600MW燃煤机组W型火焰锅炉优化吹灰试验与工程实现.pdf

华北电力大学（保定） 硕士学位论文 600MW燃煤机组W型火焰锅炉优化吹灰试验与工程实现 姓名秦占峰 申请学位级别硕士 专业热能工程 指导教师阎维平 20051028 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 对大型电站锅炉吹灰特性进行现场试验研究，确定优化的吹灰策略，实现在线 吹灰优化指导可有效提高锅炉效率、延长管道使用寿命、降低污染物排放。本文针 对一台6 0 0 M W 机组“W ”型火焰锅炉，采取理论分析和现场试验密切结合的方式， 首先对锅炉受热面的污染增长规律进行分析，并通过进行现场试验确定了锅炉各主 要对流受热面的污染增长特性；进而确定了吹灰次数与吹灰强度等对各对流受热面 污染影响规律，及各受热面污染对锅炉效率的影响规律；并进一步确定了不同受热 面污染状态改变对其它受热面运行的影响规律。最后对所研究的6 0 0 M W 机组“w ” 型火焰锅炉，实现了受热面实时污染监测，并根据监测结果，在线提出吹灰优化模 式，指导现场运行操作．运行统计数据表明，通过对吹灰模式进行优化，有效提高 锅炉运行效率，经济效益显著 关键词优化吹灰，试验，“W ”火焰锅炉，实现 A B S T R A C T I ti si m p o r t a n tt oi n v e s t i g a t et h es o o t b l o w i n gp e r f o r m a n c ea n do p t i m i z et h e s o o t b l o w i n gs t r a t e g y ，w h i c hw i l ll e a dt oi n c r e a s eb o i l e re f f i c i e n c y , t op r o l o n gb o i l e r l i f ea n dt od e c r e a s ep o l l u t i o ne m i s s i o n ．T h es o o t b o i l e rc h a r a c t e r i s t i c sa n do p t i m a l s o o t b l o w i n gs t r a t e g yi na6 0 0 M W ‘‘W ”f l a m eb o i l e rh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d ，a n d f i e l de x p e r i m e n t sh a v eb e e nc o n d u c t e d ．A c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fa s hd e p o s i ta c c u m u l a t i n go nc o n v e c t i o n a lh e a tt r a n s f e rs u r f a c e h a sb e e ns t u d i e d ．t h ee f f e c t so fs o o t b l o w i n gs t r e n g t ho nh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s a n db o i l e re f f i c i e n c yh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ，a n dt h ee f f e c t so ft h ea s hd e p o s i ts t a t e o fo n eh e a tt r a n s f e rs u r f a c e sh a v e b e e na n a l y z e d ．