（控制理论与控制工程专业论文）锅炉结渣在线监测研究.pdf

摘要 摘要 燃煤电厂锅炉结渣一直是影响电厂安全经济运行的一个主要问题。目前国内 火电机组仍然占据主要地位，新一批大规模机组即将开始投入使用，因此快速 准确地对锅炉结渣状况做出判断，从而在最早的时间内采取相应的措施，对于 防止运行事故的发生、确保锅炉安全运行具有重要意义。 本文以吉林省某电厂一台6 7 0 t h 煤粉炉为研究对象，本文从实用性角度出 发，对近年来此领域的研究成果及进展进行了综合对比，确定了本课题的监测 方法：采用水冷壁背面温差法判断炉内结渣程度。通过数值模拟研究炉内工况 特性，确定了水冷壁危险壁温点的分布规律，经检验证明，通过该方法研究水 冷壁温度分布规律对课题的实际操作具有很高的参考价值；采用数据采集设备 保证监测数据实时、可靠地传递；经过神经网络模型计算出炉内结渣状况；最 后通过具备简单、高效且功能强大特点的编程语言d e l p l l i 开发出人机界面，完 成在线监测任务。 经过现场测试，本系统可实现对电厂锅炉运行中是否发生结渣情况做出实 时判断，可以帮助电厂人员随时了解锅炉运行状况，以便在锅炉有结渣倾向时 可以及时的采取相关措施，避免发生结渣事故，从而增强了机组运行安全性。 关键词：结渣；数值模拟；b p 神经网络；在线监测 东北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t b o i l e rs l a g g i n gh a sa l w a y sb e e nt h ep r i m a lp r o b l e mw h i c ha f f e c t ss a f ea n d e c o n o m i co p e r a t i o ni nc o a l - - f i r e dp o w e rp l a n t a tp r e s e n t ，d o m e s t i ct h e r m a lp o w e r u n i t ss t i l lo c c u p yt h em a j o rp o s i t i o n ，an e wb a t c ho fl a r g e - - s c a l eu n i t sw i l ls o o n b e g i nt ob eu s e d ，s oi ti sv e r ym e a n i n g f u lt om a k ej u d g m e n t sq u i c k l ya n da c c u r a t e l y t ot h es t a t eo ft h es l a gi no r d e rt ot a k ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e st oe n s u r es a f e o p e r a t i o na n dp r e v e n tt h eo c c u r r e n c eo fa c c i d e n t s i nt h i sp a p e r , s e l e c t i n ga6 7 0t hb o i l e ri na p o w e rp l a n ti nj i l i np r o v i n c e 嬲t h e s u b j e c ti n v e s t i g a t e d c o n s i d e r i n ga b o u tt h ep r a c t i c a b i l i t y , t h em e t h o do ft e m p e r a t u r e h e a di nb a c ko fw a t e r - - w a l li sa d o p t e dt oj u d g et h ed e g r e eo ft h ef u r n a c es l a g g i n g a f t e rc o m p r e h e n s i v e l yc o m p a r i n gt h er e s e a r c hf i n d i n g sa n da d v a n c ei nt h ef i e l di n r e c e n ty e a r s u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt or e s e a r c ht h ec h a r a c t e ro ft h ew o r k c o n d i t i o n si nt h ef u r n a c e ，r e g u l a t i o no fd i s t r i b u t eo fd a n g e r o u sw a l lt e m p e r a t