大型火電鍋爐對流受熱面灰污監(jiān)測試驗研究

張洋洋， 潘 玄

(華電電力科學(xué)研究院， 杭州 310030)

大型火電鍋爐對流受熱面灰污監(jiān)測試驗研究

張洋洋， 潘 玄

(華電電力科學(xué)研究院， 杭州 310030)

利用電廠DCS系統(tǒng)中已有的測點數(shù)據(jù)以及在爐上新添加的少量工質(zhì)側(cè)和煙氣側(cè)測點數(shù)據(jù)，以鍋爐整體及局部、能量和質(zhì)量平衡原理為基礎(chǔ)，對各主要對流受熱面的熱損失和熱效率進(jìn)行計算。分析管壁蓄熱量在鍋爐變負(fù)荷過程中對熱量平衡的影響，在灰污因子計算中考慮金屬管壁蓄熱量，提出鍋爐變負(fù)荷灰污因子計算模型；分析負(fù)荷變化對灰污因子計算的影響，結(jié)合原有的穩(wěn)態(tài)灰污因子計算模型，建立動靜態(tài)結(jié)合的鍋爐受熱面灰污監(jiān)測模型；開發(fā)灰污監(jiān)測軟件在塔山電廠600 MW火電機(jī)組鍋爐上指導(dǎo)吹灰。

鍋爐； 對流受熱面； 灰污監(jiān)測； 灰污因子； 變負(fù)荷

鍋爐受熱面積灰是燃煤電站鍋爐較為常見的現(xiàn)象。一般來說，大多數(shù)電廠會根據(jù)鍋爐設(shè)計說明書的要求或者運行經(jīng)驗來安排吹灰方案。這樣的吹灰模式，人為因素較大，容易造成鍋爐積灰嚴(yán)重的受熱面得不到有效吹灰，或使積灰輕微的受熱面頻繁吹灰。不僅使吹灰的總體經(jīng)濟(jì)性低下，而且過于頻繁地吹灰會對受熱面造成損壞，并縮短吹灰裝置本身的使用壽命[1]。

國內(nèi)外對鍋爐吹灰優(yōu)化已進(jìn)行了較多的研究，例如英國BMS International Ltd公司的Intelligent Soot Blower Control Systems for Efficient Power Generation系統(tǒng)[2]，東南大學(xué)的基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)鍋爐對流受熱面灰污監(jiān)測軟件[3]。但是目前的研究模型僅限于機(jī)組負(fù)荷較為穩(wěn)定的分析，并給出較為理想的吹灰指導(dǎo)，當(dāng)鍋爐負(fù)荷處于變化過程時，吹灰軟件不能給出合理的吹灰指導(dǎo)。筆者考慮負(fù)荷變化時受熱面金屬管壁蓄熱量對灰污因子計算的影響，提出了變負(fù)荷灰污因子計算模型，得出較為合理的結(jié)果。以塔山電廠600 MW機(jī)組為研究對象，開發(fā)的吹灰軟件可以在負(fù)荷發(fā)生變化時提供較好的吹灰指導(dǎo)。

1 機(jī)組概況

該電廠2臺600 MW火電機(jī)組鍋爐為亞臨界參數(shù)、控制循環(huán)、四角切圓燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣的П形汽包爐。鍋爐過熱蒸汽溫度采用二級噴水調(diào)節(jié)，再熱蒸汽溫度采用擺動燃燒器調(diào)節(jié)。燃用大同煤礦集團(tuán)塔山礦井生產(chǎn)的石炭二選系煙煤。爐膛上部布置墻式輻射再熱器和大節(jié)距的過熱器分隔屏，以增加再熱器和過熱器的輻射特性。各級過熱器和再熱器采用較大的橫向節(jié)距，防止在受熱面上結(jié)渣、結(jié)灰。每臺鍋爐裝有2臺三分倉式回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。空氣預(yù)熱器主軸垂直布置，煙氣和空氣以逆流方式換熱。在爐膛、各級對流受熱面和回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器處均裝設(shè)不同型式的吹灰器。吹灰器的運行采用程序控制，所有的墻式吹灰器和伸縮式吹灰器根據(jù)燃煤和受熱面結(jié)灰情況每2～4 h全部運行一遍。鍋爐受熱面示意圖見圖1。

1—分隔屏過熱器；2—后屏過熱器；3—屏式再熱器；4—末級再熱器；5—末級過熱器；6—立式低溫過熱器；7—水平低溫過熱器；

8—省煤器。

圖1 鍋爐受熱面示意圖

2 建模與試驗

2.1 穩(wěn)定負(fù)荷工況下灰污監(jiān)測模型

在鍋爐負(fù)荷較為穩(wěn)定的情況下，對流受熱面灰污監(jiān)測模型采用灰污因子來表征受熱面的污染狀態(tài)。

根據(jù)受熱面的熱量平衡關(guān)系，在已知部分煙氣、工質(zhì)側(cè)參數(shù)的條件下，從省煤器出口開始，沿逆煙氣流程方向，依次計算出各個受熱面的進(jìn)、出口煙氣溫度，再根據(jù)傳熱方程，計算出實際傳熱系數(shù)。

