摘要：基于熱平衡原理，采用DCS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，針對(duì)具體低溫受熱面，進(jìn)行了清潔因子算法流程的設(shè)計(jì)，并描繪出其隨時(shí)間變化的曲線圖。分析比較了清潔因子不同算法的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)空氣流量監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)、低溫受熱面結(jié)構(gòu)交錯(cuò)布置、測(cè)點(diǎn)數(shù)量不多且分布不均等問(wèn)題，提出了以煙氣擋板處煙溫為基礎(chǔ)，整體處理尾部煙道受熱面熱平衡的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：清潔因子；在線監(jiān)測(cè)；算法設(shè)計(jì)

前言

從現(xiàn)有研究看，目前對(duì)于爐膛受熱面的積灰監(jiān)測(cè)主要采用高溫?zé)崃饔?jì)，尾部煙道內(nèi)受熱面的積灰監(jiān)測(cè)主要采用煙氣-工質(zhì)熱平衡法計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)采用鍋爐實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。尤其是對(duì)鍋爐尾部受熱面的積灰計(jì)算，要求鍋爐負(fù)荷必須保持穩(wěn)定，這和實(shí)際運(yùn)行時(shí)有很大的差異，實(shí)際運(yùn)行時(shí)鍋爐負(fù)荷往往是變化的，而鍋爐負(fù)荷對(duì)積灰特性的計(jì)算影響較大，根據(jù)變負(fù)荷下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的清潔因子并不能準(zhǔn)確反映受熱面的真實(shí)積灰狀態(tài)。另外，現(xiàn)有的積灰特性計(jì)算方法研究，由于缺乏煙氣側(cè)溫度數(shù)據(jù)，采用了由工質(zhì)吸熱量，基于煙氣-工質(zhì)熱平衡方法，來(lái)解算煙氣溫度，再進(jìn)行清潔因子計(jì)算的方法（如圖1所示），解算流程是：空預(yù)熱器-省煤器-低過(guò)-低再-高再-高過(guò)。然而，對(duì)于300MW機(jī)組的鍋爐來(lái)說(shuō)，省煤器、低過(guò)和低再布置在同一個(gè)尾部煙道內(nèi)部，而且低過(guò)的受熱面和低再受熱面管束交錯(cuò)重疊布置，很難明確區(qū)分煙氣進(jìn)口和出口，以及煙氣量，更不用說(shuō)計(jì)算煙氣側(cè)進(jìn)出口溫度了。本文研究者曾經(jīng)采用上面的解算順序，進(jìn)行了尾部受熱面積灰特性計(jì)算，發(fā)現(xiàn)根本無(wú)法反映受熱面的積灰特性變化規(guī)律。

圖1 傳統(tǒng)清潔因子計(jì)算流程圖

1彭城電廠300MW燃煤鍋爐DCS系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)分布

本文研究的具體對(duì)象是彭城電廠一臺(tái)1025t/h亞臨界壓力自然循環(huán)鍋爐。型式是：亞臨界壓力、一次中間再熱、單爐膛、燃燒器布置于爐膛四周、切圓燃燒、尾部雙煙道結(jié)構(gòu)、采用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、平衡通風(fēng)、半露天島式布置。計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)自某日DCS運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，該日鍋爐負(fù)荷較為穩(wěn)定，中間有一次吹灰操作，符合本文研究條件。該電站鍋爐DCS數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在各監(jiān)測(cè)位置有兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)記錄兩組數(shù)據(jù)。本文數(shù)據(jù)采集的方法是：每隔30秒采集一次數(shù)據(jù)，以五分鐘內(nèi)的平均值為一次記錄值。計(jì)算中，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的參數(shù)值，為兩組數(shù)據(jù)的平均值。

該電廠DCS系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)在尾部煙道的分布情況為：

1.煙氣溫度測(cè)點(diǎn)。中隔墻上部?jī)蓚?cè)（即前轉(zhuǎn)向室和后轉(zhuǎn)向室），低過(guò)出口（即省煤器入口）， 省煤器出口，低再出口，煙氣擋板處，共六處煙溫測(cè)點(diǎn)。

