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(1.遼寧中電投電站燃燒工程技術研究中心有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.清華大學 熱能工程系，北京 100084)

鍋爐結渣會降低水冷壁及對流受熱面的傳熱效率，嚴重影響鍋爐的正常運行[1-2]。新疆準東煤田探明儲量4 400億 t，煤灰中堿金屬含量較高，受熱面存在嚴重結渣的問題。隨著準東煤田的開發(fā)，對如何全燒易結渣的高堿煤種日益引起廣泛的重視，急需一種能夠準確監(jiān)測爐內(nèi)結渣程度的工業(yè)裝置及自動控制系統(tǒng)來保證鍋爐的安全穩(wěn)定運行。蒸汽吹灰是控制結渣的有效措施之一，但頻繁吹灰會降低機組運行經(jīng)濟性，同時也會因磨蝕和熱應力而對受熱面造成損壞，縮短受熱面的壽命，增加維修費用[3-6]。

目前，國內(nèi)外對爐膛結渣的在線監(jiān)測開展了相關研究。俞海淼等[7]利用灰污熱流計監(jiān)測工業(yè)鍋爐爐膛的灰污結渣的動態(tài)過程，從原理上和實驗上證明熱流密度確實可以反應爐膛沾污的程度。王宏武等[8]應用基于模糊C均值聚類算法預處理的支持向量機算法對鍋爐結渣特性進行了預測建模。杜慶軍等[9]通過利用臟污熱流計測量受熱面熱流密度，建立了監(jiān)測模型，并在某電廠300 MW鍋爐上進行了試驗驗證。陳寶康等[10]開發(fā)了燃煤電站鍋爐結渣積灰計算機在線分析檢測裝置和吹灰優(yōu)化軟件系統(tǒng)。

目前爐膛水冷壁監(jiān)測采用的熱流計法結果較準確，但由于熱流計尺寸原因，安裝時需改變水冷壁管的布置，增加改造難度及費用并且降低水冷壁的強度。而基于鍋爐不同部位煙氣、蒸汽參數(shù)間接得出的灰污特征系數(shù)法，準確性不高，適用性受到限制。本文開發(fā)一種基于微型熱流計的灰渣監(jiān)測系統(tǒng)，能夠預報鍋爐的結渣進程及結渣程度，并據(jù)此為鍋爐運行提供優(yōu)化解決方案，能夠達到檢測爐內(nèi)熱負荷分布特性和結渣程度的雙重目標，進而降低鍋爐運行維護成本，保證機組運行安全。

1 傳熱的數(shù)學模型

1.1 一維穩(wěn)態(tài)導熱模型

熱流計在實際測試水冷壁熱流密度的情況如圖1所示。中間為深入測孔的熱流計，兩邊圓形區(qū)域為水冷壁管示意圖。

圖1 熱流計在實際測量中的示意圖

為了簡化計算，穩(wěn)態(tài)計算建立一維導熱模型，并提出了如下假設：

(1)熱流計前端的導熱金屬塊假設為一維導熱；(2)爐膛輻射換熱假設為黑體輻射；(3)導熱金屬塊的物理性質在導熱過程中假設為常數(shù)。經(jīng)過以上假設，熱流計的穩(wěn)態(tài)導熱可以簡化為一維導熱模型，如圖2所示。

圖2 熱流計一維穩(wěn)態(tài)導熱模型示意圖

導熱金屬塊簡化為一維模型，其左端受到來自于等效爐膛溫度為tf的高溫煙氣的輻射加熱。由于爐膛與水冷壁之間的換熱主要以輻射換熱為主，因此在熱流計穩(wěn)態(tài)計算時忽略對流項，輻射換熱熱流密度為

(1)

式中C1——經(jīng)驗系數(shù);

σ——波爾茲曼常數(shù);

tf——高溫煙氣溫度;

t1——導熱金屬塊熱端溫度。

導熱金屬塊右端受到來自于循環(huán)冷卻水的冷卻作用，主要換熱形式為對流換熱，熱流密度可按下式計算

qout=h(t2-tw)

