燃煤电站锅炉优化吹灰系统研究.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 燃煤电站锅炉优化吹灰系统研究 姓名刘刚 申请学位级别硕士 专业热能工程 指导教师陆继东 20060417 I 摘 要 本文针对锅炉受热面积灰和结渣污染危害严重的普遍现象，以某 300MW 机组锅 炉作为研究对象，进行了有关电站锅炉受热面积灰和结渣在线监测、吹灰经济性分析 和优化吹灰模型的研究工作。 本文首先介绍了锅炉受热面灰污对锅炉系统经济性和安全性的影响，提出了优化 吹灰的概念。并对比了国内外在受热面灰污监测和优化吹灰方面的研究工作，提出了 本文的主要研究内容。 针对某机组 300MW 锅炉，以 DAS 系统的数据为基础，以炉膛整体灰污监测方法 建立了炉膛灰污监测模型；以差压法为基础建立了回转式空气预热器的灰污在线监测 模型；用热平衡法建立了以洁净因子 CF 值为灰污监测参数的过热器、再热器和省煤 器的灰污在线监测模型。然后对锅炉吹灰系统进行了简单的介绍，包括吹灰器吹扫机 理、吹灰器的形式、电站现有的吹灰系统等，随后归纳了与受热面灰污和吹灰运行相 关的主要经济性指标，并建立了计算模型。在此基础上，建立了锅炉受热面吹灰经济 性在线监测系统。在受热面灰污监测和经济性分析的基础上，利用模糊识别的方法， 建立了吹灰模糊识别模型。模型的输入是洁净因子 CF、经济性指标 JG，对于高温受 热面模型输入还有壁温 BE， 输出是吹灰置信度 BL。 并通过经济性监测调整吹灰阈值， 使吹灰经济性达到最佳效果。 最后对全文进行了总结，并对积灰、结渣监测模型、优化吹灰模糊模型的进一步 发展进行了展望。 关键词积灰 结渣 灰污 在线监测 优化吹灰 模糊模型 对流受热面 炉膛 II ABSTRACT Ash deposition and slagging on boiler heat exchange surfaces are common phenomena in fossil fuel fired power plants. This thesis focuses on the building a suitable model of soot deposition status of heat transfer surfaces, analysis of sootblowing economics and constructs an optimized sootblowing system for heat exchange surfaces based on the built model. All of the work is based on a 300MW boiler. First, the thesis makes a comparison of other fouling monitoring systems and optimized sootblowing systems for heat exchange surfaces in boilers. Then the thesis introduces the subject of this paper. Based on the data from DAS of power plants and using heating balance theory, the thesis puts forwards fouling monitoring models for heat exchange surfaces in boilers including furnace, superheaters, reheaters and economizer. The whole fouling monitoring of furnace is built, based on outlet gas temperature of furnace as parameter. Using pressure difference , the fouling monitoring model for rotary- type air preheater is built. Cleanliness