徐力剛 黃亞繼 王 健 岳峻峰 鄒 磊 楊 釗

(1東南大學能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室, 南京 210096)(2江蘇方天電力技術(shù)有限公司, 南京 211102)

作為鍋爐的燃燒系統(tǒng),爐膛內(nèi)火焰中心溫度極高,因而煙氣飛灰成分中處于熔融軟化狀態(tài)且黏結(jié)性很強的灰粒易黏附在水冷壁管上形成結(jié)渣,如不及時清除會導致鍋爐傳熱效果嚴重下降甚至造成停爐．雖然大型鍋爐爐膛配有吹灰器進行清渣,但是由于缺乏爐內(nèi)實時結(jié)渣的直觀數(shù)據(jù),大多數(shù)電廠根據(jù)經(jīng)驗制定的按時定量吹灰方式并不合理,或吹灰不足引起受熱面?zhèn)鳠嵝阅芟陆?或吹灰次數(shù)過多導致蒸汽的浪費以及對受熱面造成沖蝕．因此,如何建立爐膛結(jié)渣污染監(jiān)測模型并基于實時監(jiān)測結(jié)果制定合理的吹灰方案,成為大型火電機組需要解決的難題．

目前,國內(nèi)外學者已在爐膛水冷壁結(jié)渣監(jiān)測方面取得了一定成果．Ma等[1]通過CFD模擬爐膛內(nèi)結(jié)渣的位置并與實測結(jié)果進行比對以驗證模型,從而進行爐膛結(jié)渣位置的預判,但CFD模擬計算時間較長無法做到實時預測,不適用于實時結(jié)渣監(jiān)測.Romeo等[2]通過建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓練大量離線參數(shù)預測實際監(jiān)測結(jié)果,而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法要取得較好的結(jié)果需要大量的訓練樣本.Zhang等[3]和馬美倩等[4]采用聲學測溫的方式獲得爐膛出口煙溫，從而建立結(jié)渣監(jiān)測模型,在煙氣介質(zhì)變化較小的穩(wěn)定工況下測量結(jié)果較好.俞海淼等[5]將熱流計安裝在水冷壁上進行結(jié)渣監(jiān)測,而只有在爐膛各個部位都安裝熱流計監(jiān)測結(jié)果才較為可靠,而熱流計維護困難，因此該方法目前實際應(yīng)用不多．總體來說,上述文獻在如何根據(jù)實時監(jiān)測結(jié)果從而指導合理吹灰操作方面的研究較少．

為此，本文首先建立爐膛結(jié)渣監(jiān)測模型,通過實例計算分析結(jié)渣監(jiān)測模型的適用性，并指出根據(jù)監(jiān)測結(jié)果執(zhí)行吹灰操作存在的問題.然后提出一種基于單位時間爐膛傳熱量最大的吹灰優(yōu)化模型,進行吹灰優(yōu)化實例計算，并與現(xiàn)有文獻中的吹灰優(yōu)化模型進行對比,最后制定吹灰優(yōu)化方案．

1 爐膛結(jié)渣監(jiān)測模型

1.1 結(jié)渣監(jiān)測指標

本文采用水冷壁熱有效系數(shù)ψ作為污染率的特征參數(shù)進行建模．污染率的表達式為

(1)

式中,F為結(jié)渣污染率;x為水冷壁角系數(shù),即水冷壁占爐墻面積的比例;ψ為水冷壁熱有效系數(shù),表示輻射熱交換熱流量占火焰有效輻射熱流量的比例．

從污染率定義可知,當水冷壁結(jié)渣越嚴重,水冷壁接收輻射熱量占火焰投射熱量份額越小,ψ越小,則F趨向于1;當水冷壁越清潔時,水冷壁接收輻射熱量占火焰投射熱量份額越大,ψ越大,則F趨向于0．污染率F變化趨勢與爐膛水冷壁結(jié)渣程度相符,能夠作為結(jié)渣監(jiān)測的指標．