2.工質(zhì)熱工參數(shù)測(cè)點(diǎn)。汽包，再熱器噴水減溫器前（即低再出口），過(guò)熱器1#噴水減溫器前（即低過(guò)出口），低再事故噴水器后（即低再入口），省煤器入口，共五處工質(zhì)熱工參數(shù)測(cè)點(diǎn)。

具體分布如圖2所示：

圖中：●為水或蒸汽溫度、壓力、流量測(cè)點(diǎn)，共5處；▲為煙氣溫度測(cè)點(diǎn)，共6處。

圖2 鍋爐尾部煙道DCS系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)分布

2基于電廠DCS系統(tǒng)的鍋爐受熱面積灰在線監(jiān)測(cè)模型

現(xiàn)代鍋爐DCS系統(tǒng)在鍋爐尾部對(duì)流受熱面中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)比較全面，很容易實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。首先通過(guò)物質(zhì)平衡和能量平衡，先計(jì)算出煙氣在中隔墻兩側(cè)的分流比例，然后再采用熱平衡法，根據(jù)受熱面進(jìn)、出口煙氣或工質(zhì)的參數(shù)，以及鍋爐本體的結(jié)構(gòu)尺寸，就可以計(jì)算出受熱面的熱流密度。通過(guò)其他的軟件和設(shè)備將熱流密度直接展示在監(jiān)測(cè)屏幕，就可以實(shí)時(shí)獲取受熱面灰污狀況。清潔因子作為表征受熱面積灰程度的參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)燃煤鍋爐受熱面灰污狀態(tài)的研究領(lǐng)域[1]，本文也采取CF監(jiān)測(cè)形式。

式中：λ均煙溫下的煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)； 管子直徑； 煙氣流速，； ，q為單位時(shí)間通過(guò)的流量，； 煙氣運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)； 普朗特準(zhǔn)則數(shù)， ， 為煙氣動(dòng)力粘度系數(shù)， 為煙氣定壓比容，λ為煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)； 管子沿?zé)煔饬鞒膛艛?shù)的修正系數(shù)； 管簇橫向與縱向管節(jié)距修正系數(shù)；

式中： 蒸汽的流量； 受熱面積； 、 蒸汽進(jìn)入受熱面的出、進(jìn)口焓；

3各對(duì)流受熱面清潔因子計(jì)算流程及變化曲線

各對(duì)流受熱面清潔因子計(jì)算中，理想傳熱系數(shù)的計(jì)算基本不變，但實(shí)際傳熱系數(shù)的計(jì)算流程因各受熱面測(cè)點(diǎn)位置不同而有較大差異，上述傳統(tǒng)清潔因子計(jì)算流程已不適用。本文根據(jù)不同受熱面已知參數(shù)，分別設(shè)計(jì)了實(shí)際傳熱系數(shù)計(jì)算流程。

3.1省煤器

省煤器清潔因子計(jì)算中，首先要確定中隔墻兩側(cè)煙氣流量。本文采用低溫再熱器出口、省煤器出口以及煙氣擋板處煙溫分布確定中隔墻兩側(cè)煙氣流量，即：

式中： 、 低溫再熱器、省煤器處煙氣流量比例； 、 、 低溫再熱器、省煤器出口、煙氣擋板處煙氣焓值。

有相關(guān)論文采用省煤器出口、低溫再熱器出口以及空氣預(yù)熱器進(jìn)口的煙焓，計(jì)算中隔墻兩側(cè)煙氣流量，這兩種方法的比較在下面篇章將做具體分析。

根據(jù)DCS測(cè)點(diǎn)分布，本文的已知條件是進(jìn)出、口煙溫，進(jìn)口水溫為給水溫度，出口水溫未知，因此，必須根據(jù)熱平衡原理先計(jì)算出出口水焓，才能得到出口水溫，進(jìn)而完成下面的計(jì)算。具體流程見(jiàn)下圖：

