晏海能

(淮陰發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇 淮安 223002)

目前，煤炭供應(yīng)形勢(shì)越來(lái)越緊張，各火力發(fā)電廠為提高經(jīng)濟(jì)效益，在很難燃用設(shè)計(jì)煤種、甚至無(wú)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(diǎn)低的劣質(zhì)煤，這些煤種對(duì)爐膛結(jié)渣有較大的影響，甚至?xí)驙t內(nèi)結(jié)渣嚴(yán)重而引起停爐事故。因此，在燃用劣質(zhì)煤時(shí)，加強(qiáng)對(duì)爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)控和預(yù)防就顯得尤為重要。

1 爐內(nèi)結(jié)渣的特性

爐內(nèi)結(jié)渣是指熔化的灰沉積物在受熱面上的積聚，多發(fā)生在爐內(nèi)輻射受熱面上。大型煤粉鍋爐爐內(nèi)煤粉在0.03 ～0.05 s 的時(shí)間內(nèi)即被加熱到1 600 ℃以上，因此，煤粉爐內(nèi)穿過(guò)爐膛火焰的全部灰粒都處于液化狀態(tài)。當(dāng)處于熔融或半熔融狀態(tài)的灰粒到達(dá)受熱面，很容易粘附在受熱面上；再由于擴(kuò)散作用，會(huì)在管子外表面形成薄的、白色的、很細(xì)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(huì)引起爐膛溫度的升高，而且還會(huì)造成受熱面管子外表面溫度比原來(lái)高很多，使受熱面管表面大量結(jié)渣成為可能。隨著表面燒結(jié)層厚度的增加，積灰表面的溫度也升高，當(dāng)積灰表面的溫度升高到接近煙氣溫度時(shí)，大量熔融的灰粒與積灰層相互碰撞，產(chǎn)生燒結(jié)反應(yīng)，結(jié)合成堅(jiān)實(shí)的積灰，使灰層進(jìn)一步變厚，灰溫進(jìn)一步升高，形成惡性循環(huán)，使灰層表面形成熔融相，有可能形成液態(tài)渣層。

爐內(nèi)結(jié)渣使?fàn)t內(nèi)傳熱惡化，爐內(nèi)輻射傳熱量減少，爐膛出口煙溫升高，對(duì)流受熱面區(qū)域熱負(fù)荷增加，可能造成受熱面管壁超溫，同時(shí)造成過(guò)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(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)較大的影響。目前，電廠通常使用的方法是加強(qiáng)爐內(nèi)吹灰，但強(qiáng)化吹灰會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題。

(1)爐膛水冷壁吹灰次數(shù)過(guò)多，造成汽溫偏低。為了提高汽溫，需要增加水平煙道末級(jí)過(guò)熱器和末級(jí)再熱器管屏處的吹灰次數(shù)，這樣不僅浪費(fèi)汽源，也加劇了對(duì)管子的沖蝕。

(2)由于吹灰頻繁，爐膛水冷壁、過(guò)熱蒸汽管、再熱蒸汽管管壁過(guò)于清潔，管子表面缺乏調(diào)節(jié)換熱的“灰層”，熱量分配容易失衡，導(dǎo)致過(guò)熱汽溫與再熱汽溫調(diào)節(jié)困難，對(duì)煤種的適應(yīng)能力變差。

(3)強(qiáng)化吹灰不利于調(diào)整過(guò)熱蒸汽、再熱蒸汽兩側(cè)的汽溫。在出現(xiàn)兩側(cè)汽溫偏差時(shí)，調(diào)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(cè)的減溫水或事故噴水開(kāi)大，來(lái)控制受熱面的管壁不超溫。強(qiáng)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(jī)組煤耗增加較多，使機(jī)組的效率降低。

因此，必須加強(qiáng)對(duì)爐內(nèi)結(jié)渣的預(yù)防和監(jiān)測(cè)，以合理確定吹灰頻率，從而提高鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性能。

2 爐內(nèi)結(jié)渣的預(yù)測(cè)方法

2.1 用煤灰特性作為判別標(biāo)準(zhǔn)

用煤灰特性作為煤本身結(jié)渣特性的判別指標(biāo)，其判別準(zhǔn)確率是最高的，許多國(guó)家都以此作為判別的基本依據(jù)。

根據(jù)西安熱工研究院的研究結(jié)果，在GB7562-87 中，以煤的軟化溫度為基本指標(biāo)，以煤的低位發(fā)熱量為輔助指標(biāo)。對(duì)于Qar，net>12 560 kJ/kg 的煤種，當(dāng)ST>1 350 ℃，屬于不結(jié)渣煤種；當(dāng)ST≤1 350 ℃，則屬于結(jié)渣煤種。

哈爾濱電站設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院對(duì)我國(guó)290 種動(dòng)力用煤的灰渣特性進(jìn)行分析，并用3 段最優(yōu)分割來(lái)確定，以還原性氣氛下軟化溫度作為判別依據(jù)：

