燃煤電站鍋爐水冷壁局部結(jié)渣量化研究

熊 鋒，袁生明，段 熹，施子福，李 培

（1.華電湖北發(fā)電有限公司 黃石熱電分公司，湖北 黃石 435002；2.浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027）

0 引 言

燃煤電站鍋爐以煤作為主要燃料，煤在爐內(nèi)燃燒后會產(chǎn)生大量的灰分，受煤質(zhì)、鍋爐運(yùn)行方式等因素影響，水冷壁受熱面積灰結(jié)渣是電廠正常運(yùn)行過程中不可避免的問題[1]，嚴(yán)重到一定程度會影響鍋爐出力，導(dǎo)致渣塊砸壞冷灰斗、水冷壁爆管[2]等安全事故。 為了避免較為嚴(yán)重的事故發(fā)生，在受熱面安裝足夠數(shù)量的吹灰器以定時(shí)清除受熱面積灰結(jié)渣。 目前，國內(nèi)大部分燃煤電廠以運(yùn)行參數(shù)或者運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)作為吹灰依據(jù)，按照定時(shí)定量的方式進(jìn)行吹灰[3]。 然而，鍋爐在實(shí)際運(yùn)行過程中工況復(fù)雜，受熱面不同位置積灰特性差別較大，定時(shí)定量吹灰可能造成結(jié)渣嚴(yán)重的受熱面不能及時(shí)吹掃（欠吹）或者相對清潔的受熱面吹灰過于頻繁（過吹）。 欠吹可能造成受熱面積灰嚴(yán)重，造成鍋爐效率下降甚至熄火等重大安全事故[4]；過吹不僅會導(dǎo)致蒸汽的浪費(fèi)，還會造成受熱面壽命降低[5]。

因此，尋求一種可以反應(yīng)水冷壁局部受熱面結(jié)渣狀態(tài)的方法是指導(dǎo)吹灰時(shí)機(jī)以及吹灰位置、實(shí)現(xiàn)按需吹灰的重要前提條件，在提高鍋爐效率的同時(shí)延長受熱面管子壽命，保證鍋爐運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

由于鍋爐運(yùn)行過程中爐膛內(nèi)固體燃料劇烈燃燒產(chǎn)生的高溫高灰的惡劣環(huán)境，對爐膛水冷壁表面的結(jié)渣狀態(tài)監(jiān)測長期以來一直較為困難，難以在爐內(nèi)大面積的水冷壁上進(jìn)行局部區(qū)域的水冷壁結(jié)渣狀態(tài)監(jiān)測。 徐立剛等[3]就目前鍋爐爐膛吹灰方式的不合理性進(jìn)行分析研究，基于單位時(shí)間爐膛傳熱量最大建立了爐膛結(jié)吹灰模型，僅適用于負(fù)荷較為穩(wěn)定的情況；鄧喆等[6]利用聲學(xué)測溫法測得爐膛出口煙溫，爐膛出口煙溫在一定程度上可以反映爐內(nèi)整體沾污狀態(tài)；俞海淼等[7]自制水冷灰污熱流計(jì)獲取爐膛內(nèi)溫度及熱流密度等數(shù)據(jù)，從而得到爐膛內(nèi)局部結(jié)渣的動(dòng)態(tài)變化過程；杜慶軍[8]通過水冷熱流計(jì)監(jiān)測局部熱流密度，同時(shí)把吹灰后的熱流密度值作為參考來建立爐膛局部清潔因子，從而推測受熱面的結(jié)渣情況。 通過熱流計(jì)測量得到的熱流密度分析爐膛結(jié)渣狀況的方法受到熱流計(jì)成本較高的制約，往往布置的熱流計(jì)數(shù)量有限，難以獲得整個(gè)爐膛前、后、左、右四面墻大面積（上百平方米）受熱面局部的結(jié)渣狀況。此外，還有其他如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法預(yù)測爐內(nèi)積灰的模型，但均無法直觀反映出局部積灰結(jié)渣情況。