factor CF is used to assess the fouling statues of the other surface. And then an introduction of boiler sootblowing system was presented, including the mechanism and style of sootblower, the existent sootblowing system. The major economic parameters which most relevant to the soot deposition and sootblowing were summarized, also the calculating model was established. On these basis, the on- line monitoring system of boiler heat exchange surfaces was constructed. A fuzzy recognition system utilizing fuzzy recognition was built on the basis of heat surface monitoring and economic analysis. The parameters are CFCleanliness factor, JGeconomic factor, BEwall temp- erature, and output is BLthe degree of confidence of sootblowing. Through the adjustment of soot threshold, the sootblowing economy was optimized. Finally, the thesis summarizes the studies and puts forward problems for further studies. Keywords deposition slagging fouling on- line monitoring optimizing sootblowing fuzzy model convection heat surface furnace 1 1 绪 论 1.1 课题的背景和意义 我国是世界上以煤电为主的少数几个大国之一，而且我国的资源结构决定了这在 今后相当长的一段时间内不会发生变化。据统计，2004 年全国发电总量约为 19000 多亿千瓦时，火电比例约占 82。与此相对的是我国的能源利用率较低，火电机组年 平均供电煤耗比国外先进水平高约 60－70 克标煤/KW h。因此在以燃煤为主的火电 厂开展节能降耗，优化机组运行，实现火电厂的高效经济运行，不仅对于提高电厂自 身经济效益，而且对缓解目前我国能源紧张的问题都有着十分重要的意义。 燃煤电站锅炉运行过程中，受热面不可避免的会产生积灰或结渣（统称为灰污, 为气侧污垢的一种）现象。目前，我国大机组燃用煤种的约 50属于易结渣煤，加之 我国电厂燃用煤煤质多变，经常偏离设计值较大，锅炉受热面都存在不同程度的结渣 和积灰。特别是近几年，随着电煤价格的上涨，国内电站为了降低发电成本，改烧品 位较低和价格较低的煤，以追求更大的经济效益。但是，由于改烧的煤通常灰分高而 且灰熔点低，从而导致了受热面积灰结渣的加重。锅炉受热面结渣和积灰轻则影响锅 炉的传热和正常运行，重则导致降负荷甚至意外停炉，严重影响锅炉运行的安全性和 经济性。因此，预防和减轻电厂锅炉受热面积灰结渣是确保机组安全经济运行的重大 问题之一。研究表明，每年国内燃煤电站因积灰结渣造成的损失超过 100 亿元[1]。因 此，研究受热面灰污状态的实时监测并制定经济合理的优化吹灰策略，越来越受到电 力行业的重视。 1.2 受热面积灰与结渣对锅炉的影响 燃煤电站锅炉受热面的积灰与结渣使传热热阻和烟道通风阻力增加，影响锅炉的 正常运行，降低锅炉热效率并增加机组煤耗，严重时将导致机组降负荷运行或停机， 甚至酿成重大事故。 