張洋洋， 潘 玄

(華電電力科學(xué)研究院， 杭州 310030)

大型火電鍋爐對(duì)流受熱面灰污監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究

張洋洋， 潘 玄

(華電電力科學(xué)研究院， 杭州 310030)

利用電廠DCS系統(tǒng)中已有的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)以及在爐上新添加的少量工質(zhì)側(cè)和煙氣側(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，以鍋爐整體及局部、能量和質(zhì)量平衡原理為基礎(chǔ)，對(duì)各主要對(duì)流受熱面的熱損失和熱效率進(jìn)行計(jì)算。分析管壁蓄熱量在鍋爐變負(fù)荷過(guò)程中對(duì)熱量平衡的影響，在灰污因子計(jì)算中考慮金屬管壁蓄熱量，提出鍋爐變負(fù)荷灰污因子計(jì)算模型；分析負(fù)荷變化對(duì)灰污因子計(jì)算的影響，結(jié)合原有的穩(wěn)態(tài)灰污因子計(jì)算模型，建立動(dòng)靜態(tài)結(jié)合的鍋爐受熱面灰污監(jiān)測(cè)模型；開(kāi)發(fā)灰污監(jiān)測(cè)軟件在塔山電廠600 MW火電機(jī)組鍋爐上指導(dǎo)吹灰。

鍋爐； 對(duì)流受熱面； 灰污監(jiān)測(cè)； 灰污因子； 變負(fù)荷

鍋爐受熱面積灰是燃煤電站鍋爐較為常見(jiàn)的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)電廠會(huì)根據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的要求或者運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)安排吹灰方案。這樣的吹灰模式，人為因素較大，容易造成鍋爐積灰嚴(yán)重的受熱面得不到有效吹灰，或使積灰輕微的受熱面頻繁吹灰。不僅使吹灰的總體經(jīng)濟(jì)性低下，而且過(guò)于頻繁地吹灰會(huì)對(duì)受熱面造成損壞，并縮短吹灰裝置本身的使用壽命[1]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)鍋爐吹灰優(yōu)化已進(jìn)行了較多的研究，例如英國(guó)BMS International Ltd公司的Intelligent Soot Blower Control Systems for Efficient Power Generation系統(tǒng)[2]，東南大學(xué)的基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)鍋爐對(duì)流受熱面灰污監(jiān)測(cè)軟件[3]。但是目前的研究模型僅限于機(jī)組負(fù)荷較為穩(wěn)定的分析，并給出較為理想的吹灰指導(dǎo)，當(dāng)鍋爐負(fù)荷處于變化過(guò)程時(shí)，吹灰軟件不能給出合理的吹灰指導(dǎo)。筆者考慮負(fù)荷變化時(shí)受熱面金屬管壁蓄熱量對(duì)灰污因子計(jì)算的影響，提出了變負(fù)荷灰污因子計(jì)算模型，得出較為合理的結(jié)果。以塔山電廠600 MW機(jī)組為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)的吹灰軟件可以在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)提供較好的吹灰指導(dǎo)。

1 機(jī)組概況

該電廠2臺(tái)600 MW火電機(jī)組鍋爐為亞臨界參數(shù)、控制循環(huán)、四角切圓燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣的П形汽包爐。鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度采用二級(jí)噴水調(diào)節(jié)，再熱蒸汽溫度采用擺動(dòng)燃燒器調(diào)節(jié)。燃用大同煤礦集團(tuán)塔山礦井生產(chǎn)的石炭二選系煙煤。爐膛上部布置墻式輻射再熱器和大節(jié)距的過(guò)熱器分隔屏，以增加再熱器和過(guò)熱器的輻射特性。各級(jí)過(guò)熱器和再熱器采用較大的橫向節(jié)距，防止在受熱面上結(jié)渣、結(jié)灰。每臺(tái)鍋爐裝有2臺(tái)三分倉(cāng)式回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器?？諝忸A(yù)熱器主軸垂直布置，煙氣和空氣以逆流方式換熱。在爐膛、各級(jí)對(duì)流受熱面和回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器處均裝設(shè)不同型式的吹灰器。吹灰器的運(yùn)行采用程序控制，所有的墻式吹灰器和伸縮式吹灰器根據(jù)燃煤和受熱面結(jié)灰情況每2～4 h全部運(yùn)行一遍。鍋爐受熱面示意圖見(jiàn)圖1。

1—分隔屏過(guò)熱器；2—后屏過(guò)熱器；3—屏式再熱器；4—末級(jí)再熱器；5—末級(jí)過(guò)熱器；6—立式低溫過(guò)熱器；7—水平低溫過(guò)熱器；

8—省煤器。

圖1 鍋爐受熱面示意圖

2 建模與試驗(yàn)

2.1 穩(wěn)定負(fù)荷工況下灰污監(jiān)測(cè)模型

在鍋爐負(fù)荷較為穩(wěn)定的情況下，對(duì)流受熱面灰污監(jiān)測(cè)模型采用灰污因子來(lái)表征受熱面的污染狀態(tài)。

根據(jù)受熱面的熱量平衡關(guān)系，在已知部分煙氣、工質(zhì)側(cè)參數(shù)的條件下，從省煤器出口開(kāi)始，沿逆煙氣流程方向，依次計(jì)算出各個(gè)受熱面的進(jìn)、出口煙氣溫度，再根據(jù)傳熱方程，計(jì)算出實(shí)際傳熱系數(shù)。