u r e - - p o t so f t h ew a t e rw a l li sd e t e r m i n e d ，t h i sm e t h o dc o n t a i n sh i g hr e f e r e n c ev a l u ei nt h e a c t u a lo p e r a t i o n s d a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n ti su s e dt oa s s u r et h em o n “o f i n gd a t a c o u l dt r a n s m i t e dr e l i a b l yi nt h er e a l - - t i m e c o m p u t a t i n gt h es l a g g i n gs t a t eo ft h e f u m a c ei n s i d eb yb pn e u r a l - - n e t w o r km o d e l f i n a l l y , 晰t l lt h eh e l po ft h es i m p l e ， e f f i c i e n ta n dp o w e r f u l p r o g r a m m i n gl a n g u a g e d e l p h i ，d e v e l o p i n gt h em a l l m a c h i n ei n t e r f a c et oc o m p l e t eo n - - l i n em o n i t o r i n gt a s k s a f t e rf i e l dt e s t i n g ，t h es y s t e mc o u l dm a k et h er e a l - - t i m ej u d g m e n tf o rw h e t h e r t h e t h eb o i l e ri s s l a g g i n gd u r i n gt h eo p e r a t i n gp r o c e s s i tc o u l dh e l pr e l e v e n t p e r s o n n e lu n d e r s t a n dt h er u n n i n gc o n d i t i o n si no r d e rt ot a k ee f f e c t i v em e a s u r e st o a v o i dt h eo c c u r r e n c eo fa c c i d e n tw h i l et h e r ei st h et e n d e n c yt os l a g g i n g ，t h e r e b y e n h a n c i n gt h es e c u r i t yo ft h eu n i t k e yw o r d s ：s l a g g i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；b pn e u r a l - - n e t w o r k ；o n l i n em o n i t o r i n g 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 哆i1 _ 论文作者签名：望型!玺翌日期：巡年上月丑日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人 离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单 位仍然为东北电力大学。 论文作者签名： 导师签名： 盈! 扭 ；弘钞 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文 数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科 技信息研究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中 国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文全 文数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：囱硕士口博士 作者签名：盈：扬 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 指导教师签名：；亟堡量 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 在我国，火力发电在整个发电产业中一直占据着主要地位，国家对火力发 电的能源政策是动力用煤应尽量燃用低品位的劣质煤，因而在一定程度上引发 了锅炉受热面磨损、腐蚀、积灰和结渣等一系列问题。