2 1.2.1 灰污对锅炉效率的影响 积灰、结渣会降低炉内受热面的传热能力，灰污受热面的灰污层导热系数比金属 管壁的导热系数低百倍以上，一般小于 0.1W/m K见表 1－1。受热面即使是轻度灰 污灰污层厚度小于 2.5mm，灰污层带来的附加热阻也将占汽水受热面内外总传热热 阻的 1/2－1/3[2- 3]。一般沾污数小时后，水冷壁的传热能力会降低 30－60，使得炉 内火焰中心上移，炉膛出口烟温相应提高。由于炉膛出口烟温的升高，使得屏式过热 器和高温对流过热器、再热器部位的超温，增加减温喷水量，增加运行费用。对流受 热面部位发生严重积灰，会导致对流吸热量下降，过热蒸汽和再热蒸汽温度下降。积 灰会使省煤器和空气预热器堵塞、传热恶化，从而提高排烟温度，降低锅炉运行的经 济性。由于总的传热阻力增大，为了维持正常的气温，保证锅炉在满负荷下运行，只 好增加燃料投放，增加单位发电量的煤耗。随着燃料量的增加，炉膛出口温度进一步 升高，使得飞灰更易粘结在受热面上，加速这些部位的灰污沉积，形成恶性循环。有 研究表明， 长期不吹灰， 灰沉积使中等容量锅炉 （＜125MW） 排烟温度升高 15－30℃， 相当于锅炉效率降低 1－2； 而对大容量锅炉 （＞200MW） 排烟温度升高 15－18℃， 相当于锅炉效率降低 0.9－1.2。当燃用有结渣积灰倾向煤种时，锅炉效率则会降 低更多。 表 1- 1 炉内传热各环节介质的热力特性参数 项目 对流换热系数（ 2 /WmK⋅） 导热系数（/W m K⋅） 介质 参数 汽水测 1.1～1.7104 烟气侧 20～200 金属 40 氧化物 10 沉积层 0.03～3.0 尽管定量估计结渣、 积灰造成的经济损失是困难的， 但由此引起的损失是巨大的。 根据美国有关方面的粗略估计，在有效控制灰沉积的条件下，如热流损失减少 1， 可用率提高 1；而对于一台燃用易积灰褐煤的 500MW 锅炉，仅灰沉积一项所造成 的损失就可达到 800 万美元/年。我国虽然缺少类似的估计，但是，由于劣质煤（高灰 份、高硫份、低热值）的广泛使用和吹灰不足，其损失应是相当巨大的。因此，对受 热面结渣、积灰的影响也应给予高度重视。 3 1.2.2 灰污对设备和运行的影响 锅炉受热面的积灰和结渣，导致烟气温度升高，致使受热面的腐蚀加剧。当煤中 S、Cl 和碱金属元素的含量较多时，往往同时发生严重的灰污和高温腐蚀。煤中的碱 金属化合物，在高温条件下发生升华，然后冷凝在温度较低的受热面管壁上，形成复 杂的低熔点复合物，常以液相状态存在，称为熔池。熔池中的碱金属硫酸盐会与管壁 金属发生强烈的腐蚀反应，形成所谓硫酸盐高温腐蚀。高温腐蚀可导致管壁金属迅速 减薄，降低受热面管子的使用寿命。发生高温腐蚀时的平均水冷壁管腐蚀量可达 0.8 －2.6mm/年，如燃用高硫煤时，腐蚀区受火焰的直接冲刷，其腐蚀速度可达 5mm/年， 运行不当时经常发生爆管停炉。 锅炉受热面的严重结渣和积灰将会增加锅炉的检修费用，如清渣、更换炉管等所 需费用。据国外估计，500MW 机组每停运一天就要损失 10 万美元以上，美国每年因 锅炉受热面灰污带来的各种经济损失总和达 20－100 亿美元。我国由于燃用煤种较国 外为劣，问题更为严重。我国电站锅炉受热面“四管” 因积灰、腐蚀和磨损泄漏爆管 的问题十分严重，据统计“四管”事故占锅炉临检事故的 2/3 左右，其中磨损引起爆 管是最为严重的，如果把磨损、腐蚀、过热归结为积灰、结渣引起的，则占事故总数 的 50[4]。 1.2.3 灰污对运行安全性的影响 锅炉受热面的严重结渣和积灰还可能诱发运行事故，导致设备损坏，甚至造成人 员伤亡。 当炉膛水冷壁上部有大渣块形成时，在自重和炉内压力波动或气流扰动的作用 下，大渣块会突然掉落。如果渣块足够大，对炉底冷灰斗的动态冲击力将非常大，有 可能损坏设备。渣块掉落在冷灰斗上，还会使水冷壁产生振动，引发更多的落渣。由 于炉内结渣的温度很高，渣块的热容较大，短时间内大量炽热渣块落入渣池，蒸发大 量水蒸气，会导致炉内压力的大幅度波动。压力波动超过一定限制时，会引发燃烧保 护系统误动，切断燃料投放，导致锅炉灭火或停炉。 1993 年 3 月 10 日，宁波北仑港电厂 1炉，因为大量结渣引发恶性爆炸事故，造 4 成设备的严重破坏和重大的人员伤亡。