（动力机械及工程专业论文）基于机组经济性与安全性的锅炉吹灰优化研究.pdf

摘要 摘要 国内电站锅炉主要以煤作为燃料 燃煤锅炉在运行过程中 各受热面不可避免地会出现灰污现 象 受热面积灰结渣不仅会降低锅炉效率 影响机组经济性 而且更是多种安全事故的隐患 吹灰 是清除灰污和保持受热面传热性能的一种有效手段 因此 如何对锅炉灰污进行实时监测 制定合 理的吹灰策略 成为国内外学者关注的热点 本文针对现状 对受热面灰污状态监测与吹灰优化问 题进行了深入的研究 主要内容如下 本文按照锅炉灰污的形成原理 形态和特性的不同 建立了受热面灰污的增长和吹扫模型 研 究了锅炉不同受热面的灰污实时监测方法 建立了基于软测量技术的炉膛灰污监测模型 建立了基 于热平衡原理的对流受热面积灰监测模型 建立了基于烟气压差法的空气预热器积灰监测模型 并 统一利用清洁冈子来表征各受热面的灰污程度 在分析了受热面灰污和吹灰对机组运行影响的基础上 提出了锅炉吹灰优化的经济性指标和安 全性指标 并全面解析了锅炉吹灰的各种损失和收益 结合受热面灰污监测模型 依据吹灰收益最 大化原则 计算得到受热面基础临界清洁因子 结合不同受热面各自的安全性 经济性要求 建立 一种动态综合评定受热面临界清洁冈子的方法 通过受热面实际清洁因子与临界清洁因子的比较 确定最佳吹灰时机 给出合理的吹灰指导建议 对锅炉运行中受热面产生的不可逆能量损失进行了 研究 得到了受热面各种熵产的计算模型 对不同受热面吹灰前后的熵产变化规律进行分析 在理论研究的基础上 开发了电站锅炉吹灰优化系统 并详细介绍了该监测系统的功能 总体 结构 相应的模块组成以及客户端界面 实际应用结果表明 该系统能起到指导和优化吹灰的作用 关键词 燃煤锅炉 积灰结渣 吹灰优化 清洁因子 经济性 安全性 吹灰策略 a b s t r a c t a b s t r a c t d o m e s t i cp o w e rs t a t i o n sm o s t l yt a k ec o a la st h e i rf u e l d u r i n gt h eo p e r a t i o no fc o a l f i r e db o i l e r t h e i n t e r i o rs u r f a c e si n e v i t a b l ye n c o u n t e rf o u l i n gp r o b l e m s a s hd e p o s i t i o na n ds l a gi nc o a l f i r e d b o i l e ri n t h e m a ip o w e rp l a n t n o to n l yd e c r e a s et h eb o i l e re f f i c i e n c ya n dt h ep l a n te c o n o m y b u ta l s oh i d d e nr u b l e so f m a n ys a f e t ya c c i d e n t s s o o t b l o w i n gi sa ne f f e c t i v em e t h o dt oc l e a nf o u l i n ga n de n h a n c eb o i l e rh e a t i n g s u r f a c e sp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e h o wt od or e a l t i m em o n i t o r i n gf o u l i n go fi n t e r i o rs u r f a c e s a n dm a k ea r e a s o n a b l es o o t b l o w i n gs t r a t e g y b e c o m et h e h o tr e s e a r c hi s s u e b a s e do nt h ec u r r e n ts i t u a t i o n t h i s d i s s e r t a t i o na d d r e s s e sf o u l i n gm o n i t o r i n ga n ds o o t b l o w i n go p t i m i z a t i o ni nc o a l f i r e db o i l e r s a n dt h e c o n t e n tc a nb ed e s c r i b e da sf o l l o w s a c c o r d i n gt o t h ec a u s a t i o n m o d a