梅海龍，蒲靖凡，周林，虞兵，張林，譚鵬

(1.國(guó)電漢川發(fā)電有限公司，湖北 孝感 431616；2.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

0 引言

2020年，全球煤炭在電力生產(chǎn)中所占份額仍高達(dá)36.4%。由于中國(guó)煤炭資源豐富、石油短缺和天然氣稀薄的能源結(jié)構(gòu)，燃煤發(fā)電在中國(guó)所占比例更高(68.5%)[1-2]。因?yàn)槊嚎偸呛幸恍┑V物灰，在燃燒時(shí)無法避免地會(huì)導(dǎo)致燃煤鍋爐的積灰和結(jié)渣。低品位的劣質(zhì)煤更符合中國(guó)的能源政策，因此動(dòng)力用煤主要以質(zhì)量較差的劣質(zhì)煤為主，其含灰量和含硫量較高，更容易導(dǎo)致受熱面積灰結(jié)渣[3-5]。積灰結(jié)渣嚴(yán)重則會(huì)導(dǎo)致排煙溫度升高、蒸汽溫度難以控制等問題[6-7]。

清潔積灰結(jié)渣最好及最常用的方法是蒸汽吹灰，目前國(guó)內(nèi)外燃煤電廠幾乎都配有先進(jìn)的蒸汽吹灰器[8]。然而目前大部分燃煤電廠按時(shí)按量進(jìn)行吹灰，無法避免吹灰過量或者不足的問題，從而對(duì)鍋爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性造成影響[9]。

針對(duì)受熱面的積灰結(jié)焦問題，已有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了灰污在線監(jiān)測(cè)模型以及吹灰優(yōu)化策略的研究。根據(jù)熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等原理及計(jì)算方法，已開發(fā)了潔凈因子[10]、灰污染[11]、熵產(chǎn)[12-13]、積灰厚度[14]等模型用于表征受熱面的清潔或污染程度，從而實(shí)現(xiàn)灰污的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。吹灰成本與收益計(jì)算也被用于提高吹灰的經(jīng)濟(jì)性[15]。在大數(shù)據(jù)算法、人工智能的推動(dòng)下，更有學(xué)者利用數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)等算法對(duì)鍋爐吹灰優(yōu)化進(jìn)行了研究，提高了灰污監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[16-20]。

灰污在線監(jiān)測(cè)模型以及吹灰優(yōu)化策略解決了不同受熱面“何時(shí)吹灰”“吹灰時(shí)長(zhǎng)”的問題，但對(duì)于“吹哪只吹灰器”的問題沒有提出很好的解決方案。目前針對(duì)該問題，陳寶康[21]提出采用吹灰器單獨(dú)運(yùn)作試驗(yàn)的方法，通過單獨(dú)操作吹灰器，比較不同位置的吹灰器吹灰效果的差別。

本文以某1 000 MW超超臨界燃煤鍋爐為研究對(duì)象，挖掘其歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析歷史穩(wěn)定負(fù)荷工況下不同吹灰器對(duì)潔凈因子或溫度變化的影響大小，將分析結(jié)果引入吹灰優(yōu)化策略制定，有助于提高吹灰的完整性和經(jīng)濟(jì)性。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象為某1 000 MW超超臨界燃煤鍋爐，其吹灰系統(tǒng)包括吹灰器、減壓站、吹灰管道及其固定和導(dǎo)向裝置等。減溫減壓站采用高溫高壓、噴水減溫減壓氣動(dòng)非基地式調(diào)節(jié)減溫減壓站，減壓站減溫水來自鍋爐再熱器減溫水總管。其中鍋爐爐膛布置的吹灰器共82只；對(duì)流受熱面布置的吹灰器共66只，其中14只為預(yù)留吹灰器；空氣預(yù)熱器設(shè)4只吹灰器。吹灰系統(tǒng)的汽源取自低溫再熱器出口(減溫后)連接管。通過減溫減壓裝置得到合適的蒸汽參數(shù)，進(jìn)入吹灰器。其水平及尾部煙道吹灰器布置如圖1所示。因?yàn)閷?duì)流受熱面吹灰器為對(duì)稱布置，并且對(duì)稱吹灰器幾乎同時(shí)進(jìn)行吹灰，所以圖中以及后續(xù)分析中只采用雙數(shù)吹灰器代表兩只對(duì)稱吹灰器。

圖1 吹灰器布置

1.2 研究方法

為了防止數(shù)據(jù)異常導(dǎo)致潔凈因子及溫度變化計(jì)算偏離正常值從而造成吹灰器的敏感性分析存在可避免性誤差，需要提前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。

受熱面進(jìn)出口的汽溫溫升及煙溫溫降的計(jì)算公式如下:

式中，δt、δT分別表示受熱面進(jìn)出口的汽溫溫升及煙溫溫降；tin、Tin分別表示進(jìn)口平均汽溫及平均煙溫；tout、Tout分別表示出口平均汽溫及平均煙溫。