本研究對前人研究成果進(jìn)行總結(jié)分析，結(jié)合傳熱學(xué)知識，通過數(shù)值模擬結(jié)果對比得到一種基于爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測的燃煤電站鍋爐結(jié)渣監(jiān)測裝置，并將其安裝在鍋爐水冷壁上，根據(jù)所測溫度進(jìn)行水冷壁局部結(jié)渣狀態(tài)監(jiān)測，研究吹灰對溫度的影響，同時(shí)采用耐高溫回轉(zhuǎn)探槍對其附近區(qū)域間斷拍攝，構(gòu)建結(jié)渣比例與結(jié)渣監(jiān)測裝置所測溫度的關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)按需吹灰提供理論指導(dǎo)，為燃煤電站智能化運(yùn)行提供參考。

1 測量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四種溫度測量裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，依次記為TypeA-TypeD。 具體為將爐內(nèi)集熱塊和爐外集熱塊分別安裝于水冷壁鰭片，測量元件為熱電偶，熱電偶由爐外集熱塊穿入至爐內(nèi)集熱塊。 爐外集熱塊起到安裝定位以及固定熱電偶的作用，爐內(nèi)集熱塊則起到保護(hù)熱電偶測量端防止高溫?zé)煔鉄龎牡淖饔谩?考慮到鍋爐運(yùn)行過程中爐內(nèi)溫度較高且變化劇烈，TypeA及TypeB爐內(nèi)集熱塊增設(shè)兩條伸縮縫，以便集熱塊伸縮或膨脹，防止因集熱塊熱應(yīng)力導(dǎo)致水冷壁管裂開。 TypeC和TypeD爐內(nèi)集熱塊僅與鰭片接觸，不同之處在于TypeD爐內(nèi)集熱塊在高度方向更向煙氣中凸出。

圖1 不同型式測量裝置結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)值模擬及其結(jié)果

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

使用Solidwork 建立物理模型，如圖2 所示，高溫?zé)煔饧八浔诠軆?nèi)工質(zhì)均由下至上流動(dòng)，模型包括6 根水冷壁管，整片水冷壁及煙氣流域尺寸足夠大，滿足模擬條件。 采用ANSYS 網(wǎng)格劃分模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3 所示，全部采用多面體網(wǎng)格，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)減少網(wǎng)格劃分時(shí)間，網(wǎng)格總數(shù)約43 萬；集熱塊附近網(wǎng)格加密，如圖4 所示。

圖2 計(jì)算域物理模型

圖3 計(jì)算域整體網(wǎng)格

圖4 集熱塊附近網(wǎng)格

2.2 邊界條件及數(shù)學(xué)模型

為了盡可接近鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況，煙氣及工質(zhì)參數(shù)均根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，爐內(nèi)流體域設(shè)置為高溫?zé)煔猓M分如表1 所示，水冷壁內(nèi)工質(zhì)參數(shù)按表2 所示。 定義煙氣入口為速度入口，設(shè)置煙氣速度、溫度以及組分參數(shù)，定義工質(zhì)入口為速度入口，設(shè)置工質(zhì)速度以及溫度參數(shù)，煙氣出口和工質(zhì)出口定義為壓力出口，不同結(jié)構(gòu)集熱塊邊界條件均相同。

表1 煙氣組分

表2 工質(zhì)參數(shù)

采用Fluent軟件進(jìn)行模擬，粘性模型采用Realizable k-ε湍流模型，壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[9，10]，由于模擬爐內(nèi)煙氣組分中含有三原子氣體，因此必須考慮輻射對換熱的影響，本研究所采用的輻射模型為DO模型，采用Simple算法求解壓力—速度耦合方程，控制方程的離散形式為二階迎風(fēng)格式[11，12]。