根据浙江大学和浙江省电力试验研究所的事故 分析报告，该事故属于可燃物气体 水蒸气物理联合爆炸，炉内大量结渣是事故的直 接原因。 1.3 锅炉吹灰概述 为了抑止和减轻积灰和结渣的影响，电站常常采用一定的措施如燃用一定的煤 种、停炉时清洗受热面、运行时打渣等。然而最有效的、通用的是采用各种形式的吹 灰器，在锅炉运行过程中吹扫受热面使其保持一定的清洁程度。实践证明，采用足够 数量的吹灰器经常吹扫，可以使受热面保持一定的清洁程度，保障锅炉正常运行，提 高机组可用率和锅炉效率，降低辅机电耗，具有显著的经济效益[5]。 吹灰的最主要作用是对锅炉效率的影响。吹灰可以清除附着在受热面上的灰渣， 减少烟气侧到蒸汽侧的换热热阻，改善锅炉的换热能力，从而降低排烟温度，提高机 组热效率。 此外，吹灰还会给锅炉运行带来其他方面的益处。吹灰可以清除掉受热面上的灰 渣，可以破坏受热面管子上的灰渣搭桥，保证烟气流通通道畅通，减少烟气流通阻力， 降低引风机电耗，并可以防止受热面堵塞事故 这一现象在省煤器和空气预热器中 较为普遍。 吹灰还可以起到蒸汽调节的作用若蒸汽温度过高，则可以通过吹扫炉膛来降低 蒸汽温度，使其品质合格；若蒸汽温度过低，则可以通过吹扫过热受热面来提高蒸汽 温度。 同时，适时吹扫受热面，保持受热面较高的清洁度，能够使其灵敏性提高，保证 锅炉机组各种运行调节手段更好的发挥作用。若屏式过热器较为清洁，则改变燃烧器 摆角调节主蒸汽温度就更灵敏，调节范围也更大。受热面的清洁能够降低其后烟气的 温度水平，减少金属管子的高温腐蚀和超温，延长受热面管排的寿命，减少受热面爆 管事故的发生。 大容量锅炉普遍使用可编程逻辑控制吹灰系统的运行。目前国内电厂吹灰运行的 模式主要是定时定程序进行吹灰。这种吹灰模式比较简单，即事先确定好每只吹灰器 5 的运行时间间隔和每次运行的吹扫时间。运行时，按照时间顺序依次成对地启动吹灰 器，经过预定时间后再将吹灰器退出炉外，停止吹灰。由于锅炉各部分受热面灰污增 长的速度不同，所以各部分受热面吹灰器的吹灰时间间隔也不一样。一般电站运行中 空气预热器 4 小时吹灰一次，其它受热面 6－8 小时吹灰一次。通常根据具体锅炉的 运行经验、燃烧煤种和运行状况，设置和调整吹灰器的操作顺序和运行时间，也可由 运行人员根据现场情况，手动操作吹灰运行。 1.4 优化吹灰的概念 优化吹灰概念的提出是因为吹灰器的运作是用一定量的介质消耗和其它损失来 换取受热面的清洁，因而其运作本身要消耗一定成本。蒸汽吹灰的耗汽量一般占蒸汽 总产量的 1，消耗锅炉热效率的 0.7[6]，电厂效率的 0.1[7]。如果不及时吹灰，虽 然降低了吹灰器消耗热量，但是由于受热面受到污染将导致锅炉效率降低；如果吹灰 过于频繁，虽然保证了受热面的清洁，提高了锅炉的热效率，但是吹灰器消耗热量也 将大大增加。此外，还要有安全性的考虑，吹灰不及时将使得受热面表面温度升高， 导致高温腐蚀；过于频繁又将破坏管壁外的氧化膜保护层，使得磨损加大。 因此在安全性的前提下，吹灰器的运作必定有一个经济性平衡点。但目前在电厂 中，吹灰器的运作大多是由运行人员根据经验，定时定程序进行吹灰，而不是根据受 热面实际灰污状态进行吹扫，因此存在很大的盲目性和不确定性，从而导致吹灰不足 或者吹灰过度，影响机组运行的经济性。故从经济角度考虑，应该对吹灰器的运作加 以优化。 在对锅炉受热面灰污状态进行实时有效监测的基础上， 通过吹灰经济性分析， 制定经济有效的吹灰方案和策略，用计算机代替运行人员的经验判断，用不定时的动 态调度代替定时吹灰。 1.5 国内外优化吹灰研究概况 国外一些工业发达国家很早就十分重视燃煤电站锅炉结渣积灰原理、监测和优化 吹灰技术的开发和应用，并已经在某些大型燃煤电站锅炉上进行了实施，取得了提高 锅炉安全性和经济性的效果[8 －27]。国内优化吹灰的研究起步较晚，有关研究单位在研 6 究过程当中，借鉴了国外的研究经验，也已将该技术应用于实际中。 1.5.1 国内外积灰结渣监测方法 国外工业发达国家对电站锅炉灰污监测进行了大量的相关研究和技术开发工作， 并已经开发出了一些各具特色的灰污监测系统。这些系统从功能上基本可以分为两 类，一类是针对炉膛水冷壁的灰污监测，另一类是针对对流和半对流半辐射受热面的 灰污监测。