可近似认为仅随着炉内灰污状况而变化，且炉膛黑度αl一般变化很小，可近似认为不变，If是炉内灰污状况的一元函数，所以综合了与炉内灰污有关参数合成的If可作为监测炉内灰污状态的指标。
　　 由于If不够直观，在应用中可以用清洁因子（CF）来反应炉内灰污。即





　　监测炉内灰污的前提条件在于准确测量炉膛出口处烟气温度。可采用软测量的方法得到［2、3］,即从省煤器出口倒推得到。


2.3 空预器监测模型


　　 对流受热面积灰后会使受热面进出口烟气压差增大。受热面积灰程度、烟气流量和密度的变化都对烟气压差有影响，因此压差只反映流动阻力的大小，而不能代表积灰程度的变化。为了消除其他因素的变化对烟气压差的影响采用烟气差压折算指标来反映受热面灰污状况，其计算式为





式中，Δp为该段受热面压降；A为常数；Bj为计算燃料量；Gy、Vy分别为烟气质量和烟气容积；Tpy为烟气温度。
　　为了便于对空预器积灰程度统一进行监测与比较，采用清洁因子CF来反映空预器的积灰程度。即





式中，η0为清洁状态下积灰程度指标；η为根据实测参数计算的积灰程度指标。


3　现场试验及结果分析


3.1　试验方案

　　为消除各受热面吹扫时相互影响，监测各受热面污染率，验证吹灰优化系统实时监测模型的正确性，并分析1号炉各受热面吹灰前后污染状态及受热面的传热效果的变化特性，对1号炉进行了受热面单吹试验。试验在较为平稳的负荷下进行，为提高试验数据的可用度，安排试验前两天停止吹灰。试验中，两个受热面吹灰间隔不短于1h。


3.2　试验结果及分析


　　炉膛测试结果如图2 所示。从曲线上看，吹灰后炉膛清洁因子有了明显上升，说明炉膛吹灰能够有效清除炉膛上沉积的污染物，炉膛吹灰器的布置位置比较合理，可见系统能够准确监测炉膛的污染状态。




图2　炉膛清洁因子变化曲线




图3　省煤器清洁因子变化曲线

　　省煤器试验结果如图3所示，可以看出，吹灰后省煤器污染率有显著变化，在对炉膛进行吹灰后，排烟温度下降约8℃，可见省煤器吹灰对受热面污染状态有显著影响，大大改善了换热效果，锅炉运行经济性提高，对流受热面的监测模型能够准确反映受热面的污染状态。
　　空预器的试验结果如图4所示，可以看出，吹灰前后空预器的污染率有显著变化。可见吹灰对于空预器污染状态有显著的影响，能够有效清除其上沉积的污染物。从现场运行经验来看，尾部受热面易于积灰。空预器采用差压法模型取得了很好的监测效果。




图4　空预器清洁因子曲线


　　低温过热器的试验结果如图5所示，可以看出，吹灰前后低温过热器的污染率有明显变化。可见吹灰对于低温过热器污染状态有显著的影响，能够有效清除其上沉积的污染物，进一步说明系统能够有效的监测受热面的污染状态。




图5　低温过热器清洁因子曲线


　　高温再热器的试验结果如图6所示，可以看出，吹灰前后高温再热器的污染率有显著变化。在吹灰初期灰污监测结果不是很平稳，上下波动比较大，对照吹灰时负荷变化曲线，该吹灰过程处于负荷下降阶段，说明灰污监测CF值除了受受热面灰污影响外，还受负荷影响。因此当负荷有较大波动时，系统应暂停计算。




图6　高温再热器清洁因子曲线


　　中温再热器的试验结果如图7所示，可以看出，吹灰前后中温再热器的污染率没有显著变化，这说明吹灰对其换热基本没有影响。造成这种现象有两种可能：一是再热器本身污染并不严重，二是当前吹灰并不能有效清除再热器上的污染物。由现场运行人员反映，中温再热器吹灰器很长时间未投用，再热汽品质能够满足要求，推断中温再热器积灰不严重。




图7　中温再热器清洁因子曲线


4 　结论


　　（1） 利用在线热力参数求解出的锅炉各受热面的清洁因子，可以有效地反映各受热面的灰污状态。
　　（2） 基于If的炉膛监测模型是以准确测量炉膛出口烟气温度为前提的。
　　（3） 对于一般对流受热面，采用基于热平衡原理的监测模型，空气预热器采用烟气差压法模型可取到更好的效果。


5　参考文献


［1］ 范从振. 锅炉原理. 北京:中国电力出版社，1986.
［2］ 魏铁铮，王平川，王建军. 锅炉炉膛出口烟气温度的推算. 华北电力技术，1999(9):14～16.
［3］ 王剑东,王东风,韩璞. 软测量技术及其在电厂热工过程中的应用. 电站系统工程，2002,18(5): 49～51.
［4］ 阎维平,梁秀俊,周 健, 等. 300MW 燃煤电厂锅炉积灰结渣计算机在线监测与优化吹灰.中国电机工程学报,2000：20(9).
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