其中结渣是多年以来一 直影响燃煤锅炉安全运行的国际性难题之一，鉴于现有的技术水平而未能妥善 解决，极大地威胁着锅炉的安全、经济运行及设备的可靠性和可用率。 锅炉受热面结渣的危害主要体现在： 1 降低锅炉出力锅炉水冷壁结渣，辐射热吸收降低，会使蒸发量减少，为 了维持蒸发量( 汽压) 不变，就要增加风量、煤量。由于通风设备容量有限，加上 结渣使烟气流动阻力增加，可能引起风量不足，甚至锅炉被迫降低出力。由于 水冷壁结渣，对流热增加，会使过热汽温升高，为保持额定过热蒸汽温度，只 能降低锅炉出力。 2 降低锅炉效率锅炉受热面结渣减少了工质的吸热量，使排烟温度升高， 造成排烟热损失增大。资料表明，一台四角切圆燃煤锅炉燃用灰份为6 - 一1 0 、挥发份为2 5 3 8 的不结渣煤，在连续运行5 0 0 0 h 后，炉膛出现了轻微 结渣，而炉膛出口烟温则由1 2 3 0 升至1 4 0 0 。对于长期不吹灰，灰沉积使中 等容量锅炉( 1 2 5 m w ) 排烟温度升高1 5 1 8 ，相当于锅炉效率降低 0 9 - 1 2 。当燃用有结渣倾向的煤种时，锅炉效率会降低得更多【1 1 。如喷燃器 出口处结渣，影响煤粉气流的正常喷射，会因燃烧不完全而使锅炉效率降低。 以2 0 0 m w 锅炉为例，其燃煤量约2 0 6 0 t d ，即使所燃用煤粉灰份仅为1 5 ，每 天仍有4 0 0 t 左右的煤灰产生。因此随时效作用只要极小比例的扶份沉积就会产 生巨大的影响。而事实上保持受热面的清洁是不可能的，即使燃用不易结渣、 积灰的煤也不例外1 2 】。 东北电力大学硕上学位论文 3 出现积灰结渣的恶性循环水冷壁管在沾污的过程中，由于沾污层热阻很 大，灰层表面的温度不断提高，当局部热负荷过大，炉内空气动力组织不良， 火炬中心贴墙及灰熔点较低时，都会使积灰结渣迅速增长，严重影响锅炉的正 常运行。即使是正常运行的锅炉，由于沾污，水冷壁管温亦大大高于饱和水温 度。对一般锅炉，光管水冷壁灰污层温度只比火炬温度低2 5 0 - 4 0 0 c ，即便涂 上耐火材料的水冷壁也只比火炬温度低5 0 - - 1 5 0 ，因此为下一步积灰、结渣提 供了基础。当运行不正常、操作不当、煤质变劣等条件出现时，便会产生积灰、 结渣恶性循环。 4 产生高温腐蚀沾污后的水冷壁管受到灰和烟气复杂的化学反应影响，会 出现高温腐蚀，管壁厚度由外壁向内壁减薄。锅炉压力越高，就越容易产生高 温腐蚀。从发生高温腐蚀的部位来看，大多在布置喷燃器高度的区域内。国内 某些腐蚀严重的电厂，其水冷壁管年腐蚀量达0 8 2 - 2 5 m m 。国外燃用无烟煤的 液态排渣3 0 0 m w 机组也经常出现高温腐蚀，最大的腐蚀速度每年高达1 8 2 m m 。 5 增加能耗在传热减弱的情况下，为维持锅炉出力需要更多燃料，使引、 送风机负荷增加，因此引起电耗增加。另外，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，即发生所谓的“烟道再燃 烧”现象，其破坏性极大1 4 j 。 6 造成锅炉事故，影响机组安全运行过热器超温或爆管，炉内结渣，造成 炉膛出口烟温升高，使过热汽温升高；并列且过热器管束受热不均匀，造成热 偏差加大，易引起过热器管超温破坏及水冷壁破坏。水冷壁结渣时，结渣部分 和不结渣部分受热不均匀，破坏正常的水循环，易引起水冷壁爆管事故。炉膛 上部的大焦块落下，可能砸坏灰斗部分水冷壁管。打焦不慎会打坏管子，还可 能导致灭火和停炉。打焦时间过长或大块焦渣落下破坏锅炉底部造成大量冷风 漏入，降低炉温易引起灭火，冷灰斗严重结渣堵塞排渣1 ：3 ，将被迫停炉【5 9 1 。 以广东韶关钢铁集团有限公司的热电厂为例，该厂一台1 2 0 t h 的循环流化 床锅炉运行中常发生结渣事故，每次均停炉3 - - 5 天，正常时每天每台炉产生的 经济效益为1 0 万元左右，而且每次的点炉费用为2 5 万元左右，因此一次锅炉 第1 章绪论 结渣事故给热电厂带来的经济损失为3 5 - 5 2 万元【l o l ：1 9 9 3 年3 月1 0 日北仓电 厂6 0 0 m w 进口机组的1 舟炉因炉内严重结渣引起爆破事故，导致严重的设备损 坏和2 0 多名人员伤亡；1 9 9 9 年1 2 月上海南市吴径热电厂3 0 m w 机组在 b m c r ( 锅炉最大连续负荷) 下运行1 0 4 小时后发生了炉内严重结渣故障，不得不 停炉清渣 2 2 1 。 因此，预防和减轻电厂锅炉受热面积灰结渣是确保机组安全经济运行的重 要途径之一。近年来，国内外电力企业纷纷在降低发电成本方面挖掘潜力，改 烧品味较低( 通常灰分高且灰熔点低而价格低得多) 的煤，以追求更大的经济 效益。