(1)ST>1 390 ℃：輕微結(jié)渣；

(2)1 260 ℃≤ST≤1 390 ℃：中等結(jié)渣；

(3)ST<1 260 ℃：嚴(yán)重結(jié)渣。

2.2 用煤灰成分綜合指標(biāo)作為判別標(biāo)準(zhǔn)

煤灰中的成分不同，結(jié)渣的傾向性也不同，如SiO2和AL2O3是煤灰中主要的酸性物質(zhì)，SiO2含量增高，使灰熔點(diǎn)上升；AL2O3具有兩面性，一方面AL2O3會(huì)使灰熔點(diǎn)上升，另一方面AL2O3會(huì)與堿性物質(zhì)形成低熔點(diǎn)的共晶體，使灰熔點(diǎn)下降。若采用硅比、硅鋁比、鐵鈣比、堿酸比4 項(xiàng)指標(biāo)來(lái)作為判別標(biāo)準(zhǔn)，則判別的準(zhǔn)確率較低；而采用煤灰綜合指數(shù)R 法，判別的準(zhǔn)確率則相對(duì)較高。

實(shí)踐中，根據(jù)上述方法僅能進(jìn)行爐內(nèi)結(jié)渣的預(yù)測(cè)，但具體結(jié)渣的嚴(yán)重程度如何，在運(yùn)行中通過(guò)哪些參數(shù)能反映出來(lái)，還需在實(shí)踐中進(jìn)行總結(jié)摸索。

3 爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)控

目前，對(duì)爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)視還沒(méi)有很好的自動(dòng)監(jiān)控手段，主要是依靠運(yùn)行人員的觀察?？蒲袉挝灰呀?jīng)對(duì)爐內(nèi)結(jié)渣自動(dòng)監(jiān)督進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，吹灰器程序控制系統(tǒng)已得到普遍應(yīng)用，目前主要是根據(jù)爐內(nèi)結(jié)渣時(shí)運(yùn)行參數(shù)的變化，探制爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)控手段。

3.1 根據(jù)爐膛出口煙氣溫度進(jìn)行監(jiān)控

根據(jù)傳熱學(xué)原理，爐內(nèi)輻射傳熱基本公式如下：

式中：Qf——相對(duì)于1 kg 燃料的爐膛輻射吸熱量，kJ/kg；

α1——爐膛系統(tǒng)黑度；

σ0——絕對(duì)黑體輻射常數(shù)，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(huì)升高，使得爐膛輻射吸熱量減少。

煙氣在爐膛內(nèi)的放熱公式為：

式中：φ——考慮散熱損失的保溫系數(shù)；

V——1 kg 燃料的煙氣量，Nm3/kg；

Cp——爐內(nèi)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(dāng)爐內(nèi)結(jié)渣嚴(yán)重時(shí)，Tl〃升高，所以Tl〃是反映爐內(nèi)結(jié)渣狀態(tài)較好的參數(shù)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，用爐膛出口煙溫作為爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)控參數(shù)時(shí)，仍存在困難：一是高溫?zé)煔獾臏y(cè)量問(wèn)題，采用水冷抽氣熱偶測(cè)量精度較差，不能作為長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量的手段，所以用高溫過(guò)熱器或高再熱器后的煙氣溫度來(lái)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(cè)量點(diǎn)；三是爐膛出口煙溫受運(yùn)行工況，如：磨組的變化，一、二次風(fēng)的調(diào)整等影響較大，并不單純反映爐內(nèi)結(jié)渣情況，因此，難以確定某個(gè)定值來(lái)嚴(yán)格界定爐膛是否結(jié)渣。

螺旋聚合物的螺旋結(jié)構(gòu)除了由側(cè)鏈上大基團(tuán)的剛性來(lái)固定,還可以通過(guò)氫鍵和一些弱作用力來(lái)維持[17].M.Teraguchi[18]報(bào)道,由苯乙炔合成的聚合物通過(guò)兩個(gè)N-烷基酰胺基團(tuán)合成,其單手性螺旋結(jié)構(gòu)通過(guò)分子內(nèi)氫鍵穩(wěn)定.2017年,N.Liu等人[19]合成了兩個(gè)新穎的對(duì)映異構(gòu)體含手性氨基的苯乙烯衍生物(L-和D-1),這個(gè)聚合物的結(jié)構(gòu)由于氫鍵的作用,使其聚合物的結(jié)構(gòu)保持螺旋構(gòu)像.在之前的報(bào)道中,揭示了聚合物的螺旋結(jié)構(gòu)在某一程度上取決于均分子量的大小,短的鏈長(zhǎng)不能形成穩(wěn)定的螺旋結(jié)構(gòu),常見(jiàn)的螺旋聚合物主要是由于主鏈上側(cè)鏈大位阻基團(tuán)的相互作用,來(lái)固定螺旋構(gòu)像使其在溶液中不發(fā)生翻轉(zhuǎn).

