（热能工程专业论文）410th锅炉优化吹灰的试验研究及系统开发.pdf

华北电力人学硕士学位论文 摘要 本文针对国华北京热电分公司# 卜# 4h g - 4 1 0 9 8 - y m l 5 锅炉吹灰优化问题开展研究。 首先开展了锅炉优化吹灰的试验研究，进行了燃烧器区域吹灰器增加投入试验，锅炉吹 灰器吹损受热面的综合治理试验，# 1 、3 炉加装弱爆吹灰器试验。同时，提出了一套适用 于燃煤电站锅炉的受热面积灰、结渣在线监测方法，阐述了监测方法的基本原理，并 在此基础上开发了一套锅炉受热面积灰、结渣在线监测系统来指导和优化吹灰过程。 在选择监测参数的过程中，本文放弃了传统的灰污系数和热有效系数，而选择了更易 于监测的灰污特征参数，利用电厂d a s 系统的现有数据，最终求出受热面的灰污特征 参数。基于以上理论，在不增加新测点，或者只增加个别测点的条件下，开发了锅炉 受热面的积灰结渣在线监测和优化吹灰系统，为机组的安全和经济运行提供保障。 关键词：电站锅炉，积灰，结渣，在线监测，优化吹灰 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，as e r i e so fe x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni sc a r r i e do u ta i m i n g a to p t i m i z et h es o o t b l o w i n gp r o c e s so f4 1 0 t hb o il e r i nt h es a m et i m e ，am e t h o d f o rt h eo n 一1 i n em o n i t o r i n go ff o u l i n ga n ds l a g g i n go nu t i l i t yb o i l e rh e a t i n g s u r f a c e si sp u tf o r w a r d ，a n dt h eb a s i cp r i n c i p i eo fw h i c hi ss t a t e d o nt h eb a s i s o ft h em e t h o d ，as u i t o fo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo ff o u li n ga n ds l a g g i n gi s d e v e l o p e dt og u i d ea n do p t i m i z et h ep r o c e s so fs o o t b l o w i n ga c c o r d i n gt ot h es t u d y o b j e c t ，t h eh g 一4 1 0 9 8 一y m l 5b o i l e r w h e nc h o o s i n gt h em o n i t o r i n gp a r a m e t e r ，w eg a v e u pt h et r a d i t i o n a lt h e r m a le f f e c t i v ec o e f f i c i e n ta n dd i r t yc o e f f i c i e n to fd u s t ， a n dc h o s et h ed ir t yp a r a m e t e ro fd u s t ，w hic hisr e l a tiv e l ye a s yt om o n it o r b y a p p l y i n gt h ei m p r o v e dr p r o pn e u r a ln e t w o r ki n s t e a do fb pn e u r a ln e t w o r k ，u s i n gt h e d a t af r o mt h ed a so ft h ep l a n t ，w ec a na c q u i r et h ed i r t yp a r a m e t e ro fd u s tt h r o u g h d e f i n i t i o n b a s e do nt h et h e o r y ，w i t h o u ti n c r e a s i n go ro n l yi n c r e a s i n gaf e we x t r a p o i n t s ，w ed e v e l o p e dt h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mo fh e a t i n gs u r f a c eo nf o u l i n g a n ds l a g g i n go fc o a l f i r e db o il e r ，o f f e r i n gs t r o n gg u a r a n t e ef o rs e c u r i t ya n d e c o n o m i c a lo p e r a t i o no ft h eu n i t h a nb i n q i a o ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i ut o n g 华北电力人学硕士学位论文 摘要 本文针对国华北京热电分公司# 卜# 4h g - 4 1 0 9 8 - y m l 5 锅炉吹灰优化问题开展研究。 