大型燃煤電站鍋爐吹灰技術與應用現狀

張廣才，王一坤，柳宏剛，解冰

(西安熱工研究院有限公司，西安 710032)

大型燃煤電站鍋爐吹灰技術與應用現狀

張廣才，王一坤，柳宏剛，解冰

(西安熱工研究院有限公司，西安 710032)

燃煤電站鍋爐運行中，受熱面的積灰與結渣不可避免，為了保障電站鍋爐的安全運行，必須采用一定的手段將受熱面的積灰與結渣控制在不影響機組安全性和經濟性的范圍內。描述了蒸汽吹灰、水力吹灰、燃氣脈沖吹灰、氣體激波吹灰和各種聲波吹灰系統的工作原理，對各種吹灰系統的優缺點進行了技術比較，并給出了不同受熱面的吹灰系統選擇建議方案。

燃煤電站；鍋爐；蒸汽吹灰；水力吹灰；燃氣脈沖吹灰；氣體激波吹灰；聲波吹灰

0 引言

燃煤電站鍋爐燃煤含有大量的灰分，這些灰分燃燒后一般有3種形態：(1)成為固體飛灰隨煙氣流經鍋爐各個受熱面；(2)在高溫下熔融為液態并逐步沉積在爐膛內受熱面形成結渣；(3)在高溫下揮發為氣態，在較冷的受熱面與飛灰結合而沾污受熱面。鍋爐的受熱面發生積灰和結渣會嚴重影響機組的安全運行，為了保障電站鍋爐的安全運行，必須采取一定的手段，將受熱面的積灰與結渣控制在不影響機組安全性和經濟性的范圍內。本文介紹了目前燃煤電站鍋爐中常見的吹灰系統，對其原理、優缺點和工業應用現狀進行了介紹，并給出了不同受熱面的吹灰系統選擇建議方案。

1 積灰與結渣的成因、影響因素及危害

煤粉燃燒后會產生大量的微小灰粒，這些微小灰粒隨著燃燒產生的煙氣流經鍋爐各個受熱面時，由于灰顆粒之間、灰粒與受熱面之間存在的表面張力、分子吸引力、熱泳力和靜電吸引力等的交互作用，在受熱面會出現積灰和結渣。

影響積灰的因素主要有煙氣流速、飛灰粒徑、換熱管束直徑及排列方式、煙氣中的飛灰質量濃度等；此外，燃料成分、燃燒方式和溫度也會不同程度影響飛灰在受熱面的沉積。燃煤鍋爐的結渣則與爐內氣氛、溫度和空氣動力場的組織情況密切相關。

鍋爐受熱面發生積灰和結渣后，會造成鍋爐熱效率下降、廠用電率上升、鍋爐安全性降低等嚴重后果。鍋爐中未發生積灰和結渣的受熱面表面傳熱系數一般為46.5～58.1 W/(m2·K)，發生積灰和結渣后，其表面傳熱系數迅速下降至0.058～0.116 W/(m2·K)[1]。因此，鍋爐積灰嚴重時，可導致空氣預熱器出口的排煙溫度升高15～20 ℃，影響煤耗2.8～3.5 g/(kW·h)。當屏式過熱器或高溫對流受熱面發生結渣后，煙氣流速增大，部分管束磨損嚴重，導致“爆管”；當鍋爐折焰角上方發生嚴重積灰時，還可能因為積灰倒向爐內而發生“塌灰滅火”。

2 吹灰技術的分類及工作原理

目前，燃煤鍋爐所用吹灰技術均為物理性吹灰，常見的吹灰器有蒸汽吹灰器、水力吹灰器、燃氣脈沖吹灰器、氣體激波吹灰器和聲波吹灰器等。

2.1 蒸汽吹灰

蒸汽吹灰是讓高溫、高壓的蒸汽通過特制的吹灰器噴嘴膨脹加速，利用高速蒸汽對灰渣層進行沖擊或振動，是目前應用最為廣泛的吹灰技術。蒸汽吹灰系統主要由蒸汽吹灰器、控制系統和蒸汽管路3部分組成，一般采用電動驅動，并通過調節閥門來控制蒸汽壓力與流量。常見的蒸汽吹灰器主要有短伸縮式吹灰器、長伸縮式吹灰器和固定回轉式吹灰器[2]。

