低頻聲波吹灰在百萬機組中的應用研究

張永全

摘 要：文章分析了聲波吹灰機理及采用低頻可調頻聲波吹灰器運用于鍋爐吹灰的可行性。結合實驗研究和數值計算，針對寧海電廠二期1000MW機組尾部煙道建立了聲場模型，并對聲波吹灰參數進行優化分析，現場測試結果與理論分析一致，為聲波吹灰在大型鍋爐尾部煙道除灰的應用提供了理論和實踐基礎，為聲波吹灰技術應用于鍋爐吹灰改造提供實踐指導。

關鍵詞：鍋爐；聲波除灰；調頻；聲波吹灰器

1 引言

1.1 概述

吹灰是大型電站鍋爐日常運行中的重要工作之一。吹灰不僅可以提高鍋爐效率，而且有利于保證蒸汽品質，對降低鍋爐污染物排放、延長鍋爐受熱面管道的使用壽命、降低煙道流通阻力也有一定作用。吹灰器是保持電站鍋爐各種受熱面清潔、設備通暢，保障鍋爐安全經濟運行的重要設備。目前，我國電廠多種吹灰方式并存，應用最廣泛的是蒸汽吹灰。雖然蒸汽吹灰技術較為成熟，但由于能源消耗大，容易吹損設備，且結構復雜經常出現問題，導致不能很好地保證吹灰效果。

近年，國內外出現利用聲波振動來除灰的新技術，可有針對性地對各種鍋爐的積灰形態，進行有效的清除，目前已在國內300MW～1000MW機組空預器、GGH、水平煙道等位置得到應用，除灰效果明顯，聲波吹灰器在尾部煙道大空間積灰的除灰能力的研究不僅可以直接解決課題寧海電廠二期1000MW機組尾部煙道的積灰，并對國內其他電廠解決鍋爐積灰問題具指導作用，推進聲波吹技術的發展。

1.2 蒸汽吹灰技術

蒸汽吹灰是將一定壓力和過熱度的蒸汽從吹灰器噴口高速噴出，利用蒸汽射流能量對積灰受熱面進行吹掃，以達到清除積灰的目的。蒸汽吹灰器雖然有一定吹灰效果，但存在著大量的缺陷和問題：

（1）吹灰用蒸汽過熱度波動大，介質吹掃面積有限，沿煙氣流動方向吹掃壓力衰減快，對中間層積灰清除能力差。

（2）吹灰周期長，使受熱面積灰過多，甚至使積灰燒結硬化，增加吹灰難度。

（3）蒸汽吹灰如果壓力過高或長期使用，會加快金屬管壁的磨損，造成爆管等安全事故。

雖然蒸汽吹灰器現在為鍋爐吹灰的主要形式，但聲波吹灰技術的不斷發展和應用表明，蒸汽吹灰器將逐漸被其取代。

1.3 聲波吹灰技術

針對鍋爐積灰這一難題，國內外專家展開了大量理論及應用研究。研究結果表明，聲波吹灰技術是一種能夠徹底解決鍋爐積灰的有效方法[1-3]。我國的聲波吹灰研究始于20世紀80年代，進入90年代，聲波吹灰技術的研究十分活躍，在這期間已有不少科研機構相繼推出了各種聲波吹灰器，主要有膜片與旋笛兩種形式，這兩種聲波吹灰器受到發聲技術的限制，其有效聲功率低，作用范圍小，且發聲頻率范圍窄，無法適應鍋爐各種復雜的積灰形態，應用于電廠后，但沒有取得預期效果[4-5]。近年，國內研究出新型的大功率低頻可調聲波吹灰器具有可調頻調幅功能，可有針對性地對各種鍋爐的積灰形態，進行有效的清除，目前已在國內300MW～1000MW機組空預器、GGH、水平煙道等位置得到成功應用成為最先進的聲波吹灰技術。