首先开展了锅炉优化吹灰的试验研究，进行了燃烧器区域吹灰器增加投入试验，锅炉吹 灰器吹损受热面的综合治理试验，# 1 、3 炉加装弱爆吹灰器试验。同时，提出了一套适用 于燃煤电站锅炉的受热面积灰、结渣在线监测方法，阐述了监测方法的基本原理，并 在此基础上开发了一套锅炉受热面积灰、结渣在线监测系统来指导和优化吹灰过程。 在选择监测参数的过程中，本文放弃了传统的灰污系数和热有效系数，而选择了更易 于监测的灰污特征参数，利用电厂d a s 系统的现有数据，最终求出受热面的灰污特征 参数。基于以上理论，在不增加新测点，或者只增加个别测点的条件下，开发了锅炉 受热面的积灰结渣在线监测和优化吹灰系统，为机组的安全和经济运行提供保障。 关键词：电站锅炉，积灰，结渣，在线监测，优化吹灰 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，as e r i e so fe x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni sc a r r i e do u ta i m i n g a to p t i m i z et h es o o t b l o w i n gp r o c e s so f4 1 0 t hb o il e r i nt h es a m et i m e ，am e t h o d f o rt h eo n 一1 i n em o n i t o r i n go ff o u l i n ga n ds l a g g i n go nu t i l i t yb o i l e rh e a t i n g s u r f a c e si sp u tf o r w a r d ，a n dt h eb a s i cp r i n c i p i eo fw h i c hi ss t a t e d o nt h eb a s i s o ft h em e t h o d ，as u i t o fo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo ff o u li n ga n ds l a g g i n gi s d e v e l o p e dt og u i d ea n do p t i m i z et h ep r o c e s so fs o o t b l o w i n ga c c o r d i n gt ot h es t u d y o b j e c t ，t h eh g 一4 1 0 9 8 一y m l 5b o i l e r w h e nc h o o s i n gt h em o n i t o r i n gp a r a m e t e r ，w eg a v e u pt h et r a d i t i o n a lt h e r m a le f f e c t i v ec o e f f i c i e n ta n dd i r t yc o e f f i c i e n to fd u s t ， a n dc h o s et h ed ir t yp a r a m e t e ro fd u s t ，w hic hisr e l a tiv e l ye a s yt om o n it o r b y a p p l y i n gt h ei m p r o v e dr p r o pn e u r a ln e t w o r ki n s t e a do fb pn e u r a ln e t w o r k ，u s i n gt h e d a t af r o mt h ed a so ft h ep l a n t ，w ec a na c q u i r et h ed i r t yp a r a m e t e ro fd u s tt h r o u g h d e f i n i t i o n b a s e do nt h et h e o r y ，w i t h o u ti n c r e a s i n go ro n l yi n c r e a s i n gaf e we x t r a p o i n t s ，w ed e v e l o p e dt h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mo fh e a t i n gs u r f a c eo nf o u l i n g a n ds