但产生的问题之一就是锅炉受热面的积灰结渣严重。目前，我国大机组 燃用煤约属于易结渣煤，加之我国电厂燃用煤质多变，经常较大偏离设计值， 几乎都存在着不同程度的积灰和结渣现象。 在发达国家，燃煤电厂锅炉积灰结渣在线监测技术已引起了格外关注，并 有选择性地在一些大型燃煤电厂锅炉机组上进行了实施，取得了可观的效果。 我国在这一领域的研究则处于初期阶段，在电厂锅炉工程实践应用方面还未形 成完善的体系，因此，从实用性角度针对锅炉结渣在线监测进行研究非常具有 实际意义。 1 2 影响燃煤锅炉结渣因素 锅炉结渣是燃煤锅炉运行中普遍存在的问题，结渣是煤粉炉中熔融的焦粒 粘结在受热面上的一种现象。一般在锅炉水冷壁，冷灰斗上部和炉膛出口处及 一次风出口，二次风出口处容易结渣，轻则影响传热，迫使锅炉降负荷运行， 降低锅炉的效率；重则导致非计划停炉或造成重大安全事故，是危及锅炉安全 经济运行的一大难题。 锅炉发生结渣多是各种因素复合作用的结果，主要因素有5 个【3 】： 1 煤质特性主要包括煤灰熔点、灰成分、灰粘度特性； 2 燃烧区域的温度水平和热流强度包括炉膛截面热负荷、容积热负荷、燃 烧器区域热负荷、炉壁热负荷等； 3 炉内燃烧的空气动力场特性主要指气流偏斜、贴墙、冲刷水冷壁或卫燃 带) ： 东北电力人学硕士学位论文 4 燃烧器( 或一次风喷口) 输入热功率、燃烧器结构和布置方式； 5 炉壁附近气氛。 1 3 国内外发展概况 从上个世纪9 0 年代初开始，燃煤电站锅炉受热面积灰结渣在线监测和智能 优化吹灰技术的开发与示范在国外工业发达国家已经引起了高度的重视。目前 此类监视系统已经成为维持燃煤电站锅炉安全经济运行的一个重要技术手段。 1 测量炉膛出口烟温炉膛结渣直接影响炉膛传热效果，而炉膛传热又直接 决定着炉膛出口烟气温度。在锅炉负荷一定的条件下，当锅炉受热面结渣时， 灰层的热阻使得灰层外壁面温度升高，反向辐射更强烈，从而受热面吸热量减 少，炉膛出口烟温升高。所以可以通过炉膛出口烟温的变化来推断炉内整体结 渣状况。该方法在国外电站得到了极其广泛的采用，成为结渣监测系统的主要 组成部分。获得炉膛出口烟温方法分为直接测量法及热平衡计算间接测量法： ( 1 ) 直接测量法由于炉膛出口烟温很高，常规的热电偶难以长期运行，故 可行的方法并不多。使用最多的是光学方法，如光学高温计等，此外还有一些 新方法，如声学高温计、红外传感器等，但所需系统庞大。 ( 2 ) 间接测量法此方法需从省煤器入口或空气预热器入口测得烟温及相应 的汽水侧温度等，逆烟气的流程逐段进行各受热面的热平衡计算，推算炉膛出 口烟温。缺点是间接估算存在的的误差将影响结论的准确性和系统的可靠性。 该方法的可靠性取决于出口烟温的准确度，不足之处是无法通过测量，计算结 果判断出结渣的具体位置【1 1 6 1 。 2 热流计监测加拿大滑铁卢大学开发了针对炉膛结渣的监测系统。该系统 在炉膛水冷壁的易结渣部位安装了两类热流计，分别为清洁热流计及灰污热流 计。清洁热流计装有压缩空气吹扫装置，保持热流计表面处于清洁状态，用来 测量锅炉受热面清洁状态下接受到的火焰辐射热流；灰污热流计则和水冷壁一 样遭到沾污，用来测量锅炉受热面实际吸收的热流。灰污热流计的输出信号取 决于两个因素的作用：一个是炉膛火焰的辐射热流，另一个是热流计表面的灰 污沉积。清洁热流计的输出信号则只受炉膛火焰的辐射热流影响，比较两种热 流计的信号，对水冷壁的灰污程度做出判断。w y r m y c k y j 等人建立了基于热流传 第1 章绪论 感器的受热面积灰结渣诊断系统，该系统在加拿大s a s k a c h e w a n 电力公司的 b o u n d a r yd a m 电厂3 号机组上进行了实际应用。在炉膛水冷壁表面上焊接了8 2 只“沾污热流计，在观察门孔中安装了1 3 只“洁净”热流计。“沾污”热流计随炉 膛水冷壁一样受到沾污以测量水冷壁管实际所吸收的热流量。“洁净”热流计装有 相同的传感装置，但通过清扫空气使其保持清洁。“洁净”热流计显示出在此位置 理想吸热量。比较实际热流量( 沾污热流计的信号) 和可用热流量( 洁净热流计的 信号) ，来判断沾污程度。实践证明，该系统在优化吹灰和运行、提高可用率、 减少因除渣降负荷的次数、增加机组出力、提高效率和减少吹灰蒸汽耗量等方 面发挥了重要的作用。缺点：除了造价较高之外，在长期运行过程中保持清洁 热流计的清洁状态也是很困难的。 l e v e r t 等提出了另一种监测方法：在特制的热流计内部增加一个脉冲加热 器，通过热流计对脉冲加热信号响应时间的长短来表征灰污程度。这种热流计 结构复杂，在使用前需针对脉冲加热信号在不同灰污状态下的响应时间进行标 定。另一些人对对流受热面的灰污监测进行了大量研究。德国s t a u d i n g e r 电厂5 号机组上安装有用于保持受热面清洁的新型锅炉诊断系统。