為此，有必要尋找其他的參數(shù)來(lái)反映爐內(nèi)的結(jié)渣情況。

3.2 用蒸汽側(cè)的吸熱量來(lái)計(jì)算爐膛出口煙氣溫度

華北電力大學(xué)研究提出，可通過(guò)鍋爐汽水側(cè)參數(shù)來(lái)計(jì)算出爐膛出口煙溫。其主要思路是：對(duì)于汽包鍋爐，當(dāng)煤種變化不大時(shí)，可以用省煤器出口聯(lián)箱水溫的測(cè)量和布置在爐膛內(nèi)過(guò)熱器、再熱器吸熱量的測(cè)量，替代爐膛出口煙溫的測(cè)量。

如式(2)，只要計(jì)算出爐膛放熱量，即可以計(jì)算出爐膛出口煙溫：

因此，問(wèn)題轉(zhuǎn)化為爐膛輻射傳熱量Qf的計(jì)算，如下式：

式中：Qsc——鍋爐部分輸出熱量，kJ/h;

Qfg——爐內(nèi)輻射式或半輻射式過(guò)熱器蒸汽吸熱量之和，kJ/h;

Qfz——爐內(nèi)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(zhì)過(guò)熱過(guò)程吸收的熱量，kJ/h;

Qsm——省煤器內(nèi)工質(zhì)吸收的熱量，kJ/h。

此方法雖然看似復(fù)雜，但由于蒸汽側(cè)溫度、壓力等測(cè)點(diǎn)較為準(zhǔn)確，華北電力大學(xué)經(jīng)過(guò)多次傳熱試驗(yàn)證實(shí)，此方法測(cè)量精度很高。

3.3 選用蒸汽側(cè)的參數(shù)來(lái)監(jiān)控爐內(nèi)結(jié)渣情況

從理論上講，爐內(nèi)結(jié)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(yùn)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(jié)渣引起的。因此，通過(guò)跟蹤鍋爐運(yùn)行參數(shù)變化，提出用低溫過(guò)熱器出口蒸汽溫度的變化來(lái)表示爐膛輻射吸熱量的變化，以此來(lái)反映爐內(nèi)結(jié)渣情況。

而不選取高溫過(guò)熱器或屏式過(guò)熱器的原因是：爐膛結(jié)渣的結(jié)果是使?fàn)t膛蒸發(fā)量變小，且爐膛出口煙溫升高，這兩者都能使過(guò)熱器汽溫升高；由于屏式過(guò)熱器和高溫過(guò)熱器出口的蒸汽經(jīng)過(guò)噴水減溫，其溫度值受?chē)娝康挠绊戄^大，因此也不能作為比較依據(jù)。

在運(yùn)行工況穩(wěn)定時(shí)，爐內(nèi)結(jié)渣使?fàn)t膛蒸發(fā)量減少，流過(guò)低溫過(guò)熱器的蒸汽量也減少，但由于低溫過(guò)熱器的吸熱主要取決于煙氣側(cè)，因此，可將低溫過(guò)熱器的吸熱量看作不變，則低溫過(guò)熱器出口蒸汽溫度必然升高。另外，爐內(nèi)結(jié)渣還造成低溫過(guò)熱器處煙氣溫度升高，這也使低溫過(guò)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(shí)，低溫過(guò)熱器出口汽溫為390 ℃～400 ℃左右，在燃用高硫煤時(shí)，硫分St,ad遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)煤種值(0.72 %)，達(dá)到1.49 %，造成爐膛結(jié)渣。為防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣嚴(yán)重，通過(guò)爐膛吹掃可有效地減少爐膛結(jié)渣，提高爐膛運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。以該廠燃用高硫煤時(shí)的一次爐膛吹灰為例。入爐煤工業(yè)成分分析如表1 所示，爐膛吹灰前后的參數(shù)如表2 所示。

表1 入爐煤工業(yè)成分分析

表2 的數(shù)據(jù)是按試驗(yàn)期間，從DCS 中每秒取1 個(gè)值后，再將1 h 內(nèi)的值進(jìn)行平均后得出的，因此，數(shù)據(jù)是可信的。從2 表中可以看出，在爐膛吹灰前，1 h 內(nèi)的低過(guò)出口汽溫平均為414.4 ℃；吹灰后，低過(guò)出口汽溫下降到403.9 ℃。同時(shí)，過(guò)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性明顯提高。

針對(duì)不同的機(jī)組、不同的煤種，在實(shí)際運(yùn)行中，可通過(guò)試驗(yàn)得出最佳吹灰的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，只要及時(shí)考慮上述情況，合理選擇蒸汽側(cè)(低溫過(guò)熱器出口溫度)的參數(shù)，就能達(dá)到優(yōu)化吹灰的目的，提高鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，對(duì)爐膛結(jié)渣的監(jiān)控還沒(méi)有很好的自動(dòng)監(jiān)控手段，運(yùn)行人員需要通過(guò)運(yùn)行中的參數(shù)變化，及時(shí)有效地判斷爐膛是否結(jié)渣。對(duì)于汽包鍋爐，可以采用低溫過(guò)熱器出口溫度作為爐膛結(jié)渣的判據(jù)，通過(guò)對(duì)低溫過(guò)熱器出口溫度的分析，合理確定吹灰時(shí)機(jī)，及時(shí)清除爐膛結(jié)渣，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。