李洪濤,何修年,釗學(xué)明

(華電鄒縣發(fā)電有限公司，山東鄒城 273522)

現(xiàn)代大型火力燃煤發(fā)電企業(yè)具有技術(shù)復(fù)雜度高、生產(chǎn)連續(xù)性強、負(fù)荷變化大等特點。為對電廠生產(chǎn)過程進行有效的檢測和控制，火電廠一般都具有較高的自動化水平，若將產(chǎn)生的大量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與目前火熱的數(shù)據(jù)分析、機器學(xué)習(xí)、云計算等技術(shù)相結(jié)合，將有利于機組的安全經(jīng)濟運行。

在鍋爐燃燒的過程中，燃煤中的堿金屬化合物等會在燃燒后隨煙氣進入尾部煙道并在遇到溫度較低的受熱面時與受熱面或煙氣反應(yīng)，生成硫酸鹽等化合物附著在煙道壁上，從而產(chǎn)生灰污堆積、結(jié)焦，引起受熱面受熱不均，增加煙氣流動阻力，增大受熱面的熱阻和排煙溫度，降低鍋爐燃燒效率，對機組的安全性、經(jīng)濟性都有一定的影響[1-2]。因此，對煙道受熱面的灰污檢測研究受到了很多企業(yè)和單位的重視。

目前，對鍋爐爐膛水冷壁表現(xiàn)的灰污狀態(tài)檢測，主要分為爐膛出口煙氣溫度法[3]、聲學(xué)法[4-5]、熱流密度檢測法和潔凈因子法[6-8]。潔凈因子法通過分析鍋爐運行中的各項實時參數(shù)，得到機組的潔凈因子；聲學(xué)法通過超聲波等對水冷壁表面直接進行檢測，檢測結(jié)果較為直觀，但存在的問題是受煤粉、飛灰、噪聲、高溫等因素影響，檢測準(zhǔn)確性較低，并且設(shè)備使用壽命較短，尤其是面對大容量燃煤鍋爐，鍋爐體積大，超聲波無法準(zhǔn)確覆蓋整個鍋爐并準(zhǔn)確地提供檢測結(jié)果。

為了使鍋爐達到最佳運行狀態(tài)，必須對受熱面的清潔度進行控制，限制沾污和結(jié)焦的發(fā)展。傳統(tǒng)的定時定量吹灰方式無法適應(yīng)燃料的改變。為了使鍋爐有更高的效率和性能，需要探索更有效的智能灰污檢測系統(tǒng)，減少吹灰頻次，節(jié)省吹灰介質(zhì)，降低管壁的腐蝕和磨損。

筆者結(jié)合超超臨界機組鍋爐受熱面積灰結(jié)渣危害程度的實際情況，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，在受熱面增設(shè)熱流密度計，通過開發(fā)受熱面灰污動態(tài)檢測模型，構(gòu)建超超臨界機組智能灰污檢測系統(tǒng)，達到實時監(jiān)視鍋爐各受熱面灰污狀況的效果，實時掌握結(jié)焦情況，及時發(fā)現(xiàn)傳熱惡化，保證鍋爐穩(wěn)定燃燒。

1 熱流密度計測溫系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

熱流密度計測溫系統(tǒng)主要由熱流密度技術(shù)單元、數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成(見圖1)，能夠?qū)崟r檢測壁面的熱流密度，并進行儲存。

MIS—工業(yè)以太網(wǎng)；SIS—火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)；PI—實時生產(chǎn)信息系統(tǒng)。圖1 熱流密度計測溫系統(tǒng)

每處測點設(shè)有2根熱流密度計(見圖2)，可通過鰭片與鰭片管之間的溫差計算得到熱流密度。

1—水冷壁；2—基座；3—滑塊；4—保護套管；5—彈簧基座；6—彈簧套筒；7—熱電偶；8—彈簧限位件；9—彈簧；10—螺釘；11—鰭片；12—鰭片管。圖2 熱流密度計示意圖

熱流密度計的各部件采用焊接與螺紋等方式固定，并通過機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)不停爐更換。