1.2 爐膛輻射傳熱模型

由式(1)可知,污染率F的主要參數(shù)是ψ,可以通過爐膛輻射傳熱模型計算獲得．

文獻[6-8]在建立爐膛結(jié)渣監(jiān)測模型時均采用了經(jīng)典熱力計算標準[9]中的爐膛輻射傳熱模型,而此模型的假設(shè)條件為火焰中心緊貼水冷壁平面或者不考慮輻射介質(zhì)對輻射的吸收及散射作用,但隨著鍋爐容量和體積的增大,爐膛的輻射傳熱模型需要考慮在傳播過程中火焰輻射能的減弱[10],因此本文采用文獻[11]的爐膛傳熱模型．

傳熱模型中爐膛傳熱量可以用兩平面(水冷壁平面和假想火焰輻射平面)之間輻射換熱量、爐墻吸收火焰輻射能量以及爐中煙氣放熱量來表示,公式如下:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中,εf為爐膛實際火焰黑度;ka為吸收減弱系數(shù),m-1;R為與爐膛截面等面積圓形的半徑,m.

(7)

(8)

最后獲得水冷壁熱有效系數(shù)ψ的計算式，即

(9)

(10)

式中,xm為火焰相對高度；Z為本文方便推導求解公式所設(shè)過程參數(shù),無實際意義．

1.3 基于煙溫軟測量的污染率計算方法

(11)

圖1 半輻射受熱面煙溫測點

為簡化計算,認為爐膛穿透屏區(qū)輻射全部被高溫過熱器吸收,即忽略穿透高溫過熱器向后的輻射量,則半輻射受熱面的熱平衡方程為

(12)

(13)

污染率計算流程圖如圖2所示．

圖2 計算流程圖

2 結(jié)渣監(jiān)測計算實例及存在問題

為了研究監(jiān)測模型對水冷壁實時結(jié)渣情況的適用性,本文以某600 MW超臨界直流鍋爐作為研究對象,鍋爐型號為HG-1956/25.4-YM5,是一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行直流鍋爐．此鍋爐采用Π型布置,單爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣，旋流燃燒器采用前后墻布置，對沖燃燒．

從鍋爐DCS系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)進行計算分析,采樣間隔為2 min,現(xiàn)場記錄實際吹灰操作時間．由于鍋爐運行中存在各種擾動且熱工參數(shù)變化時間較長,因此對采集數(shù)據(jù)使用最小二乘估計[14]的數(shù)據(jù)重構(gòu)預處理方法來剔除壞值，以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)準確性,采用多測點取平均值的方法來減少鍋爐結(jié)構(gòu)不均勻性所導致的誤差．

2.1 實際運行工況結(jié)渣污染率計算

取一天(24 h)的數(shù)據(jù),采用本文所建立的爐膛結(jié)渣監(jiān)測模型進行實時結(jié)渣污染率計算,結(jié)果見圖3．

圖3 穩(wěn)定負荷下爐膛結(jié)渣污染率

如圖3所示,大部分時間內(nèi)污染率的整體變化趨勢非常明顯．在進行吹灰器吹掃的時間段(8:00—9:20 和17:30—18:50)內(nèi),爐膛污染率有明顯下降,與爐膛實際結(jié)渣減少相符,且吹灰時間80 min與實際程控時間相對應(yīng);而在不進行吹灰的時間段(0:00—8:00,9:20—17:30,18:50—24:00)內(nèi),污染率整體呈上升趨勢,與爐膛實際結(jié)渣增加相符．因此可以認為,本文所建立爐膛結(jié)渣污染監(jiān)測模型能夠基本滿足爐膛結(jié)渣監(jiān)測的要求．

2.2 根據(jù)污染率進行吹灰存在的問題

爐膛結(jié)渣監(jiān)測的最終目的是進行吹灰操作,目前文獻中采用較多的方式是設(shè)定污染率的上下限,即臨界污染率[15],當鍋爐運行中爐膛實時污染率達到污染率上限時進行吹灰,達到污染率下限時停止吹灰．