l i t ya n dc h a r a c t e r i s t i co ff o u l i n gi nd i f f e r e n tp a r t s t h em o d e l so f h e a t i n gs u r f a c e s f o o l i n gs e d i m e n ta n db l o w i n gh a db e e n s e tu p r e s e a r c h i n gt h ef o u l i n gr e a l t i m e m o n i t o r i n gm e t h o d so fd i f f e r e n tb o i l e rh e a t i n gs u r f a c e s e s t a b l i s h e dt h ef o u l i n gm o n i t o r i n gm o d e lo f f u m a c eh e a t i n gs u r f a c e sb a s e do ns o f ts e n s o rm e t h o d e s t a b l i s h e dt h ef o u l i n gm o n i t o r i n gm o d e lo f c o n v e c t i o nh e a t i n gs u r f a c e sb a s e do nt h eh e a tb a l a n c et h e o r y e s t a b l i s h e dt h ef o u l i n gm o n i t o r i n gm o d e lo f a i rp r e h e a t e rb a s e do nt h ed i f f e r e n c eo ff l u eg a sp r e s s u r e c l e a nf a c t o ri sc h o s e nt oe x p r e s st h ef o o l i n go f t h eh e a t i n gs u r f a c e s a f t e ra n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo nu n i tr u n n i n gb yf o o l i n ga n ds o o t b l o w i n g w ep u tf o r w a r dt h eu n i t e c o n o m i ci n d e x e sa n ds u c u r ei n d e x e so fb o i l e rs o o t b l o w i n go p t i m i z a t i o n w ea l s oa n a l y z e da l ls o r t so fl o s s a n di n c o m e so fb o i l e rs o o t b l o w i n gt o t a l l y a c c o r d i n gt ot h eb o i l e rh e a t i n gs u r f a c ef o u l i n gm o n i t o r i n g m o d e l s a n db a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm a x i m i z ep r o f i tc a u s e db ys o o t b l o w i n g c a l c u l a t ee v e r yh e a t i n g s u r f a c e sc r i t i c a lc l e a nf a c t o r c o m b i n i n gw i t hd i f f e r e n tr e q u e s t so ns e c u r i t ya n de c o n o m y c r e a t i n ga m e t h o do fd y n a m i cs y n t h e t i cd e c i s i o no nc r i t i c a lc l e a nf a c t o r t h r o u g ht h ec o m p a r eo fa c t u a lc l e a nf a c t o r a n dc r i t i c a lc l e a nf a c t o r d e t e r m i n et h ep e r f e c tt i m e o fs o o t b l o w i n g g i v et h ec o