1.2 熱流密度計導(dǎo)熱計算方法

在水冷壁不同的熱流密度條件下，導(dǎo)熱部件的溫度分布近似為一維分布特征[9],在以下假設(shè)條件下可對水冷壁受熱面進行一維導(dǎo)熱分析：(1)熱流密度計冷端溫度不變，且為室溫；(2)熱流密度計熱端為黑體輻射壁面,滿足黑體輻射定律；(3)熱流密度計導(dǎo)熱部件內(nèi)的傳熱為一維導(dǎo)熱,滿足傅里葉定律。

熱流密度計熱端的基本傳熱公式為：

(1)

熱流密度計冷端的基本傳熱公式為：

(2)

式(2)可變形為：

(3)

對流傳熱系數(shù)計算公式為：

(4)

式中：ε為傳熱面灰污系數(shù)；將導(dǎo)熱部件離散為0至n節(jié)點,T0、Tn分別為導(dǎo)熱部件熱端溫度和冷端溫度，K；k為時間疊迭次數(shù)；Tf為高溫?zé)煔獾牡刃Ш隗w輻射溫度,K；σ為斯特藩-玻耳茲曼常數(shù),5.67×10-8W/(m2·K4)；ρ為導(dǎo)熱部件的密度,kg/m3；cp為導(dǎo)熱部件的比定壓熱容,kJ/(kg·K)；λ為導(dǎo)熱部件的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)；Δτ為時間步長，s；Δx為空間步長，mm；h為對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tb為冷卻水溫度,K；Bi為畢渥數(shù)；Fo為傅里葉數(shù)；α為導(dǎo)熱部件的熱擴散系數(shù),m2/s；Reb為冷端冷卻水的雷諾數(shù)；Prb為冷端冷卻水的普朗特數(shù)。

1.3 熱流密度計性能分析

熱流密度計測量誤差與精度受測量分辨率的影響，利用上述建立的導(dǎo)熱模型對熱流密度計的性能進行分析計算，得到熱流密度計熱端溫度與熱流密度和導(dǎo)熱部件厚度之間的關(guān)系(見圖3)。

圖3 熱流密度計熱端溫度與熱流密度和導(dǎo)熱部件厚度之間的關(guān)系

由圖3可以看出：當(dāng)金屬導(dǎo)熱部件厚度固定為3 mm時，熱流密度每增加10 kW/m2，熱端溫度上升13 K；當(dāng)金屬導(dǎo)熱部件的厚度固定為12 mm時，熱流密度每增加10 kW/m2，熱端溫度上升29 K。當(dāng)熱電偶的溫度測量精度相同時，熱流密度的測量誤差隨著導(dǎo)熱部件厚度的提升而減小。

熱流密度計金屬導(dǎo)熱部件的熱阻大小，不僅對熱流密度計的分辨率造成影響，還決定熱流密度計的響應(yīng)時間，即灰污檢測系統(tǒng)的時效性。利用一維導(dǎo)熱模型對不同響應(yīng)時間下的熱流密度計熱端溫度、冷端溫度和熱流密度等參數(shù)進行計算，計算結(jié)果見表1，此時熱流密度計導(dǎo)熱部件的厚度為8 mm。

表1 不同響應(yīng)時間下熱流密度計關(guān)鍵參數(shù)

由表1可以看出：熱、冷兩端溫度和熱流密度的變化趨勢基本一致，當(dāng)響應(yīng)時間≥50 s時，各參數(shù)基本達到穩(wěn)態(tài)；當(dāng)3個參數(shù)中的某個參數(shù)接近穩(wěn)態(tài)值時，另外2個參數(shù)也幾乎達到穩(wěn)態(tài)值。故選取熱端溫度作為熱流密度計是否達到穩(wěn)態(tài)的判斷依據(jù)，從而進一步確定熱流密度計的響應(yīng)時間。