T h eo n l i n ea s hd e p o s i t m o n i t o r i n ga n do p t i m i z a t i o no fi n s t a n ts o o t b l o w i n gs t r a t e g yh a v eb e e nr e a l i z e do n t h eb o i l e r ，w h i c hl e a d st oa ni m p r o v e m e n to fb o i l e re f f i c i e n c ya c c o r d i n gt op r a c t i c a l d a t a ． Q i nZ h a n f e n g p o w e rp l a n tT h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g D i r e c t e db yp r o f ． Y a hW e i p i n g K E YW O R D S O p t i m a ls o o t b l o w i n g , E x p e r i m e n t , “W ”f l a m eb o i l e r , R e a l i z a t i o n 华北电力大学工程硕士学位论文 1 ．1 引言 第一章绪论 煤粉在锅炉炉膛内燃烧，除了生成C 0 2 、S 0 2 和N O x 等主要燃烧产物外，煤中 的无机矿物质以及金属有机物便形成7 残渣，即灰渣。灰渣中的各种元素以氧化物 和硅酸盐、硅铝酸盐以及硫酸盐等多种形态的化合物存在。当烟气温度高于灰分的 软化温度时，灰分熔化成液态，粘结在炉膛受热面上，形成结渣在更高的烟气温 度下，灰分挥发成气态，然后在较冷的水冷壁、过热器或再热器管面上凝结，并与 飞灰相结合一起沉积于管子上，形成粘污。这些受热面的结渣和积灰将影响锅炉的 正常运行。 我国燃煤电站锅炉用煤的灰分和硫分较高，容易形成受热面的粘污和积灰。锅 炉炉内或多或少的结渣积灰是不可避免的，在锅炉的受热面设计中均以污染系数或 利用系数不同程度地考虑了正常积灰与结渣的影响，但是，严重的积灰或结渣对锅 炉的安全经济运行有很大的影响． 目前的除灰除渣的技术措施主要包括蒸汽吹灰、压缩空气吹灰、声波除灰、钢 珠除灰、水枪冲渣、爆炸吹灰等，在以上各种减少积厌与结渣的技术中，运行中带 负荷对受热面进行吹扫是一种有效的避免严重积灰或结渣的十分必要的技术措施。 但是，无论是空气或蒸汽吹灰。一方面要消耗大量的能量；另一方面，不适当的频 繁吹灰会因磨蚀和热应力对受热面造成损伤，缩短受热面的金属寿命，同时也增加 了吹灰装置的维修费用。 目前，国内各电站锅炉的吹灰系统基本按事先设定的吹灰周期工作。在锅炉设 计制造和安装调试过程中，按照设计煤种的煤质特性，假设积灰的变化过程，认为 积灰程度是时间的线形或指数函数，然后以总能量消耗最小为目标，从而确定最佳 吹灰周期。按照设定的周期，以沿烟气流程从前向后的顺序，依次吹扫所有的受热 面。在积灰污染严重的情况下，有时也会采取逆序吹灰的方式，但逆序吹扫完成以 后，通常仍然需要进行一遍顺序吹灰，以避免离炉膛出口较远受热面因逆序吹扫造 成较严重的积灰。 但锅炉在实际运行过程中，由于煤质变化、燃烧调整和大小修的进行等原因， 受热面实际的积灰速度与原先的预测往往不能吻合，甚至偏差很大，按照锅炉设计 时设定的吹灰周期吹灰往往并不合理，从而造成吹灰不足或过于频繁。不合理吹灰 造成的浪费和对环境的污染都是十分惊人的，目前的吹灰程序远远没有挖掘出智能 吹灰的潜力，迫切需要对其进行改进． 因此，在锅炉运行中，应尽可能地准确监测炉内结渣积灰的程度和发展趋势， 华北电力大学工程硕士学位论文 并根据积灰结渣的状况和运行需要，合理、有效地动作吹灰器，及时吹灰清渣．由 于锅炉实际运行环境条件的限制，不可能直接判断炉内的结渣情况。因此，需要研 究和开发基于在线监测参数，直接或间接地诊断炉内积灰结渣的在线监测诊断技 术，并在此基础上建立优化吹灰模型，针对应用对象的运行特性和具体的优化目标， 制定合理的吹灰策略，直接指导运行人员对吹灰器进行操作，将传统的周期性定时 定量吹灰改变为根据受热面污染状况和其它运行需要的动态吹灰，以达到提高锅炉 效率、协调汽温控制、延长管道使用寿命、降低污染物排放的目的。 1 ．2 电站锅炉受热面污染监测及优化吹灰研究现状和尚未解决的问题 1 ．2 ．1 受热面灰污形成的机理和模型 电站锅炉受热面上的灰污沉积主要受煤粉颗粒中无机物成分的含量、组成、存 在形式，以及锅炉设计和运行条件的影响。随着电站锅炉受热面积灰与结渣现象对 锅炉安全经济运行的影响逐步引起人们的重视，锅炉受热面灰污预测，主要是结渣 预测的研究也逐渐开展起来，各种计算模型开始得到发展。