l a g g i n go fc o a l f i r e db o il e r ，o f f e r i n gs t r o n gg u a r a n t e ef o rs e c u r i t ya n d e c o n o m i c a lo p e r a t i o no ft h eu n i t h a nb i n q i a o ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i ut o n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( 4 1 0 t h 锅炉优化吹灰的试验研 究及系统开发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名日期：至塑：鱼 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：2 塑：日 期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上少数几个以煤炭为主要 一次能源的国家之一。在今后2 0 3 0 年内，煤电仍将占6 0 以上，而燃煤机组按容 量占到9 5 以上。 煤中的矿物质和无机成分经炉内燃烧后变成煤灰。当烟气流经受热面时这些煤 灰和其它的不可燃物质一起慢慢沉积下来，造成受热面的沾污i l i 。有的沾污现象分 为两类：结渣和积灰。所谓结渣，是指受热面壁上熔化了的灰沉积物的积聚，它与 因受各种力的作用而迁移到壁面上的某些灰粒的成分、熔融温度、粘度及壁面温度 等因素有关，多发生在炉膛水冷壁、卫燃带、屏式过热器、凝渣管等辐射或半辐射 受热面，以及靠近炉膛出口的部分对流受热面，在炉膛下部冷灰斗也可能发生结渣 现象。这些部位的烟气温度较高，在燃烧过程中，软化或者熔融状的灰颗粒粘结在 受热面上，在受热面上不断生长、积累，形成覆盖层。由于经历过熔融或者烧结， 难以分辨最初沉积颗粒的形状和界限。所谓积灰，是指温度低于灰熔点时灰沉物在 受热面上的积聚，多发生在对流过热器、再热器、省煤器、空气预热器等对流受热 面。这些部位的烟气温度低于煤灰的软化温度，沉积物大多由固态飞灰颗粒堆积形 成，颗粒之间有清晰的界限。外表面有时会发生部分烧结，形成一个比较硬的壳。 低温受热面上由于酸性结露和腐蚀导致的飞灰沉积也归属于积灰。发生在烟气侧的 结渣与积灰现象，是由于煤中含有的不可燃矿物质，以及燃烧中的衍生物，在受热 面上的物理和化学沉积而导致的1 2 1 1 3 l 。 受热面的沾污过程是非常复杂的，往往又相互间不易分割，物理因素和化学因素 交替相互作用，其类型也是千变万化的1 4 i 。它涉及到锅炉原理、煤及灰渣化学反应动 力学、多相流体力学、传热传质学、燃烧理论与技术以及材料科学等诸多学科。水 冷壁的结渣除了与煤质密切相关外，还受锅炉结构、燃烧器形式及布置、炉内温度 水平、气氛及动力工况等因素的影响。 1 1 1 积灰结渣对电厂运行的影响 锅炉受热面的结渣和积灰将导致一些故障的发生，由于灰的导热系数小，故积 灰使受热面传热热阻增加，热交换恶化，排烟温度升高锅炉效率降低，积灰严重时 发生堵灰，使烟道通风阻力增加，锅炉出力降低，有时甚至被迫停炉。另外积灰和 结渣所造成的受热而金属的高温腐蚀，。局部热点以及磨损也是引起锅炉爆箭的卞要 冈。积灰结渣的危害很大，轻则会弱化传热，导致锅炉热效率降低和n ( ) 。排放量增 加等，重则会导致机组降负荷运行或停炉，甚至发尘其它更为严重的恶性事故。具 i 华北电力大学硕士学位论文 体地讲，表现在以下几个方面【5 j ： ( 1 ) 降低炉内受热面的传热能力。灰污在受热面上沉积后，因其导热系数很低， 故热阻很大。一般污染数小时后水冷壁传热能力会降低3 0 - - 6 0 。结渣引起炉内火 焰中心向后推移，炉膛出口烟温相应升高，排烟热损失增大，影响运行经济性。美 国的e p r i ( 美国电力研究院) 1 9 9 0 年对9 1 台燃煤机组的调查表明3 7 的锅炉存在 较为严重的积灰与结渣问题，4 0 的锅炉偶然发生，仅仅从运行费用上考虑，估计 损失大致相当于锅炉效率下降0 5 一l 【6 】，我国西安热工研究院也有类似的统计数 字，可见电站锅炉的积灰结渣问题在国内外包括一些发达国家都是相当突出的。 ( 2 ) 由于炉膛出口烟温升高，导致过热汽温偏高。这不仅危害过热器，还会导 致汽轮机事故。此外，飞灰易粘附在对流和屏式过热器上，引起过热器沾污和腐蚀。 ( 3 ) 引起高温腐蚀。在高温烟气的作用下，粘结在水冷壁或高温过热器上的灰 渣会与管壁发生复杂的化学反应，形成高温腐蚀，使管壁厚度由外向内减薄。通常 情况下水冷壁管年腐蚀量为0 8 2 2 5m m ，但如果燃煤含硫量大于设计值或者运 行不当，腐蚀速度可达5 m m a ，二、三年就需更换水冷壁。 ( 4 ) 在喷燃器出口处，可能会因结渣而影响煤粉气流的正常喷射，甚至喷口被 焦渣堵住。另外，焦渣易引起气流偏移，形成局部高温，烧坏喷燃器。 ( 5 ) 由于传热阻力增大，可能会使锅炉无法维持满负荷运行，只得增加投煤量， 引起炉膛出口烟温进一步升高，使得灰渣更易粘附在受热面上，从而形成恶性循环， 并诱发一系列恶性锅炉事故，如过热器、省煤器管束堵灰、爆管、出渣系统堵死等。 ( 6 ) 燃烧室上部大块渣掉落时，会砸坏水冷壁管和冷灰斗，有可能使冷灰斗出 口发生堵塞，造成炉膛灭火，甚至人身伤亡。典型的事例是1 9 9 3 年北仑港电厂1 号机组6 0 0m w 锅炉炉膛因严重结渣引起爆破，导致2 0 多人死亡的特大人身伤亡 和锅炉严重损坏事故。 ( 7 ) 在传热减弱情况下，为维持锅炉出力需消耗更多燃料，使引、送风机负荷 增加，因此引起电耗增加，并且由于通风设备的容量有限，加之结渣时易发生烟气 通道阻塞，可能会造成引风量不足，燃烧不完全，一些可燃物被带到对流受热面， 在烟道角落堆积起来继续燃烧，即发生所谓“烟道再燃烧”现象，其后果极具破坏 性。 ( 8 ) 受热面结渣一旦失去控制，就会对运行和生产构成严重危害，此时被迫降 负荷运行甚至停炉检修。然而作为工业动力，锅炉降负荷或停炉所带来的经济损失 是相当可观的，1 台5 0 0m w 机组每停运一天所损失的收入就会超过1 0 万美元。 受热面积灰结渣所带来的危害足非常巨大的，必须采取一定的措施加以防治。 许多t 作者一商致力于这方而的研究，希肇能从多角度寻求解决锅炉积灰与结渣的 办法：山煤灰特性预测锅炉的积灰结渣倾向；选择适当的i 殳汁参数。 为了尽量地避免这些不利情况的出现。在锅炉运行中，应尽可能的准确监测炉 2 华北电力火学硕士学位论文 内结渣积灰的程度和发展趋势，并根据结渣积灰的状况和运行需要，及时有效地采 取吹灰清渣措施，在保持受热面正常的同时，节约了吹灰介质和降低了烟尘排放， 但在实际运行中，由于锅炉实际运行环境的限制，不可能直接判断炉内的结渣积灰 情况，往往由有经验的运行人员对锅炉的运行情况进行判断，而运行人员对运行数 据综合分析能力的局限性以及人为因素的影响造成不同的运行人员的判断结果不 尽相同。因此在运行中单纯依靠操作人员根据常规的运行数据来判断锅炉的受热面 结渣和积灰的程度是十分困难的哺，。因此为大型电站锅炉研究和开发基于在线监测 参数，直接或间接地判断炉内受热面的结渣积灰状况的在线监测诊断技术，防止发 生严重结渣积灰指导优化清渣吹灰是十分必要的。 1 1 2 优化吹灰及其意义 由于受热面灰污沉积机理的复杂性，不能保证在设计阶段准确无误地预测燃料的积 灰结渣倾向。设计人员能够采取的预防措施，还受到投资费用和运行经济性的限制。即 使j 下确地预测出燃料的积灰结渣倾向，也不能保证在设计中采用的预防措施足够有效。 设计中采用的预防措施只能是针对特定的一种或几种煤，不存在万能的，适于燃用一切 燃料的锅炉。在燃料品质偏离设计工况时，仍然有可能出现严重的积灰结渣现象。日常 运行时，防止受热面严重灰污的最直接、最有效的手段是吹灰。吹灰最主要的作用是对 锅炉排烟温度( 即锅炉效率) 的影响，吹灰可以清除附着在受热面上的灰渣，减少烟气 侧到蒸汽侧的换热热阻，改善锅炉的换热能力，从而降低排烟温度，提高机组热效率。 此外，吹灰还会给锅炉运行带来其它方面的好处。吹灰可以清除掉受热面上的灰渣，可 以破坏受热面管子上的灰渣搭桥，保证烟气流通通道畅通，减少烟气流通阻力，降低引 风机电耗，并可以防止受热面堵塞事故这一现象在省煤器和空气预热器中较为普 遍。吹灰还可以起到蒸汽调节的作用：若蒸汽温度过高，则可以通过吹扫炉膛来降低蒸 汽温度，使其品质合格；若蒸汽温度过低，则可以通过吹扫过热受热面来提高蒸汽温度。 同时，适时吹扫受热面，保持受热面较高的清洁度，能够使其灵敏性提高，保证锅炉机 组各种运行调节手段更好的发挥作用。如：若屏式过热器较为清洁，则改变燃烧器摆角 调节主蒸汽温度就更灵敏，调节范围也更大。受热面的清洁能够降低其后烟气的温度水 平，减少金属管子的高温腐蚀和超温，延长受热面管排的寿命，减少受热面爆管事故的 发生。适当的吹灰还可以减少n o x 的形成炉膛结渣和n o x 的关系是由于火焰温 度对热力n o x 产生率的影响。炉膛出口烟气温度可以通过吹灰，控制在对n o x 排放 量影响显著的温度之下，以减少n o x 排放量【刀。在锅炉运行技术比较先进的发达国家， 吹灰被视为确保锅炉机组安全、经济运行的重要手段，吹灰器的投用率较高。在我国由 于制造、维护和运行管理的水平较低，另一方面吹灰器为高维护率的设备，所以吹灰器 的投川率较低。入容量锅炉酱她使川i ，j 编程逻掣l - l - 制吹灰系统的运 j ：。吹 一l 模j = 分为按 时m 举t ! 序进行吹扫和按灰污j ￥度进们! 欠扫两种模式。按时m 程序进 j ：吹 二j 的概念比较简 华北电力大学硕士学位论文 单，即事先确定好每只吹灰器的运行时间间隔和每次运行的吹扫时间，运行时，按照时 间顺序依次成对地启动吹灰器，经过预定时间后再将吹灰器退出炉外，停止吹灰。由于 锅炉各部分受热面灰污增长的速度不同，所以各部分受热面吹灰器的吹灰时间间隔也不 一样。距离炉膛较近的受热面吹灰时间间隔较短，一般为4 8 小时吹灰一次：距离炉 膛较远的受热面吹灰时间间隔较长，一般为8 - 2 4 小时吹灰一次。通常根据具体锅炉 的运行经验、燃烧煤种和运行状况，设置和调整吹灰器的操作顺序和运行时间，也可由 运行人员手动操作。