(2)

式中h——對流換熱系數(shù);

t2——導熱金屬塊與水冷端相接觸的金屬壁溫;

tw——冷卻水水溫。

對流換熱系數(shù)h可以由式(3)確定

(3)

(4)

假定爐膛輻射煙溫為1 773 K，冷卻水溫為298 K，當傳熱達到穩(wěn)定后，熱流計的關鍵參數(shù)計算結果如表1所示。由表1可見，冷卻水吸熱后的水溫幾乎沒有升高，熱端和冷端熱電偶溫升有限，分別為390 K和500 K，溫差為110 K。這一結果表明，在較高的爐膛熱流密度下，水冷式熱流計的熱端溫度仍遠低于K型熱電偶的許用上限，因此熱流計在廣闊的熱流密度條件下，均可以安全運行。

表1設定參數(shù)下導熱金屬塊穩(wěn)態(tài)計算結果

熱端溫度/K冷端溫度/K冷卻之后水溫/K計算輻射熱流密度/kW·m-2熱端熱電偶溫度/K冷端熱電偶溫度/K553.8335.5298.5444.0499.3390.1

1.2 熱流計非穩(wěn)態(tài)導熱模型

金屬塊的厚度以及材料導熱特性(即導熱系數(shù))不僅影響熱流計的靈敏度，同時也對熱流計測量的響應時間產(chǎn)生影響。為了指導熱流計標定及測量的方法、優(yōu)化熱流計的設計方案，需要對熱流計建立非穩(wěn)態(tài)模型，進而研究不同參數(shù)對熱流計測量過程中響應時間的影響。本文中非穩(wěn)態(tài)的計算采用離散化的計算方法，將金屬導熱塊如圖3分成t[0]至t[20]共21個節(jié)點。

圖3 離散方程節(jié)點

金屬塊左側為輻射換熱邊界條件，右側為對流換熱邊界條件，取時間間隔dτ=0.005 s。離散方程如下：

對于中間節(jié)點(i=[1,19])

(5)

(6)

解得

(7)

對于最左端輻射換熱節(jié)點(i=0)

(8)

整理得

(9)

對于最右端對流換熱節(jié)點(i=20)

(10)

(11)

整理得

(12)

聯(lián)立以上各式，通過迭代數(shù)值計算，即可求解出熱流計關鍵參數(shù)隨時間的變化情況。導熱塊材質為304不銹鋼，厚度為8 mm，進行一維非穩(wěn)態(tài)傳熱計算。其冷端溫度、熱端溫度、溫差、以及通過金屬導熱塊的熱流密度隨時間變化的結果如表2所示。

表2非穩(wěn)態(tài)計算結果

時間/s熱端溫度/K冷端溫度/K溫差/K熱流密度/kW·m-210445.58359.0486.54346.220485.83381.71104.12416.530497.12388.07109.05436.240500.29389.86110.43441.750501.18390.36110.82443.360501.42390.50110.92443.7600501.52390.55110.97443.9穩(wěn)態(tài)計值499.27390.11109.16444.0

由結果可以發(fā)現(xiàn)，熱端熱電偶溫度、冷端熱電偶溫度與熱流密度的變化趨勢基本同步，當其中一項接近穩(wěn)態(tài)值時，另外兩項也近似于達到穩(wěn)態(tài)值。而冷、熱端熱電偶的溫差趨勢與熱流密度及熱電偶溫度的變化趨勢也是接近的，在傳熱達到40s之后，其溫差已基本達到穩(wěn)定。為了進一步分析金屬導熱塊的響應特性，取熱端熱電偶溫度作為判斷測量值是否達到穩(wěn)態(tài)值的標準，并通過非穩(wěn)態(tài)計算對比不同金屬塊厚度以及不同煙氣溫度下的熱端熱電偶溫度變化響應的時間曲線，結果如圖4所示。