根據(jù)臨界污染率來判定吹灰時機及吹掃時間必須基于實時污染率曲線的穩(wěn)定和準確性,當污染率曲線無法反映實時結(jié)渣情況時會導致吹灰誤操作．如圖3所示,雖然污染率的整體變化趨勢非常明顯,但是由于預處理不能完全消除熱工參數(shù)的穩(wěn)定和脈沖擾動,污染率數(shù)值隨時間有小幅度的上下波動,這一情況會影響運行人員對吹灰操作的判斷．除此之外,鍋爐運行過程復雜多變,爐膛結(jié)渣監(jiān)測模型由于是基于熱平衡原理,在負荷變化過快的工況下結(jié)渣污染率的變化趨勢會受到較大影響．圖4為包含快速變負荷工況的結(jié)渣監(jiān)測結(jié)果．在負荷較為穩(wěn)定階段(0:00—7:50,15:40—24:00),污染率變化趨勢較為明顯,吹灰時間段(16:20—17:40)內(nèi)整體下降,不進行吹灰時污染率整體上升;而在快速變負荷階段(7:50—15:40),爐膛污染率變化較為紊亂,除了在吹灰時間段(8:00—9:20)污染率整體呈下降趨勢與結(jié)渣變化相符外,其他時間的污染率波動過大,不能反映實際結(jié)渣情況．因此,實際計算結(jié)果表明，在負荷變化過快情況下由于工質(zhì)吸熱存在滯后時間[13],爐內(nèi)傳熱不平衡,爐膛結(jié)渣監(jiān)測模型的適用性較差,污染率曲線不能夠指導吹灰操作．

圖4 包含變負荷工況下爐膛結(jié)渣污染率

根據(jù)結(jié)渣監(jiān)測計算結(jié)果,鍋爐實際運行中污染率曲線的波動不可避免,文獻[2,16]也指出即使引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法也只能減緩而無法消除快速變負荷下的污染率變化幅度．所以,僅根據(jù)實時污染率和臨界污染率來執(zhí)行吹灰操作的吹灰方案并不合理．

3 吹灰優(yōu)化方案

目前大多數(shù)電廠采用按時定量的吹灰方案，即每天按照固定的時間進行相同時長的吹灰操作，形成一個固定的吹灰周期,但固定吹灰周期的制定只考慮運行人員排班而缺乏數(shù)據(jù)支撐,所以此方案有較大的弊端;而通過設(shè)定臨界污染率來判定吹灰時機和吹掃時間的方式過于依賴實時污染率曲線的準確性,在運行工況變化復雜的情況下適用性較差．

基于以上情況,本文將臨界污染率與按時定量吹灰周期相結(jié)合制定吹灰方案,在根據(jù)臨界污染率判定吹灰時機和吹掃時間的同時輔以吹灰周期進行校核,從而確保不同工況下吹灰操作的合理進行．

3.1 吹灰優(yōu)化模型

吹灰時機和吹掃時間需要通過建立吹灰優(yōu)化模型進行求取,本文提出一種基于單位時間爐膛傳熱量最大的吹灰優(yōu)化模型．

如圖5(a)所示,結(jié)渣時間和吹灰時間綜合為一個吹灰周期,其中Qj為結(jié)渣時間內(nèi)的傳熱量變化曲線,Qc為吹灰時間內(nèi)的傳熱量變化曲線,τj，τc分別為結(jié)渣和吹灰時長.由于Qj和Qc的變化趨勢都是趨于平緩,因此通過合理調(diào)整吹灰周期內(nèi)的τj和τc就可以使得單位時間內(nèi)爐膛傳熱量QL最大．

(a) 爐膛傳熱量變化

(b) 爐膛污染率變化

此外,如圖5(b)所示,其中Fj為結(jié)渣時的污染率變化,Fc為吹灰時的污染率變化,Qb(陰影部分)為吹灰?guī)淼膫鳠崃渴找?因為進行吹灰導致的能量損失隨吹掃時長的增加而不斷變大,所以吹灰獲得的傳熱量收益必須要大于吹灰的能耗損失．因此,以單位時間內(nèi)爐膛傳熱量QL最大為目標并加入一些約束條件,求解結(jié)渣時長τj和吹灰時長τc相當于一個非線性規(guī)劃問題,吹灰優(yōu)化模型為

maxQL=

(14)

(15)