吹灰系统的最优运行方式应当是根据某些特定的运行参数的变化， 监测受热面的实际灰污程度和发展趋势，并考虑运行的需要，及时有效地采取吹灰清渣 措施。在吹灰措施完备的前提下，设计时甚至允许一定程度的可能的灰沉积，而按灰污 程度进行吹灰为通过吹灰忧化获得投资与运行的经济性提供了有利的保证。 1 2 吹灰方法 目前的各种除灰除渣的技术措施主要包括蒸汽吹灰、燃气冲击波吹灰、声波除灰、 压缩空气吹灰、钢珠除灰、水枪冲渣等。在大型燃煤电站锅炉中，应用比较广泛的前三 种吹灰措施。 1 2 1 蒸汽吹灰 蒸汽吹灰是清除蒸汽过热器，对流过热器和屏式过热器表面污染的普遍方法。其原 理是一定压力和一定干度的蒸汽，从吹灰器喷口高速喷出，对积灰受热面进行吹扫，以达到 清除积灰的目的。据文献【7 】统计，蒸汽吹灰所耗汽量一般占蒸汽总产量的1 ，加之蒸汽 的热损失及其节流的损失和排烟损失的增加，吹灰器的运行要消耗锅炉效率的0 7 左 右。 作为一种传统的吹灰方式，蒸汽吹灰具有以下优点：( 1 ) 可以布置在锅炉各个部位， 能对炉膛、水平烟边、尾部竖井的受热面进行吹灰。( 2 ) 对结渣性较强，灰熔点低和较粘 的灰有较明显效果。( 3 ) 蒸汽来源比较充分。同样存在着缺点：( 1 ) 排烟中含湿量增大， 烟气露点较高。( 2 ) 吹灰耗费蒸汽，运行费用较高，同时导致锅炉补给水和水处理费用增 高。( 3 ) 机械传动和电气部分在运行中故障率高，检修和维护工作量大，费用高。 1 2 2 声波吹灰 声波吹灰技术也可对锅炉进行有效的吹灰，从次声到超声的多种形式的声波吹灰器， 已应用在我国的部分电厂锅炉受热面的吹灰上，取得了一定的效益。声波吹灰系统由汽 源、声波发生器、耦合共振管、程控柜l j q 部分组成，如图1 1 。 其吹灰机理足基于声疲劳原理。利用声波发声器，把高压气流调制而产生强声波， 于声波的伞方何传播和窄气质点高速周期振荡，可以破坏和b 兀l i ：粉尘粒子存热交换而 表| 百或粒子之f n j 的结合。使炉壁和管子 ：的灰垢微卡帝脱离热交换面而处于：悬浮状念，再 4 华北电力大学硕士学位论文 利用热气流带走。在声波的高能量作用下，粉尘不能在热交换表面积聚，可有效阻止焦渣 的生长。由于高声强声波的声疲劳效应，对已结成的焦块在锅炉运行过程中，也能使其断 为小块自行脱落。另一种理论认为受热面管道的共振机理对于吹灰是主要的f 8 1 。 玉盈毛面 互盈皿 tt 丘皿 图卜l 声波吹灰系统框图 不同于传统的蒸汽吹灰，声波的防结焦特性和弱除焦特性决定了它必须采用连续吹 灰方式或短间隔定时吹灰方式，以保证受热面的清洁，而不是等受热面沾污、排烟温度升 高后再去吹灰。声波吹灰具有许多技术优势，如有效作用范围大，清灰不留死角；耐高 温；有助于锅炉燃烧换热；适用范围广等。但同时，声波吹灰技术也存在着潜在危害人 体健康以及引发共振隐患的可能。 1 2 3 燃气冲击波吹灰 燃气冲击波吹灰技术是将空气动力学、燃烧爆炸学和机电技术等融为一体的新一代 吹灰技术，可以广泛运用于锅炉的各种受热面，其运用在空预器上技术比较成熟。该吹 灰器主要由发生器、发射管、电动球阀、分配箱、点火罐、混合器、电磁阀、减压阀、 可燃气罐等组成，如图1 2 。 止圆阈 图卜2 燃气冲击波吹灰系统 其工作原理是利用燃料的爆燃产生强度可控的冲击波进行清灰。一定量的可燃气体 ( 一般为乙炔) 与空气按一定比例在混合器中充分掺混后，沿管路以较高流速进入脉冲 发生器，在其中形成高湍流。随后，点火器引燃可燃气，火焰沿混合气管路以极高的速 度传入脉冲发生器引燃湍流形成爆燃( 或爆轰) ，在极短的时间内压力和温度急剧升高， 迅速膨胀，形成强压缩波即爆燃波。在脉冲发生器的调制作用和脉冲喷口的强制压缩下， 加强的爆燃波以一定能量和方向沿脉冲喷口向前传播，并在出口处形成冲击波，同时沿 喷l i ：i 产7 t - 膨胀波束。喷门冲m 的苛述热气流“接冲刷受热i 1 f 农而髓：排，i 吹4l 太而灰 垢，而各种波则通过反射、衍射和透射等作用于内部管排表而及炉内各物删! 表而，清理 华北电力大学硕士学位论文 受热面深处的积灰，并逐渐衰减成低频弱声波。 与常规吹灰装置相比，燃气冲击波吹灰器是一种新型实用的吹灰器，具有自动化程度 高、清灰时间短、速度快、发射能量大、清灰效率高、炉内无转动部件，维护工作量极小 等优点，但吹灰方案设计因炉型和积灰类型不同而异，系统设计技术难度大，且需定期 更换乙炔瓶。 1 2 4 其他吹灰方法 智能吹灰即是以特设模式清洁火电厂锅炉水冷壁和对流烟道受热面，当锅炉运行工 况变化及每日燃料特性变化时，尽可能保持蒸汽温度和压力的恒定，并最大程度地减小 对锅炉管道的腐蚀，目前在美国日益流行。 此外，还有钢球除灰、高压水冲洗等传统吹灰方式，也各自有着自己的适用范围， 但或因锈结的钢珠堵塞，会造成恶性循环，或因需要使用高温、高浓度的碱水，造成二 次环境污染而逐渐予以取代。 1 3 优化吹灰的研究现状 吹灰优化概念的提出是因为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。