该系统的基本原理 是：通过比较受热面的实际换热系数( 通过在线测量数据计算得出) 与无灰污 时的理想换热系数( 由传热计算得出) 表征受热面灰污程度的专门系数。以此 来实现吹灰器的优化控制【1 7 , 1 8 】。 3 直接观测直接诊断是通过仪器设备对炉膛受热面直接观察进行监测。由 于炉内环境恶劣，且缺乏合适的装置和评判方法，可采用的诊断方法并不多。 a f o n s o 等人通过装在不同位置的红外成像相机直接测量水冷壁表面的辐射发射 率来反映壁面的结渣状况。实践表明，它与炉膛出口烟温结合，可较好实现对 结渣的监控。此外，还有一些采用照像或摄像的直接诊断方法。一些研究者曾 采用f o u r i e r 变换红外发射光谱，研究小型试验炉中煤灰沉积的形成过程，通过 光谱分析，可识别二氧化硅、硅酸盐和硫酸盐等，用以分析沉积物的特性变化。 该方法还处于初始阶段，若要用于锅炉受热面灰沉积过程的直接诊断还需要在 光谱特征确定沉积物成分、组成和反应过程上实现突破【1 9 。2 。 4 水冷壁背面温差监测清华大学煤粉炉水冷壁结渣诊断通过分析炉内结 渣对膜式水冷壁温度场的影响，发现水冷壁管背火侧鳍端温度和鳍根温度之差 东北电力火学硕上学位论文 的大小主要受水冷壁表面结渣厚度的影响【2 2 】，所以当炉内有结渣生成时，可以 通过测量温差的大小来推断出炉内结渣的实际情况。该方案还处于研究阶段。 1 4 本课题主要研究内容 本课题采用水冷壁背面温差法来研究炉内水冷壁结渣程度。 1 首先通过数值模拟来了解研究对象的相关特性： ( 1 ) 通过数值模拟分析炉膛内整体燃烧状况，并确定危险壁温点的相对位置。 ( 2 ) 通过数值模拟来分析局部水冷壁背面温差分布规律。 2 针对研究对象建立b p 神经网络模型。 3 采用数据采集设备保证监测数据实时，可靠地传递。 4 锅炉结渣监测界面的开发通过d e l p h i 开发出人机界面，对实时采集的 数据进行在线计算，显示监测结果。 第2 章结渣的机理及数值模拟 第2 章结渣的机理及数值模拟 2 1 锅炉结渣的机理分析 燃煤锅炉的炉内结渣既是一个物理化学过程，也是一个非常复杂的流体力 学过程。影响锅炉结渣的因素因素很多，其中煤的自身结渣倾向、炉内温度水 平、温度场及炉内空气动力工况是影响结渣的主要因素。对新设计的锅炉，防 止结渣的主要措施是降低炉内燃烧器区域温度水平，使炉内热负荷均匀。对已 投运的锅炉，防止结渣的主要措施是从改善炉内空气动力工况入手。随着火电 机组的大型化，电站锅炉炉膛的几何尺寸不断增大，使通过锅炉冷态试验来了 解炉内气动特性更加困难，热态试验难以进行。因此，有必要寻求更加有效的 途径来研究炉内的结渣状况。 仅凭实验室决定的煤灰熔点高低来确定某煤种在锅炉燃烧时是否容易结渣 是不够全面的，因为煤灰熔点结渣是指受热面壁上熔化了的灰沉积物的积聚， 这除了与因受各种力作用而迁移到壁面上的某些灰粒的成分、熔融温度、粘度 及锅炉燃烧时的炉内氧化性气氛或还原性气氛有关以外，更重要的是煤灰熔化 温度不一定真实地代表从煤中析出单粒矿物质的熔化温度。原煤由有机物和无 机物组成，煤粉的制备过程中增大了无机物颗粒的析出能力。研究表明，所制 成的煤粉中4 0 到7 0 颗粒是煤的固有矿物质成分，2 0 到4 0 的颗粒由原煤 和外来矿物质夹杂物组成，1 0 到4 0 的颗粒只含有外来的矿物质。这种被分 离出来的某些低熔点矿物质，例如黄铁矿( f e 2 s ) ，在流经火焰时被熔融，在与 壁面相碰撞时便可能出现结渣。熔融是指煤灰中不规则的颗粒转化成球体的状 况。 水冷壁在沾污的过程中，由于沾污层热阻很大，灰层表面温度不断提高， 当局部热负荷过大，炉内空气动力场组织不良，火炬中心贴壁及灰熔点低时， 都会加剧积灰、结渣，严重影响锅炉的正常运行。当燃用劣质煤时，以上情况 更为严重 2 2 , 2 4 。 东北电力大学硕士学位论文 2 1 1 煤粉灰粒受力分析 受热面的积灰和沾污是炉内受热面结渣的前奏，他们是相互有机联系的。 灰粒主要受以下力的作用而沉积在炉内受热面上： 1 分子间的吸引力当灰粒较细时，分子间的吸引力就比灰粒自身重力大， 使微小的灰粒在受热面附近飞过时受到吸引。 2 重力沉降灰粒较大时就可能会由于重力作用而沉降到受热面上。 3 热泳力细的灰粒飞近水冷壁时，由于水冷壁面温度比火炬温度低，使灰 粒正反面受到不同的热泳力的作用，使灰粒向水冷壁运动。有资料证明，对于 极细的灰粒，热泳迁移力起着很重要的作用，使细灰沉积于垂直的水冷壁上( 其 运动方向和气流上升速度相垂直) 。 4 机械网罗作用受热面有铁锈时，往往以尖刺的形式出现，能轻易地网罗 一些小的灰粒。 5 凝结作用燃料中的碱金属氧化物( 如k 2 0 、n a 2 0 等) 及其他一些氧化物 ( 如s i 0 2 、a 1 2 0 3 、g e 0 2 等) 在炉内高温下会升华为蒸汽，而在较冷的受热面上凝 结，一般以极细的晶粒出现( 直径为o 1 - - 0 2 a m 左右) 。 