熱流密度計冷、熱兩端的溫度差在不同高溫?zé)煔夂蛯?dǎo)熱部件厚度下響應(yīng)時間的變化見圖4。

圖4 熱流密度計響應(yīng)時間

由圖4可以看出：熱流密度響應(yīng)時間受高溫?zé)煔獾挠绊戄^小，主要隨導(dǎo)熱部件厚度的提高而提高。當(dāng)導(dǎo)熱部件厚度為6 mm時，熱流密度的響應(yīng)時間為25 s；厚度為8 mm時，響應(yīng)時間為48 s；厚度大于10 mm時，響應(yīng)時間超過60 s。因此，在實際工程中需要綜合考慮熱流密度計的響應(yīng)時間和分辨率。綜合該工程現(xiàn)場實際情況，選取導(dǎo)熱部件厚度為8 mm。

2 灰污計算模型

2.1 輻射式受熱面灰污計算方法

爐膛輻射受熱面灰污檢測：在爐膛吹灰器區(qū)域安裝爐膛水冷壁熱流密度計約50支，其中，前墻、兩側(cè)墻各12～15支，后墻10～12支。該熱流密度計可檢測水冷壁熱流密度及工質(zhì)溫度。結(jié)合鍋爐運行數(shù)據(jù)，建立熱流密度及灰污染程度預(yù)測算法，協(xié)助指導(dǎo)爐膛吹灰器工作。

熱流密度為：

q=f((T2-T1),T1,T2,C,Bj)

(5)

式中：q為熱流密度；T1和T2分別為熱流密度計測得的熱端溫度和冷端溫度；C為負(fù)荷；Bj為與燃料消耗量及燃料有關(guān)的特性參數(shù)。

由式(5)可見，熱流密度與測量參數(shù)、裝置熱負(fù)荷及燃料特性密切相關(guān)，而鍋爐負(fù)荷和燃料特性是基本的運行參數(shù)，可通過電廠數(shù)據(jù)系統(tǒng)在線獲得，這樣就可建立熱流密度與熱流密度計測量溫度的對應(yīng)關(guān)系，進而反映出測量點位置的灰污染程度。在掌握熱流密度的基礎(chǔ)上，還可獲得爐膛整體吸熱量的變化特征，進而獲得爐膛出口處煙溫的變化情況，進一步加強對流式受熱面灰污染程度的檢測，并提供了相應(yīng)的校準(zhǔn)依據(jù)。

2.2 對流式受熱面灰污計算方法

針對對流式受熱面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形式多樣、面積大、分布廣的特點，采用整體檢測方法。通過編制鍋爐熱力校核程序，在實際煤種及受熱面結(jié)構(gòu)條件下獲得各受熱面工質(zhì)和煙氣的進、出口溫度；將校核模型數(shù)據(jù)與運行數(shù)據(jù)進行比較及分析，利用傳熱模型及大數(shù)據(jù)分析相關(guān)算法，可獲得受熱面?zhèn)鳠峒皾崈粢蜃应纷鳛榇祷业呐袚?jù)。潔凈因子為沾污受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K與潔凈受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K0之比，即

(6)

式中：Rd、Rt和Rw分別為對流傳熱、管壁傳熱和工質(zhì)傳熱的熱阻。

在給定管壁結(jié)構(gòu)參數(shù)、初始灰層條件，以及工質(zhì)側(cè)流量、流速條件下，可獲得特定受熱面在各工況下的潔凈受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，沾污受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)則可通過工質(zhì)吸熱量等運行數(shù)據(jù)結(jié)合傳熱模型計算獲得:

(7)

式中：Qy為工質(zhì)側(cè)吸熱量，W，通過計算進口焓及質(zhì)量流量得到；Δt為工質(zhì)與煙氣的溫差，K；H為煙氣的受熱面面積，m2。

2.3 空氣預(yù)熱器灰污計算方法

根據(jù)流體力學(xué)基本原理，空氣預(yù)熱器進出口煙氣壓差可以反映阻力系數(shù)，從而進一步反映灰污染程度。但煙氣流量和過量空氣系數(shù)變化也會對壓差產(chǎn)生影響，使壓差無法直接反映灰污染程度的變化。因此，提出折算壓差的概念，將在不同負(fù)荷和過量空氣系數(shù)下的實測壓差均折算到額定負(fù)荷、某一煙氣含氧量的特定工況條件下，從而具有可比性，折算時認(rèn)為煙氣物理特性不隨工況變化。