由于一个系统的燃烧模 型必须考虑到灰沉积，而灰沉积预测也需要了解燃烧情况，于是，出现了将燃烧模 型和灰沉积模型结合起来的综合模型。然而，在预测局部灰沉积率、灰渣特性、灰 渣对燃烧影响和运行条件对灰渣特性和生长的影响方面，能力有限。特别是没有一 个模型定位于研究灰污沉积对电站锅炉运行性能 包括传热效率、炉内关键点烟温 等因素 的影响，而这对于锅炉的安全经济运行，优化吹灰模型的研究与吹灰策略 的制定就尤为重要． 总的来说，目前对受热面灰污形成的基本物理和化学过程有了相当深入的理解， 对一些运行参数 如流体速度、温度和浓度等 对灰污进程影响的认识，积累了很 多相关的资料和试验数据。但对受热面灰污，特别是电站锅炉受热面灰污进行有效 的监测，并对吹灰模式进行优化的研究仍处于发展阶段。 1 ．2 ．2 受热面污染在线监测和尚未解决的问题 作为电站锅炉节能领域的一个重要研究方向，从上个世纪9 0 年代初开始，燃煤 电站的锅炉受热面积灰结渣在线监测和智能优化吹灰技术的开发与示范在国外已 经引起了广泛高度的重视。 华北电力大学的阎维平教授自1 9 9 7 年开始承担国家电力公司重点科技项目，在 国内率先进行了燃煤电站锅炉受热面污染监测理论与实践的研究工作． 电站锅炉受热面污染监测根据其换热机理不同，分为辐射受热面监测 主要指 炉膛 和对流受热面监测两大部分。因为辐射受热面和对流受热面在传热机理、受 热面结构、布置区域烟气平均温度等方面均有所不同，其监测方式也存在差异。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 一 炉膛污染监测 目前对于炉膛内的积灰和结渣监控，主要包括以下直接和间接诊断等几种方式。 1 直接诊断 直接诊断是通过仪器设备直接观察炉内受热面的结渣状况来监测炉膛污染。由 于炉内高温和飞灰等复杂环境的限制，且缺乏合适的装置和信息评价方法，可用作 直接诊断的方法并不多。 2 采用热流计间接诊断监控 采用安装在水冷壁上的热流计作为诊断传感器，用热流计表面的粘污模拟其附 近水冷壁结渣的产生和发展过程，根据结渣造成的热流变化可对结渣进行诊断和监 控． 热流计可视需要安装于炉内不同位置，用于炉膛结渣的局部或全面诊断，但其 造价昂贵、维护困难、产品可靠性不足等缺点限制了进一步推广和应用． 3 利用水冷壁背面温差间接诊断 测量水冷壁背面温差来监测炉膛污染。针对膜式水冷壁的结渣。利用有限单元 法求解膜式水冷壁温度场，计算背火侧壁面温差与水冷壁局部热负荷之间的关系。 利用背面温度测点，在线测量水冷壁局部热负荷，即灰污热负荷。正常情况下的清 洁热负荷。通过直接测量清洁热流，或者炉膛分区段计算得出。比较灰污热负荷和 清洁热负荷，可以判断出结渣的位置和严重程度。通过炉膛分区段计算，得出炉膛 出口烟温与不同区段结渣面积之间的关系，结合炉膛出口烟温监测，以大致确定结 渣面积。到目前为止，该方法仅限于实验室研究，尚未见到实际应用的报道。 4 根掘炉膛出口烟温变化间接诊断 当炉膛内出现粘污、结渣时，水冷壁的吸热量减少，炉膛出口烟温升高。炉膛 吹灰后，炉膛出口烟温显著下降，此后随粘污的增加又逐渐升高，直到下一次吹灰。 虽然该方法难以满足根据不同位置结渣状况采取不同吹灰间隔等的经济运行需要， 但由于炉膛出口烟温可以由尾部受热面通过热平衡计算逆推得到，除了少量测温元 件外，不需要安装任何其它任何硬件和添加复杂的数据采集系统，并且该方法能够 反应炉内包括结渣和积灰在内的总的污染状况，因此，对于大部分只存在积灰污染 和轻微结渣污染的锅炉，采用炉膛出口烟温间接监测是比较经济现实的方法。 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，它大致有两类方 法。 1 由热平衡推算。炉膛出口烟温很高，常规的热电偶难以长期运行，～般在炉 膛出口不装设温度测点．通常从省煤器入口或空气预热器入口测得烟温及相 应的汽水温度等，根据热平衡推算炉膛出口烟温。这种间接估算方法的缺点 是存在一定的计算误差，据估算其误差可控制在4 ％以内，对应绝对误差在4 0 华北电力大学工程硕士学位论文 ℃左右。对于温度变化十分敏感的结渣过程，这一误差可能会在一定程度上 影响控制的准确性和可靠性。 2 直接测量。获得炉膛出口烟温的最好办法是直接测量，如光学高温计烟温探 枪等。 