6 流动摩擦产生的静电吸引力金属或碱金属氧化物( 如a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 等) 往 往带负电，碳和硫往往带正电，如其聚集在管壁上易形成电场，使灰粒间相互 吸引。 7 气流脉动对灰粒的摩擦力炉内气流的横向脉动可使灰粒沉积在受热面 上。资料表明，对于6 0 7 0 斗m 的灰粒基本上已经不随气流一起脉动，当脉动频 率愈高时愈为明显。在炉内向上流动的烟气中，小于5 0 9 m 的煤灰粒就有可能随 气流的横向脉动而沉积在水冷壁上。横向脉动的存在也是细灰粒沾污受热面的 原因之一。 8 惯性分离作用如炉内空气动力组织不良，火炬直冲水冷壁，或在水冷壁 附近出现停滞涡流区，都可能引起灰粒分离并沉积在受热面上。 9 受热面沾污煤灰粒在气流中旋转速度达每秒几百至几千转，因而产生了 和气流方向相垂直的横向力，导致灰粒驶向受热面。 以上作用力往往是相互作用的，并不是孤立的。正是由于以上各种力的作 - & 第2 章结渣的机理及数值模拟 用，在炉内受热面上形成了一层极薄的细灰层。燃烧过程中升华出来的碱金属 和其他金属氧化物与烟气中的s 0 3 起化学反应形成这些金属的硫酸盐类，这些 盐类具有较低的熔点，附着在细灰层上形成粘结密实并且熔化的灰白色渣层， 受热面沾污灰层随着其厚度的增加，热阻增大，灰渣表面温度升高，当温度高 于这些盐类的共熔体的熔点时，便被熔化，产生很大的粘结性，因而能大量网 罗烟气中的飞灰使灰层很快增厚，从而造成结渣。 2 1 2 结渣的形成过程 1 煤灰颗粒向水冷壁的靠近炉膛中，煤粉燃烧后生成的细小颗粒以及灰渣 中的某些活性成分选择性沉积或熔融性沉积成初始层是炉膛结渣的重要环节。 灰粒的输运过程主要有三类： 第一类为挥发性灰粒的气相扩散，第二类为热迁移，第三类为惯性迁移。 对小于l g m 的灰粒和气相灰分的输运，主要是以下三种扩散输运( 见图2 1 ) ： 费克扩散、小粒子的布朗扩散及湍流漩涡扩散。对于1 l o l a m 的灰粒，热迁移 是最重要的输运机理。热迁移是由于炉内温度梯度的存在而使小粒子从高温区 域向低温区域运动，它是造成灰分沉积的重要因素。对于大于1 0 1 t m 的灰粒，惯 性力是组成灰粒向水冷壁面运输的重要因素。当含灰气流转向时，具有较大惯 性动量的灰粒会离开气流而撞击到水冷壁面。 图2 1 煤灰颗粒的输运 2 灰渣在水冷壁管上粘结增大形成初始沉积层后，初始层的厚度会不断增 加，影响水冷壁管传热效率，引起其表面温度升高，这样初始层的粘聚力和粘 东北电力人学硕士学位论文 附力也会随之增强，使其能迅速捕捉飞灰形成固态沉积物，从而形成固态沉积 层。灰粒的粘结与这样一些因素有关：水冷壁管表面温度初始灰渣层和管壁的 热和化学兼容性熔融灰粒的表面张力。 当固态沉积层达到一定的厚度后，其表面温度已经很高，因此一方面捕捉 飞灰，一方面形成半熔态沉积物，从而形成半熔态沉积层。 由于灰粒的形成机理和输运机理不同，灰渣在水冷壁管上存在二个不同的 过程：一个是初始沉积层的形成过程，该沉积层是厚度0 2 - - 一0 5 m m 的化学活性 高的薄灰层，由尺寸小于5 1 x m 的灰颗粒组成。对于结渣倾向大的煤种，初始沉 积层主要由挥发的灰组分在水冷壁管上冷凝而成对于结渣倾向小的煤种，初始 沉积层主要由挥发的灰组分冷凝和微小颗粒的热迁移沉积共同作用而形成。初 始沉积层具有良好的绝热性能，它的形成会使水冷壁管外表面温度升高。另一 个沉积过程是较大的灰粒在惯性力作用下冲击到管壁的初始沉积层上，当初始 沉积层具有粘性时，它捕获惯性力输运的灰粒，使渣层厚度迅速增加。 3 渣层在水冷壁管的形成随着沉积层厚度不断增加，积灰层表面的温度不 断升高，最终使灰粒呈熔融态，成为熔融态沉积物，这时渣层正式形成。 锅炉结渣是十分复杂的物理化学过程。当炉膛内的温度较高时，一部分灰 已呈熔融或半熔融状态，若这部分灰在到达受热面前未得到足够冷却成为凝固 状态而仍然具有较高粘结能力时，就容易粘附在受烟气火焰冲刷的受热面或炉 墙上，因渣层热阻较高，外表面温度便升高，甚至达熔化状态，这样，容易粘 附熔融或半熔融状态的灰粒和未燃尽的焦炭，使结渣不断发展。另外，在燃烧 过程中煤中所含的易熔或易气化的物质，多系碱金属化合物，迅速挥发，呈气 态进入烟气中。当温度降低时即凝结，或者粘附在受烟气火焰冲刷的受热面或 炉墙上，粘着其他颗粒，或者凝结在飞灰颗粒表面成为熔融的碱化物膜，然后 粘附在受热面上形成初始结渣层，成为结渣继续发展的条件【5 1 。 2 1 3 原煤积灰结渣特性的判据 煤质潜在的结渣程度是影响炉内结渣的重要因素。从长远来看，我国多数 主要动力煤产区都富藏灰熔性温度很低的煤，对于采用常规煤粉燃烧方式的锅 炉来说，炉膛结渣将一直是设计和运行上需要认真对待的问题。 