各受熱面的進(jìn)出口汽溫及低溫受熱面的進(jìn)出口煙溫均安裝有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，但高溫受熱面的煙氣側(cè)未安裝測(cè)點(diǎn)，所以需要對(duì)高溫受熱面的進(jìn)出口煙溫進(jìn)行計(jì)算?；谀芰渴睾阍恚雌麄?cè)吸收的熱量與煙側(cè)釋放的熱量相等，可通過低溫受熱面的煙溫計(jì)算出高溫受熱面的煙溫。

受熱面潔凈因子的計(jì)算公式如下:

式中，CF為潔凈因子；Ksj、Klx分別表示實(shí)際與理想換熱系數(shù)；Q為換熱量，kJ；Δtm為傳熱溫差，℃；A為傳熱面積，m2；m為給水流量，kg/s；Δh為蒸汽進(jìn)出口焓差，kJ/kg；Δtmax、Δtmin分別表示傳熱過程中大溫差端和小溫差端，℃。

根據(jù)測(cè)點(diǎn)測(cè)量值以及計(jì)算值，可以計(jì)算出受熱面的進(jìn)出口汽溫溫升、煙溫溫降以及潔凈因子?；跉v史數(shù)據(jù)，查詢?nèi)济簷C(jī)組歷史平穩(wěn)負(fù)荷的吹灰時(shí)間段，其查詢規(guī)則及步驟為:

1)根據(jù)吹灰器的進(jìn)退信號(hào)，判斷出吹灰器的連續(xù)吹灰時(shí)間段。若兩只吹灰器的吹灰時(shí)間間隔30 min以上，則判斷前一只吹灰器的吹灰結(jié)束時(shí)間為上一連續(xù)吹灰時(shí)間段的吹灰結(jié)束時(shí)間，后一只吹灰器的吹灰開始時(shí)間為下一連續(xù)吹灰時(shí)間段的吹灰開始時(shí)間。

2)根據(jù)吹灰器的進(jìn)退信號(hào)，判斷出連續(xù)吹灰時(shí)間段內(nèi)所有執(zhí)行過吹灰的吹灰器，從而根據(jù)各個(gè)連續(xù)吹灰時(shí)間段便可得到對(duì)應(yīng)的吹灰器組。

3)根據(jù)負(fù)荷值，篩選負(fù)荷穩(wěn)定的連續(xù)吹灰時(shí)間段。連續(xù)吹灰時(shí)間段吹灰開始至吹灰結(jié)束后30 min內(nèi)，如果負(fù)荷最大值與最小值之差未超過25 MW，則判斷該連續(xù)吹灰時(shí)間段為負(fù)荷穩(wěn)定的連續(xù)吹灰時(shí)間段。

吹灰敏感性分析包括吹灰前后潔凈因子增幅、受熱面進(jìn)出口汽溫之差增幅以及受熱面進(jìn)出口煙溫之差增幅分析。獲取負(fù)荷穩(wěn)定的連續(xù)吹灰時(shí)間段后，可以統(tǒng)計(jì)出吹灰時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)行吹灰器組、吹灰后30 min內(nèi)潔凈因子(汽溫)最大值與吹灰前潔凈因子(汽溫)的差值以及吹灰前煙溫與吹灰后30 min內(nèi)煙溫最小值的差值。

通過統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)穩(wěn)定吹灰時(shí)間段的各吹灰組的潔凈因子增幅、汽溫溫差增幅以及煙溫溫差增幅可以反映出吹灰效果較好的吹灰組或吹灰器。增幅越大則證明吹灰前后受熱面的潔凈程度(或換熱效果)差別越大，即吹灰效果越好。

2 敏感性分析結(jié)果及吹灰策略優(yōu)化

采用該機(jī)組5個(gè)月運(yùn)行數(shù)據(jù)(共159 217條)，對(duì)該機(jī)組水平及尾部煙道受熱面的吹灰器進(jìn)行敏感性分析。由于各受熱面吹灰器均為單雙數(shù)對(duì)吹，因此只選取雙數(shù)吹灰器進(jìn)行分析(其中SL表示長(zhǎng)吹、SB表示半長(zhǎng)吹)。

該機(jī)組水平及尾部煙道對(duì)流受熱面的原吹灰策略為1天吹1次，按順序從長(zhǎng)吹SL2(SL1)開始至半長(zhǎng)吹SB18(SB17)結(jié)束。

屏式過熱器(簡(jiǎn)稱“屏過”)的吹灰器敏感性對(duì)比如圖2所示。屏過吹灰器共挖掘出6組吹灰器，其中組2及組6潔凈因子及溫差增幅較高，組1和組4較低。結(jié)果表明SL12對(duì)屏過的吹灰效果最好，SL2最差；同時(shí)間接表明SL10的吹灰效果較差。因此，在制定屏過吹灰策略時(shí)，可以適當(dāng)增加SL12的吹灰頻率，或者降低SL2及SL10的吹灰頻率。同時(shí)屏式過熱器三個(gè)指標(biāo)吹灰前后增幅較小，潔凈因子增幅基本小于0.1，應(yīng)適當(dāng)降低屏式過熱器吹灰器的總體吹灰頻率。因此屏式過熱器吹灰頻率調(diào)整為:SL12一天1次；SL(4+6+8)三天2次；SL(2+10)兩天1次。