独立的工程咨询公司( e n g i n e e r i n gc o n s u l t i n gc o m p a n y ) 的研究表明，通过改进 吹灰程序，大约能提高锅炉效率1 左右【9 1 。据估计，美国每年因锅炉受热面灰污而带 来的各种经济损失总和达2 0 1 0 0 亿美元。由于锅炉受热面积灰对于锅炉有许多不利的 影响，这方面的研究一直受到关注。 1 3 1 国外研究现状 国外对锅炉吹灰优化的研究起步较早，至今已有近5 0 的历史。随着计算机技术和 控制技术的发展，各种软件系统、人工智能、在线监测等技术已逐步应用于吹灰优化。 北爱尔兰q u e e n 大学在优化吹灰领域作了大量研究工作，前期对灰污监测和吹灰周期优 化的模型进行了研究。现阶段致力于从吹灰对炉内能量分布和热力循环效率影响的角 度，对吹灰方案进行优化n0 l 。 经过理论研究与试验验证，国外一些现在使用的吹灰器优化系统，帮助运行人员确 定了吹灰策略。如b m s 和a p p l l e ds y n e r g i s t i c s 两家公司在传热直接测量、吹灰优化 软件及智能吹灰系统方面取得了显著的业绩，并联合推出全套锅炉清洁管理系统1 。 迄今为止，国外大部分d c s 供应商均开发了一些功能强大的火电厂优化运行软件， 如德国s i e m e n s 公司的s i e n e r g y 系统、美国e l a g hb a il e y 公司的p e r f o r m e r 系统、瑞 ：la b b 公司的o p tim a x 系统等。瑞：l ja b b 公司的o p ! ii n ；, t x 足存线的电厂效率计算软件包 引，其中的锅炉清洁( b o il e l c 1e a n lin e s s ) 模块能够存：线计算锅炉各个受热而的清洁柙 华北电力大学硕士学位论文 度以及每个受热面入口的烟气温度，并将计算结果用于优化锅炉吹灰器的运行程序。美 国g e 公司的商业软件锅炉管理工具o p t i f i r e n 副，能够在优化电站运行的同时，减 少炉膛结渣并实现吹灰的优化。德国斯递亚克电力公司的运行优化管理系统( 简称s r 4 ) n 躬可实时、动态地指导工人操作，使设备在最优化情况下运行。 近两年，人工智能领域的研究空前活跃。国外各科研院所相继开展了基于模糊系统、 神经网络以及专家系统等智能技术的灰污染监测和吹灰优化系统的研究。如西屋公司的 s m a r tp r o c e s s t m 引，是一套由优化器和顾问器模块组成的智能软件，包括吹灰优化和 指导功能。第四届智能吹灰专题年会于2 0 0 2 年3 月在美国休斯顿召开，会议交流了智 能吹灰最新的研究动态与进展n 引。目前研究开发出的i s b ( 智能吹灰系统) ，并已在多家 电厂投入试用。 1 3 2 国内研究现状 国内关于吹灰优化的研究则起步相对较晚，从2 0 世纪8 0 年代以来才涉足研究，还 处在初级阶段。但如今，也已取得了一定的研究成果。 华北电力大学的在国内率先进行了燃煤电站锅炉受热面污染监测理论与实践的研 究工作，研制的燃煤电站锅炉结渣积灰计算机在线分析监测装置和吹灰优化软件，已经 成功应用于在某电厂3 0 0 m w 机组锅炉等国内数十台锅炉，产生了良好的经济和社会效益。 国内的其他科研单位也在进行着优化吹灰系统的研究，清华大学开发的锅炉对流受 热面积灰状态的在线监测系统，已应用于太原第一热电厂号炉，实现了受热面灰污状态 在线监测。东南大学周克毅教授等研究确定了锅炉积灰引起的热损失计算模型，并根据 经济性确定最佳吹灰时间周期间隔的方法；开发的电厂锅炉吹灰优化管理系统“刚，在 扬州第二电厂号锅炉上实现了积灰结渣在线监测和吹灰优化管理。华中科技大学研究的 电站锅炉优化吹灰模糊模型引，弥补了现阶段电厂以机组各受热面洁净因子( c f ) 值作为 唯一受热面积灰监测参数的电站锅炉优化吹灰方法的不足。东大金智公司的电站锅炉对 流受热面吹灰优化系统，这些系统提供了受热面的在线监测功能，并给出吹灰优化初步 的基本指导功能弛n 5 。清华大学与浙江大学采用灰污热阻作为灰污监测特征参数，对对流 受热面进行灰污监测。“牡。 机组的吹灰器系统大都采用p l c 控制吹灰程控，p l c 已成为了研究的热点，东南大学、 华中科技大学、国家电力公司热工研究院和西安交通大学等均致力于p l c 在锅炉吹灰程 控系统中的应用。此种可编程控制器按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利 用不断发展的新技术和新电子器件，逐步形成了具有面向工业特色的系列产品。但p l c 程序设计隐蔽，控制系统结构复杂，对于电厂热工人员的维护工作以及事故分析造成一 定的难，所以如今汁多研7 ( t p f t ! f l i 湖北省l 乜力试验研。岁e 院等也亿考i g 眦弋拧i 训。 综合同内外的发展：l 犬况和发展趋势，经济性监测与渗断系统的硬件正集巾向分衍i 华北电力大学硕士学位论文 式的工作站方面发展。而软件功能则从简单计算到分析，正朝通用化、智能化、专门化 方向发展，向全面性优化运行系统发展。 1 4 本文主要工作 本文针对国华北京热电分公司# 卜# 4h g - 4 1 0 9 8 - y m l 5 锅炉吹灰优化问题开展研 究。