前者大多需要安装额外的测量装置和仪表，测量水冷壁接收的辐射热流等 信号；后者大多依赖锅炉原有的数据采集系统提供必要的测量信息，通过数学模型的 计算确定受热面的灰污状态。 炉膛结渣情况大多是从炉内传热的变化来判断，往往采用某个传热参数变化来衡 量炉内结渣程度，如单位水冷壁吸热量、火焰平均投射热流、火焰平均温度、炉内灰 污系数、灰污层热阻、灰污水冷壁平均温度等。目前发展出的炉膛结渣监测方法主要 有以下四种 1、炉膛出口烟温诊断炉膛沾污状况直接影响炉膛传热，炉膛出口烟温的变化 过程反映了结渣的整体情况。因此国外几乎所有的结渣监控系统都采用炉膛出口烟温 作为主要或重要的辅助诊断手段。炉膛出口烟温可以由锅炉热平衡推断，也可以由光 学高温计或声学高温计测量，所得数据准确与否，将直接影响结渣沾污的诊断结果。 它的缺点是无法炉膛局部结渣状态。 2、采用热流计作为诊断传感器[11 －14]。用安装在水冷壁上的热流计表面的沾污模 拟其附近水冷壁的沾污过程，根据结渣造成的热流变化对其进行监控诊断。不同的监 控系统关键在于热流计的形式和安装位置不同。热流计法是采用两种热流计，一种热 流计称为“清洁”热流计，它的辐射受热面在炉膛中保持清洁，通过它所测量得的热 流等于完全清洁的水冷壁所吸收的热流；另一种为“脏”热流计，它的监测面与实际 水冷壁有相同的结渣过程，通过它所测得的热流是实际水冷壁所吸收的热流。热流计 法的原理是通过实际热流（脏热流信号）和有效热流（清洁热流信号）比较，来对炉 膛局部沾污状况进行监测。此法应用于炉膛结渣的局部和全面诊断，是目前国外的技 术发展方向。 3、直接观察诊断。采用照相或摄像和图像处理技术，直接观察受热面的结渣沾 7 污状况是炉膛可视化的一个重要目的，如 Afonso 等人采用在不同位置的红外成像相 机直接测量水冷壁表面的辐射发射率，反映壁面的结渣状况[24]。 4、鳍片式水冷壁的背火侧鳍端温度法[28 －30]。有研究表明水冷壁背火侧鳍端温度 受炉内结渣影响显著，有较好的温度特性曲线，而且受其他因素影响较小，提出了以 水冷壁背火侧鳍端温度作为诊断炉内结渣严重程度的故障特征置。水冷壁背火侧鳍端 温度与鳍根温度的差值主要受炉内结渣厚度的影响，而受炉内工况的波动影响不大， 可以作为诊断炉内局部结渣的主要特征参数。由于这些技术的成本和应用效果有待检 验，还处于研究和试点应用阶段。 对流、半对流受热面所处温度较低，各种热工参数测量均较方便，这些受热面上 固定测点也较多，因而监控也较易实现。与一般的炉膛结渣状态的监测不同，这些受 热面的灰污状态不能通过测量局部热流来确定，这是因为这些受热面上的热流相对炉 膛辐射受热面上的热流要小很多，在对热流进行测量时会产生较大误差。虽然可以通 过改进测量技术消除误差，但是经济上不可行，而且对流、半对流受热段的高温、烟 气腐蚀也妨碍了测量装置的安装。同时，这些受热面与炉膛辐射受热面相比，不需要 对受热面的局部积灰有具体了解，只需有一个反映受热面积灰状态的总体参数即可， 这个参数可以通过锅炉系统完备的烟气侧和蒸汽侧参数获得。 目前国内外对电站锅炉对流、半对流受热面积灰监测大部分采用热平衡法，其基 本原理是根据传热过程中烟气侧和工质侧的热量平衡关系，由工质侧的参数反推烟气 侧的温度值，并结合锅炉受热面的结构布置特性，根据灰污监测理论模型进行传热计 算，得出各受热面的整体灰污状态，从而对电站锅炉各受热面的积灰结渣程度进行判 断。 1.5.2 国内外优化吹灰系统 20 世纪 70 年代后期以来，随着计算机技术和控制技术的发展，发达国家已经开 发出了多种优化吹灰系统，并已投入电厂实际应用[31]。 美国电力科学研究院联合相关电力公司和电站共同开始对锅炉受热面灰污在线 监测问题进行全面研究。八十年代末，人工智能在电站锅炉受热面灰污监测中得到应 用，此后 EPRI 陆续组织召开了多次智能吹灰专题研讨会，1993 年美国国家科学基金 8 会和 EPRI 联合召开的专题会议已把吹灰投用时间优化安排作为改善电站机组性能的 重要研究内容。第四届智能吹灰专题年会于 2002 年 3 月在美国休斯顿召开，会议交 流了智能吹灰最新的研究动态与进展。目前 EPRI 已经研究开发出了智能吹灰系统， 并已在许多电厂投入使用。 Lehigh大学也从 20 世纪 70 年代就开始致力于锅炉智能优化吹灰的研究，通过数 据挖掘方法以发现锅炉灰污和吹灰对蒸汽温度， 机组热耗， NOx 和烟尘排放量的影响， 对各吹灰器的特性进行描述。