目前，電站鍋爐蒸汽吹灰的汽源一般可以選擇屏式過熱器出口蒸汽、汽輪機高壓缸排汽和低溫再熱器出口蒸汽等。對于燃煤鍋爐，一般要求吹灰蒸汽的壓力為1.5～3.0 MPa，蒸汽溫度比相應壓力下的飽和溫度高80 ℃以上即可滿足要求。當采用屏式過熱器出口蒸汽作為吹灰汽源時，存在鍋爐經濟性下降、設備初投資增大和設備可靠性降低等問題，因此，為提高機組的經濟性和可靠性，很多機組選擇高壓缸排汽或低溫再熱器出口蒸汽作為吹灰系統汽源。高壓缸排汽溫度與吹灰器工作溫度相近，可以減少甚至不使用減溫水；當采用低溫再熱器出口蒸汽時，能避免蒸汽在吹灰器中凝結，防止吹灰蒸汽帶水和干擾爐內燃燒。如某630 MW超臨界機組將吹灰汽源改為低溫再熱器出口蒸汽后，可降低煤耗0.74 g/(kW·h)，按機組負荷率60%、年運行3 500 h、標煤單價為500 t/h計算，每年可增加收益49萬元[3]。鄒縣電廠#7機組吹灰汽源改為低溫再熱器出口蒸汽后，運行一年再未發生改造前的吹灰汽源減壓閥焊縫漏氣現象，屏式過熱器區域吹灰器也未燒損，停爐檢查發現受熱面僅有少量積灰，運行效果良好[4]。此外，根據受熱面的污染情況對吹灰方案進行優化，也能顯著降低運行費用，如國網神頭第二發電廠根據鍋爐自身受熱面的污染特性，對吹灰器的運行方式進行了優化，每年可節省吹灰蒸汽成本140萬元[5-7]。

2.2 水力吹灰

水力吹灰是利用冷水的沖擊力和溫度變化產生的熱應力來清除受熱面灰渣。當水流沖擊水冷壁時，水冷壁上的灰渣受溫度應力作用發生龜裂松動；另一方面，由于水冷壁上的灰渣溫度較高，水流進焦塊縫隙后迅速蒸發導致焦塊膨脹，會使沉積的灰渣松動脫落。水力吹灰系統一般由水力吹灰器、吹灰器管路、加藥裝置及控制系統組成。水力吹灰器特別適用于去除黏性大、質地堅硬的灰渣，一般用于燃用褐煤或結焦性強煤種的機組，目前在我國部分燃用準東煤的機組上也有應用業績[8]。

常見的水力吹灰器有旋轉伸縮式和遠程噴射式。旋轉伸縮式水力吹灰器行程約為1 m，有效吹掃半徑為2～4 m；遠程噴射式吹灰器可在水平與垂直方向上擺動，有效射程可達30 m，單次吹掃面積可達400 m2，常用于清掃吹灰器正面及兩側墻水冷壁。

2.3 燃氣脈沖吹灰器

燃氣脈沖吹灰器是利用燃氣爆燃產生的沖擊波進行清灰。燃氣沖擊波產生的壓力脈動縱波對積灰產生一種先壓后拉的作用，積灰受沖擊波的沖擊破碎后脫離受熱面；導入積灰的沖擊波會在積灰與受熱面的結合處產生剪切力，使積灰與受熱面發生分離[9-10]。此外，高溫高壓氣體還能降低積灰與受熱面的黏結強度，加速積灰與受熱面的分離。

實際使用時，常使用乙炔作為燃料，主要是因為乙炔較易制取，生產成本低，能量較高，燃燒速度快且爆炸極限范圍很寬(3%～81%)，易于掌握。燃燒所需的氧氣可為空氣或純氧，由專用風機或空氣分離裝置提供。燃氣脈沖吹灰器一般由回火防止器、過濾器、混合器、點火罐、脈沖管、控制系統和噴嘴等組成[11-12]。菏澤發電廠在再熱器和管式空氣預熱器安裝了燃氣脈沖吹灰器后，排煙溫度下降了10 ℃，鍋爐熱效率提高了0.5百分點，經濟效益十分顯著[13]。

2.4 氣體激波吹灰器

氣體激波吹灰器工作原理與燃氣脈沖吹灰器相似，一定壓力的氣體(空氣或氮氣)在特殊結構的激波發生器中瞬間釋放，產生持續時間大于100 ms、強度為2～5馬赫的激波，通過沖擊管噴口作用于受熱面[14]。激波自噴口射出后，在空間內作球面擴散，擴散后的激波在被吹受熱面發生反射和折射，并通過折射層導入，激波的壓力脈沖波在對積灰進行壓拉的同時產生一定等級的聲波，最終積灰在激波和聲波的共同作用下破碎并與受熱面分離，被煙氣帶走[15]。氣體激波吹灰器一般由激波發生器、流量控制系統、空壓機系統、控制保護系統等幾部分組成。

2.5 聲波吹灰器

聲波吹灰器是以壓縮空氣或高壓蒸汽為驅動源，在聲波發生裝置內產生低頻高強度的聲波后，利用聲波立體傳播和高速周期振蕩的特點，使受熱面上的灰垢脫落并被煙氣帶走。20世紀80年代，瑞典的Mats Olsson首先申請了利用聲能清除積灰的專利。我國的聲波吹灰器研究始于20世紀80年代，并于20世紀90年代開始了工業性應用試驗[16]。