1.4 研究內容

本次研究課題基于寧海電廠二期1000MW機組尾部煙道的積灰情況開展理論分析、數值建模和聲波吹灰器實際應用開展研究工作，主要內容如下：

（1）聲波吹灰機理研究。

（2）采用有限元軟件對寧海電廠二期1000MW機組尾部煙道數值建模分析。

（3）采用可調頻聲波吹灰器進行現場應用研究。

（4）綜合對比可調頻聲波吹灰器的可行性和優越性。

2 聲波吹灰機理研究

2.1 鍋爐積灰原理

鍋爐積灰、結渣是個很復雜的物理化學過程，它涉及煤的燃燒、爐內傳熱、傳質、煤灰粒子在爐內運動以及煤灰與管壁間的粘附等復雜過程，至今還沒有能定量描述積灰、結渣過程的數學模型。影響該形成過程的因素很多，而鍋爐燃料中的灰分占總量的10-35 %，煤中灰分的存在是爐膛結渣、受熱面積灰的根源，課題主要基于鍋爐使用煤種，綜合理論及采樣統計分析的方法對鍋爐各受熱面的結渣積灰特性進行研究分析。

2.1.1 積灰結渣力學理論分析

促使飛灰在受熱面上粘附的力主要有：

（1）范德華力：沉積在鍋爐受熱面上的顆粒與受熱面之間的范德華力，可簡化為球形顆粒與一平面間的范德華力，其大小可用下式來計算：

2.2 聲波吹灰機理

聲波是一種機械波，空氣中的聲波使空氣分子產生振動，在邊界層振動的空氣分子必然帶動相鄰的介質分子振動，并產生兩種效果，一種是聲能透射到相鄰介質中使介質中形成固體聲波；另一種由于空氣分子與相鄰介質分子之間的粘滯力，聲波相當于施加給相鄰介質一個作用力，使表面介質分子被聲波來回推拉[8]。聲波對積灰的作用見圖1。

結垢所受到的聲波作用力、聲波的能量以及結垢的振動位移、速度、加速度相關。振動位移、速度、加速度越大結垢所受到的力就越大，積灰，結垢就容易斷裂，松散和除去。聲波頻率對振動加速度影響比較復雜，不同的結垢顆粒粒徑有不同的頻率敏感區域。隨結垢顆粒粒徑減小，其受頻率影響的敏感區擴大，且敏感區域的臨界頻率向較高頻率點推移；相反隨結垢顆粒粒徑增大，其受頻率影響的敏感區變窄，且敏感區域的臨界頻率向較低頻率點推移；當頻率小于臨界頻率時，結垢顆粒最大振動加速度隨頻率增高而增大的程度較顯著，反之則增大程度較緩慢。

總的來說，聲波頻率和聲壓級對除垢效果有明顯的影響，聲壓級越高，作用于介質和結垢顆粒的交變聲壓絕對值越大，有利于介質質點及結垢顆粒的振動位移和振動加速度的提高。另一方面，頻率增高，有利于提高介質質點和振動加速度，同時頻率的提高直接增大了聲場中聲壓的交變次數，有利于結垢疲勞效應的增強。

只有在聲波作用下灰垢的剝離力大于灰垢的黏附力才能取得吹灰效果，根據計算得寧海電廠尾部煙道主要除灰參數要求到達155dB以上，頻率40～300Hz左右。

2.3 可調頻聲波吹灰技術

2.3.1 可調頻聲波吹灰器結構

可調頻聲波吹灰器有別于傳統的膜片式、板哨式、旋笛式吹灰器，其發聲設備采用新型的電動調制氣流揚聲器[9]，主要由磁鋼、驅動線圈、動靜環組件、喇叭等組成。工作時氣流經過濾后到達由動靜環組件構成的工作單元，控制系統通過給驅動線圈特定的電信號，控制動圈有規律的運動，改變動圈和靜圈之間的縫隙，從而切割通過的氣流，產生所需的除灰聲波，最后經喇叭傳播輻射出去。氣流揚聲器氣聲轉化效率高于90%，聲功率達到30000聲瓦，實現了調頻調幅，聲波頻率可在10-10KHz間任意調節。