利用热平衡、烟气温度测量、管壁温度和热流量测量、 视频图像和对流烟道压降等方法对灰污情况进行监测，并提出以满足 NOx 和烟尘排 放标准、最小发电费用和避免不可控灰污为不同优化目标的吹灰策略优化方案，还对 吹灰控制的离线指导和在线专家系统闭环控制两种方式分别进行了理论研究。目前， 包含以上功能的实用软件目前还处于研发过程中。 美国能源研究中心Energy Research Center研究了如何优化吹灰以减少锅炉烟气 污染物排放量和改善机组性能，指出制定吹灰策略的关键在于决定对锅炉何部位以多 长周期进行清扫。通过一系列热平衡计算，获得整个锅炉流程的烟气温度，决定各受 热面吸热量和清洁因子，获得灰污沉积的程度，最终寻求 NOx 排放量、蒸汽温度波 动、热耗率和其它诸如烟尘排放、管子寿命和蒸汽能量损耗等因素的均衡，以此确 定吹灰周期，指导优化吹灰。 西屋公司提供了一套全新过程优化和高级控制产品，致力于通过减少电厂运行成 本来提高电站竞争实力。这套产品被称为 Smart ProcessTM，它是一套由优化器和顾问 器模块组成的智能软件，其中包括吹灰优化和指导功能。吹灰优化器使用神经网络工 具确定吹灰频率和位置，以实现最小的热效率和过程损失，并延长机组设备的寿命。 吹灰顾问器利用神经网络计算得到锅炉各吹灰器区域的实际传热量，据此信息求出清 洁系数并与理想值作比较，形成吹灰指导建议。优化的结果可并入现有的 DCS 形成 闭环控制，也可供运行人员参考。西屋公司还提出基于模糊逻辑的吹灰投用策略，使 蒸汽温度和锅炉效率同时得到改善。 美国 Honeywell 公司于 20 世纪 90 年代开始进行燃煤电站吹灰影响的数据分析， 主要利用神经网络对炉膛结渣和对流受热面灰污建模，描述灰污动态特性以优化吹灰 9 周期，并利用 PCA 等数学分析方法发现影响电站性能的主要因素。为了更好理解灰 污与相关因素的之间关系，决定需监视的重要参数，目前该公司正致力于灰污程度和 吹灰过程中热力参数可视化工作的研究。 GE 公司的商业软件－锅炉管理工具 Optifire 能在优化电站运行的同时， 还能减少 锅炉结渣并实现吹灰策略的优化。 DIAMOND POWER 公司开发了基于 Windows 平台的电站锅炉清洁系统，其集成 了锅炉运行监测和故障诊断功能，并能通过智能自动吹灰实现吹灰优化。 瑞士 ABB公司产品 OPTIMAX中的锅炉清洁Boiler Cleanliness模块能在线计算 锅炉受热面的清洁度以及每个受热面入口的烟气温度，并将计算结果用于优化锅炉吹 灰器运行程序。该模块还以图形界面显示各受热面灰污状况和吹灰效果，对运行人员 给予吹灰指导。 北爱尔兰 Queen大学在优化吹灰领域作了大量研究工作，前期对灰污监测和吹灰 周期优化的模型进行了研究。现阶段致力于从吹灰对炉内能量分布和热力循环效率影 响的角度，对吹灰方案进行优化。 国内关于吹灰优化的研究则起步相对较晚。自 20 世纪 80 年代以来，我国也开展 锅炉受热面灰污监测和吹灰优化问题的研究，并取得了一定的研究成果，有一些系统 已投入使用[32- 42]。东南大学，华北电力大学，清华大学和浙江大学等科研单位先后开 展了这方面的研究工作，建立了基于神经网络，烟气压差法等新型方法的受热面灰污 监测模型，并开发了一些应用软件，如华北电力大学研制的燃煤电站锅炉结渣积灰计 算机在线分析检测装置和吹灰优化软件[38- 39]，清华大学开发的锅炉对流受热面积灰状 态的在线监测系统[40- 41]，东大金智公司的电站锅炉对流受热面吹灰优化系统，这些系 统提供了受热面的在线监测功能，并给出吹灰优化步的基本指导功能[42]。应该看到， 国内电站锅炉受热面灰污在线监测和优化吹灰研究的范围与功能还有待进一步扩大， 在灰污监测模型的完善、吹灰经济性、吹灰周期确定准则和吹灰优化操作指导方面， 还缺少深入系统地研究，仍有许多工作要做。 10 1.6 本文研究内容 电站锅炉优化吹灰的研究是以提高电厂的经济性和收益为目的，在电厂越来越重 视经济性的情况下，将受到越来越多的关注。根据以上对国内外优化吹灰技术应用的 分析并结合我国实际，本文开发了一套优化吹灰系统。