电站锅炉吹灰优化的研究应用现状

电站锅炉吹灰优化的研究应用现状［作者：周俊虎，靳彦涛，杨卫娟，周志军，曹欣玉，岑可法发表时间：2008-3-24阅读：79］在燃煤锅炉运行中，受热面的积灰和结渣是不可避免的，严重积灰和结渣对于锅炉的正常运行非常不利。灰污的热阻很大，附着在受热面上将降低受热面的吸热能力，使得传热效率降低。炉膛及后续受热面传热效率降低将导致各个受热面的吸热量减少，炉膛出口以及最终的锅炉排烟温度升高，锅炉整体效率下降。一般而言，与清洁状况相比，受到污染后锅炉效率将降低1％～2.5％，排烟温度升高十几度。积灰和结渣不仅使得受热面的吸热能力降低，而且会引起受热面表面温度过高，导致受热面金属超温和高温腐蚀，甚至管排爆漏。此外，较大的渣块坠落还会引发锅炉安全问题。1吹灰器使用效果和现状结渣和积灰无论是在炉膛还是对流受热面，都将对锅炉产生不利的影响，而吹灰是一个有效的解决办法。吹灰器利用一定的吹灰介质(水、蒸汽、声波、燃气等)清扫受热面，清除表面的污垢，使得其表面恢复清洁状态。一般来说，吹灰与不吹灰相比较，可以降低排烟温度15℃左右，锅炉效率提高1％～2％。美国和西欧一些国家均将吹灰器作为确保机组安全经济运行的重要手段，其吹灰器的投用率普遍较高，而我国的吹灰器投运率则较低。据1992年电力部西安热工研究所的调查，国产吹灰器的平均投用率仅为27％，进口吹灰器除前苏联生产的投用率不到4％，平均投用率为41％。200MW机组锅炉的吹灰器投用率还不到22％，600MW及以下机组吹灰器平均投用率36％，几乎没有锅炉吹灰系统全套正常投用的机组。目前常用的吹灰器一般有如下型式：蒸汽吹灰器、水力吹灰器、压缩空气吹灰器、声波吹灰器、钢珠吹灰器和气脉冲吹灰器。其中，蒸汽吹灰器由于其介质廉价易得而占据了大部分份额。其它形式虽然各有优劣，但是使用不是十分广泛。对于蒸汽吹灰器，其研究方向集中于喷嘴设计，目的是消耗更少的蒸汽取得更好的除灰效果。2吹灰优化的概念及必要性吹灰器的运作是用一定量的介质消耗来换取受热面的清洁，因而其运作本身要消耗一定成本。蒸汽吹灰的耗汽量一般占蒸汽总产量的1％，消耗锅炉热效率的0.7％，电厂效率的0.1％。如果不及时吹灰，虽然降低了吹灰器消耗热量，但是由于受热面受到污染将导致锅炉效率降低；如果吹灰过于频繁，虽然保证了受热面的清洁，提高了锅炉的热效率，但是吹灰器消耗热量也将大大增加。此外，还要有安全性的考虑。吹灰不及时将使得受热面表面温度升高，导致高温腐蚀；过于频繁将破坏管壁外的氧化膜保护层，使得磨损加大。据报道国外某220t／h页岩炉，平均每昼夜吹灰18～20次，吹灰器附近管子磨损2mm／a。在安全性的前提下，吹灰器的运作必定有一个经济性平衡点。目前在电厂中，吹灰器的运作大多是由运行人员根据经验，定时全部受热面吹扫一遍，很难找到经济平衡点。故从经济角度考虑，应该对吹灰器的运作加以优化。用计算机代替运行人员的经验判断，在安全性的前提之下，根据经济性的原则，用不定时的动态调度代替定时吹灰。由计算机根据实时参数进行判断，并给出吹灰运行的费效比。何时吹灰、吹扫哪块受热面、投运几个吹灰器就成了吹灰优化的核心内容。3灰污染监测的理论模型受热面污染监测是吹灰器优化的基础，吹灰优化是建立在对受热面进行尽可能细致准确的灰污染监测的基础之上。目前表征受热面灰污状态的方法主要有以下3种:灰污热阻Rf，传热有效度比φ，清洁因子CF。3.1灰污热阻Rf[12～14]灰污热阻是指受热面金属管壁上灰垢的热阻。