2.3.2 可調頻聲波吹灰器工作原理及特點

可調頻聲波吹灰器主要由氣流揚聲器、控制系統、管路組成。吹灰控制系統基于PLC及網絡技術開發，使用觸摸屏操作，可便捷的設定吹灰頻率，組合設置多種除塵模式。通過組態軟件及網絡，實現遠程控制、網絡監控等功能，設備操作簡單，維護便捷。

吹灰器控制系統內的PLC接收到氣路系統壓力開關的信號后，打開電磁閥給聲波發生器供氣，同時，單片機針對不同設備、受熱面積灰、結垢特點發出針對性的頻率、幅值信號，經功率放大器放大后輸入給聲波發生器發出有效地除灰聲波。

3 模型分析

利用有限元軟件建立國華寧海電廠二期2×1000MW超超臨界燃煤機組尾部煙道積灰空間，利用邊界元法用來求解內部聲場和外部輻射聲場，為方便建立聲壓隨時間、空間變化的聲波方程，對介質及聲傳播作如下假設：

（1）介質為理想流體，不存在粘滯性，聲波傳播過程中沒有能量損耗。

（2）沒有聲擾動時，媒質在宏觀上是靜止、均勻的，靜態壓力、密度為常數。

（3）聲波傳播過程中，媒質中稠密和稀疏的過程是絕熱的。

3.1 尾部煙道內部空間聲場特性分析

尾部煙道內部空間聲場特性分析見圖2

由圖2左圖可以看出，整個聲場最強的部分在鍋爐前墻聲源周圍，聲場分布以聲源為中心呈圓環狀向其周圍逐漸減弱；由右面的視圖可以看出，在后墻分布有3個聲場較強的區域，其中最強的區域在該平面的幾何中心，次強的聲場對稱分布在該區域的兩側，同時也是點聲源所在的投影區。

幾何中心處的聲場比周圍強，是由于兩個點聲源發出的球面聲波在傳播過程中有疊加現象，疊加后形成的駐波有強有弱，到達后墻時正好是聲場加強的地方。

在聲源所在的鍋爐前墻和后墻的墻角上，分布有幾處藍色的低聲壓區，有必要確定出具體在積灰哪些位置上達不到除灰所要求的聲壓值，更改吹灰聲源點的位置從而能夠做到有針對性地進行除灰。

從圖3中可以看出，在此平面上聲壓分布也很不均勻。圖形的底部邊界代表聲源所在的前墻，聲波從點聲源發出，透射過管陣列之后，到達后墻，即圖形的上邊界，在壁面發生反射，反射聲波與入射聲波相疊加發生干涉，使得距離點聲源較遠的后墻附近的聲壓總體上高于其他各處的聲壓值，聲場強度與聲源附近相差無幾，分析證明聲波除灰可有效清除離除灰器較遠的后排管子的積灰。

3.2 聲源布置方式的分析

不同聲源布置下爐內聲場分布見圖4-圖7：

可見，并列聲源個數的增加，會使爐內整個空間的聲場強度提高，四個點聲源兩兩對沖布置除灰對于爐內聲場的影響效果，不如單側并列布置二個點聲源時爐內聲場產生的駐波現象明顯，所以，聲源應錯列布置，避免對沖布置。

3.3 吹灰頻率分析

不同除灰頻率聲場分布見圖8-圖10：

可以看到，當兩個聲波除灰器在100Hz頻率下工作時，整個管陣列空間聲場分布比較均勻，當除灰器頻率提高到200Hz后，可以看到明顯的駐波，除灰器頻率達到300Hz時，爐內聲場的波動性更加明顯，可以在空間表面看到很明顯的駐波分布，通過以上分析可以總結出，爐內空間聲場的波動性隨聲波除灰器工作頻率的增加而增大，這是由于，隨著頻率的增大，聲波波長反而減小，在固定的一段距離內，散射聲波與入射聲波疊加而產生的駐波，也隨之增多的緣故，從而出現聲場分布強弱不均的現象，因此吹灰聲波應選用高低頻變頻聲波。

