熊 鋒,袁生明,段 熹,施子福,李 培
(1.華電湖北發(fā)電有限公司 黃石熱電分公司,湖北 黃石 435002;2.浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)
燃煤電站鍋爐以煤作為主要燃料,煤在爐內(nèi)燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量的灰分,受煤質(zhì)、鍋爐運(yùn)行方式等因素影響,水冷壁受熱面積灰結(jié)渣是電廠正常運(yùn)行過程中不可避免的問題[1],嚴(yán)重到一定程度會(huì)影響鍋爐出力,導(dǎo)致渣塊砸壞冷灰斗、水冷壁爆管[2]等安全事故。 為了避免較為嚴(yán)重的事故發(fā)生,在受熱面安裝足夠數(shù)量的吹灰器以定時(shí)清除受熱面積灰結(jié)渣。 目前,國內(nèi)大部分燃煤電廠以運(yùn)行參數(shù)或者運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)作為吹灰依據(jù),按照定時(shí)定量的方式進(jìn)行吹灰[3]。 然而,鍋爐在實(shí)際運(yùn)行過程中工況復(fù)雜,受熱面不同位置積灰特性差別較大,定時(shí)定量吹灰可能造成結(jié)渣嚴(yán)重的受熱面不能及時(shí)吹掃(欠吹)或者相對清潔的受熱面吹灰過于頻繁(過吹)。 欠吹可能造成受熱面積灰嚴(yán)重,造成鍋爐效率下降甚至熄火等重大安全事故[4];過吹不僅會(huì)導(dǎo)致蒸汽的浪費(fèi),還會(huì)造成受熱面壽命降低[5]。
因此,尋求一種可以反應(yīng)水冷壁局部受熱面結(jié)渣狀態(tài)的方法是指導(dǎo)吹灰時(shí)機(jī)以及吹灰位置、實(shí)現(xiàn)按需吹灰的重要前提條件,在提高鍋爐效率的同時(shí)延長受熱面管子壽命,保證鍋爐運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。
由于鍋爐運(yùn)行過程中爐膛內(nèi)固體燃料劇烈燃燒產(chǎn)生的高溫高灰的惡劣環(huán)境,對爐膛水冷壁表面的結(jié)渣狀態(tài)監(jiān)測長期以來一直較為困難,難以在爐內(nèi)大面積的水冷壁上進(jìn)行局部區(qū)域的水冷壁結(jié)渣狀態(tài)監(jiān)測。 徐立剛等[3]就目前鍋爐爐膛吹灰方式的不合理性進(jìn)行分析研究,基于單位時(shí)間爐膛傳熱量最大建立了爐膛結(jié)吹灰模型,僅適用于負(fù)荷較為穩(wěn)定的情況;鄧喆等[6]利用聲學(xué)測溫法測得爐膛出口煙溫,爐膛出口煙溫在一定程度上可以反映爐內(nèi)整體沾污狀態(tài);俞海淼等[7]自制水冷灰污熱流計(jì)獲取爐膛內(nèi)溫度及熱流密度等數(shù)據(jù),從而得到爐膛內(nèi)局部結(jié)渣的動(dòng)態(tài)變化過程;杜慶軍[8]通過水冷熱流計(jì)監(jiān)測局部熱流密度,同時(shí)把吹灰后的熱流密度值作為參考來建立爐膛局部清潔因子,從而推測受熱面的結(jié)渣情況。 通過熱流計(jì)測量得到的熱流密度分析爐膛結(jié)渣狀況的方法受到熱流計(jì)成本較高的制約,往往布置的熱流計(jì)數(shù)量有限,難以獲得整個(gè)爐膛前、后、左、右四面墻大面積(上百平方米)受熱面局部的結(jié)渣狀況。此外,還有其他如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法預(yù)測爐內(nèi)積灰的模型,但均無法直觀反映出局部積灰結(jié)渣情況。