r r e c ts c h e d u l et o s o o t b l o w i n g i r r e v e r s i b l ee n e r g yl o s s e so fc o n v e c t i v eh e a t i n gs u r f a c e sd u r i n gc o a l f i r e db o i l e ro p e r a t i o ni n p o w e rp l a n t sw e r es t u d i e d c a l c u l a t i o nm o d e l sf o rd i f f e r e n te n t r o p yg e n e r a t i o n so fc o n v e c t i v eh e a t i n g s u r f a c ew e r eo b t a i n e d a n de n t r o p yg e n e r a t i o n so fd i f f e r e n th e a t i n gs u r f a c e sb e f o r ea n da f t e rs o o t b l o w i n g w e r ea n a l y z e d b a s e do nt h e s et h e o r i e s t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o pt h es o f t w a r eo fb o i l e rs o o t b l o w i n go p t i m i z a t i o n s y s t e m a n dd e t a i l e dd i s c u s s e dt h ef u n c t i o n t h es t r u c t u r e t h em o d u l e sc o m p o s i t i o na n dt h ec l i e n ti n t e r f a c e s o ft h eb o i l e rs o o t b l o w i n go p t i m i z a t i o ns y s t e m a c t u a la p p l i c a t i o nr e s u l t si n d i c a t e st h a tt h es y s t e mc a np l a y ac e r t a i nf u n c t i o no ns o o t b l o w i n go p t i m i z a t i o n k e y w o r d s c o a l f i r e db o i l e r a s hd e p o s i t i o na n ds l a g s o o t b l o w i n go p t i m i z a t i o n c l e a nf a c t o r s e c u r i t y e c o n o m y s o o t b l o w i n gs t r a t e g y i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它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已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意 坦 金 r f l 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可 以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研 究生院办理 签名 垴弛辱 导师签名 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论弟一早三百v 匕 能源是国民经济的基础产业 对经济持续快速发展和人民生活水平的改善发挥着十分重要的保 障与促进作用 国内外能源原材料价格上涨以及国家对火力发电企业大气污染物排放标准的不断提 高 使得企业增加了发电成本 同时国家政策正在鼓励开发利用核电 水电 风电等能源 随着技 术的不断成熟完善 水电 风电等可再生能源发电成本不断降低 电力市场占有分额逐步加大 对 火力发电造成竞争压力 我国电力行业现阶段仍以火电为主 目前我国的能源利用率较低 火电机 组年平均供电煤耗与国外先进水平相比还有较大差距 节能潜力巨大 火电厂是消耗一次能源的大 户 年消耗煤以数亿吨计 作为发电企业 不仅需要对自身机组的性能有全面的了解 对自身的发 电成本有准确的估计 