炉膛出口烟温不仅与炉内的积灰结渣程度有关．还与锅炉负荷、煤质等因素相 关联。最初一些监测系统只是采用炉膛出口烟温作为炉膛污染监测的辅助手段，因 此，需要开发新的，合理有效的监测模型，剔除灰污以外的其它因素对炉膛出口烟 温变化造成的影响，才能真正实现炉膛污染软监测。 二 对流受热面污染监测 相比于炉膛等辐射受热面，对流受热面所处区域烟气温度较低，测量较为方便，这 些受热面上工质侧固定测点也较完备，因而监控也较易实现。一般通过测量省煤器入口 或空气预热器入口的烟温，再采用热平衡法推算其它处烟温及热流，根据热流的变化诊 断积灰状况，配以相应的系统，即可对积灰状况进行监控。由于热平衡计算所依据的受 热面进、出口工质温度、出口烟气温度以及受热面管排结构等参数均为可实时获取的准 确参数，其机理模型的建立也较为简单，因此，在煤质、负荷相对稳定，无较大运行扰 动的情况下，对流受热面污染在线监测的效果较为理想。 1 ．2 ．3 优化吹灰模型及优化策略和尚未解决的问题 一 优化吹灰模型及优化策略 电站锅炉受热面污染监测的根本目的是优化吹灰，指导吹灰器合理动作，避免 受热面严重的积灰结渣，提高传热效率，减少吹灰蒸汽损耗和对受热面管壁的磨损。 受热面污染在线监测是实现优化吹灰这个最终目标的第一步，优化模型的建立、合 理吹灰策略的制定同样至关重要。在建立吹灰优化模型和制定优化策略的过程中， 确定何时吹灰、以何种强度吹灰 吹灰蒸汽的压力 、吹扫哪些受热面、投运哪些 吹灰器、吹多久等问题是应当深入研究的核心内容。 从目前已开发的商业优化吹灰软件系统和公开发表的文献来看，优化吹灰的基 本思路比较统一。即为每个受热面找出一个“期望”的洁净程度 洁净因子或污染 率等 ，然后通过计算每个受热面的实际洁净因子，比较两者之差，当差值大于零 或某个设定值 时，系统提示吹灰，并优先吹扫差值较大的受热面。在此基础上， 建立一些修正规则，比如沿烟气流程，离炉膛出口远的吹灰优先级高等。 总的来说，相比于受热面污染监测，优化吹灰模型的建立要复杂和滞后得多， 尚处于研究与开发阶段。一方面，优化吹灰模型是建立在准确监测受热面污染状况 的基础上的。不能准确、可靠、稳定地实现辐射和对流受热面的污染在线监测，优 化吹灰就无从谈起。一些污染监测系统在确定何时建议机组吹灰时，往往只是根据 4 华北电力大学工程硕士学位论文 经验，为监测对象设定一个固定的污染上限值．当监测结果超过设定值时，建议动 作相应的吹灰器。这样，能做到根据受热面污染状态有目的、有针对性地吹扫较“脏” 的受热面，避免了重复吹扫和吹灰不足，但却不能在“最恰当”的时刻进行吹灰， 以获得最大的经济效益。另一方面，由于电站锅炉是一个大容量、多参数、各变量 紧密偶合的动态非线性系统，受热面吹灰作为该系统的一个扰动，影响的不仅是该 受热面的传热状况，还包括其它受热面的积灰速度和传热效果，以及炉膛出口烟温、 主蒸汽温度、再热蒸汽温度等重要运行参数，定性的优化原则虽然容易制定，但定 量的准确计算则存在着很大困难。 二 缺少可实际应用的受热面积灰增长预测模型 受热面积灰增长模型是优化吹灰模型建立的基础。对机组进行经济性分析，必 须预测受热面污染增长的趋势 建立目标函数，通过解目标函数 ，找出各受热面 最优的污染程度。 建立简单实用的电站锅炉受热面灰污增长预测模型，合理预测灰污随积灰时间 变化的规律，成为实现优化吹灰的迫切需要。 三 吹灰优化的基础试验研究不足 建立优化吹灰模型，实现吹灰器合理动态调度的实质，就是将传统的定期、顺 序吹扫变为不定期的按需吹扫。由此引发的一个现实问题就是上游受热面吹灰必 然导致烟气中细小粒径的灰颗粒含量增加，这些较小粒径的灰粒对管壁灰层的撞击 作用非常小，相反其较大的粘结力和静电引力使得灰污在下游受热面的附着几率增 大。那么上游吹灰是否会使得下游受热面积灰快速增长 特别是在下游受热面处于 刚刚吹扫完毕的清洁状态时。 一般的优化吹灰系统均把研究重点放在何时吹灰、吹扫何受热面上，往往忽视 了应以何种强度吹灰，及应该吹多久的问题。是否存在一个合理的吹灰蒸汽压力范 围和吹扫时间，在该范围内，既能有效清除积灰，又能节约蒸汽，减轻吹灰蒸汽对 管壁的磨损。 此外，不同区域的受热面积灰速度和积灰程度往往存在差别，吹灰器的动作效 果也有所不同，不同位置的积灰增长速度差别是否有规律可循 对于积灰速度慢的 受热面较长时间不吹扫。是否会增加灰污的粘结强度，增大除灰困难。 