为分析污垢表面温度ts(污垢与烟气间的截面温度)，假定：(1)污垢沉积沿管外壁圆周方向是均匀分布的，即垢层厚度、热导率等沿周向不变；(2)热流密度q沿周向、轴向均不变，就是说在假定(1)成立和管段不长、两段管温差不大的情况下，污垢表面沿周向和轴向都是恒定的；(3)管内外流体都是常物性的，这在流体温度变化不大的情况下是允许的。于是由传热方程可得式(1)～(3)。式(1)中的q(热流)可按式2计算，其中m是工质质量流量，cp是工质平均比热容，to和ti是工质在受热面的出口和进口温度，tw是受热面管的外壁温。式(1)中的t可按式3计算，其中F是受热面的传热面积，tg是烟气的平均温度，αg是烟气对灰污的换热系数，它是烟气的Re、Pr和管外径的函数，可以计算得出。3.2传热有效度比φ[19]传热有效度，即换热器的温度效率，是指被加热工质的真实吸热量和理想换热器的最大可传递热量的比值。Thi是烟气进口温度，Ti，To。分别是工质的进出口温度。当受热面污染，工质出口温度降低，传热有效度也降低。所以可以使用传热有效度比φ来表征受热面的沾污状态，定义如式(4)，其中εo。表示受热面清洁时的传热有效度。3.3清洁因子CF[15～18]清洁因子表示换热面污染状态是工业上常用的一种方法，它是换热面的实际吸热量与清洁受热面吸热量的比值(式6)，其中Q是换热面的实际换热量，Qo是在受热面清洁、其它条件相同的情况下的换热量。当受热面清洁时CF＝1，否则CF1。用清洁因子CF表示换热面的污染状态，可以直接反映出换热面的吸热量受沾污影响的大小。但是清洁因子是否可以正确表示沾污状态，关键在于Qo的选择和计算。获得Qo的方法有多种，或使用清洁热流计监测，或对历史运行数据进行拟合。CF＝Q／Qo（6）4灰污染监测的实际应用4.1热流计法热流计法主要是监测局域热流。在灰污染状况不同时，局域热流也会有所不同。灰污染越严重，热流越小，它主要适用于炉膛区域。一般由清洁热流计和脏热流计组成，分别测量相当于清洁壁面和实际沾污条件下的热流。而保持清洁头在长期运行时的清洁是很困难的，这也是这种监测方式的主要缺陷。另有一些监测系统不采用清洁热流计，而是对炉膛最大热流作出统计估计，同时考虑到各种运行参数如负荷、煤质、风量、单只燃烧器的负荷、燃烧器角度等对其的影响。热流计法监测炉膛结渣需要一定数量的热流计，每个热流计仅仅负责一个局部区域，整个热流计网络可反应炉膛全部区域的污染情况。加拿大邦德里达姆3号机组即采用82支脏热流计和13支清洁热流计构成其炉膛水冷壁灰污染监测系统。另外，膜式水冷壁背火侧鳍端温度也是判断水冷壁结渣状态的一个特征变量。通过测量背火侧鳍端温度，可以得到由脏热流计测量得到的信息。4.2热力计算法热力计算法主要用于对对流受热面的灰污染监测，还可以用炉膛出口烟气温度替代热流计网络对炉膛水冷壁结渣进行监测，其理论模型主要是清洁因子CF的计算。与热流计相比该方法准确性、实时性以及在区域的精细度方面都较差，但优点是不需要额外的投资，安装简单，且在经过实践调整之后，可以满足实际的需要。阎维平等人采用实际传热系数与理想传热系数之比作为洁净因子，在锅炉整体热平衡的基础上，从省煤器出口开始，逆烟气流程逐段进行各个受热面的热平衡和传热计算，以监测受热面灰污状态，此方法已在衡水发电厂300MW机组锅炉得到了应用。PedroManuelVasquez-Urbano把清洁因子定义为实际传热量与理想传热量的比值。理想传热量的选定根据锅炉运行中的数值，采用数值计算方法得到，以监测受热面灰污。