本研究對前人研究成果進(jìn)行總結(jié)分析,結(jié)合傳熱學(xué)知識,通過數(shù)值模擬結(jié)果對比得到一種基于爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測的燃煤電站鍋爐結(jié)渣監(jiān)測裝置,并將其安裝在鍋爐水冷壁上,根據(jù)所測溫度進(jìn)行水冷壁局部結(jié)渣狀態(tài)監(jiān)測,研究吹灰對溫度的影響,同時(shí)采用耐高溫回轉(zhuǎn)探槍對其附近區(qū)域間斷拍攝,構(gòu)建結(jié)渣比例與結(jié)渣監(jiān)測裝置所測溫度的關(guān)系,為實(shí)現(xiàn)按需吹灰提供理論指導(dǎo),為燃煤電站智能化運(yùn)行提供參考。
四種溫度測量裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示,依次記為TypeA-TypeD。 具體為將爐內(nèi)集熱塊和爐外集熱塊分別安裝于水冷壁鰭片,測量元件為熱電偶,熱電偶由爐外集熱塊穿入至爐內(nèi)集熱塊。 爐外集熱塊起到安裝定位以及固定熱電偶的作用,爐內(nèi)集熱塊則起到保護(hù)熱電偶測量端防止高溫?zé)煔鉄龎牡淖饔谩?考慮到鍋爐運(yùn)行過程中爐內(nèi)溫度較高且變化劇烈,TypeA及TypeB爐內(nèi)集熱塊增設(shè)兩條伸縮縫,以便集熱塊伸縮或膨脹,防止因集熱塊熱應(yīng)力導(dǎo)致水冷壁管裂開。 TypeC和TypeD爐內(nèi)集熱塊僅與鰭片接觸,不同之處在于TypeD爐內(nèi)集熱塊在高度方向更向煙氣中凸出。
圖1 不同型式測量裝置結(jié)構(gòu)圖
使用Solidwork 建立物理模型,如圖2 所示,高溫?zé)煔饧八浔诠軆?nèi)工質(zhì)均由下至上流動(dòng),模型包括6 根水冷壁管,整片水冷壁及煙氣流域尺寸足夠大,滿足模擬條件。 采用ANSYS 網(wǎng)格劃分模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖3 所示,全部采用多面體網(wǎng)格,在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)減少網(wǎng)格劃分時(shí)間,網(wǎng)格總數(shù)約43 萬;集熱塊附近網(wǎng)格加密,如圖4 所示。
圖2 計(jì)算域物理模型
圖3 計(jì)算域整體網(wǎng)格
圖4 集熱塊附近網(wǎng)格
為了盡可接近鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況,煙氣及工質(zhì)參數(shù)均根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置,爐內(nèi)流體域設(shè)置為高溫?zé)煔?,組分如表1 所示,水冷壁內(nèi)工質(zhì)參數(shù)按表2 所示。 定義煙氣入口為速度入口,設(shè)置煙氣速度、溫度以及組分參數(shù),定義工質(zhì)入口為速度入口,設(shè)置工質(zhì)速度以及溫度參數(shù),煙氣出口和工質(zhì)出口定義為壓力出口,不同結(jié)構(gòu)集熱塊邊界條件均相同。
表1 煙氣組分
表2 工質(zhì)參數(shù)
采用Fluent軟件進(jìn)行模擬,粘性模型采用Realizable k-ε湍流模型,壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[9,10],由于模擬爐內(nèi)煙氣組分中含有三原子氣體,因此必須考慮輻射對換熱的影響,本研究所采用的輻射模型為DO模型,采用Simple算法求解壓力—速度耦合方程,控制方程的離散形式為二階迎風(fēng)格式[11,12]。