上述问题的澄清对于优化模型的建立和吹灰策略的制定具有重要的指导意义， 但目前类似的研究还很欠缺，未见有相关试验的文献报道，特别是缺少以在役机组 为研究对象的试验结论． 1 ．3 本文的主要研究内容 本文针对一台6 0 0 M W 机组“W ”型火焰锅炉，采取理论分析和现场试验密切结合 5 华北电力大学工程硕士学位论文 的方式，主要研究内容包括 1 ． 对锅炉受热面的污染增长规律进行分析，并通过进行现场试验确定了锅 炉各主要对流受热面的污染增长特性； 2 ． 通过现场试验，确定了吹灰次数与吹灰强度等对各对流受热面污染影响 规律，及各受热面污染对锅炉效率的影响规律； 3 ． 通过现场试验，确定了不同受热面污染状态改变对其它受热面运行的影 响规律。 4 ． 基于6 0 0 M W 机组“w ”型火焰锅炉的污染监测模型、吹灰优化模型，实现 了计算机在线软件系统的运行，并结合现场试验数据及锅炉的运行安全 性及经济性的要求，完善和提高了软件系统功能与可靠性，有效地提高 了锅炉运行的经济、环保和安全性。 6 华北电力大学工稃硕士学位论文 第二章锅炉受热面污染沉积机理与监测模型 2 ．1 锅炉受热面污染形成的机理分析 电站锅炉受热面的污染主要是指烟气侧的污染。煤在形成过程中，带入大量的 元素，除碳氢化合物等可燃成分以外，还含有硅、铝、铁，钙、硫、钠、钾、钛、 镁、磷、锰、氟等所组成的各种形式的矿物质和复杂化合物，其中对积灰和结渣影 响比较大的是硅、钠、铝、硫、钙等元素。在空气中完全燃烧后，煤中的无机矿物 质以及金属有机物便形成了残渣⋯一灰渣或煤灰。灰渣以三种形式存在 1 保持 固体状，以飞灰形态通过锅炉受热面，引起炉管磨损； 2 融化成液态，然后粘结 在炉膛受热面上，经逐步沉积而形成较大的渣块，称为结渣； 3 在高温下挥发成 气态，然后在较冷的水冷壁、过热器和再热器管面上凝结，并与飞灰结合在一起沉 积于受热面管子上，形成积灰。本文主要研究受热面的积灰与结渣。 2 ．1 ．1 锅炉受热面积灰结渣形成的机理 一 炉膛结渣形成的机理 当煤粉在炉内燃烧时，灰中易熔性物质首先熔融液化，在表面张力作用下，收 缩成球状，粘度约为1 0 ～1 0 0 P a s ．熔融的灰粒由于呈球形、空气阻力较小而比重 大，因此，易从烟气中分离出束落入灰斗，渣池或粘附在炉膛受热面上。那些不易 熔化的灰渣，可能保持原有的不规则形状，当可燃物燃尽后形成多孔状，被烟气携 带逸出炉膛形成飞灰，或堆积在冷的受热面上。 由于炉膛内温度较高，煤中的灰成熔融状态或半熔融状态。如果这部分灰在到 达受热面前，尚未足够冷却，仍具有较高的粘结能力时，就容易粘附在受烟气 火 焰 冲刷的受热面或炉墙上。虽然开始时水冷壁管子光滑，温度低，黏性的灰不易 粘着，但熔化灰滴接触到冷受热面时，温度降低，可能凝固聚集其上，形成一层松 软积灰。可认为某些细小灰粒带正电荷，清洁金属面总是吸引带正电荷颗粒，很快 形成一层薄垢。大于l i g n 的颗粒因惯性冲击落在管子的向流面上，形成较厚的垢层． 当被氧化的高温金属面和灰垢间界面上发生物质交换，则可能产生很强的粘合力． 如果灰熔点较低，当达到煤灰变形温度时，就成为粘滞性很强的塑性渣膜，并逐渐 烧结，烟中灰粒不断粘聚上去，热阻增加，冷却更恶化，以致仅仅灰层表面成为流 动渣，烟中灰粒继续扑向渣膜，流动性降低，渣层增厚。最后，焦渣越来越厚，成 为大块焦渣。 二 对流受热面积灰形成的机理 当烟气温度高于灰分的软化温度时，灰分开始熔化成液态；在更高的烟气温度 7 华北电力大学工程硕士学位论文 下，灰分挥发成气态，然后在较冷的水冷壁、过热器或再热器管面上凝结，形成粘 结灰；而粘结灰显然要比金属管壁粗糙，飞灰在其外层凝聚，形成～个相对松散的 积灰层。高温对流受热面上的积灰通常分为两层，薄而密实的内灰层和松散、易清 除的外灰层；而低温区受热面上的积灰主要为松散型的积灰。锅炉运行中，蒸汽吹 灰去除的主要是松散型积灰，因此，这里讨论的主要是指松散型积灰的机理。 通常情况下，积灰主要存在于背风面，迎风面很少，并且，烟速越高，积灰越 少，迎风面甚至没有。飞灰微粒一般都小于2 0 0 朋，大多数是1 0 ～2 0 ／a n 的颗粒。 当烟气横向冲刷管予时，管子背风面产生漩涡区，将很多小灰粒带了进去，并沉积 在管壁上．进入漩涡区的灰粒大多数小于3 0 ] a n ，而沉积下来的灰粒都小于1 0 删． 大的灰粒不但不沉积，而且会冲击管壁而使积灰减轻，这就是烟气的自除灰能力。 