圖2 屏式過熱器吹灰器敏感性對(duì)比

高溫過熱器(簡(jiǎn)稱“高過”)的吹灰器敏感性對(duì)比如圖3所示。高過吹灰器共挖掘出5組吹灰器，其中除組2外其余組潔凈因子及溫差增幅相差不大，組2較低。結(jié)果間接表明SL16及SL20的吹灰效果較好，SL18吹灰效果較差，應(yīng)適當(dāng)增加SL16及SL20的吹灰頻率，或者降低SL18的吹灰頻率。同時(shí)高過三個(gè)指標(biāo)吹灰前后增幅較小，潔凈因子增幅均小于0.1，汽溫及煙溫溫差增幅基本小于10℃，應(yīng)適當(dāng)降低高溫過熱器吹灰器的總體吹灰頻率。因此高溫過熱器吹灰頻率調(diào)整為:SL(14+16+20)三天2次；SL18兩天1次。

圖3 高溫過熱器吹灰器敏感性對(duì)比

高溫再熱器(簡(jiǎn)稱“高再”)的吹灰器敏感性對(duì)比如圖4所示。高再吹灰器共挖掘出3組吹灰器，3組的潔凈因子及溫差增幅相差不大，且對(duì)潔凈因子提升較高。因此，在制定高再吹灰策略時(shí)，可以維持高再所有吹灰器的吹灰頻率一致。同時(shí)高再三個(gè)指標(biāo)吹灰前后增幅很大，潔凈因子增幅超過0.25，汽溫及煙溫溫差增幅也基本大于15℃，因此高再吹灰器的吹灰頻率均維持為一天1次，即SL(22+24+26+28)一天1次。

圖4 高溫再熱器吹灰器敏感性對(duì)比

低溫過熱器(簡(jiǎn)稱“低過”)的吹灰器敏感性對(duì)比如圖5所示。低過吹灰器共挖掘出3組吹灰器，其中組2及組3的潔凈因子及溫差增幅較大，組1較低。結(jié)果可直接表明SB4及SB6的吹灰效果較好，SL32及SL34吹灰效果較差。因此，在制定低過吹灰策略時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加SB4及SB6的吹灰頻率，或者降低SL32及SB34的吹灰頻率。同時(shí)組2及組3吹灰前后溫差增幅均大于20℃，因此低溫過熱器吹灰頻率調(diào)整為:SB(4+6)一天1次，SL(32+34)三天2次。

圖5 低溫過熱器吹灰器敏感性對(duì)比

低溫再熱器(簡(jiǎn)稱“低再”)的吹灰器敏感性對(duì)比如圖6所示。低再吹灰器共挖掘出3組吹灰器，其結(jié)果與低溫過熱器相似。因此，在制定低再吹灰策略時(shí)，可以適當(dāng)增加SB2、SB8及SB14的吹灰頻率，或者降低SL30的吹灰頻率。但是由于低再吹灰前后煙溫溫差增幅均大于25℃，為保證機(jī)組安全性，低再吹灰器的吹灰頻率均維持為一天1次。

圖6 低溫再熱器吹灰器敏感性對(duì)比

省煤器的吹灰器敏感性對(duì)比如圖7所示。省煤吹灰器共挖掘出2組吹灰器，組2的吹灰器數(shù)量及吹灰效果大約為組1的兩倍，說明SB10+SB12與SB16+SB18的吹灰效果相差不大，且省煤器三個(gè)指標(biāo)吹灰前后增幅較小，省煤器積灰不嚴(yán)重，因此省煤器吹灰頻率調(diào)整為SB(10+12+16+18)三天2次。

圖7 省煤器吹灰器敏感性對(duì)比

采用優(yōu)化后的吹灰策略運(yùn)行3個(gè)月后發(fā)現(xiàn)排煙溫度無明顯上升，優(yōu)化后的吹灰策略雖然減少了吹灰頻次但未影響鍋爐效率，受熱面金屬管壁超溫情況有明顯改善。

3 結(jié)語

本文以某1 000 MW超超臨界燃煤鍋爐為研究對(duì)象，采用數(shù)據(jù)挖掘方法，分析了穩(wěn)定負(fù)荷下機(jī)組水平煙道及尾部煙道各受熱面吹灰器對(duì)受熱面進(jìn)出口汽溫、煙溫溫差及潔凈因子增幅的影響程度。同時(shí)，基于分析結(jié)果，對(duì)各受熱面吹灰策略進(jìn)行了優(yōu)化，提高了機(jī)組的吹灰有效性和經(jīng)濟(jì)性。