第2 章结渣的机理及数值模拟 1 常规煤灰成分结渣指标 现行的灰成分是以组成灰的各元素最高价氧化物质量百分数给出的 2 3 1 ： s i 0 2 + a 1 2 0 3 + f e 2 0 3 + m g o + n a 2 0 + k 2 0 + t i o x + p 2 0 s + s 0 3 = 1 0 0 ( 2 - 1 ) 由于灰的氧化物组成不同，或者在某种条件下，某种或某几种氧化物含量 的变化将改变化合物的构成，而对煤灰总体的熔点、粘度产生不同影响，因此， 建立了灰成分结渣指标。主要的有： ( 1 ) 碱酸比b a 煤灰中的酸性成分( s i 0 2 、a 1 2 0 3 、t i 0 2 ) 比碱性成分( f e 2 0 3 、 c a o 、m g o 、n a 2 0 、k 2 0 ) 的熔点普遍要高一些，煤灰中的酸性成分多会使煤灰 熔点高，因此可以用碱酸比来衡量煤灰结渣的难易。 b a = ( f e 2 0 3 + c a o + m g o + n a 2 0 + k 2 0 ) ( s i 0 2 + a 1 2 0 3 + t i 0 2 ) ( 2 - 2 ) 对于固态排渣煤粉炉，煤粉的结渣界限标定为： b a 1 6 5 0 ( * c ) 为轻微结渣； f s = 1 5 0 5 - - ，1 6 1 5 ( 。c ) 为中等结渣： f s = 1 3 2 5 - - 一1 5 0 5 ( 。c ) 高度结渣； f s 1 3 5 0 * c 或q n e t a r s _ 1 2 6 m j k g 的煤，一般 不具有结渣性；s t 1 2 6 m j k g 的煤，具有一定的结渣性，有 的还很严重【2 2 1 。 煤的熔融特征温度的测定，具有较大的测量误差。特别是当灰锥实际变形 状态与特征温度的定义不完全吻合时人为观察的误差更大。这样，煤灰的结渣 性就很可能被划分在错误的等级界限内。由此可见，煤灰熔融特性只能提供炉 内结渣倾向的粗略判断。通常，煤灰熔融特征温度较高的煤种大多不具结渣性， 而具有低或中等煤灰熔融特征温度的煤种，则往往还需要结合其他方法进行判 别。 2 美国的判别方法美国燃烧工程公司( c e ) 用来判定煤的结渣性的参数除灰 熔点外，还有狄的碱酸比、硅铝比、和铁钙比。c e 认为，b a 值在o 4 o 7 之 间，f e 2 0 3 c a o 值在o 3 3 之间以及s i o 矾蛆2 0 3 1 7 为结渣性的煤，s i 0 2 a 1 2 0 3 2 8 时，结渣性进一步增加。 3 前苏联的判别方法前苏联学者在研究库兹涅茨煤灰结渣特性时提出了结 渣温度( t j z ) 这一判别指数。公式为： t j z = 1 0 2 5 + 3 5 7 ( 1 8 - k ) ( 2 - 5 ) 式中： l f ( n a z o o ) o o 0 4 8 ( c a o + f e 2 0 3 ) z ( 2 - 6 ) 对于我国褐煤，t i z 的判别界限为： t j ： 1 0 2 5 ( 。c ) 属于轻微结渣； t j z = 9 6 0 1 0 2 5 ( c ) 属于中等结渣； 9 6 0 ( ) 属于严重结渣。 2 2 炉内工况数值模拟 由于电站锅炉试验的成本极高，并且还要考虑安全方面问题，许多研究者 在小型燃烧设备上对锅炉运行工况进行模拟，但可信度很低，随着计算机性能 的提高及仿真软件的开发，用计算机软件对研究对象进行建模并计算应用的越 来越广泛。 东北电力大学硕上学位论文 本文通过c f d 软件对吉林省某电厂的6 7 0 t h 煤粉炉进行了数值模拟，可以 针对设想的方案在计算机上通过该软件进行仿真计算，并逐步加以改进，从而 避免了直接在实际中试行未成熟的设想方案而造成的种种负面影响，尤其是安 全方面，还能节省大量的人力、物力及财力。 2 2 1 对炉膛总体燃烧工况进行数值模拟 该热电厂1 4 号锅炉系哈尔滨锅炉厂生产的h g 6 7 0 1 4 0 h m 9 型、单汽包自 然循环、“1 1 ”形布置、一次中间再热、固态排渣、煤粉锅炉。炉体尺寸参数如图 2 2 所示，燃烧器为四角布置，大切角四角切圆，每个角的燃烧器出口气流的几 何轴线均与炉膛中心的假想圆相切，使四角射流在炉内形成旋转的空气动力场。 燃烧器喷口采用均等配风方式进行布置及一、二次风喷口间隔布置，各个二次 风喷口风量分配接近均匀，有利于一、二次风较早混合，一次风煤粉气流着火 后能迅速获得足够的空气补充，从而促进其充分燃烧【2 5 1 。 1 网格划分在利用c f d 软件仿真过程中首先要针对仿真对象进行网格划 分。由于网格生成的好坏对模拟结果影响很大，因此，采用取何种网格结构就 尤为关键。考虑到结构网格索引方便，从而存储开销较小，并且该类型网格具 有贴体性，流场的计算精度可以大幅度提高【2 6 】，故采取结构化网格，相对于非 结构网格，结构化网格生成的难度较大，本例将炉体分为上中下三部分，对每 一部分分别生成结构化网格，并且对主燃烧区进行网格加密处理，见图2 3 。