而且要求对整个机组甚至整个电站进行全面优化 使企业的总体经济效益达 到最优 因此在以燃煤为主的火电厂开展节能降耗 优化电厂运行 实现火电厂的高效经济运行 不仅能降低能耗 提高电厂自身的经济效益 还能有效地缓解我国能源紧张的问题 对整个能源工 业都有十分重要的意义i l j 锅炉是电站的关键设备 也是火力发电厂事故率最高的主设备 受热面积灰和结渣导致的表面 清洁度降低是引发设备事故的主要诱冈之一 灰粒在受热面上沉积后 由于其导热系数很低 热阻 很大 致使传热恶化 从而导致排烟温度提高 降低了经济性 为使锅炉维持所需负荷 必须增加 燃料量 而燃料营的增加义使积灰随之增多 形成恶性循环 最终导致安全事故的发生 如何有效 地防j 卜锅炉在运行中出现事故 保障锅炉的安全和经济运行已成为一项重要的课题 据不完全统计 我国当前运行的和在建的燃煤机组用煤 有半数以上属于易结渣型煤 受热面积灰和结渣 不仅会 降低炉内受热面的传热能力 还会引起与加剧锅炉腐蚀 降低受热面使用寿命从而就降低了锅炉的 可靠性和可用率 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 在保证发电和安全 运行的前提下 改烧品位较低 通常灰分高且灰熔点低 且价格低得多的煤 以追求更大的经济效益 但这种行为使受热面的积灰结渣愈加严重 j j 在各种避免严重积灰或结渣的技术措施中 运行中对受热面进行蒸汽或空气吹扫是一种有效的 且普遍采用的手段 4 j 目前 我国的大型电厂锅炉均装备了完善可靠的吹灰装置 按设定程序控制 定时定量投入吹灰 通常 在哑临界以上锅炉 技术经济性比较表明 采用压缩空气吹灰比蒸汽吹 灰更为有利 但考虑到工质取用方便 目前国内电站锅炉多采用蒸汽吹灰 但是 无论是空气或是 蒸汽吹灰 都要消耗大量的能量 譬如 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p j 另一方面 不适当的频繁吹灰会因磨蚀和热应力对受热面造成损坏 缩短受热面的寿命 同时也增加了吹灰装 置的维修费用 冈此 合理的吹灰策略 能提高机组的经济性与安全性 为了制定合理的吹灰策略 需要对炉内受热面积灰结渣的程度进行监测 并根据积灰结渣的状 况和运行需要 及时有效地进行吹灰 维持受热面的正常状况 保证机组的安全性与经济性 近年 来 一些f t 业发达国家十分重视燃煤电厂锅炉结渣积灰在线监测和优化吹灰技术的开发与应用 已 经在某些大型燃煤电厂锅炉上进行了示范实施 并取得提高锅炉运行经济性 安全性的效果 本文正是在此人背景下 研究和开发了电站锅炉吹灰优化系统 1 2 国内外相关课题的研究现状 锅炉吹灰优化系统包括受热面灰污状况的监测 吹灰模型的建立 制定吹灰策略进行吹灰三个 部分 下面分别从受热面积灰结渣监测技术的研究现状 国内外火电厂优化吹灰系统的研究现状及 国内外吹灰优化系统吹灰策略的研究现状三个方面 来简要说明吹灰优化技术的发展情况 东南大学硕上论文 1 2 1 受热面积灰 结渣监测技术的研究现状 国外工业发达国家对电站锅炉灰污监测进行了大量的相关研究和技术开发工作 并已经开发出 了一些各具特色的灰污监测系统 这些系统从功能上基本可以分为两类 一类是针对炉膛水冷壁的 灰污监测 另一类是针对对流和半对流半辐射受热面的灰污监测 6 j 前者大多需要安装额外的测量 装置和仪表 测量水冷壁接收的辐射热流等信号 后者大多依赖锅炉原有的数据采集系统提供必要 的测量信息 通过数学模型的计算确定受热面的灰污状态1 7 引 炉膛结渣情况大多是从炉内传热的变化来判断 往往采用某个传热参数变化来衡量炉内结渣程 度 如单位水冷壁吸热量 火焰平均投射热流 火焰平均温度 炉内灰污系数 灰污层热阻 灰污 水冷壁平均温度等 目前发展出的炉膛结渣监测方法主要有以下四种1 1 3 1 1 炉膛出口烟温诊断 炉膛沾污状况直接影响炉膛传热 炉膛出口烟温的变化过程反映了结 渣的整体情况 因此国外儿乎所有的结渣监控系统都采用炉膛出口烟温作为主要或重要的辅助诊断 手段 炉膛出口烟温可以由锅炉热平衡推断 也可以由光学高温计或声学高温计测量 所得数据准 确与否 将直接影响结渣沾污的诊断结果 它的缺点是无法监测炉膛局部结渣状态 2 采用热流计作为诊断传感器 用安装在水冷壁上的热流计表面的沾污模拟其附近水冷壁的 沾污过程 根据结渣造成的热流变化对其进行监控诊断 不同的监控系统关键在于热流计的形式和 安装位置不同 热流计法的原理是通过实际热流和有效热流比较 来对炉膛局部沾污状况进行监测 此法应用于炉膛结渣的局部和全面诊断 是目前国外的技术发展方向 3 直接观察诊断 采片j 照相或摄像和图像处理技术 直接观察受热面的结渣沾污状况是炉膛 可视化的一个重要目的 如a f o n s o 