由于气流在接近管子时转向，因此受冲击最多的是管子两侧。管予正面的积灰很少， 但也有沉积灰粒的可能。 灰粒的沉积过程是开始积聚很快，以后由于大灰粒的冲击使积聚速度减慢。到 积聚上的灰和冲击掉的灰相等时，灰粒的积聚和冲击达到动态平衡，积灰就不再增 加了。只有因外在条件改变而破坏这个平衡时 如烟速变化 ，才会改变积灰情况， ～直到建立新的动态平衡为止。 2 ．1 ．2 煤中矿物成份对积灰结渣的影响 受热面的积灰和结渣，主要是煤粉燃烧时煤中矿物成份发生作用的结果。煤中 的铁、硫、碱金属等含量高低对受热面积灰结渣有着十分重要的影响。 一 灰中含铁对积灰结渣的影响 铁常以黄铁矿 F e S 、碳酸铁 F e C 0 3 的形式存在于煤中，或者作为杂质的形 式存在于方解石和白云石中。较少的是以扇石 F e 2 M 9 2 A 1 2 S i 2 0 4 、赤铁矿 F e 2 0 3 等其它形式出现。火焰中矿物质的初阶段反应将对积灰产生影响。黄铁矿首先氧化 成磁黄铁矿和S 0 2 ，该反应是燃烧区发生的最重要的矿物质反应之一．反应产物F e S 熔化成球形，由于它具有较低的阻力系数和较大的密度，因此在本身的动量推动下 到达炉墙。而F e S 的熔化温度只有1 1 9 2 “ C ，容易在炉墙上凝固，形成结渣。 二 灰中含硫对积灰结渣的影响 研究表明，硫在形成结渣过程中也是重要因素。不管煤中的硫以有机形式或以 黄铁矿形式存在，在火焰中其主要成分都是S 0 2 。由于硫份的存在，致使碱金属在 对流烟道中凝析出来，低硫煤中析出的碱金属趋向于在飞灰粒子的外表面上凝析， 而高硫煤中析出的碱金属却趋向于形成复杂的铝或铁的碱金属类硫酸盐。它们的熔 点很低，在5 3 7 ～7 0 4 “ 1 2 左右。 三 碱金属含量对积灰结渣的影响 无论就哪种类型的积灰而言，碱金属化合物在其形成过程中均有不同程度的作 叠 华北电力大学工程硕士学位论文 用，对于碱金属化合物型积灰，这种作用更是明显，因此钠和钾一般被视为造成锅 炉对流烟道粘污的祸因。如果煤和灰中含有较多的碱类物质，便易产生积灰，特别 是煤中含硫量也较高时，积灰更为严重，这已为许多锅炉的运行实践所证实． 此外，煤中的含灰量也是影响灰沉积的一个因素。实际上，当钠含量较低时 灰 中含氧化钠不大于1 ％ ，不管灰分含量多少，积灰速度都很低；而在5 ～l O ％氧化钠 时，积灰随煤的灰分呈指数增加。‘ 四 氯含量对积灰结渣的影响 煤中的氯主要以碱金属的氯化物K C l 、N a C l 或者以碱土金属氯化物C a C l 2 、M g C I 和另外一些化合物形态存在。煤中氯的含量对锅炉积灰的生成同样有较大的影响。 对于碱金属氯化物形态存在的氯元素，其对积灰过程的作用与碱金属的相同，不过， 由于N a C I 、K C I 更易挥发，因而对积灰的影响更大。 2 ．1 ．3 灰粒向受热面沉积运动时的受力分析 一 促使灰粒粘附在受热面上的力 范德华引力。范德华引力包括长程和短程两种，在灰粒向锅炉受热面上沉积的 过程中，发生作用的主要是长程范德华力。此时可以看成是一个球形颗粒与一平面 间的范德华力。范德华力的大小主要与灰粒的半径以及灰粒距受热面的距离有关。 在不存在其它力作用的情况下，只有当灰粒与受热面之间的范德华力比重力大或者 相等，才有可能粘附在受热面上，形成积灰。 表面张力。也称为单位表匦自由能，它表示各相表面分子所具有的活性。在界 面处的两相表面分子相互吸引，其吸引程度可以用界面张力表示。界面张力小，说 明形成的界面稳定，亦即界面处两相分子的吸引力与各自本体中分子『日J 的吸引力相 近。对于熔融的灰壁面和固体灰粒，表面张力的大小主要与两者的接触角、湿润角 以及灰粒直径等因素有关。 静电力。具有偶极矩的颗粒沉积到受热面时，在电场作用下定向排列，形成凝 聚的灰层。在锅炉沉积物中，分子热运动的影响以及形成电场的强度并不大，因此 静电力不是成为粘附的主要作用力。 热泳力．由于壁面上存在温度梯度，所以颗粒接触壁面后会继续受热泳力作用。 热泳力的计算公式繁多，各有其不同的适用范围，但主要与温度梯度、烟气和灰粒 导热系数、粘度等因素有关． 化学力。化学力的本质是静电力，化学力比范德华力大得多，与化学键力相近． 二 促使灰粒离开受热面的力 灰粒自身的重力。通常情况下，灰粒重力的作用是使得灰粒离开壁面。 气流黏性剪切力。