考 虑到数值计算中的伪扩散对模拟结果准确性和运算收敛性的影响，故对主燃烧 区水平网格结构采取如图2 4 所示进行划分，使网格线与流动方向的夹角偏离 4 5 0 ，确保流场方向与网格线方向基本一致。 对比表明：结构化网格的网格数量比非结构网数量减少一半左右，而且计 算速度与收敛速度都明显加快，收敛效果也更好。 2 模型计算煤粉在炉膛内燃烧过程大致为：煤粉受热，水分析出_ 继续受 热，绝大部分挥发分析出，挥发分首先着火一引燃焦碳，继续析出残余的部分 挥发分，挥发分与焦碳一道燃尽_ 形成灰渣【2 7 】。锅炉燃用煤煤质分析结果参数 见表2 1 。 ! 匣谚 图2 3 炉体网格结构 二j 图2 - 4 燃烧器水平面网格 表2 1 煤质分析结果 c a rh a ro a rn a rs a rv d a fm a ra a r q a r , n c t 3 1 5 7 2 2 2 9 0 7 0 5 7 0 4 3 4 8 4 9 2 6 3 2 2 9 8 2 14 3 4 4 k j k g 本算例采用组份燃烧模型，用标准舡8 紊流模型模拟气相湍流运输，用辐射 模型，计算辐射传热，对煤粉挥发分释放采用双匹配速率模型对气相流场采用 非错列网格方法来求解，对固体颗粒相的求解则采用随机颗粒轨道模型。 解化学物质的守恒方程时，通过第i 种物质的对流扩散方程预估每种物质的 质量分数，7 。守恒方程为： 昙( p i ) + v g 丽r ) = 一v z + 足+ s ( 2 。7 ) 其中r ，是化学反应的净产出率，西为离散项及用户定义的源项导致的额外 产生速率。在系统中出现种物质时，需要解- 个方程。由于质量分数的和 为1 ，第种物质的分数通过l 减去j 个已解得的质量分数得到。 标准抽模型需要求解的湍动能及其耗散率8 方程分别为： 掣+ 掣= 刍象崩g kg b 一, 0 6 y m & 西锄 锄& ，j 锄i 东北电力大学硕士学位论文 挈- i 一半挚= 毛i ( + 筹) 言| + c # k ( g + c ，岛) 一c z 妒k + ( 2 - 9 ) 国锄锄昆，锄l 、 g 七表示由于平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项，gb 是用于浮力影响 引起的湍动能k 的产生项，表示可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响， o ，艮和如为经验值，& 和分别为湍动能k 与耗散率s 对应的湍流普朗 特数，& 和& 是用户定义的源项，胁是湍流粘性系数【2 8 】。 3 数值模拟结果及分析图2 5 ，2 - 6 及2 。7 是针对2 种不同工况温度场及速 度场的燃烧模拟结果： 囊 t e 骥 三 嬲 4 15 ；朝 l j i 毳 1 8 5 i3 8 0 9 2 0 4 6 0 0 0 霎 1 5 4 1 0 8 ：6 2 翥 ：15 j般 7 7 f鼹 霉 i 镬 f 每8 f雕l 目戮 一21 暑褒 ，11 1 r 叫160 h 150 警硅2h 1 1 07 ；4 r 一6 4 a ) 工况2 温度场( 单位：k )b ) 工况2 速度场( 单位：m s ) 酲 懈 6 7 0 6 2 3 5 7 6 嬲 兰 4 3 5 3 8 8 3 4 1 2 9 4 2 4 7 鳃 6 8 8 0 1 1 薹 i阻1 1 7 羹 l j 3 j氆 叠 艉 l9 8 ： d 9 4 ： 4 7 舳i聪ll 豢繁蒸篱灞i 1 2571 2 45 1 二36 。一2 25 一 二1 刍鬻 高戳h 139“1 128 = = j 拼 叫05 二= = j 弧 刊e4 震蒸滋蘸乏蕊 鲻 c ) 工况1 温度场( 单位：k ) d ) 工况2 速度场( 单位：m s ) 图2 5 第二层火嘴水平截面图 第2 章结渣的机理及数值模拟 4 6 。一 t n dk 鬯 娶? 5 5 1 前 三 鹈 4 7 1 4 6 3 4 4 2 4 0 4 薹 3 4 5 掰 1 1 0 9 0 5 0 囊 9 0 3 1 丽 ! 簟 i弱 ；溺 1 8 嚼 一4 2 0 2 46 a ) 工况2 温度场( 单位：k ) 4 c ) 工况1 温度场( 单位：k ) 震瑟黎 圉裂 卜一4 47 隧戮 n 一4 ：0 “4 11 l 一：93 l 狲 _ 一1 4o r 一：04 屠弱 h ：i 卜一198 _ 180 h6 2 一。14 4 r1 二7 躐 b ) 工况2 速度场( 单位：m s ) d ) 工况1 速度场( 单位：m s ) 图2 6 第三层火嘴下方水平截面图 4 0 一_ 縻1 l 冒 ? ： 托 呈 ；i 3 r 蕊溺 l罾 62 j j 黪 j “。 一一誊i ；懑 l r-_71 60 e jj h2 j ；7 ：_ j ；i 溱 萄 _ 4：024 a ) 工况2 温度场( 单位：k )b ) 工况2 速度场( 单位 1 7 ：m s ) 东北