式中,Qs為單位時間吹灰引起的蒸汽、電機及引風機能耗損失;Fmax,Fmin分別為臨界污染率上、下限;τcmin,τcmax分別為吹灰程控最小、最大時間．

求解模型中，式(14)為目標函數(shù),式(15)為約束函數(shù),實際計算中需根據(jù)具體運行情況設(shè)定臨界污染率下限Fmin．

3.2 計算實例和結(jié)果分析

本文對第2節(jié)中鍋爐爐膛吹灰優(yōu)化實例進行計算．由于爐膛污染率計算結(jié)果是離散值,不能直接運用于吹灰優(yōu)化模型,需要進行曲線擬合．根據(jù)文獻[17-18],Fj和Fc的擬合形式如下:

Fj=A-Be-Cτ

(16)

Fc=De-Eτ

(17)

式中,A,B,C,D和E都是擬合得到的常數(shù),且都大于0．由于鍋爐運行過程中熱工參數(shù)受到的擾動極大,不同工況下計算出的τj,τc會不同,但是在相同負荷和煤種條件下的運行參數(shù)較為穩(wěn)定．因此可以將電廠的運行過程劃分成不同的常運行負荷及煤種工況,計算出每個工況下對應(yīng)的τj,τc以及臨界污染率,從而指導吹灰操作．以常運行負荷500 MW為例,為了提高數(shù)據(jù)擬合結(jié)果的擬合優(yōu)度以及可靠性,采用多組相同運行負荷和煤種工況下污染率數(shù)據(jù)進行擬合,多組數(shù)據(jù)的銜接排列方法基于最優(yōu)擬合優(yōu)度的思想,方法見圖6．

圖6 多組污染率銜接排列方法

圖7為8組(第1～8組)500 MW下Fj的排列和擬合結(jié)果,圖8為4組(第a～d組)500 MW下Fc的排列和擬合結(jié)果．可以看出,多組污染率經(jīng)過重新銜接排列后(見圖7(a)和圖8(a)),其按同一時間計算得到的污染率平均值隨時間變化(見圖7(b)和圖8(b))的擬合結(jié)果較好,擬合優(yōu)度在90%以上,能夠較為準確地應(yīng)用于吹灰優(yōu)化計算．

(a) 8組結(jié)渣污染率隨時間變化

(b) 結(jié)渣污染率平均值隨時間變化及擬合曲線

(a) 4組吹灰污染率隨時間變化

(b) 吹灰污染率平均值隨時間變化及擬合曲線

為了滿足約束要求Fc(τj)=Fj(τj),計算中將Fc擬合式變化為

Fc(τ)=0.824 45e-0.001 78(τ-τj+τm)

(18)

式中,τm是為了限定Fc擬合曲線起始點所設(shè)的中間參數(shù),可通過式(15)消去．

將Fj和Fc的擬合結(jié)果代入吹灰優(yōu)化計算模型，進行τj,τc以及Fmax的計算,此工況下設(shè)定臨界污染率下限Fmin=0.68,τcmin=60 min,τcmax=108 min．通過求解式(14)和(15)的非線性規(guī)劃問題,得到的計算結(jié)果見表1．

表1 吹灰優(yōu)化計算結(jié)果(500 MW)

如表1所示,優(yōu)化計算結(jié)果中吹灰頻率提高,吹灰周期(τj+τc)從720 min降低到了279.74 min,單次吹灰時間從80 min減少到60.7 min,而單位時間爐膛傳熱量提高了67 611.3 kJ/min,相當于提高2.31 kg/min標煤的發(fā)熱量,優(yōu)化效果明顯．

3.3 不同吹灰優(yōu)化模型計算結(jié)果對比

目前較為常用的受熱面吹灰優(yōu)化模型主要有損失平衡模型[19]、最小損失模型[18]和最大收益模型[18]．其中,損失平衡模型和最小損失模型定義實際和理想傳熱量(清潔時)之差為灰污染導致的熱量損失.損失平衡模型認為灰污染損失一定要大于吹灰損失時才有吹灰意義,最小損失模型認為一定存在一個吹灰周期使得單位時間內(nèi)總損失最小;而最大吹灰收益模型定義吹灰凈收益為吹灰獲得的傳熱量收益減去吹灰能量損耗,由于傳熱量收益增長的趨勢會減緩,直到不變,故模型認為必然存在一個時刻使得吹灰操作獲得的凈收益最大．本文根據(jù)這幾種模型進行了吹灰優(yōu)化計算,并與本文吹灰優(yōu)化計算模型的計算結(jié)果進行對比(工況條件與本文優(yōu)化模型相同),結(jié)果見表2．