4 現場試驗分析

根據理論和建模分析，要有效去除尾部煙道積灰，需要大功率的聲波吹灰器，研究采用可調頻聲波吹灰器進行現場應用研究。

4.1 試驗平臺搭建

測試軟硬件包括：聲波吹灰器、喇叭、信號發生器、傳聲器（數量2個）、振動傳感器（數量2個）及聲譜、振動數據測量分析系統。

聲波吹灰器通過人孔安裝，喇叭長1.4m；伸進爐膛，見圖12。

1#傳聲器布置在喇叭出口1.5m，2#傳聲器布置在喇叭出口13m處。1#振動傳感器安裝喇叭在出口10m豎直換熱管束上，2#振動傳感器安裝喇叭在出口10m豎直換熱管束支撐板上，見圖13、圖14。

主要測試設備見表3。

4.2 試驗過程及結果

測試使用40～500Hz正弦掃頻信號，根據傳聲器和振動傳感器數據進行篩選。（選取聲壓級高的頻率并避免振動強烈的頻率）1#、2#傳聲器測量數據見圖15、圖16。

從測試數據分析可知；吹灰頻率在90Hz、170Hz、280Hz時，1#傳聲器分別獲得最高聲壓級159dB、153dB、153dB；2#傳聲器分別獲得最高聲壓級156dB、150dB、151dB，對比兩傳聲器數據可知在喇叭出口13m處低頻衰減3dB左右，聲波反而沒有明顯衰減；（分析原因是因為由于駐波疊加，抵消了本身的傳播衰減。）在該聲場載荷下1#、2#振動傳感器測量數據見圖17、圖18。

從數據分析可知；在90Hz、170Hz、280Hz時，1#振動量級為38dB、16dB、30dB；2#振動量級為39dB、17dB、32dB；表明在該聲場強度下，換熱管束及爐內結構的振動不會對其造成任何不良影響。同時聲波振動量級基本沒有衰減，也表明聲波的駐波疊加效果。現場吹灰效果見圖19。

聲波吹灰器作用后，可以看到吹灰后，水平換熱管道表面積灰明顯增多，并有不同大小的結垢掉落在上面；豎直換熱管道表面的積灰大面積掉落，管道表面部分結垢掉落，并露底，效果明顯。

5 結論及展望

5.1 結論

以寧海電廠二期1000MW機組尾部煙道，建立了聲場模型，和聲波吹灰參數的優化分析，對比現場測試結果，表明模型建立準確，低頻可調頻聲波吹灰器運用于該機組尾部煙道除灰方案可行。研究的主要結論如下：

要有效去除尾部煙道內大空間的積灰，采用的聲源在該積灰空間內聲壓級應達到155dB以上；

（1）除灰聲源的安裝方式應根據積灰空間結構進行優化，避免對沖布置。

（2）要徹底去除整個除灰空間內的積灰，在保證聲源功率的前提下應采用不同頻率的聲波。

（3）相比蒸汽吹灰器，可調頻聲波吹灰器技術先進、能耗低、可靠性高，可應用于該機組尾部煙道的除灰。

5.2 展望

由于機組停爐時間的限制，現場試驗只在鍋爐冷態狀態下進行，后續仍有許多方面有待進行研究，只要表現為：

（1）鍋爐實際工作時，吹灰參數的優化需要開展進一步的研究工作。

（2）使用不同煤種下，煙氣中灰粒成分對聲波參數選取的影響需要開展進一步的研究工作。

（3）根據鍋爐運行工況進行吹灰參數智能優化的研究工作。

參考文獻

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