煙氣側(cè)放熱量Qyq：

(1)

工質(zhì)側(cè)吸熱量Qgz：

Qgz=D(h″-h′)/Bj

(2)

傳熱方程：

(3)

通過(guò)式(3)可求得實(shí)際傳熱系數(shù)Ksj，再通過(guò)理想傳熱系數(shù)Klx，求得灰污因子C為：

(4)

實(shí)踐證明：這種方法能實(shí)現(xiàn)300 MW、600 MW與1 000 MW燃煤電站鍋爐在穩(wěn)定運(yùn)行工況下的灰污在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及優(yōu)化吹灰，并取得較為理想的吹灰指導(dǎo)功能[4-6]；但是在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，不能給出理想的吹灰優(yōu)化結(jié)果。

2.2 變負(fù)荷工況下受熱面熱平衡分析

當(dāng)鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，燃料消耗量會(huì)發(fā)生變化，各個(gè)受熱面的吸熱量、煙溫、工質(zhì)溫度等參數(shù)都與穩(wěn)定工況下的情況不同。由于煙溫是燃料燃燒直接產(chǎn)生，因此可以很快與負(fù)荷變化相適應(yīng)；而工質(zhì)溫度由于管壁蓄熱的影響，不能很快發(fā)生變化。如果仍采用Qyq≈Qgz，則計(jì)算所得各個(gè)受熱面的煙溫就會(huì)偏離實(shí)際值。因此，當(dāng)負(fù)荷升高時(shí)，管壁蓄熱量增加，使一部分煙氣放熱量并沒(méi)有馬上進(jìn)入工質(zhì)側(cè)，此時(shí)的熱平衡關(guān)系應(yīng)該是：煙氣側(cè)的放熱量=工質(zhì)吸熱量+管壁金屬蓄熱量。當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，管壁蓄熱量減少，使一部分蓄熱量進(jìn)入到工質(zhì)側(cè)，此時(shí)的熱平衡關(guān)系應(yīng)該是：煙氣側(cè)的放熱量=工質(zhì)吸熱量-管壁金屬蓄熱量。由此可見(jiàn)，當(dāng)負(fù)荷升高時(shí)，Qyq>Qgz；當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，Qyq

2.3 變負(fù)荷工況下灰污監(jiān)測(cè)模型

對(duì)于某個(gè)對(duì)流受熱面，煙氣放熱量為Qyq，工質(zhì)吸熱量為Qgz，則

鍋爐負(fù)荷升高時(shí)：

Qyq=Qgz+Qgb

(5)

鍋爐負(fù)荷降低時(shí)：

Qyq=Qgz-Qgb

(6)

管壁蓄熱量Qgb為：

(7)

式中：cj為金屬管壁比熱容；mj為單位長(zhǎng)度金屬質(zhì)量；θj為金屬管壁溫度；τ為時(shí)間。

通過(guò)式(5)、式(6)、式(7)計(jì)算得到各個(gè)受熱面的進(jìn)出口煙溫；再通過(guò)穩(wěn)定負(fù)荷工況下灰污因子計(jì)算方法，得到變負(fù)荷工況下灰污因子。由此可見(jiàn)，在變負(fù)荷工況下，若仍采用穩(wěn)定負(fù)荷灰污因子模型來(lái)計(jì)算受熱面的灰污情況，由于煙氣放熱量并不等于工質(zhì)側(cè)吸熱量，會(huì)使煙氣溫度的計(jì)算值出現(xiàn)偏差，造成灰污因子計(jì)算出現(xiàn)偏差，不能很好地反映實(shí)際情況。

2.4 試驗(yàn)方法

以塔山電廠600 MW火電機(jī)組鍋爐為試驗(yàn)對(duì)象，計(jì)算前對(duì)對(duì)流受熱面進(jìn)行24 h積灰。采用穩(wěn)態(tài)灰污監(jiān)測(cè)方法和動(dòng)態(tài)灰污監(jiān)測(cè)方法，分別進(jìn)行穩(wěn)定負(fù)荷工況下灰污因子計(jì)算和變負(fù)荷工況下灰污因子計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 穩(wěn)定負(fù)荷工況下試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2和圖3為穩(wěn)定負(fù)荷下末級(jí)再熱器灰污因子變化曲線(xiàn)。由于負(fù)荷穩(wěn)定，因此煙氣側(cè)的放熱量等于工質(zhì)側(cè)吸熱量，采用穩(wěn)定負(fù)荷工況灰污監(jiān)測(cè)模型，計(jì)算得到的灰污因子變化穩(wěn)定，反映了實(shí)際情況。