圖5 為過集熱塊中心水平截面,以此面作為溫度對比截面;不同結(jié)構(gòu)集熱塊截面1 溫度分布如圖6 所示。
圖5 截面1 位置示意
從圖6 可以直觀看出,TypeA至Type D熱電偶溫度明顯升高,圖7 為不同結(jié)構(gòu)熱電偶端面溫度分布,從圖中可以看出,不同結(jié)構(gòu)下水冷壁管中心溫度均為440 ℃,TypeA-TypeD熱電偶端面溫度分別較水冷壁管中心溫度高出約60 ℃、103 ℃、170 ℃以及228 ℃,分別達(dá)到約500 ℃、543 ℃、610 ℃和668 ℃。
圖7 熱電偶端面溫度特性
在上述模擬過程中,認(rèn)為集熱塊與水冷壁、熱電偶與集熱塊在結(jié)合處緊密貼合,熱阻較??;而在實(shí)際安裝過程中會(huì)由于各種原因?qū)е沦N合度下降,從而使熱阻增大,工質(zhì)對集熱塊的冷卻效果降低,熱電偶所測溫度比模擬結(jié)果更高。 因此,為保證測點(diǎn)壽命,選擇模擬結(jié)果溫度最低的TypeA結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際安裝驗(yàn)證。
選取國內(nèi)某330 MW 機(jī)組,機(jī)組停機(jī)期間安裝測量裝置,測點(diǎn)位于某一觀火孔(O.D)和墻式吹灰器(IR9)中間,記為#1 測點(diǎn),如圖8 所示。 目的是既能保證測點(diǎn)位于吹灰器吹灰范圍內(nèi),又能保證內(nèi)窺式爐內(nèi)水冷壁沾污形貌全景可視化探槍可以通過觀火孔觀察到測點(diǎn)附近結(jié)渣情況。
圖8 #1 測點(diǎn)布置位置
試驗(yàn)中所使用的儀器設(shè)備包括溫度監(jiān)測設(shè)備以及結(jié)渣監(jiān)測設(shè)備,溫度監(jiān)測使用常規(guī)數(shù)據(jù)采集儀即可;結(jié)渣監(jiān)測使用自主研發(fā)的內(nèi)窺式爐內(nèi)水冷壁沾污形貌全景可視化探槍以及圖像采集儀。試驗(yàn)過程中連接好設(shè)備后,將探槍由觀火孔深入爐內(nèi)約35 cm,位置、角度調(diào)整合適后開始拍攝,單次拍攝時(shí)長為30 s,每次拍攝間隔1.5 ~2 h,試驗(yàn)現(xiàn)場如圖9 所示,試驗(yàn)系統(tǒng)如圖10 所示。
圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場
圖10 試驗(yàn)系統(tǒng)圖
圖11 為測點(diǎn)溫度與鍋爐負(fù)荷(主蒸汽流量)隨時(shí)間的變化趨勢。 期間包含兩次對應(yīng)吹灰器吹灰動(dòng)作,可以看出:未吹灰時(shí)間段,當(dāng)鍋爐負(fù)荷較為穩(wěn)定時(shí)測點(diǎn)溫度僅在小范圍波動(dòng);執(zhí)行吹灰動(dòng)作時(shí)鍋爐負(fù)荷基本處于穩(wěn)定狀態(tài),與吹灰前相比,吹灰后測點(diǎn)溫度明顯上升,上升幅度達(dá)100 ℃左右;兩次吹灰之間,測點(diǎn)溫度整體呈下降趨勢。 以上現(xiàn)象說明測點(diǎn)周圍存在一定程度結(jié)渣。 根據(jù)傳熱學(xué)原理,當(dāng)受熱面無積灰時(shí),測點(diǎn)接受爐內(nèi)輻射換熱和對流換熱,測點(diǎn)溫度較高;若無吹灰動(dòng)作,隨著時(shí)間的累積,積灰逐漸增多,積灰增大了傳熱熱阻,導(dǎo)致測點(diǎn)溫度降低;當(dāng)連續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后,測點(diǎn)溫度低到一定程度,對應(yīng)吹灰器執(zhí)行吹灰動(dòng)作,由于吹灰時(shí)間較短,吹灰后受熱面較為清潔,因此測點(diǎn)溫度迅速大幅升高。