對于聲波吹灰的機制有兩種假設理論：一種認為整個吹灰過程主要受受熱面與聲波的共振影響；一種認為主要受積灰邊界層在聲波作用下的拉、壓影響，與受熱面的共振無關。目前對聲波吹灰機制的認識更傾向于第2種理論[17]。根據聲波吹灰器產生聲波的裝置，可以將其分為膜片式吹灰器[18-19]、旋笛式吹灰器[2]、可調頻聲波吹灰器[20-21]和腔體式聲波吹灰器幾種。

聲波吹灰器用于燃煤機組的不同受熱面已經有了良好的工程應用效果。平煤集團坑口電廠在電除塵器加裝可調頻聲波吹灰器后，電除塵器清灰效果明顯增強，除塵效率得到了提高[22]。圖1為粵電集團沙角B電廠#1鍋爐再熱器區域加裝聲波吹灰器前、后的對比圖，從圖中可以看出，加裝聲波吹灰器后受熱面的積灰明顯減少，受熱面上僅有一層很薄的積灰，原來管束間的積灰基本被吹掃干凈。

國電投平山電廠#2鍋爐空氣預熱器加裝可調頻高強聲波吹灰器后[24]：(1)排煙溫度降低了6 ℃，機組供電煤耗降低約1.128 g/(kW·h)，按單臺機組年發電量50×108kW·h、標煤單價500元/t計算，可節約標煤費用282萬元；(2)空氣預熱器煙氣側差壓降低了0.8～1.0 kPa，引風機電流合計下降了30 A，按單臺機組年運行4 500 h計算，預計可節電27×105kW·h，按上網電價0.35元/(kW·h)計算，全年可節約電費94.5萬元；(3)預計每天節約吹灰蒸汽24 t，按照吹灰蒸汽150元/t計算，全年可節約蒸汽費用67.5萬元；(4)每年節煤收益282.0萬元，節電收益94.5萬元，節汽收益67.5萬元，每年節能收益合計444.0萬元。

圖1 再熱器加裝聲波吹灰器前、后對比[23]

銅山華潤電力有限公司#6鍋爐在低溫再熱器安裝陣列式聲波吹灰器后，再熱蒸汽溫度平均提高了4.1 ℃，按2臺機組年發電量120×108kW·h、標煤單價500元/t計算，年節約標煤費用113.3萬元[25]。

3 不同吹灰技術的比較

不同吹灰技術對比見表1。

表1 不同吹灰技術對比

續表

4 結論及建議

鍋爐燃用的煤質特性變化決定了對鍋爐的不同區域需要按照具體受熱面特性及灰渣特性選擇適合的吹灰設備。

(1)對于鍋爐爐膛和屏式受熱面，蒸汽吹灰器仍然是最佳選擇；燃用結渣性很強的燃煤時，可以考慮水力吹灰器；燃用結渣性和黏性不強的燃煤，可以采用聲波吹灰器和蒸汽吹灰器同時使用的方案。

(2)對于尾部受熱面，包括再熱器、低溫過熱器和省煤器，如積灰呈松散狀，蒸汽吹灰器、聲波吹灰器、燃氣脈沖吹灰器和氣體激波吹灰器均可采用，在保證吹灰效果的前提下，應優先采用能耗較低的聲波吹灰器；如積灰為黏性，可以考慮以聲波吹灰器、燃氣脈沖吹灰器和氣體激波吹灰器日常吹掃為主，必要時投運蒸汽吹灰器。

(3)對于無受熱面的水平煙道、灰斗等，應優先采用陣列腔體式聲波吹灰器，可以避免低負荷時煙氣流速降低造成的水平煙道積灰等現象。

(4)對于SCR脫硝系統，為保證催化劑的完整，應采用聲波吹灰器為主、蒸汽吹灰器備用的方案。

(5)對于回轉式空氣預熱器，積灰呈松散狀時，可以采用聲波吹灰器、燃氣脈沖吹灰器和氣體激波吹灰器；積灰呈黏性時，可以采用蒸汽吹灰器和水力吹灰器。

(6)對于低壓省煤器、除塵器和GGH，可以考慮采用能耗較低的聲波吹灰器。

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(本文責編：劉芳)

2016-12-06；

2017-02-14

TK 229.6

B

1674-1951(2017)03-0012-04

張廣才(1963—)，男，陜西渭南人，研究員，從事鍋爐優化運行、低氮燃燒器改造、煙氣余熱利用等方面的研究工作(E-mail:zhangguangcai@tpri.com.cn)。