2.3 模擬結(jié)果

圖5 為過集熱塊中心水平截面，以此面作為溫度對比截面；不同結(jié)構(gòu)集熱塊截面1 溫度分布如圖6 所示。

圖5 截面1 位置示意

從圖6 可以直觀看出，TypeA至Type D熱電偶溫度明顯升高，圖7 為不同結(jié)構(gòu)熱電偶端面溫度分布，從圖中可以看出，不同結(jié)構(gòu)下水冷壁管中心溫度均為440 ℃，TypeA-TypeD熱電偶端面溫度分別較水冷壁管中心溫度高出約60 ℃、103 ℃、170 ℃以及228 ℃，分別達(dá)到約500 ℃、543 ℃、610 ℃和668 ℃。

圖7 熱電偶端面溫度特性

在上述模擬過程中，認(rèn)為集熱塊與水冷壁、熱電偶與集熱塊在結(jié)合處緊密貼合，熱阻較小；而在實(shí)際安裝過程中會由于各種原因?qū)е沦N合度下降，從而使熱阻增大，工質(zhì)對集熱塊的冷卻效果降低，熱電偶所測溫度比模擬結(jié)果更高。 因此，為保證測點(diǎn)壽命，選擇模擬結(jié)果溫度最低的TypeA結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際安裝驗(yàn)證。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測點(diǎn)安裝

選取國內(nèi)某330 MW 機(jī)組，機(jī)組停機(jī)期間安裝測量裝置，測點(diǎn)位于某一觀火孔（O.D）和墻式吹灰器（IR9）中間，記為#1 測點(diǎn)，如圖8 所示。 目的是既能保證測點(diǎn)位于吹灰器吹灰范圍內(nèi)，又能保證內(nèi)窺式爐內(nèi)水冷壁沾污形貌全景可視化探槍可以通過觀火孔觀察到測點(diǎn)附近結(jié)渣情況。

圖8 #1 測點(diǎn)布置位置

3.2 主要儀器設(shè)備

試驗(yàn)中所使用的儀器設(shè)備包括溫度監(jiān)測設(shè)備以及結(jié)渣監(jiān)測設(shè)備，溫度監(jiān)測使用常規(guī)數(shù)據(jù)采集儀即可；結(jié)渣監(jiān)測使用自主研發(fā)的內(nèi)窺式爐內(nèi)水冷壁沾污形貌全景可視化探槍以及圖像采集儀。試驗(yàn)過程中連接好設(shè)備后，將探槍由觀火孔深入爐內(nèi)約35 cm，位置、角度調(diào)整合適后開始拍攝，單次拍攝時(shí)長為30 s，每次拍攝間隔1.5 ～2 h，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖9 所示，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖10 所示。

圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場

圖10 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖11 為測點(diǎn)溫度與鍋爐負(fù)荷（主蒸汽流量）隨時(shí)間的變化趨勢。 期間包含兩次對應(yīng)吹灰器吹灰動(dòng)作，可以看出：未吹灰時(shí)間段，當(dāng)鍋爐負(fù)荷較為穩(wěn)定時(shí)測點(diǎn)溫度僅在小范圍波動(dòng)；執(zhí)行吹灰動(dòng)作時(shí)鍋爐負(fù)荷基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，與吹灰前相比，吹灰后測點(diǎn)溫度明顯上升，上升幅度達(dá)100 ℃左右；兩次吹灰之間，測點(diǎn)溫度整體呈下降趨勢。 以上現(xiàn)象說明測點(diǎn)周圍存在一定程度結(jié)渣。 根據(jù)傳熱學(xué)原理，當(dāng)受熱面無積灰時(shí)，測點(diǎn)接受爐內(nèi)輻射換熱和對流換熱，測點(diǎn)溫度較高；若無吹灰動(dòng)作，隨著時(shí)間的累積，積灰逐漸增多，積灰增大了傳熱熱阻，導(dǎo)致測點(diǎn)溫度降低；當(dāng)連續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后，測點(diǎn)溫度低到一定程度，對應(yīng)吹灰器執(zhí)行吹灰動(dòng)作，由于吹灰時(shí)間較短，吹灰后受熱面較為清潔，因此測點(diǎn)溫度迅速大幅升高。