煙氣側(cè)放熱量Qyq：

(1)

工質(zhì)側(cè)吸熱量Qgz：

Qgz=D(h″-h′)/Bj

(2)

傳熱方程：

(3)

通過式(3)可求得實際傳熱系數(shù)Ksj，再通過理想傳熱系數(shù)Klx，求得灰污因子C為：

(4)

實踐證明：這種方法能實現(xiàn)300 MW、600 MW與1 000 MW燃煤電站鍋爐在穩(wěn)定運行工況下的灰污在線監(jiān)測及優(yōu)化吹灰，并取得較為理想的吹灰指導(dǎo)功能[4-6]；但是在負(fù)荷發(fā)生變化時，不能給出理想的吹灰優(yōu)化結(jié)果。

2.2 變負(fù)荷工況下受熱面熱平衡分析

當(dāng)鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化時，燃料消耗量會發(fā)生變化，各個受熱面的吸熱量、煙溫、工質(zhì)溫度等參數(shù)都與穩(wěn)定工況下的情況不同。由于煙溫是燃料燃燒直接產(chǎn)生，因此可以很快與負(fù)荷變化相適應(yīng)；而工質(zhì)溫度由于管壁蓄熱的影響，不能很快發(fā)生變化。如果仍采用Qyq≈Qgz，則計算所得各個受熱面的煙溫就會偏離實際值。因此，當(dāng)負(fù)荷升高時，管壁蓄熱量增加，使一部分煙氣放熱量并沒有馬上進(jìn)入工質(zhì)側(cè)，此時的熱平衡關(guān)系應(yīng)該是：煙氣側(cè)的放熱量=工質(zhì)吸熱量+管壁金屬蓄熱量。當(dāng)負(fù)荷降低時，管壁蓄熱量減少，使一部分蓄熱量進(jìn)入到工質(zhì)側(cè)，此時的熱平衡關(guān)系應(yīng)該是：煙氣側(cè)的放熱量=工質(zhì)吸熱量-管壁金屬蓄熱量。由此可見，當(dāng)負(fù)荷升高時，Qyq>Qgz；當(dāng)負(fù)荷降低時，Qyq

2.3 變負(fù)荷工況下灰污監(jiān)測模型

對于某個對流受熱面，煙氣放熱量為Qyq，工質(zhì)吸熱量為Qgz，則

鍋爐負(fù)荷升高時：

Qyq=Qgz+Qgb

(5)

鍋爐負(fù)荷降低時：

Qyq=Qgz-Qgb

(6)

管壁蓄熱量Qgb為：

(7)

式中：cj為金屬管壁比熱容；mj為單位長度金屬質(zhì)量；θj為金屬管壁溫度；τ為時間。

通過式(5)、式(6)、式(7)計算得到各個受熱面的進(jìn)出口煙溫；再通過穩(wěn)定負(fù)荷工況下灰污因子計算方法，得到變負(fù)荷工況下灰污因子。由此可見，在變負(fù)荷工況下，若仍采用穩(wěn)定負(fù)荷灰污因子模型來計算受熱面的灰污情況，由于煙氣放熱量并不等于工質(zhì)側(cè)吸熱量，會使煙氣溫度的計算值出現(xiàn)偏差，造成灰污因子計算出現(xiàn)偏差，不能很好地反映實際情況。

2.4 試驗方法

以塔山電廠600 MW火電機(jī)組鍋爐為試驗對象，計算前對對流受熱面進(jìn)行24 h積灰。采用穩(wěn)態(tài)灰污監(jiān)測方法和動態(tài)灰污監(jiān)測方法，分別進(jìn)行穩(wěn)定負(fù)荷工況下灰污因子計算和變負(fù)荷工況下灰污因子計算。

3 結(jié)果與分析

3.1 穩(wěn)定負(fù)荷工況下試驗結(jié)果與分析

圖2和圖3為穩(wěn)定負(fù)荷下末級再熱器灰污因子變化曲線。由于負(fù)荷穩(wěn)定，因此煙氣側(cè)的放熱量等于工質(zhì)側(cè)吸熱量，采用穩(wěn)定負(fù)荷工況灰污監(jiān)測模型，計算得到的灰污因子變化穩(wěn)定，反映了實際情況。

圖2 機(jī)組負(fù)荷隨時間變化的曲線1

圖3 末級再熱器灰污因子1

圖4和圖5為負(fù)荷變化時末級再熱器灰污因子的變化。

圖4 機(jī)組負(fù)荷隨時間變化的曲線2

圖5 末級再熱器灰污因子2

當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化，仍采用穩(wěn)定負(fù)荷工況灰污監(jiān)測模型，計算得到的灰污因子變化較大。這是因為在負(fù)荷變化時，由于管壁蓄熱量發(fā)生變化，造成工質(zhì)側(cè)吸熱量變化延遲，使煙氣側(cè)放熱量不等于工質(zhì)側(cè)吸熱量，因此得到的計算結(jié)果偏離實際情況較大。