首先开展了锅炉优化吹灰的试验研究，进行了燃烧器区域吹灰器增加投入试验， 锅炉吹灰器吹损受热面的综合治理试验，# 1 、3 炉加装弱爆吹灰器试验。与此同时， 提出了一套适用于燃煤电站锅炉的受热面积灰、结渣在线监测方法。阐述了监测方 法的基本原理，并在此基础上开发了一套锅炉受热面积灰、结渣在线监测系统来指 导和优化吹灰过程。该系统主要包括两个部分：一个是基于现有数据采集系统( d a s ) 的对流受热面的积灰在线监测；另一个是在锅炉炉膛水冷壁的监测区域安装新的测 点，对各个部分进行结渣在线监测。这两部分的在线监测技术基本原理都是一样的： 首先通过分析提取监测参数，然后采用独立的计算模块得到受热面的实际吸热量 ( 或实际热流密度) ，并借助神经网络预测对应工况下受热面理想的吸热量( 或者 热流密度) ，这样就可以利用实际吸热量( 或实际热流密度) 和理想吸热量( 或理 想热流密度) 的比值得到监测参数的数值。在选择监测参数的过程中，本文放弃了 传统的灰污系数和热有效系数，而选择了更易于监测的灰污特征参数。基于以上理 论，在不增加新测点，或者只增加个别测点的条件下，开发了锅炉受热面的积灰结 渣在线监测系统和优化吹灰指导，并投入现场应用，为机组的安全和经济运行提供 保障。 华北电力大学硕士学位论文 第二章锅炉优化吹灰的试验研究 国华北京热电分公司# 1 - # 4 锅炉于1 9 9 9 年投产，4 台锅炉均为哈尔滨锅炉厂生产单 锅筒集中下降管n 形布置固态排渣煤粉炉。锅炉型号为：h g - 4 1 0 9 8 - y m l 5 。该锅炉原 设计煤种为大同煤，2 0 0 0 年锅炉燃煤改为神华煤后，由于神华煤灰熔点较低( t 。约11 0 0 ) ，多次造成锅炉结焦停炉。结焦问题成为威胁安全生产的一大难题。 锅炉吹灰器布置情况如下：炉膛原配备2 8 台i r 吹灰器( 伸缩式水冷壁吹灰器) ， 分布在燃烧器上部水冷壁区域，吹灰器工作介质为蒸汽，其压力1 1 - 2 5 m p a ，温度4 0 0 ，流量4 4 t h 。过热器对流受热面配备1 2 台i k 吹灰器。 2 - 1 燃烧器区域吹灰器增加投入试验 锅炉原设计炉膛装配有短行程吹灰器，布置在燃烧器区域的上方。燃烧器区域周围 的水冷壁没有吹灰器，无法清除挂在其上面的积渣。运行中发现燃烧区结焦较为严重， 因此利用小修机会在燃烧区新装8 台i r 吹灰器。增装的吹灰器的技术参数如下： 吹灰器型号i 卜3 d 吹灰器喷嘴数量1 个 蒸汽耗量6 5 k g m i n 电动机功率0 1 8 k w 电动机电压 3 8 0 v 吹灰介质蒸汽 介质温度400 介质压力1 5 m p a 增装数量8 台 安装位置四侧水冷壁的燃烧器区域 布置方式每侧水冷壁的燃烧器区域上部、下部各一台 2 1 1 试验目的 本次试验的目的是为了考验新加装的吹灰器投入运行时对锅炉燃烧工况是否产生 影响，影响是否强烈；对主蒸汽温度影响程度的大小及对减温水系统调节性能的影响。 2 1 2 试验情况 试州d - , 一 。- i 化1 匕! r 1 1 肘坝汁的试验| f 的进i j ：考查，其绌粜_ j - 萎小钓：合预划的l 二j 车，j ：。，! 上体f 疗i 己 如f 。 9 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 基本负荷试投新增吹灰器 锅炉负荷3 6 0 t h ，手动控制投入吹灰器。投入顺序n 。、n 。、n 。、n 6 、n 。、n 7 、n 。、n 。 吹灰器投入过程中未发现任何燃烧器的火焰受到吹灰器汽流的干扰，没有发现煤粉气流 轨迹变动现象。 c r t 画面火检显示正常，没有出现闪动现象。 吹灰过程中，n 。号吹灰器工作中，炉膛压力反正到7 6 p a ，n 6 、n 。、n 8 也出现炉膛压 力反正，分别为4 1 p a 、l i p a 、5 5 p a ，锅炉零米值班员反映灰量大，堵塞灰沟。 ( 2 ) 锅炉4 0 0 t h 负荷工况试验 此工况共计5 2 小时。2 1 日8 时吹灰时投入顺控，吹灰器的工作顺序为n 。、n 2 、n 。、 n 。、n 。、n 。、n ，、n 。，先投新吹灰器下层，再投上层。吹灰时炉膛压力反正程度与2 0 日手 动吹灰时的状态基本相似。2 0 日手动控制吹灰时炉膛压力反正情况汇报：n 。6 1 p a 、n 。 7 6 p a 、n 22 4 0 p a 、n 。3 5 p a 、n 。1 0 8 p a 、n ，2 9 p a 、n 。9 6 p a 、n 。3 5 p a 。说明# 4 炉负荷较高时燃 烧器区域水冷壁结焦严重。 锅炉4 0 0 t h 负荷考验时吹灰器每班投入两次。 ( 3 ) 锅炉4 3 0 t h 负荷工况试验 此工况共计5 9 小时。2 2 日1 5 时新装吹灰器以顺控方式投入，炉膛压力反正情况： n l3 5 1 p a 、n 25 5 p a 、n 31 2 5 p a 、n 77 8 p a 、n 41 2 8 p a 。 2 3 同8 时吹灰一次，再次吹灰于1 6 时2 0 分开始，结果n 1 吹灰器工作时炉膛压力 反正到5 0 0 p a ，其它吹灰器工作时也有较大的炉膛压力反正现象。 