烟气绕流管束时，烟气将通过层流底层对壁面上的灰粒产生 黏性剪切力的作用．剪切力大小主要与烟气粘度，法向速度梯度等因素有关． 9 华北电力大学工稃硕士学位论文 飞灰对壁面上灰粒的冲击力。主要是飞灰对已经沉积在管壁上的灰层的碰撞力． 由于炉内飞灰不仅具有轴向速度，在运动过程中还高速旋转，因此对灰污层的碰击 作用十分复杂，这里主要讨论飞灰对灰污层的轴向冲击力．不考虑灰粒旋转的影响。 若烟气流中的飞灰为凝固状态。即可认为飞灰与壁面上的灰粒产生的是完全弹 性碰撞，此时，冲击力主要与飞灰密度、灰粒直径和飞灰速度有关，其中与飞灰速 度成指数关系。 ’ 若烟气流中的飞灰为熔融状态，则可认为飞灰与壁面上的灰粒产生的是完全菲 弹性碰撞，此时冲击力与飞灰速度的平方成正比。 压力梯度力。烟气经过受热管时将产生压降，于是对沉积层表面的灰粒存在一 压力梯度力作用。该力主要与灰粒体积及压力梯度有关。 上述各种作用力的存在均有一定的限制条件，不同情况下。各种力的数量级差 别很大。在燃煤电站锅炉对流受热面灰污沉积过程中，以冲刷型积灰为主，此时， 表面张力、静电力、化学力、热泳力等影响作用非常小，对积灰速度和程度起主要 作用的是范德华引力、灰粒和壁面颗粒之间的弹性和非弹性碰撞冲刷力等。 灰污热阻随烟气流速的变化规律如图2 - 1 所示的曲线。当烟气流速很低时，随 着流速增加，灰污沉积率的增长速度高于剥蚀率，热阻迅速增大；但随着流速增大 到一定范围内，飞灰中大颗粒的动量迅速增加，剥蚀率增长速度远远超过了沉积率， 因此在此阶段，热阻随着烟气流速的增加反而减小。考虑飞灰磨损和积灰增长等因 素，锅炉内烟气流速一般设计值为6 ～1 2 m ／s 之间，因此实际情况下处于图2 - 1 所 标出的范围内。随着烟气流速的增加，灰污热阻逐渐减小。这也解释了为什么机组 在高负荷下运行时，受热面积灰速度不因为飞灰含量的增加而增加，反而污染增长 率出现一定程度下降的情况。 嫠翩kl 鲑“ i “ J 图2 - 1热阻随烟气流速的变化曲线 在工程领域一般用式 2 一1 描述受热面灰污增长规律，其曲线形式如图2 2 ． 可见，若不计烟气流速的影响，热阻与时间成指数关系，随着时间的增加逐渐增大， 增长速度由快至缓，最后达到平衡状态。 占 a O e x p - C r 2 1 l O 华北电力大学工程硕士学位论文 ．．热阻⋯⋯．} ．．F ．d 1 - 岛 - g 。” ．． L ．，一 i ／1 ’ ／{ ／ii。。 图2 2烟气流速恒定时，热阻随时间的变化曲线 2 ．2 现场试验验证 图2 3 为本文所研究锅炉的低温过热器热阻随时间变化的趋势图，不考虑吹灰 过程，其曲线形式与图2 3 的变化规律基本一致。本文通过现场试验，在保持负荷 不变的条件下，得到式 2 - 1 中的沉积常数a 和时间常数c 。对于燃用烟煤的电站 锅炉高温对流受热面，沉积常数a 约为4 7 m 2 ．℃ ，k W ，a 越大，表明受热面平 衡污染越大。时间常数c 为3 。1 0 1 0 ‘1 ／s ，c 越大，表示积灰速度越快，反之， 积灰越慢。 低过污染率 吹灰 一。。，．一广。飞 ． ”⋯’ L 舻加∥一 0 0 0 l 图2 - 3 某3 0 0 M W 机组低过热阻随积灰时间的变化趋势 2 ．3 受热面积灰结渣监测模型 本文将炉内受热面分为高温辐射式受热面 如炉膛 、对流受热面 各对流受 热面 和回转式空气预热器三类受热面，针对不同类型的受热面采用不同的污染监 测模型监测其污染状态。由于聊城电厂“w ”火焰锅炉投产后运行至今炉膛污染轻 微。也没安装投运炉膛吹灰器，因此本文仅对对流受热面污染监测模型进行分析探 讨 对流受热面污染监测模型 对流受热面传热量的计算则根据下式进行 Q K A M 2 8 I l l 8 6 4 2 O 华北电力大学工程硕士学位论文 式 2 - 8 中的K 为受热面的传热系数，彳为传热面积，＆为传热温差。必表 征了受热面的传热性能，K 大则受热面传热良好，受热面积灰增加使足显著减小． 系统根据热力计算标准计算得到的受热面理想K 值，根据在线监测数据计算得到受 热面实际x ，锅炉实际运行过程中，受热面的实际足小于理想K ，实际足与理想足 之比可以有效表征受热面积灰状态，因此系统将受热面的污染率定义为 。。理想K 一实际K 一 理想足 f ，一q 、 脬为污染率，无量纲，F F 大则表示受热面积灰越严重污染。