本文的研究内容主要分为以下 几章 第二章针对锅炉各受热面，建立灰污监测模型。包括炉膛灰污整体监测模型， 对流受热面洁净因子监测模型，空气预热器折算压差监测模型。 第三章归纳了与受热面灰污和吹灰运行相关的主要经济性指标，并建立了计算 模型，并得到了锅炉整体吹灰经济性综合指标和各受热面的吹灰经济性综合指标，并 在此基础上，建立了锅炉受热面吹灰经济性在线监测系统。 第四章在受热面灰污监测和吹灰经济性分析的基础上，建立了吹灰模糊识别模 型，并制定合理的优化吹灰策略，完善优化吹灰系统，从而经济有效的控制受热面吹 灰运行。 第五章介绍了基于某电厂 3机组 300MW 锅炉进行的优化系统的开发，包括硬 件与 DAS 系统的连接，软件的开发思路和界面。 第六章总结本课题的主要研究内容和创新之处，同时对现有工作的不足仍需完 善之处提出了展望，并指出了进一步的发展方向。 11 2 燃煤电站锅炉受热面积灰结渣监测模型 受热面积灰结渣监测是优化吹灰的基础，而灰污监测模型是积灰结渣监测系统的 核心。在锅炉的常规运行过程中，受热面的灰污状态是不可见的，难以直接观察。锅 炉计算中一般用能表征受热面灰污程度的一些参数来反映积灰状况，主要是采用基于 热平衡和传热理论的方法，利用电厂 DCS 系统的热工监测参数，主要是锅炉受热面 蒸汽测参数和烟气测参数，结合锅炉受热面的结构布置特性，确定各受热面的洁净因 子，从而得到受热面灰污状态。与其它方法相比，该方法基本无需增加新的测点，不 必采用复杂的诊断设备和数据采集、处理装置。 2.1 监测对象简介 本文针对的具体对象是某电厂一台 1025t/h 亚临界压力自然循环煤粉锅炉。锅炉为 “∏”型布置，亚临界压力，一次中间再热，燃用煤粉，制粉系统为钢球磨煤机中间仓 储式热风送粉，四角切圆燃烧方式，固态排渣。炉型见图2- 1，设计参数如表 2- 1所示。 表 2- 1 锅炉设计参数 项 目 单位 参考值 项 目 单位 参考值 汽包压力 MPa 18.56 一次风温度 ℃ 80 二次风温度 ℃ 333 一级减温喷水流量 t/h 5.1MCR / 31.7ECR 周界风温度 ℃ 377 一次风风量 23 二级减温喷水流量 t/h 1.3MCR / 5.4ECR 二次风风量 62 给水流量 kg/s 900 周界风风量 10.7 排污率 0.5 炉膛负压 mmH2O - 2 - 6 排渣率 15 主蒸汽温度 ℃ 541 烟气含氧量 3.54.0 主蒸汽压力 MPa 17.60 排烟温度 ℃ 144.3 再热蒸汽温度 ℃ 541 再热蒸汽压力 MPa 4.17 省煤器出口烟气温度 ℃ 395 主蒸汽流量 kg/s 939.5 再热蒸汽流量 kg/s 831.25 额定的发电功率 MW 300 12 图 2- 1 锅炉总体结构示意图 炉膛四周布置膜式水冷壁，炉膛上方布置顶棚过热器、后屏过热器，在水平烟道 中依次布置中温再热器、高温再热器、高温过热器，尾部烟道竖井沿深度方向分隔成 平行的双烟道，主烟道、旁路烟道中布置两级低温过热器、两级省煤器。主烟道中省 煤器下方均安装有烟气调节挡板，用来控制通过主、旁烟道的烟气量，以达到再热汽 温调节的目的。 过热蒸汽的流程如下顶棚与尾部烟道包覆炉壁受热面 水平低温过热器 垂直悬挂式过热器（低过悬挂管） 减温喷水 前大屏过热器 高温过热器。 由汽包引出经顶棚受热面，再经过包覆过热器受热面，又经过位于尾部烟道中的低温 对流过热器，再经过位于炉顶区域的顶棚过热器，以及后接的高温过热器，使蒸汽温 度达到 540℃后流出。过热蒸汽温度的调节，一部分通过燃烧器喷嘴仰角的改变达到， 炉膛 屏式过热器 中温再热器 高温再热器 高温过热器 低温过热器 省煤器 空气预热器 13 另一部分由低温过热器出口的减温喷水完成。 再热蒸汽的流程为减温喷水 低温再热器 高温再热器。来自汽轮机的排 气首先通过位于锅炉前墙上部的辐射式再热器，再经过低温再热器、高温再过热器， 使蒸汽温度达到 540℃后流出。过热蒸汽温度的调节，一部分通过燃烧器喷嘴仰角的 改变达到，另一部分由低温过热器出口的减温喷水完成。 2.2 锅炉炉膛灰污整体监测模型 燃煤锅炉的水冷壁出现沾污、结渣时，由于灰层热阻较大，使灰层外壁温度升高， 反向辐射更强烈，水冷壁吸热量减少，炉膛出口烟温 l θ升高，并引起过热器超温和炉 膛出口受热面结渣，甚至造成重大锅炉事故。