圖11 測點(diǎn)溫度變化趨勢圖
圖12 左側(cè)一列為內(nèi)窺槍拍攝得到測點(diǎn)周圍區(qū)域原始畫面,深色區(qū)域?yàn)槭軣崦嫦鄬η鍧嵄砻?,白色區(qū)域即為爐內(nèi)所結(jié)渣快;根據(jù)原始圖像中不同區(qū)域像素顏色不同采用圖像處理的方法并通過二值化將結(jié)渣區(qū)域清晰地展現(xiàn)出來,如圖中中間一列所示,白色區(qū)域即為結(jié)渣區(qū)域;進(jìn)一步根據(jù)像素比例計(jì)算得到結(jié)渣區(qū)域面積占比(渣量),如圖中右側(cè)一列所示。
圖12 結(jié)渣覆蓋面積占比
根據(jù)上述方法得到測點(diǎn)溫度與對應(yīng)時(shí)刻結(jié)渣面積占比關(guān)系如圖13,可以看出,當(dāng)渣量接近0時(shí),測點(diǎn)溫度處于最高水平,約為565 ℃,隨著渣量的增加,測點(diǎn)溫度逐漸降低,當(dāng)渣量超過35%時(shí),測點(diǎn)溫度降低速率減緩,根據(jù)散點(diǎn)圖可以擬合得到測點(diǎn)溫度與渣量的關(guān)系,即通過測點(diǎn)溫度可以求出水冷壁局部區(qū)域結(jié)渣量化數(shù)據(jù),對于指導(dǎo)吹灰具有重要意義。
圖13 測點(diǎn)溫度與渣量關(guān)系
渣量與溫度擬合公式如下:
根據(jù)以上擬合公式即可實(shí)時(shí)再現(xiàn)對應(yīng)測點(diǎn)附近區(qū)域結(jié)渣程度,如圖14 所示,便于運(yùn)行人員決定是否需要吹灰,今后增加測點(diǎn)數(shù)量及控制系統(tǒng),即可實(shí)現(xiàn)無人值守智能吹灰。
(1)設(shè)計(jì)出4 種不同結(jié)構(gòu)溫度測量裝置,對其進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果顯示,4 種結(jié)構(gòu)中采用TypeA型熱電偶端面溫度最低,出于工程實(shí)際應(yīng)用中使用壽命的考慮,將TypeA結(jié)構(gòu)測量裝置安裝于國內(nèi)某電廠水冷壁實(shí)施驗(yàn)證性試驗(yàn);
(2)受熱面積灰會(huì)增大爐內(nèi)煙氣與測點(diǎn)之間的傳熱熱阻,長時(shí)間不吹灰,隨著積灰的累計(jì),傳熱熱阻增大,測點(diǎn)溫度會(huì)逐漸降低;吹灰后受熱面較為清潔,傳熱熱阻降低,測點(diǎn)溫度會(huì)迅速大幅升高,因此,根據(jù)測點(diǎn)溫度可以定性反應(yīng)出受熱面局部結(jié)渣情況;
(3)結(jié)合內(nèi)窺式爐內(nèi)水冷壁沾污形貌全景可視化探槍,將拍攝到的受熱面結(jié)渣畫面進(jìn)行圖像處理,將結(jié)渣程度量化,得到測點(diǎn)溫度與渣量的量化關(guān)系,根據(jù)測點(diǎn)溫度即可判斷受熱面局部結(jié)渣程度,為今后指導(dǎo)燃煤電站鍋爐“按需吹灰”、提高機(jī)組安全性、經(jīng)濟(jì)性提供理論指導(dǎo),同時(shí)為實(shí)現(xiàn)燃煤電廠智能化運(yùn)行打下基礎(chǔ)。