圖4 熱流計響應曲線

由圖4可以看出，熱流計的響應時間隨著導熱金屬塊厚度的增加而急劇增加。當導熱塊厚度為8 mm時，熱端熱電偶溫度與穩(wěn)態(tài)溫度值之差小于1 K時的相應時間為40 s，而當導熱塊厚度為10 mm時，達到同樣的誤差需要70 s的時間。綜合熱流計靈敏度以及熱流計響應時間的性能，最終確定8 mm為熱流計不銹鋼金屬導熱塊的最優(yōu)厚度，此時當熱流密度每升高100 kW/m2時，冷熱端溫差大約升高15 K，而響應時間約為30 s。該結果表明：在實際工程測試中，假定熱電偶測量精度為0.5 K，則熱流計的分辨精度為3.3 kW/m2，這一精度能夠保證灰渣層增厚而導致壁面熱流密度變化時，熱流計能夠靈敏地作出判斷。與此同時，該熱流計的響應時間為30 s，遠小于壁面積灰結渣的速度，也小于由于鍋爐負荷調整而導致的壁面熱流密度變化時間，因而能夠保證其對壁面結渣程度導致熱流變化的準確判斷。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)高溫煙氣的溫度在一定范圍內(nèi)的變動并不影響熱流計的響應時間，在三個溫度8 mm厚度下熱端熱電偶溫度均于50 s左右達到穩(wěn)態(tài)值，在標定及實際測量中選用1 min作為測量時間，保證測量得到的數(shù)據(jù)結果為穩(wěn)態(tài)結果。

2 微型熱流計的設計

制作外徑為10 mm的熱流計，金屬導熱部件均為不銹鋼304。熱流計長約0.45 m，前端為一個直徑10 mm，厚度8 mm的不銹鋼304金屬頭與三層不銹鋼套管焊接。中心套管的作用是將水冷通道與布置在導熱金屬頭內(nèi)的兩根熱電偶絲隔開，以保護熱電偶。中心套管外含有兩層不銹鋼套管，組成了水冷通道，冷卻水進口和出口分別位于熱流計尾部，與外接水源連接起到冷卻金屬導熱頭以及建立恒定冷端的作用。導熱金屬頭的中心位置采用激光打孔技術開了兩個直徑為0.5 mm的孔，孔深度分別為6 mm和2 mm，在每個孔內(nèi)分別插入一只直徑為0.3 mm的鎧裝K型熱電偶，并用焊錫封死。熱電偶導線由中心套管引出后，外接補償導線以連接至數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集以及后繼的算法處理。熱流計采用不銹鋼管制成，內(nèi)部埋入熱電偶為英國TC公司生產(chǎn)的K型鎧裝熱電偶，工作溫度最高可達到1 073 K。根據(jù)穩(wěn)態(tài)計算結果可知，在鍋爐工作范圍內(nèi)，金屬導熱塊的溫度遠低于最高許用溫度，熱電偶沒有超溫危險，可以正常使用。

3 結渣監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

為了實現(xiàn)電站鍋爐現(xiàn)場的結渣實時監(jiān)測，滿足電廠現(xiàn)場測試的要求，本項目完成了對于現(xiàn)場結渣監(jiān)測裝置的開發(fā)，其中包括：高溫熱流計、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)三部分，如圖5所示。

圖5 實時監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

針對現(xiàn)場測試裝置開發(fā)了鍋爐壁面結渣監(jiān)測軟件，本軟件設計用于燃煤鍋爐實際運行中的壁面結渣情況監(jiān)測，與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配套使用，實時監(jiān)測鍋爐爐膛內(nèi)部不同位置測點的結渣情況。本軟件用于繪制測點位置渣層厚度和熱流密度隨時間變化曲線，并對結渣嚴重、渣層厚度超過預警值的測點進行報警，提醒電廠工作人員及時清理灰渣。