圖3 省煤器實(shí)際傳熱系數(shù)計(jì)算流程圖 圖4 省煤器清潔因子變化曲線

計(jì)算中，省煤器側(cè)煙道內(nèi)煙氣流量較小，清潔因子計(jì)算受其他因素變化較大，因此在鍋爐有吹灰動(dòng)作時(shí)，清潔因子變化較為劇烈，個(gè)別數(shù)據(jù)失真。但總體來(lái)看，清潔因子的變化趨勢(shì)能正確反映出省煤器受熱面積灰狀況，清潔因子隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸減小，在鍋爐吹灰完成時(shí)，又有較大增加，完全符合實(shí)際情況。

3.2低溫過(guò)熱器

蒸汽在低過(guò)進(jìn)口處沒(méi)有溫度、壓力測(cè)點(diǎn)，采用汽包出口時(shí)蒸汽參數(shù)。出口蒸汽溫度為1號(hào)噴水減溫器前的溫度，出口煙溫為省煤器進(jìn)口煙溫。計(jì)算中，不采用低過(guò)進(jìn)口煙溫測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)（后轉(zhuǎn)向室煙溫），具體流程如下圖：

圖5 低過(guò)實(shí)際傳熱系數(shù)計(jì)算流程 圖6 低過(guò)清潔因子變化曲線

省煤器和低溫過(guò)熱器同位于中隔墻后部，煙氣流量和積灰狀況應(yīng)相差不大，因此，兩者的清潔因子變化規(guī)律也相同。由于缺少進(jìn)口蒸汽參數(shù)，低過(guò)進(jìn)口蒸汽采取汽包壓力下的飽和蒸汽溫度，計(jì)算出的進(jìn)口煙氣溫度比實(shí)際值要大。但是，這種整體計(jì)算方法能正確反映清潔因子變化趨勢(shì)，在鍋爐灰污監(jiān)測(cè)計(jì)算中，此方法是可取的。

3.3低溫再熱器

低溫再熱器位于中隔墻前部煙道中，此處布置有很多其他受熱面，如前墻過(guò)熱器、側(cè)包墻過(guò)熱器等等，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在采用熱平衡計(jì)算時(shí)，低溫再熱器管道內(nèi)側(cè)工質(zhì)吸熱并不等于管外煙氣放熱，因此，在計(jì)算低溫再熱器進(jìn)口煙溫時(shí)必須采用尾部煙道整體焓降法。進(jìn)口蒸汽溫度為低再事故噴水減溫器后溫度；出口蒸汽溫度為1#再熱噴水減溫器前的蒸汽溫度；出口煙溫已知，具體流程如下圖：

圖7 低再清潔因子計(jì)算流程圖

圖8 低再清潔因子變化曲線

低溫再熱器位于中隔墻的前部，積灰狀況與前兩者稍有不同。低溫再熱器處煙氣流量較大，對(duì)吹灰動(dòng)作造成的溫度變化的反應(yīng)程度沒(méi)有前兩者劇烈。低溫再熱器清潔因子變化較為平和，這是由于其受熱面積較大，工質(zhì)和煙氣流動(dòng)較穩(wěn)定，受其他因素干擾較小，計(jì)算結(jié)果較為理想。

4與其它算法的比較

4.1煙氣流量計(jì)算

在計(jì)算中隔墻兩側(cè)煙氣流量時(shí)，本文采用省煤器出口、低溫再熱器出口以及煙氣擋板處，三者的煙溫大小進(jìn)行計(jì)算。有人認(rèn)為采用煙氣擋板溫度不太準(zhǔn)確，原因是，中隔墻兩側(cè)煙氣在流經(jīng)煙氣擋板時(shí)，并沒(méi)用完全充分混合，其溫度不能當(dāng)作混合后的煙溫，應(yīng)該改用空氣預(yù)熱器進(jìn)口煙溫進(jìn)行計(jì)算，如圖10：

圖9 空預(yù)器進(jìn)口煙溫計(jì)算流程圖

圖10 省煤器清潔因子變化曲線圖

明顯，此方法不適于受熱面積灰特性研究。原因：鍋爐DCS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)空預(yù)器進(jìn)出口一、二次風(fēng)流量偏差較大，漏風(fēng)系數(shù)又進(jìn)一步增大進(jìn)口溫度偏差。本來(lái)三者溫度相差不大，計(jì)算中，即使某一參數(shù)有較小偏差，也會(huì)結(jié)果造成較大影響。

