大型電站鍋爐爐內結渣的監控及解決策略

晏海能

(淮陰發電有限責任公司，江蘇 淮安 223002)

目前，煤炭供應形勢越來越緊張，各火力發電廠為提高經濟效益，在很難燃用設計煤種、甚至無法燃用校核煤種的情況下，摻煤混燒已成為火電廠的必然選擇。很多火電廠燃用硫分高、灰熔點低的劣質煤，這些煤種對爐膛結渣有較大的影響，甚至會因爐內結渣嚴重而引起停爐事故。因此，在燃用劣質煤時，加強對爐內結渣的監控和預防就顯得尤為重要。

1 爐內結渣的特性

爐內結渣是指熔化的灰沉積物在受熱面上的積聚，多發生在爐內輻射受熱面上。大型煤粉鍋爐爐內煤粉在0.03 ～0.05 s 的時間內即被加熱到1 600 ℃以上，因此，煤粉爐內穿過爐膛火焰的全部灰粒都處于液化狀態。當處于熔融或半熔融狀態的灰粒到達受熱面，很容易粘附在受熱面上；再由于擴散作用，會在管子外表面形成薄的、白色的、很細的灰沉積層。該層厚度一般為0.2 ～0.5 mm，具有良好的絕熱性能，不僅會引起爐膛溫度的升高，而且還會造成受熱面管子外表面溫度比原來高很多，使受熱面管表面大量結渣成為可能。隨著表面燒結層厚度的增加，積灰表面的溫度也升高，當積灰表面的溫度升高到接近煙氣溫度時，大量熔融的灰粒與積灰層相互碰撞，產生燒結反應，結合成堅實的積灰，使灰層進一步變厚，灰溫進一步升高，形成惡性循環，使灰層表面形成熔融相，有可能形成液態渣層。

爐內結渣使爐內傳熱惡化，爐內輻射傳熱量減少，爐膛出口煙溫升高，對流受熱面區域熱負荷增加，可能造成受熱面管壁超溫，同時造成過熱器、再熱器減溫水用量大幅增加，排煙溫度也隨之升高，給鍋爐的安全、經濟運行帶來較大的影響。目前，電廠通常使用的方法是加強爐內吹灰，但強化吹灰會帶來如下問題。

(1)爐膛水冷壁吹灰次數過多，造成汽溫偏低。為了提高汽溫，需要增加水平煙道末級過熱器和末級再熱器管屏處的吹灰次數，這樣不僅浪費汽源，也加劇了對管子的沖蝕。

(2)由于吹灰頻繁，爐膛水冷壁、過熱蒸汽管、再熱蒸汽管管壁過于清潔，管子表面缺乏調節換熱的“灰層”，熱量分配容易失衡，導致過熱汽溫與再熱汽溫調節困難，對煤種的適應能力變差。

(3)強化吹灰不利于調整過熱蒸汽、再熱蒸汽兩側的汽溫。在出現兩側汽溫偏差時，調整的手段和幅度都非常有限，常用的方法就是將溫度較高一側的減溫水或事故噴水開大，來控制受熱面的管壁不超溫。強化吹灰將造成減溫水或事故噴水量增加，特別是再熱器事故噴水量的增加，使機組煤耗增加較多，使機組的效率降低。

因此，必須加強對爐內結渣的預防和監測，以合理確定吹灰頻率，從而提高鍋爐的安全、經濟運行性能。

2 爐內結渣的預測方法

2.1 用煤灰特性作為判別標準

用煤灰特性作為煤本身結渣特性的判別指標，其判別準確率是最高的，許多國家都以此作為判別的基本依據。

根據西安熱工研究院的研究結果，在GB7562-87 中，以煤的軟化溫度為基本指標，以煤的低位發熱量為輔助指標。對于Qar，net>12 560 kJ/kg 的煤種，當ST>1 350 ℃，屬于不結渣煤種；當ST≤1 350 ℃，則屬于結渣煤種。