监测的高精度可以从烟气侧的高质量数据得到，这一般要另安装一些设备。一个明显的改善是对排烟的分析和温度测量，可采用热电偶的常规网格布置和烟气采样。另外，热平衡计算的烟气温度在辐射区域可能不够准确，最好也在锅炉内高温区布置测点。5灰沉积预测模型研究电站锅炉的灰沉积行为不仅受煤粉颗粒中无机物成分的含量组成、存在形式的影响，也受锅炉设计和运行条件的影响。随着人们对灰沉积认识的增加，计算模型日益受到关注。计算模型可以帮助运行人员诊断和纠正灰沉积引起的运行问题，预测某些特定煤的沉积趋势。传统的方法是使用结渣经验指数和ASTM(AmericanSocietyforTestingandMeterials)灰熔化温度，这些经验指数是从煤中无机物的平均化学特性中提取的，无法充分体现实际存在的复杂化学反应。而且也没考虑实际运行条件对灰沉积的影响，因此，经常会出现错误结论。在20世纪80年代末和90年代初，灰沉积模型发展迅速，尤其是在飞灰大小和分布、表示结渣积灰的参数准则、混煤的相对结渣积灰趋势的预测方面。一个系统的燃烧模型必须考虑到灰沉积，而灰沉积预测也需要了解燃烧情况。于是，出现了将燃烧模型和灰沉积模型结合起来的综合模型。它们采用更精确的煤特性和飞灰输送附着的数学描述，来预测不同条件下不同煤的大致沉积率。然而，在预测局部灰沉积率、灰渣特性、灰渣对燃烧影响和运行条件对灰渣特性和生长的影响方面，能力有限。没有一个模型是定位于研究灰沉积对实际电站锅炉运行性能的影响，而这对于实际运行却相当重要。虽然模型预测的方法复杂、成本昂贵，其准确性有待确认，但从目前的成果看，仍有相当的发展前景。6优化系统的研究应用状况关于吹灰器优化运行方面的研究工作，多由一些公司进行，主要开发商业的电站吹灰优化运行软件系统，详细公开发表的文献较少。纽约州电力燃气公司和通用物理公司联合开发的SootblowerAdvisor专家系统，已应用于哥伦比亚1台643MW机组。此系统使用锅炉和汽轮机循环中的关键参数测量值来确定锅炉不同部位的清洁因子，帮助运行人员确定吹灰策略。SR4是德国一个运行优化管理系统Sienergy中的机组效率分析优化模块。SR4系统对锅炉受热面的沾污计算如下：对锅炉中不同区域的受热面进行传热效率计算，如果炉膛区域受热面粘污，会使炉膛的热交换后移，引起减温水量、排烟温度等发生变化。通过计算以指导吹灰器进行区域性的不定期吹灰。瑞士ABB公司的Opti—max是在线的电厂效率计算软件包。其锅炉清洁模块可在线计算换热面的清洁度和每个换热面的烟气人口温度，结果用于优化锅炉吹灰器的运行程序。邦德里达姆3号机组锅炉采用脏、清洁热流计监测炉膛沾污，对流区则根据烟温、工质温度计算沾污系数，来监测受热面的清洁状态。7结语一个完善的吹灰运行优化系统是个复杂的工程系统，应该包括积灰监测、电站热效率计算、锅炉计算模型、在线灰沉积预测模型、成本分析与优化、自动控制操作等几部分。积灰监测和在线灰沉积预测模型给出详细沾污状态数据，锅炉计算模型分析沾污对锅炉传热和安全的影响，电站热效率计算和成本分析给出吹灰成本数据，再经过优化模型选出几组最佳的吹灰方案，并同时给出方案的成本和效益，解释选择理由。最后由人工操作或自动控制系统实施吹灰方案，目前投用的吹灰优化系统大都只含有其中的几个模块。积灰监测、锅炉计算模型和电站热效率计算方面研究进展较快，而成本分析与优化模块的研究相对要弱一些，在线灰沉积预测模型也有待进一步发展和验证。