基于该模型实时 在线运行得到的典型污染率曲线如图2 - 5 所示，模型监测到的污染率剧烈变化所对 应的时刻与当时记录的吹灰操作时刻完全吻合，其变化规律符合理论分析结果，证 明该模型在定量监测受热面污染程度上具有足够的精度。 图2 - 5 华北电力大学工程硕士学位论文 3 ．1 引言 第三章现场试验研究 传统的吹灰策略均按照事先设定的程序，按固定的周期，顺序吹扫所有的受热 面。我们建立优化吹灰系统的思想，就是要改进这种固定的模式，采取不定期按需 吹灰的方式，只吹扫污染严重、对机组安全经济运行影响较大的受热面，对于其它 污染较轻的受热面。可以少吹，或暂时不吹。这样，就可能出现先吹扫离炉膛较远 的下游受热面，再吹扫上游受热面的情况。即可能出现逆烟气流程吹灰的现象。 逆烟气流程吹灰将导致这样一种疑问吹扫上游受热面是否会迅速增加下游其 它受热面的粘污速度 按照传统的吹灰方式，沿烟气流程，先吹扫上游的受热面， 即使随后的其它受热面污染速度加快，但吹灰程序很快开始动作该区域的吹灰器， 不会对锅炉传热造成太大的影响。而一旦实旌不定期动态吹灰，则有可能出现先吹 扫下游受热面，再吹上游受热面的情况，那么，研究上游受热面吹灰对下游受热面 污染率增长影响的大小，便成为制定不定期优化吹灰的必要前提。 目前，电站锅炉吹灰优化的研究主要集中在对受热面污染程度实现实时在线监 测，在此基础上通过离线或在线经济分析，为每个受热面确定临界污染程度，当监 测结果超过临界值时，建议机组吹灰。很少涉及吹灰强度的问题。实际上，不同压 力的蒸汽吹扫效果差别十分明显，蒸汽压力过高，不仅多消耗蒸汽，而且增大了对 受热面管道的磨损，缩短了受热面使用寿命，在偏高吹灰蒸汽压力的长期作用下， 增大了爆管的机率；而吹灰蒸汽压力过低，不能有效清除受热面上沉积的灰污，达 不到吹灰清污的目的。 现场使用的吹灰枪蒸汽压力一般在设备安装时由生产厂家通过试验确定。但随 着机组长期运行，燃煤煤质的变化、大小修的进行，以及部分受热面的改造，均对 受热面污染特性产生重要影响，原定的吹灰蒸汽压力往往不能适应新的情况。现场 的运行专工可能会根据实际情况进行一定的调整。这样按经验进行的调整可以产生 一定的效果，但由于缺少理论指导和定量计算分析，只能进行粗调，调整的幅度不 易把握，往往达不到最佳效果，有时甚至会适得其反。 因此，有必要在实现受热面污染监测的基础上，通过改变吹灰蒸汽的压力，观 察在不同压力蒸汽的吹扫下，由积灰结渣计算机在线监测系统监测各受热面污染率 的变化趋势，通过试验寻找一个比较合理的吹灰压力，既能有效地清除受热面的积 灰污染，又避免因为采用过高压力蒸汽吹灰造成的对管壁的无谓磨损，以便从深层 次上研究和建立优化吹灰的模型，取得更好的经济效益。 事实上，不仅为受热面确定合理的吹灰蒸汽压力是必要的，受热面污染率的上 华北电力大学工程硕士学位论文 下限如何确定，也是一个重要的研究课题。只有通过现场吹灰试验，确定每个受热 面的污染率变化范围，才能建立经济性分析模型，确定目标函数的约束条件，计算 出每个受热面的临界污染率，指导优化吹灰。同时，因为炉内吹灰器的种类、布置 位置不一样，不同区域受热面的积灰特性又有所不同，不同吹灰器的吹灰效果大有 区别，因此，在制定优化吹灰策略的过程中，对处于污染严重区域、吹灰效果明显 的吹灰器，应该多吹；对处于积灰较轻，吹灰影响不大的吹灰器，尽量少吹；而对 于曾经出现受热面爆管区域的吹灰器，则应当限制其动作的频率． 本章描述了在聊城电厂l 号6 0 0 M W 机组“w ”火焰锅炉上进行的逆烟气流程吹灰、 变蒸汽压力吹灰、连续吹灰和单吹灰器吹灰等一系列现场试验，得出了一些重要的 试验结论，为进一步制定优化吹灰策略，从深层次上研究和建立优化吹灰模型打下 了良好的基础。 3 ．2 试验对象简介 图3 - 1 聊城电厂} 1 1 炉受热面及吹灰器布置示意图 I ● 华北电力大学工程硕士学位论文 试验对象为聊城电厂 l6 0 0 M W 汽轮发电机组“霄”火焰锅炉，该锅炉由英国巴 布科克能源有限公司 M i t s u iB a b c o c k 提供，为亚临界、“W ”火焰、单炉膛、中 间一次再热，自然循环、平衡通风、固态排渣、悬吊式燃煤汽包炉，设计燃用山西 西山、阳泉的无烟煤和贫瘦煤。制粉系统采用正压直吹式，设有两台5 0 ％容量的一 次风机提供热、冷一次风输送煤粉。在前后墙炉拱上共布置了2 4 只点火油枪、1 2 组4 8 只狭缝式煤粉喷燃器，在前墙布