2 1 3 结果及分析 ( 1 ) 锅炉负荷在4 0 0 t h 一- - 4 3 0 t h 时，新加装的吹灰器可以有效地清除燃烧区域水 冷壁所挂焦渣。在试投新增吹灰器期间，锅炉未发生异常掉焦。 ( 2 ) 锅炉负荷大于3 5 0 t h 时，投入新装吹灰器没有对燃烧工况产生不良影响。 ( 3 ) 投入新吹灰器时对汽温的影响较大，低温过热器反应强烈，一级减温水量大 幅度变化。吹灰时对过热器出口汽温略有影响，主汽温度下降2 3 。试验得到的吹灰 前后主要参数对比如表2 1 。 ( 4 ) # 4 炉在4 0 0 t h 及以上负荷时应保持每班两次吹灰的频率。2 3 日白班的经历 可充分说明每班一次吹灰将造成大量掉焦，可能危及锅炉安全运行。 表2 - 1 吹灰前后主要参数对比表 日期1 9 日9 时2 0 同l o 时2 0 同1 6 时3 02 2 日1 5 时1 2 分分 工况参数吹前吹后 吹前吹后吹前 吹后 吹前 吹后 负荷： 6 43 6 5： 9 83 9 54 0 64 ( ) ( )1 ： 0 1 3 0 减 一级左 ll8 9l56 4l ：6 51 46 4 沛i - 一级f j l l7 9 l l5 ( ) 1 2 ： 6 l ：；，1 1 1 0 华北电力人学硕士学位论文 水二级左6 o 6 07 o6 08 06 o 6 06 0 且 二级右5 55 68 24 36 74 36 o4 4里 炉膛左 7 9 57 8 78 4 78 1 48 3 98 1 38 4 48 2 8 出口 右 8 1 48 1 78 9 58 3 79 1 78 5 49 1 79 1 l 烟温 过热左 5 3 95 4 05 3 85 3 75 4 15 3 75 3 65 3 9 蒸汽右5 3 8 5 4 0 5 3 95 3 75 4 3 5 4 l 5 3 7 5 3 7 温度 炉膛压力 - 5 3- 6 2- 5 6- 7 0- 4 7- 8 2- 6 5- - 7 8 炉膛最高反 7 62 4 01 2 33 5 1 正压力 2 2 锅炉吹灰器吹损受热面的综合治理试验 自锅炉改烧神华煤以后，吹灰器每班投入1 - 2 次投入率在9 9 以上，从而明显提高 了锅炉运行经济性和锅炉的热效率。但一方面，吹灰器吹伤受热面管子问题却日趋严重。 2 0 0 1 2 0 0 4 年4 月受热面因吹灰器原因多次发生爆漏，2 0 0 3 年锅炉小修过程中检查发现 吹灰器吹损受热面管排量和程度在不断增加，当时也提出了一系列的治理措施、并做了 大量的工作、但局部治理，效果不大理想。锅炉吹灰器运行中吹损管子是影响机组安全 运行、造成爆管停炉的重大隐患。 2 2 1 存在问题及原因分析 2 0 0 1 年一2 0 0 4 年4 月，因吹灰器吹损管子造成泄漏临修统计见表2 2 。 表2 2管子造成泄漏临修统计 炉故障 时间部位原因分析缺陷分类 号类别 2 0 0 0 年7 月2 5 # 1 i r 一# 1 2 处右数第3 2 、3 4 吹灰器故 日根 吹漏 临修 障 2 0 0 1 年6 月8 # 4i r 一# 11 处第2 7 、2 8 根 吹漏 吹灰器故 临修 日 障 2 0 0 3 年2 月2 0 # 4 一级过热器i k 一0 7 处第 日4 7 排第2 根 吹漏管排变形临修 2 0 0 4 年4 月9 # 3i r - # 6 处北侧第4 根 吹漏 压力高、枪 临修 日杆行程短 2 0 0 1 年一2 0 0 4 年5 月，利用锅炉计划榆修和停备期问因吹灰器吹损更换超标管子并 加i 巩臃护扳统汁见农2 一： o 华北电力大学硕士学位论文 表2 3更换超标管子、加护板统计 炉原因分故障 时间部位缺陷分类 号析类别 检查发现过热器管子减薄超换管1 6 3 2 0 0 2 年4 月 # 3吹损 大修 标根 检查发现过热器管子减薄超 2 0 0 2 年4 月 # 4吹损换管6 根小修 标 检查发现水冷壁管9 根减薄 2 0 0 2 年4 月 # 4吹损补焊小修 超标 检查发现过热器管子减薄超 2 0 0 2 年5 月 # 1吹损换管6 6 根小修 标 2 0 0 2 年5 月 # l柃杏发现水冷擘管7 根吹损补焊 小修 检查发现过热器管子减薄超 2 0 0 2 年5 月 # 2吹损换管6 7 根大修 标 检查发现过热器管子减薄超 2 0 0 3 年5 月 并3吹损换管1 8 根小修 标 2 0 0 3 年5 月 # 3水冷壁管5 处减薄超标吹损补焊小修 2 0 0 4 年5 月 # 3水冷壁管吹损减薄超标吹损换管2 3 根小修 2 0 0 4 年5 月 # 3水冷壁管吹损2 1 处减薄超标吹损补焊小修 2 0 0 4 年5 月 # 4水冷壁管吹损减薄超标吹损换管2 根小修 2 0 0 4 年5 月 # 4水冷壁管吹损2 7 处减薄超标吹损补焊小修 运行中发现的问题总结如下： ( 1 ) # 卜4 炉i 、i i 级过热器，管排变形严重，吹灰器区域受热面管子第l 根一4 根 不同程度被吹伤。吹灰器区域设计上无防磨护板。( 见图2 1 ) ( 2 ) 锅炉正常