基于熱流密度監(jiān)測的灰渣監(jiān)測軟件算法結構圖如圖6所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將熱流計所測得的某測點的熱流密度信號傳入數(shù)據(jù)處理程序。數(shù)據(jù)處理模塊的核心是鍋爐壁面的傳熱模型，根據(jù)該傳熱模型，可確定在任意熱流密度條件下該測點的結渣程度，以及實時熱流密度。通過長時間監(jiān)測以及相應的數(shù)據(jù)優(yōu)化，可獲得在若干吹灰流程后，當灰渣趨于穩(wěn)定時的基點，并根據(jù)此基點進一步調整積灰結渣程度的判定。同時，軟件將測量數(shù)據(jù)實時寫入硬盤，方便用戶讀取和分析數(shù)據(jù)。用戶可通過用戶界面來調整輸入?yún)?shù)，獲得輸出數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)保存和讀取數(shù)據(jù)文件等功能。

圖6 軟件架構圖

4 結渣監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場測試

整套鍋爐水冷壁結渣監(jiān)測裝置在吉林省某熱電廠進行現(xiàn)場測試。針對現(xiàn)場情況，在燃燒器區(qū)域的水冷壁鰭片位置開有測孔，測孔直徑為13 mm，開孔中心在鰭片中心，橫穿過保溫層，使得熱流計可插入該孔到達爐膛向火側。沿不同高度從燃燒器一直到燃盡風區(qū)域共6個測孔，其中3個測點位于2號燃燒器的燃盡風位置處；另3個測孔位于第一層燃燒器附近。

經(jīng)過不同時間段的測試，獲得了不同測點的熱流密度隨鍋爐運行過程中的變化規(guī)律，其中兩個測點的熱流密度變化情況如圖7所示。由現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)可以看出，熱流密度隨著吹灰周期呈周期性變化，上、中測點的變化趨勢相對一致。當吹灰進行時，熱流計表面的灰渣被吹掉，熱流密度突然上升。而隨著積灰結渣過程的進行，熱流密度又逐漸降低到相對較低水平。但總的來說，熱流密度變化范圍約在±10%左右，而該時間段的負荷變化也比較穩(wěn)定。由此可見，在測試工況范圍內(nèi)，爐膛結渣情況是比較輕微的，根據(jù)軟件計算得到的渣層變化范圍約為2 mm左右。

圖7 熱流計伸入測孔位置

圖8 測點的熱流密度變化情況

熱流計通過熱流密度變化檢測渣層變化情況的渣層模型是完備的，有渣層發(fā)生的情況一定會有熱流密度響應的變化。例如現(xiàn)場測試中，也發(fā)現(xiàn)有熱流計表面積灰層厚度規(guī)律的變化，因此表面有渣層

同樣是可以測量出來的。另外在實驗室實驗過程中，通過在熱流計測點位置引入遮擋物模擬局部結渣情況，熱流密度發(fā)生了顯著變化，同時灰渣預報軟件也給出了對應的渣層厚度變化情況，這一測試反應了該灰渣監(jiān)測系統(tǒng)是能夠預測結渣情況的。

5 結論

(1)通過一維傳熱模型優(yōu)化了微型水冷熱流計的設計參數(shù)，實驗及現(xiàn)場測試表明，該熱流計對熱流變化敏感，響應時間約為30 s，滿足結渣監(jiān)測要求。

(2)建立了熱流密度變化隨結渣厚度之間的函數(shù)關系，并據(jù)此開發(fā)了結渣監(jiān)測軟件，通過對某燃煤鍋爐的現(xiàn)場試驗，證明了基于熱流密度測量監(jiān)測結渣程度的可行性。

(3)測試期間鍋爐負荷不高且吹灰比較頻繁，各測點熱流密度變化不超過±10%，并沒有發(fā)生水冷壁結渣情況，這與現(xiàn)場觀察結果一致，證明了該系統(tǒng)預報結渣程度的可靠性。

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