哈爾濱電站設備成套設計研究院對我國290 種動力用煤的灰渣特性進行分析，并用3 段最優分割來確定，以還原性氣氛下軟化溫度作為判別依據：

(1)ST>1 390 ℃：輕微結渣；

(2)1 260 ℃≤ST≤1 390 ℃：中等結渣；

(3)ST<1 260 ℃：嚴重結渣。

2.2 用煤灰成分綜合指標作為判別標準

煤灰中的成分不同，結渣的傾向性也不同，如SiO2和AL2O3是煤灰中主要的酸性物質，SiO2含量增高，使灰熔點上升；AL2O3具有兩面性，一方面AL2O3會使灰熔點上升，另一方面AL2O3會與堿性物質形成低熔點的共晶體，使灰熔點下降。若采用硅比、硅鋁比、鐵鈣比、堿酸比4 項指標來作為判別標準，則判別的準確率較低；而采用煤灰綜合指數R 法，判別的準確率則相對較高。

實踐中，根據上述方法僅能進行爐內結渣的預測，但具體結渣的嚴重程度如何，在運行中通過哪些參數能反映出來，還需在實踐中進行總結摸索。

3 爐內結渣的監控

目前，對爐內結渣的監視還沒有很好的自動監控手段，主要是依靠運行人員的觀察。科研單位已經對爐內結渣自動監督進行開發研究，吹灰器程序控制系統已得到普遍應用，目前主要是根據爐內結渣時運行參數的變化，探制爐內結渣的監控手段。

3.1 根據爐膛出口煙氣溫度進行監控

根據傳熱學原理，爐內輻射傳熱基本公式如下：

式中：Qf——相對于1 kg 燃料的爐膛輻射吸熱量，kJ/kg；

α1——爐膛系統黑度；

σ0——絕對黑體輻射常數，為2.04×10-7kJ/（m2·h·K4）；

Th——火焰平均有效溫度，K；

Tw——水冷壁積灰污染層表面溫度，K；

Af——爐膛有效輻射受熱面積，m2；

由分析可知，隨著水冷壁表面積灰的增加，水冷壁積灰污染層表面溫度會升高，使得爐膛輻射吸熱量減少。

煙氣在爐膛內的放熱公式為：

式中：φ——考慮散熱損失的保溫系數；

V——1 kg 燃料的煙氣量，Nm3/kg；

Cp——爐內煙氣的比熱容，kJ/(Nm3·K)。

Ta——理論燃燒溫度，K；

Tl〃——爐膛出口煙氣溫度，K。

由此可知，當爐內結渣嚴重時，Tl〃升高，所以Tl〃是反映爐內結渣狀態較好的參數。但是，在實際應用中，用爐膛出口煙溫作為爐內結渣的監控參數時，仍存在困難：一是高溫煙氣的測量問題，采用水冷抽氣熱偶測量精度較差，不能作為長期連續測量的手段，所以用高溫過熱器或高再熱器后的煙氣溫度來替代；二是大型鍋爐爐膛出口煙道截面積大，煙氣溫度偏差很大，難以找到具有代表性的測量點；三是爐膛出口煙溫受運行工況，如：磨組的變化，一、二次風的調整等影響較大，并不單純反映爐內結渣情況，因此，難以確定某個定值來嚴格界定爐膛是否結渣。

螺旋聚合物的螺旋結構除了由側鏈上大基團的剛性來固定,還可以通過氫鍵和一些弱作用力來維持[17].M.Teraguchi[18]報道,由苯乙炔合成的聚合物通過兩個N-烷基酰胺基團合成,其單手性螺旋結構通過分子內氫鍵穩定.2017年,N.Liu等人[19]合成了兩個新穎的對映異構體含手性氨基的苯乙烯衍生物(L-和D-1),這個聚合物的結構由于氫鍵的作用,使其聚合物的結構保持螺旋構像.在之前的報道中,揭示了聚合物的螺旋結構在某一程度上取決于均分子量的大小,短的鏈長不能形成穩定的螺旋結構,常見的螺旋聚合物主要是由于主鏈上側鏈大位阻基團的相互作用,來固定螺旋構像使其在溶液中不發生翻轉.