4.2前轉(zhuǎn)向室煙溫計(jì)算法

低熱器清潔因子計(jì)算中，要采用前轉(zhuǎn)向室溫度計(jì)算，則低過(guò)進(jìn)口蒸汽溫度未知。雖然進(jìn)口蒸汽焓很容易算出，但是，過(guò)熱蒸汽焓是關(guān)于溫度和壓力的高次方程，不適用于計(jì)算機(jī)進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)的計(jì)算。因此，要采用前轉(zhuǎn)向室煙溫計(jì)算法，只能對(duì)進(jìn)口蒸汽溫度進(jìn)行估算，或者直接采用汽包壓力下的飽和溫度。下面是采用這種方法計(jì)算出的低溫過(guò)熱器清潔因子變化曲線：

圖11 低溫過(guò)熱器清潔因子變化曲線圖

此變化曲線明顯不符合實(shí)際情況。前面提到，鍋爐低溫受熱面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜過(guò)熱蒸汽從汽包出來(lái)后經(jīng)過(guò)多個(gè)包墻過(guò)熱器和中隔墻，流程較長(zhǎng)。在熱平衡計(jì)算中，煙氣焓降并不能簡(jiǎn)單地等于單個(gè)設(shè)備中工質(zhì)的焓增，蒸汽溫度較實(shí)際情況有很大差異，單獨(dú)計(jì)算各個(gè)設(shè)備清潔因子肯定會(huì)有很大誤差，甚至不能正確反映真實(shí)受熱面灰污狀況。在尾部低溫受熱面清潔因子計(jì)算中，必須要采用整體法，全局把握受熱面?zhèn)鳠崆闆r，最大可能地減小計(jì)算誤差。

4.3低溫再熱器進(jìn)口煙溫計(jì)算

和低溫過(guò)熱器一樣，低溫再熱器也處于傳熱較為復(fù)雜的尾部煙道，它的清潔因子的計(jì)算也要采取整體法，其計(jì)算方法的差別是在于進(jìn)口煙溫的確定。本文在計(jì)算低溫再熱器進(jìn)口煙溫時(shí)，采用尾部煙道整體焓降法間接計(jì)算。

另一種方法是，以前轉(zhuǎn)向室煙溫為低溫再熱器進(jìn)口煙溫，按照低溫再熱器垂直和水平受熱面的大小估算低溫再熱器水平段出口蒸汽溫度。下圖為該方法的清潔因子計(jì)算結(jié)果：

圖12 低溫再熱器清潔因子變化曲線圖

從圖12可以看出清潔因子逐漸降低，但顯示不出中間吹灰過(guò)程，顯然不是實(shí)際灰污狀況的真實(shí)反映，該方法不能作為尾部受熱面灰污特性研究的計(jì)算方法。這也同時(shí)證明了在研究鍋爐低溫受熱面積灰特性研究中采用整體法計(jì)算清潔因子的必要性。

5總結(jié)

本文提出的以煙氣擋板處煙溫為基礎(chǔ)，采用整體法處理尾部煙道熱平衡的解算思路，能準(zhǔn)確地反映出清潔因子的變化情況，與其它方法相比較，該解算設(shè)計(jì)摒棄了尾部受熱面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氣流紊亂、傳熱對(duì)象不單一等情況，避免了系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)數(shù)量不多、分布不均的問(wèn)題，使計(jì)算簡(jiǎn)單、實(shí)用，結(jié)果穩(wěn)定可靠、更貼近實(shí)際情況。

參考文獻(xiàn)

[1] 閻維平，陳寶康 電站鍋爐回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器積灰監(jiān)測(cè)模型的研究，《動(dòng)力工程》，2002-04-15

[2] 張逸祥，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的生產(chǎn)優(yōu)化管理實(shí)現(xiàn)策略，《電力技術(shù)》，2010

作者簡(jiǎn)介：

王國(guó)紅（1972.12），男，河北井陘人，工程師，長(zhǎng)期從事火電機(jī)組運(yùn)營(yíng)以及節(jié)能管理