(8)

式中：Δpz、Δpj分別為折算后的壓差與實際壓差，Pa；α0、αj分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和實測時煙氣中過量空氣系數(shù)，可根據(jù)煙氣含氧量推算，%；Bv0、Bvj分別為額定工況與實際工況下的燃料質(zhì)量流量，可根據(jù)燃料實時分析數(shù)據(jù)獲得，kg/s。

3 灰污檢測模型研究

根據(jù)灰污檢測的需求，進行了數(shù)據(jù)分析建模以對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行缺失值補齊及異常值剔除，灰污檢測模型主要由輻射式受熱面灰污檢測模型、對流式受熱面灰污檢測模型、空氣預(yù)熱器灰污檢測模型組成。

3.1 輻射式受熱面灰污檢測模型

熱流密度計測量值主要受熱輻射與灰污染程度影響，隨著水冷壁積灰，熱流密度計測量值會較清潔時的熱流密度明顯降低[10]，因此根據(jù)該特性，采用受熱面沾污時熱流密度與受熱面清潔時熱流密度的比值衡量灰污染程度。

(9)

式中：CF為灰污染程度對熱量傳遞的影響因子；q0為機組測量的實時熱流密度；qclear為機組當(dāng)前工況下對應(yīng)的受熱面清潔時的熱流密度。

根據(jù)一維導(dǎo)熱計算方法，采用計算流體動力學(xué)(CFD)方法對熱流密度計的冷熱端溫差進行模擬，得到該測點處的熱流密度分布。以吹灰完成時的熱流密度作為受熱面潔凈數(shù)據(jù)，以經(jīng)過異常處理后的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以機組負(fù)荷、燃料量、冷熱端溫度為輸入，建立支持向量回歸(SVR)模型可以對當(dāng)前工況下對應(yīng)的清潔熱流密度qclear進行預(yù)測，將熱流密度計測量得出的實時熱流密度q0與預(yù)測值qclear進行對比，即可得到受熱面灰污染程度對受熱面?zhèn)鳠嵝实挠绊憽?/p>

3.2 對流式受熱面灰污檢測模型

對流式受熱面灰污染測模型與輻射式受熱面灰污檢測模型的主要區(qū)別在于其對灰污染程度的檢測是基于過熱器、再熱器、省煤器等機組各結(jié)構(gòu)進行的整體檢測。

以省煤器為例，根據(jù)式(7)可以計算得到省煤器傳熱系數(shù)實時值，再根據(jù)式(6)即可計算得到省煤器的潔凈因子。根據(jù)該潔凈因子實現(xiàn)對灰污染程度的檢測。圖5為潔凈因子檢測效果。

圖5 潔凈因子檢測效果圖

3.3 空氣預(yù)熱器灰污檢測模型

圖6為空氣預(yù)熱器灰污預(yù)測效果。

圖6 空氣預(yù)熱器灰污預(yù)測

空氣預(yù)熱器灰污檢測模型主要由機理模型與數(shù)理模型兩部分構(gòu)成。機理模型通過空氣預(yù)熱器壓差折算值計算公式(式(8))，使用機組在相應(yīng)負(fù)荷下對應(yīng)的額定參數(shù)進行修正，得到實時壓差折算值，從而推出空氣預(yù)熱器實時灰污染程度。數(shù)理模型基于梯度下降樹(GBDT)方法使用空氣預(yù)熱器進出口壓力、機組負(fù)荷、風(fēng)量、燃料量的DCS歷史數(shù)據(jù)上訓(xùn)練優(yōu)化得到了空氣預(yù)熱器灰污染程度預(yù)測模型?？諝忸A(yù)熱器灰污檢測模型實現(xiàn)了機理模型與數(shù)理模型的雙重預(yù)測，通過該模型可以對空氣預(yù)熱器積灰堵塞情況進行檢測并計算吹灰經(jīng)濟性。