因此，在锅炉运行中监测炉膛出口烟温 的变化，可在一定程度上作为判断炉膛内水冷壁是否出现较严重的沾污或结渣的依 据。 根据炉膛出口烟温变化进行诊断的关键是获得炉膛出口烟温。但是锅炉炉膛出口 烟气温度的测量是一个很困难的工作。把热电偶送入适当的位置，一般锅炉上没有十 分合适的测孔； 现代电站锅炉的炉膛很宽， 要把热电偶送到合适的测量位置很不容易； 高温烟气测量，由于有辐射传热的影响，有相当大的测量误差。正是由于炉膛出口烟 气温度的测量很困难，所以电站锅炉一般没有这一温度的常规运行测点。所以本文用 热平衡法对炉膛出口烟温进行推算。该方法是依据工质侧参数，在已知当时燃用煤种 元素分析的情况下，从测量较为准确的锅炉排烟温度开始，沿着与烟气流动相反的方 向，应用热平衡理论，逐一计算出各受热面间的烟气温度，最终推算出炉膛出口烟气 温度。这是一种间接估算方法，有一定的误差。 通过整体热平衡计算后，计算出的结果为炉膛出口烟温，经过反向推理可得出炉 膛整体的灰污系数ζ，用灰污系数来表征锅炉炉膛整体的灰污程度，下面是灰污系数 具体的推理过程[4]。 0.6 3 0 1 1 l a lla jpj T T FaT M B VC σ ψ ϕ     2- 1 14 式中 l T炉膛出口烟温，K； a T 理论燃烧温度，K； 0 σ 黑体辐射常数，其值为 824 5.67 10/.Wm K − ； pj VC1 千克燃料的燃烧产物的平均热容量，/.kJkg K； j B计算燃料消耗量，/kg s； ϕ保热系数； l a 炉膛黑度；对室燃炉 1 hy l hyhy a a aaψ − 其中 hy a火焰黑度； ψ水冷壁的平均热有效系数 xi ts q q ψ 其中x水冷壁的角系数； ζ水冷壁灰污系数； xi q 单位面积的炉壁上的水冷壁吸热量， 2 /W m； ts q 火炬向炉壁的投射热流， 2 /W m； M考虑火焰中心对炉内传热影响的系数，例如对无烟煤、贫煤、多灰 烟煤 0.560.5 m Mx− 其中 m x 火焰中心的相对位置； l F 炉壁面积， 2 m； / xijpjall qBVCTTFϕ− 2- 2 将式 2- 2 代入式 2- 1 中，展开得 3/5 3 0 1 alaal lxi TaTTT M Tq σψ− −   2- 3 15 35/3 0 2/3 1 lal xi a l aT T M q T T σψ  −   2- 4 将热有效系数 / xits qqψ 代入式 2- 4 中，可得火炬平均投射热流 ts q 35/3 0 2/3 1 lal ts a l a T T M q T T σ  −   2- 5 由式 2- 2、2- 5 代入 xi ts q xq x ψ ζ 可得灰污系数ζ 5/3 5/335/3 0 jpjal xi tslall BVCTT q xq xa MT TFx ϕ ψ ζ σ − 2- 6 由于火焰黑度 l a 与平均热有效系数ψ有关，所以式 2- 6 是一个隐函数形，计算时 要进行迭代计算。 2.3 回转式空气预热器灰污监测模型 现在大型电站锅炉广泛采用回转式空气预热器。与管式空气预热器相比，具有节 省钢材，结构紧凑，节省场地，布置方便等突出优点。由于其结构上的特点，无法运 用常规热平衡法计算其洁净因子。但是，回转式空气预热器积灰后，烟道流通面积减 小，烟气流动阻力增大，所以烟气进出口压差值增大。所以可根据烟气进出口压差值 变化对回转式空气预热器的积灰状况进行监测[43- 45]。 2.3.1 空气预热器洁净因子 CF 由于影响流过空气预热器空气量的因素要多而且复杂，而流过空气预热器的烟气 量主要受锅炉负荷和烟气含氧量变化的影响，变化关系比较容易确定。所以，用烟气 侧的压差值作为监测空气预热器灰污程度的参数。 因为实测的烟气侧空气预热器的压差值只能反映流动阻力的大小，而不能直接体 现阻力系数的变化，因此也不能反映空气预热器实际积灰的程度，所以可将不同负荷 和过量空气系数下的实测压差值均折算到某一特定的工况下（额定负荷，某一烟气含 16 氧量）下，从而可以使不同的工况下空气预热器的积灰程度具有一致的可比条件。 由流体力学可知烟气侧的压差与烟气流量的平方成正比，而烟气流量与对应的 燃煤量和过量