3.2 變負(fù)荷工況下試驗結(jié)果與分析

圖6為負(fù)荷由較為穩(wěn)定值逐漸升高，相應(yīng)的末級再熱器灰污因子的變化見圖7。從圖7可以看到：對于未考慮管壁蓄熱，采用穩(wěn)定負(fù)荷計算模型，末級再熱器的灰污因子在負(fù)荷穩(wěn)定時波動較為平穩(wěn)，在負(fù)荷升高時有明顯的下降趨勢；對于考慮管壁蓄熱，采用變負(fù)荷計算模型，末級再熱器的灰污因子受負(fù)荷影響減小，且波動變得更為穩(wěn)定。這是由于負(fù)荷升高時，管壁蓄熱量增加，工質(zhì)側(cè)吸熱量小于煙氣側(cè)放熱量；同時煙氣流速增加，煙氣側(cè)對流放熱系數(shù)增加，煙溫增加使對流過熱器的傳熱溫差增大。通過考慮管壁蓄熱量，減小負(fù)荷變化對灰污因子結(jié)果的影響。

圖6 機(jī)組負(fù)荷隨時間變化的曲線3

圖7 末級再熱器灰污因子3

圖8為負(fù)荷由較為穩(wěn)定值逐漸降低，相應(yīng)的末級再熱器灰污因子的變化見圖9。從圖9可以看到：對于未考慮管壁蓄熱，采用穩(wěn)定負(fù)荷計算模型，末級再熱器的灰污因子在負(fù)荷穩(wěn)定時波動較為平穩(wěn)，在負(fù)荷下降時有明顯的上升趨勢；對于考慮管壁蓄熱，采用變負(fù)荷計算模型，末級再熱器的灰污因子受負(fù)荷影響減小，且波動變得更為穩(wěn)定。這是由于負(fù)荷下降時，管壁蓄熱量減少，工質(zhì)側(cè)吸熱量大于煙氣側(cè)放熱量；同時煙氣流速降低，煙氣側(cè)對流放熱系數(shù)減小，煙溫下降使對流過熱器的傳熱溫差減小。通過考慮管壁蓄熱量，減小負(fù)荷變化對灰污因子結(jié)果的影響。

圖8 機(jī)組負(fù)荷隨時間變化的曲線4

圖9 末級再熱器灰污因子4

4 結(jié)語

筆者建立了以熱平衡為基礎(chǔ)的大型火電鍋爐對流受熱面灰污實時監(jiān)測模型，以塔山電廠600 MW火電機(jī)組鍋爐為試驗對象，通過現(xiàn)場DCS中已有的測點數(shù)據(jù)以及在爐上新添加的少量工質(zhì)側(cè)和煙氣側(cè)測點數(shù)據(jù)，計算末級再熱器灰污因子。將穩(wěn)定負(fù)荷工況下灰污監(jiān)測模型和變負(fù)荷工況下灰污監(jiān)測模型的計算結(jié)果進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：采用變負(fù)荷工況下灰污監(jiān)測模型，即考慮管壁蓄熱量，得到的灰污監(jiān)測結(jié)果更為合理，符合實際情況，可以為電廠運行人員提供更為準(zhǔn)確的吹灰指導(dǎo)。

[1] CHEN X. Boiler steam temperature control enhancement[C]//ISA EXPO/2000 Technical Conference. New Orleans, USA: ISA, 2000: 15-24.

[2] DAVIDSON I. An intelligent approach to boiler sootblowing[J]. Modern Power Systems, 2003, 23(1): 127-135.

[3] 吳觀輝, 向文國. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鍋爐對流受熱面灰污監(jiān)測研究[J]. 鍋爐技術(shù), 2005, 36(2):18-21, 32.

[4] 王新, 馬波, 向文國. 600 MW機(jī)組鍋爐對流受熱面灰污在線監(jiān)測研究[J]. 江蘇電機(jī)工程, 2007, 26(5): 63-65.

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Experimental Study of Ash Fouling Status on Convective Heating Surfaces of Large Thermal Power Boilers

Zhang Yangyang, Pan Xuan

(Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, China)

Based on the off-line data and additional data of working fluids and flue gas collected by DCS of a power plant, heat loss and thermal efficiency of main convective heating surfaces were calculated on the basis of energy and mass balance principle for the whole and partial boiler. A calculation model was derived for the fouling rate of boiler considering the influence of tube wall heat accumulation on the thermal balance and fouling rate calculation under variable load conditions. A combined dynamic-static model of ash fouling monitoring was established based on already existing static model and considering the influence of load variation on the fouling rate calculation. Relevant software for ash fouling measurement and detection was developed and applied to guide soot blowing in a 600 MW thermal power boiler in Tashan Power Plant.

boiler; convective heating surface; fouling monitoring; fouling rate; variable load

2016-04-07

張洋洋(1987—)，男，工程師，主要從事大型火電鍋爐節(jié)能優(yōu)化工作。

E-mail: yangyang-zhang@chder.com

TK224.91

A

1671-086X(2017)01-0014-04