為此，有必要尋找其他的參數來反映爐內的結渣情況。

3.2 用蒸汽側的吸熱量來計算爐膛出口煙氣溫度

華北電力大學研究提出，可通過鍋爐汽水側參數來計算出爐膛出口煙溫。其主要思路是：對于汽包鍋爐，當煤種變化不大時，可以用省煤器出口聯箱水溫的測量和布置在爐膛內過熱器、再熱器吸熱量的測量，替代爐膛出口煙溫的測量。

如式(2)，只要計算出爐膛放熱量，即可以計算出爐膛出口煙溫：

因此，問題轉化為爐膛輻射傳熱量Qf的計算，如下式：

式中：Qsc——鍋爐部分輸出熱量，kJ/h;

Qfg——爐內輻射式或半輻射式過熱器蒸汽吸熱量之和，kJ/h;

Qfz——爐內輻射式或半輻射式再熱器蒸汽吸熱量之和，kJ/h;

Qyc——爐膛出口煙窗投射出去的熱量，kJ/h;

Qgr——工質過熱過程吸收的熱量，kJ/h;

Qsm——省煤器內工質吸收的熱量，kJ/h。

此方法雖然看似復雜，但由于蒸汽側溫度、壓力等測點較為準確，華北電力大學經過多次傳熱試驗證實，此方法測量精度很高。

3.3 選用蒸汽側的參數來監控爐內結渣情況

從理論上講，爐內結渣必然造成水冷壁吸熱量減少，從而造成爐膛出口煙溫升高；但是爐膛出口煙溫受運行工況、煤種等影響較大，即爐膛出口煙溫升高，不一定是爐膛結渣引起的。因此，通過跟蹤鍋爐運行參數變化，提出用低溫過熱器出口蒸汽溫度的變化來表示爐膛輻射吸熱量的變化，以此來反映爐內結渣情況。

而不選取高溫過熱器或屏式過熱器的原因是：爐膛結渣的結果是使爐膛蒸發量變小，且爐膛出口煙溫升高，這兩者都能使過熱器汽溫升高；由于屏式過熱器和高溫過熱器出口的蒸汽經過噴水減溫，其溫度值受噴水量的影響較大，因此也不能作為比較依據。

在運行工況穩定時，爐內結渣使爐膛蒸發量減少，流過低溫過熱器的蒸汽量也減少，但由于低溫過熱器的吸熱主要取決于煙氣側，因此，可將低溫過熱器的吸熱量看作不變，則低溫過熱器出口蒸汽溫度必然升高。另外，爐內結渣還造成低溫過熱器處煙氣溫度升高，這也使低溫過熱器出口汽溫上升。

以某火電廠HG-1036/17.5-YM36 鍋爐為例，在燃用正常煤種時，低溫過熱器出口汽溫為390 ℃～400 ℃左右，在燃用高硫煤時，硫分St,ad遠遠超過設計煤種值(0.72 %)，達到1.49 %，造成爐膛結渣。為防止爐內結渣嚴重，通過爐膛吹掃可有效地減少爐膛結渣，提高爐膛運行的安全性和經濟性。以該廠燃用高硫煤時的一次爐膛吹灰為例。入爐煤工業成分分析如表1 所示，爐膛吹灰前后的參數如表2 所示。

表1 入爐煤工業成分分析

表2 的數據是按試驗期間，從DCS 中每秒取1 個值后，再將1 h 內的值進行平均后得出的，因此，數據是可信的。從2 表中可以看出，在爐膛吹灰前，1 h 內的低過出口汽溫平均為414.4 ℃；吹灰后，低過出口汽溫下降到403.9 ℃。同時，過熱器減溫水也從40.2 t/h 下降到10.4 t/h，再熱器噴水量從10.9 t/h 下降到4.2 t/h，鍋爐運行的經濟性明顯提高。

針對不同的機組、不同的煤種，在實際運行中，可通過試驗得出最佳吹灰的標準。當運行工況發生變化時，只要及時考慮上述情況，合理選擇蒸汽側(低溫過熱器出口溫度)的參數，就能達到優化吹灰的目的，提高鍋爐的安全、經濟運行性能。

4 結束語

目前，對爐膛結渣的監控還沒有很好的自動監控手段，運行人員需要通過運行中的參數變化，及時有效地判斷爐膛是否結渣。對于汽包鍋爐，可以采用低溫過熱器出口溫度作為爐膛結渣的判據，通過對低溫過熱器出口溫度的分析，合理確定吹灰時機，及時清除爐膛結渣，提高機組運行的安全性和經濟性。