如表2所示,損失平衡模型和最小損失模型計算出的單位時間爐膛傳熱量較大,但是這2種模型的吹灰凈收益為負,這是由于該模型的對比基準理論傳熱量(清潔時)在計算中不變,脫離了實際的污染率變化情況,使得一次吹灰的損失超過了獲得的傳熱量收益;最大收益模型計算出的吹灰凈收益最大,但是其單位時間爐膛傳熱量最小,這是由于該模型為了追求最大的吹灰凈收益而基于受熱面較臟(臨界污染率上限較大)的前提,導致受熱面可能較長時間處于傳熱效率較小的情況．此外筆者認為,對于最大收益模型,由于τj越大，爐膛越臟,獲得的吹灰收益越大,當傳熱量收益較長時間達到不變(dQb/dτ=0)時,可能存在計算出的τj,τc時間太長的情況,需要酌情處理．

在混凝土鋪蓋北部有大塊疑似空隙，鋪蓋中部偏西有小塊異常，中部偏東及其南部也分散了數(shù)塊異常區(qū)域；橡膠壩段西線中部有疑似空隙，東線有小面積的兩塊異常；最后鋼筋混凝土防護坡中，南部塌空處往北延伸數(shù)米，有大塊疑似空隙，距南部邊緣20m靠近防護槽部分有異常，此異常以北有范圍較大約8m的疑似空隙，防護坡北部各處也分散一些異常，面積較小。

綜上所述,本文提出的基于單位時間爐膛傳熱量最大的吹灰優(yōu)化模型,綜合了上述幾種模型的優(yōu)點,計算結(jié)果較適用于鍋爐實際吹灰操作．

3.4 吹灰優(yōu)化方案

為了解決由于爐膛運行工況復雜且變化較快而污染率曲線波動較大不能反映爐膛內(nèi)實時結(jié)渣的問題,本文將臨界污染率、結(jié)渣時長τj和吹灰時長τc相結(jié)合制定吹灰優(yōu)化方案,如圖9所示．圖中判斷吹灰時間與τj和τc是否相近，可根據(jù)電廠具體要求決定,一般至少要達到τj和τc計算時長的2/3才可稱為相近．此外，在負荷和煤種變化較小時電廠也可采用固定的τj和τc進行吹灰方案制定以減少運行人員的操作負擔．

圖9 吹灰優(yōu)化方案

由于電廠實際爐膛吹灰操作中還需要兼顧主汽和再熱蒸汽溫度、過熱器和再熱器減溫水流量、負荷標準和排煙標準等電廠指標,電廠實際吹灰方案可在本文制定的優(yōu)化方案基礎(chǔ)上進行修改．

4 結(jié)論

1) 提出了一種求解爐膛出口煙溫以及爐膛污染率的方法,在爐膛出口煙溫軟測量計算中考慮了爐膛實時結(jié)渣情況．

2) 結(jié)渣監(jiān)測實例計算表明,監(jiān)測模型適用于負荷較為穩(wěn)定的工況,而負荷變化過快工況下的監(jiān)測結(jié)果由于波動較大不能作為吹灰操作判據(jù)．

3) 提出了一種基于單位時間爐膛傳熱量最大的吹灰優(yōu)化模型,實例計算采用相同工況下多組污染率基于最優(yōu)擬合優(yōu)度原則進行銜接排列獲得擬合曲線,結(jié)果表明在鍋爐500 MW負荷下優(yōu)化效果明顯,能使爐膛提高相當于2.31 kg/min標煤的發(fā)熱量．

4) 本文吹灰優(yōu)化模型與現(xiàn)有文獻中優(yōu)化模型的對比結(jié)果表明,本文吹灰計算模型更適用于鍋爐實際吹灰操作．

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