圖2 機(jī)組負(fù)荷隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)1

圖3 末級(jí)再熱器灰污因子1

圖4和圖5為負(fù)荷變化時(shí)末級(jí)再熱器灰污因子的變化。

圖4 機(jī)組負(fù)荷隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)2

圖5 末級(jí)再熱器灰污因子2

當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化，仍采用穩(wěn)定負(fù)荷工況灰污監(jiān)測(cè)模型，計(jì)算得到的灰污因子變化較大。這是因?yàn)樵谪?fù)荷變化時(shí)，由于管壁蓄熱量發(fā)生變化，造成工質(zhì)側(cè)吸熱量變化延遲，使煙氣側(cè)放熱量不等于工質(zhì)側(cè)吸熱量，因此得到的計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)際情況較大。

3.2 變負(fù)荷工況下試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6為負(fù)荷由較為穩(wěn)定值逐漸升高，相應(yīng)的末級(jí)再熱器灰污因子的變化見(jiàn)圖7。從圖7可以看到：對(duì)于未考慮管壁蓄熱，采用穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算模型，末級(jí)再熱器的灰污因子在負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)波動(dòng)較為平穩(wěn)，在負(fù)荷升高時(shí)有明顯的下降趨勢(shì)；對(duì)于考慮管壁蓄熱，采用變負(fù)荷計(jì)算模型，末級(jí)再熱器的灰污因子受負(fù)荷影響減小，且波動(dòng)變得更為穩(wěn)定。這是由于負(fù)荷升高時(shí)，管壁蓄熱量增加，工質(zhì)側(cè)吸熱量小于煙氣側(cè)放熱量；同時(shí)煙氣流速增加，煙氣側(cè)對(duì)流放熱系數(shù)增加，煙溫增加使對(duì)流過(guò)熱器的傳熱溫差增大。通過(guò)考慮管壁蓄熱量，減小負(fù)荷變化對(duì)灰污因子結(jié)果的影響。

圖6 機(jī)組負(fù)荷隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)3

圖7 末級(jí)再熱器灰污因子3

圖8為負(fù)荷由較為穩(wěn)定值逐漸降低，相應(yīng)的末級(jí)再熱器灰污因子的變化見(jiàn)圖9。從圖9可以看到：對(duì)于未考慮管壁蓄熱，采用穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算模型，末級(jí)再熱器的灰污因子在負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)波動(dòng)較為平穩(wěn)，在負(fù)荷下降時(shí)有明顯的上升趨勢(shì)；對(duì)于考慮管壁蓄熱，采用變負(fù)荷計(jì)算模型，末級(jí)再熱器的灰污因子受負(fù)荷影響減小，且波動(dòng)變得更為穩(wěn)定。這是由于負(fù)荷下降時(shí)，管壁蓄熱量減少，工質(zhì)側(cè)吸熱量大于煙氣側(cè)放熱量；同時(shí)煙氣流速降低，煙氣側(cè)對(duì)流放熱系數(shù)減小，煙溫下降使對(duì)流過(guò)熱器的傳熱溫差減小。通過(guò)考慮管壁蓄熱量，減小負(fù)荷變化對(duì)灰污因子結(jié)果的影響。

圖8 機(jī)組負(fù)荷隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)4

圖9 末級(jí)再熱器灰污因子4

4 結(jié)語(yǔ)

筆者建立了以熱平衡為基礎(chǔ)的大型火電鍋爐對(duì)流受熱面灰污實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型，以塔山電廠600 MW火電機(jī)組鍋爐為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)DCS中已有的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)以及在爐上新添加的少量工質(zhì)側(cè)和煙氣側(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算末級(jí)再熱器灰污因子。將穩(wěn)定負(fù)荷工況下灰污監(jiān)測(cè)模型和變負(fù)荷工況下灰污監(jiān)測(cè)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：采用變負(fù)荷工況下灰污監(jiān)測(cè)模型，即考慮管壁蓄熱量，得到的灰污監(jiān)測(cè)結(jié)果更為合理，符合實(shí)際情況，可以為電廠運(yùn)行人員提供更為準(zhǔn)確的吹灰指導(dǎo)。

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Experimental Study of Ash Fouling Status on Convective Heating Surfaces of Large Thermal Power Boilers

Zhang Yangyang, Pan Xuan

(Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, China)

Based on the off-line data and additional data of working fluids and flue gas collected by DCS of a power plant, heat loss and thermal efficiency of main convective heating surfaces were calculated on the basis of energy and mass balance principle for the whole and partial boiler. A calculation model was derived for the fouling rate of boiler considering the influence of tube wall heat accumulation on the thermal balance and fouling rate calculation under variable load conditions. A combined dynamic-static model of ash fouling monitoring was established based on already existing static model and considering the influence of load variation on the fouling rate calculation. Relevant software for ash fouling measurement and detection was developed and applied to guide soot blowing in a 600 MW thermal power boiler in Tashan Power Plant.

boiler; convective heating surface; fouling monitoring; fouling rate; variable load

2016-04-07

張洋洋(1987—)，男，工程師，主要從事大型火電鍋爐節(jié)能優(yōu)化工作。

E-mail: yangyang-zhang@chder.com

TK224.91

A

1671-086X(2017)01-0014-04