4 智能灰污檢測平臺架構(gòu)

鍋爐爐內(nèi)燃燒工況復(fù)雜，爐膛內(nèi)部的灰污染一直是影響鍋爐安全穩(wěn)定運行的重要問題。基于微型高精度熱流密計診斷方法，采用熱有效系數(shù)構(gòu)建灰污檢測模型，對灰污進行有效檢測。該灰污檢測系統(tǒng)的主體部分包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、模型中臺、吹灰輸出、熱流密度分布四個部分(見圖7)。

圖7 智能灰污檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集部分主要依托機組DCS及加裝的熱流密度計獲取數(shù)據(jù)。

模型中臺部分是該系統(tǒng)的核心，該部分從DCS中獲取機組實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，主要是根據(jù)PI中采集得到的原始熱工數(shù)據(jù)，即進出口溫度、負(fù)荷、燃料量、含氧量等，并通過已經(jīng)建立的機理模型與數(shù)理模型進行機組熱流密度分布的分析，建立的機理模型主要基于輻射式受熱面、對流式受熱面、空氣預(yù)熱器等不同的受熱面，以基于支持向量機(SVM)建立的熱量實時檢測模型為數(shù)理模型，從而指導(dǎo)各受熱面的吹灰。圖8為模型中臺部分架構(gòu)。

圖8 模型中臺部分架構(gòu)

吹灰輸出與熱流密度分布可視化是該系統(tǒng)的最終輸出部分，吹灰輸出主要依托機組已經(jīng)建設(shè)的各受熱面的吹灰器進行，根據(jù)目前的吹灰器型號、狀態(tài)，吹灰蒸汽壓力、流量等信息，通過傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)實現(xiàn)了輸出信號的傳輸，從建立的智能灰污檢測系統(tǒng)平臺輸出吹灰信號至吹灰可編程控制器件(PLC)系統(tǒng)，從而使吹灰方式更精細(xì)化，降低吹灰蒸汽消耗，提高機組傳熱效率。圖9為智能吹灰執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖9 智能吹灰執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

熱流密度分布可視化則是根據(jù)熱流密度測點建立的受熱面整體熱流密度檢測系統(tǒng)，便于運行人員實現(xiàn)對熱流密度分布的監(jiān)控和燃燒調(diào)節(jié)。

5 項目實施案例

該項目主要的硬件實施部分為熱流密度計的現(xiàn)場安裝，通過在鍋爐多個位置安裝熱流密度計，實現(xiàn)各個關(guān)鍵位置的熱流密度測量。該項目的硬件安裝效果圖見圖10。

圖10 熱流密度計安裝示意圖

最終的平臺可視化部分預(yù)期能夠達到依托數(shù)據(jù)平臺計算出的熱流密度分布進行畫面熱流密度顯示升級，從而使運行人員更加直觀地了解當(dāng)前時間各受熱面的熱流密度分布，使運行人員根據(jù)當(dāng)前工況調(diào)整鍋爐燃燒，提高機組運行效率。

該項目預(yù)期效果能夠依托高速發(fā)展的數(shù)據(jù)處理技術(shù)與機理分析模型，通過加裝熱流密度計的方式對受熱面進行檢測，建立智能灰污檢測系統(tǒng)，兼顧吹灰的經(jīng)濟性與安全性，實現(xiàn)機組的智能化吹灰。

6 結(jié)語

基于建立智能灰污檢測系統(tǒng)對超超臨界機組各受熱面狀況進行了分析，并通過熱流密度計性能分析和灰污計算實現(xiàn)機組的智能灰污檢測研究。

針對超超臨界鍋爐受熱面布置的特點，研究了超超臨界鍋爐爐膛特有的輻射式受熱面灰污檢測模型、對流式受熱面灰污檢測模型及空氣預(yù)熱器灰污檢測模型。

設(shè)計的鍋爐智能灰污檢測系統(tǒng)可以對各主要受熱面的積灰結(jié)渣、爐膛出口煙氣溫度進行在線檢測和分析計算，實現(xiàn)受熱面灰污染程度的可視化。