圖11 測點(diǎn)溫度變化趨勢圖

圖12 左側(cè)一列為內(nèi)窺槍拍攝得到測點(diǎn)周圍區(qū)域原始畫面，深色區(qū)域?yàn)槭軣崦嫦鄬η鍧嵄砻妫咨珔^(qū)域即為爐內(nèi)所結(jié)渣快；根據(jù)原始圖像中不同區(qū)域像素顏色不同采用圖像處理的方法并通過二值化將結(jié)渣區(qū)域清晰地展現(xiàn)出來，如圖中中間一列所示，白色區(qū)域即為結(jié)渣區(qū)域；進(jìn)一步根據(jù)像素比例計(jì)算得到結(jié)渣區(qū)域面積占比（渣量），如圖中右側(cè)一列所示。

圖12 結(jié)渣覆蓋面積占比

根據(jù)上述方法得到測點(diǎn)溫度與對應(yīng)時(shí)刻結(jié)渣面積占比關(guān)系如圖13，可以看出，當(dāng)渣量接近0時(shí)，測點(diǎn)溫度處于最高水平，約為565 ℃，隨著渣量的增加，測點(diǎn)溫度逐漸降低，當(dāng)渣量超過35%時(shí)，測點(diǎn)溫度降低速率減緩，根據(jù)散點(diǎn)圖可以擬合得到測點(diǎn)溫度與渣量的關(guān)系，即通過測點(diǎn)溫度可以求出水冷壁局部區(qū)域結(jié)渣量化數(shù)據(jù)，對于指導(dǎo)吹灰具有重要意義。

圖13 測點(diǎn)溫度與渣量關(guān)系

渣量與溫度擬合公式如下：

根據(jù)以上擬合公式即可實(shí)時(shí)再現(xiàn)對應(yīng)測點(diǎn)附近區(qū)域結(jié)渣程度，如圖14 所示，便于運(yùn)行人員決定是否需要吹灰，今后增加測點(diǎn)數(shù)量及控制系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)無人值守智能吹灰。

4 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)出4 種不同結(jié)構(gòu)溫度測量裝置，對其進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示，4 種結(jié)構(gòu)中采用TypeA型熱電偶端面溫度最低，出于工程實(shí)際應(yīng)用中使用壽命的考慮，將TypeA結(jié)構(gòu)測量裝置安裝于國內(nèi)某電廠水冷壁實(shí)施驗(yàn)證性試驗(yàn)；

（2）受熱面積灰會增大爐內(nèi)煙氣與測點(diǎn)之間的傳熱熱阻，長時(shí)間不吹灰，隨著積灰的累計(jì)，傳熱熱阻增大，測點(diǎn)溫度會逐漸降低；吹灰后受熱面較為清潔，傳熱熱阻降低，測點(diǎn)溫度會迅速大幅升高，因此，根據(jù)測點(diǎn)溫度可以定性反應(yīng)出受熱面局部結(jié)渣情況；

（3）結(jié)合內(nèi)窺式爐內(nèi)水冷壁沾污形貌全景可視化探槍，將拍攝到的受熱面結(jié)渣畫面進(jìn)行圖像處理，將結(jié)渣程度量化，得到測點(diǎn)溫度與渣量的量化關(guān)系，根據(jù)測點(diǎn)溫度即可判斷受熱面局部結(jié)渣程度，為今后指導(dǎo)燃煤電站鍋爐“按需吹灰”、提高機(jī)組安全性、經(jīng)濟(jì)性提供理論指導(dǎo)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)燃煤電廠智能化運(yùn)行打下基礎(chǔ)。