等人采用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 反映壁面的结渣状况 4 鳍片式水冷壁的背火侧鳍端温度法 有研究表明水冷壁背火侧鳍端温度受炉内结渣影响显 著 有较好的温度特性曲线 而且受其他因素影响较小 提出了以水冷壁背火侧鳍端温度作为诊断 炉内结渣严重程度的故障特征值 这种方法还处于研究和试点应用阶段 但因为其受炉内工况的波 动影响不大 可以作为诊断炉内局部结渣的主要特征参数 对流 半对流受热面管内外温度较低 各种参数测量较为方便 且这些受热面上同定测点也较 多 因而监测也较易实现 与一般的炉膛结渣状态的监测不同 这些受热面的灰污状态不能通过测 量局部热流来确定 这是因为这些受热面上的热流相对炉膛辐射受热面上的热流要小很多 在对热 流进行测量时会产生较人误差 虽然可以通过改进测量技术消除误差 但是经济上不可行 而且对 流 半对流受热段的高温 烟气腐蚀也妨碍了测量装置的安装 同时 这些受热面与炉膛辐射受热 面相比 不需要对受热面的局部积灰有具体了解 只需有一个反映受热面积灰状态的总体参数即可 它可以利用锅炉烟气侧及 t 质侧参数通过建模计算求得 目前国内外对电站锅炉对流 半对流受热面积灰监测大部分采用热平衡法 其基本原理是根据 传热过程中烟气侧和t 质侧的热最平衡关系 由工质侧的参数反推烟气侧的温度值 并结合锅炉受 热面的结构布置特性 根据灰污监测模型进行传热计算 得出各受热面的整体灰污状态 从而对电 站锅炉各受热面的积灰结渣程度进行判断 本论文在受热面积灰结渣监测过程中 对于炉膛采用软 测晕技术监测炉膛出口烟温 对于对流受热面采用热平衡原理计算受热面传热系数 对于空气预热 器采用烟气压差法进行积灰监测 1 2 2 国内外火电厂吹灰优化系统的研究现状 2 0 世纪6 0 年代后期以来 随着计算机技术和控制技术的发展 西方国家就开展了锅炉受热面 灰污监测方面的工作 但是由于仪表和自动化水平的限制 当时的工作主要限于定期的离线状态评 估 如d i a m o n dp o w e r 的基于直接测量方法的吹灰评估系统 七十年代后期以来 随着计算机 技术和控制技术的发展 美国电力科学研究院 e p r i 联合相关电力公司和电站共同开始对锅炉受 热面灰污在线监测问题进行全面研究 八十年代末 人工智能在电站锅炉受热面灰污监测中得到应 2 笙二童堑鲨 用 此后e p r l 陆续组织召开了多次智能吹灰专题研讨会 1 9 9 3 年美国国家科学基金会和e p r i 联 合召开的专题会议已把吹灰投用时间优化安排作为改善电站机组性能的重要研究内容i l 引 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 目 前e p r i 已研究开发出i s b 智能吹灰系统 并已在多家电厂投入试用1 1 5 1 6 1 加拿大滑铁卢大学开发了专门针对炉膛结渣的监测系统i i 该系统在炉膛水冷壁的易结渣部位 安装了圆盘式热流计 这些热流计分为两类 一类是清洁热流计 另一类是灰污热流计 清洁热流 计装有压缩空气吹扫装置 保持热流计表面没有灰污沉积 用来测量锅炉受热面能够接受到的火焰 辐射热流 灰污热流计和水冷壁处于同样的沾污状态 可利用其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 炉膛火焰的辐射热流随着锅炉负荷 燃烧器摆角 烟气再循环鼍 过量空气系数等运 行参数的调整而变化 清洁热流计的信号过滤掉了这些与灰污沉积有关的变化 并提供出一个参考 值 通过比较灰污热流计和清洁热流计的信号 可以判断出水冷壁的灰污程度 英国b m s 公司采用圆柱热流计测量水冷壁吸收的辐射热流密度 并且结合锅炉负荷等运行参 数的计算 实现了优化运行 l 引 b m s 使用的热流计直接安装在一段管子的表面 做成一个可以流通 工质的测量段 使用时截掉一小段水冷壁管 并用测量段来代替 b m s 公司已经在多台锅炉上应用 了这种灰污监测和吹灰优化系统 起到了提高锅炉效率 减少喷水量 减轻受热面腐蚀 降低 d 排放 预防结渣事故等作用 例如 美国威斯康星州d a i r y l a n dp o w e r 公司下属j p m 电厂一台3 7 7 m w 锅炉 已安装了1 5 只b m s 公司的热流传感器及相应的软件系统 基于灰污监测的吹灰优化将受热 面的平均热流从2 8 0 0 k w m 2 提高到4 2 0 0 k w m 2 省煤器出口烟温降低3 3 排烟温度降低2 2 接近最佳排烟温度 该系统一年的直接经济效益为ll o 万英镑 两个月收同成本 l e v e r t 等提出了另外一种监测方法 不再需要设置清洁热流计作为参考值 该方法使用特制的 热流测量装置 在热流计内部增加了一个脉冲加热器 利用热流计对脉冲加热信号响应时间的长短 来判断热流计表面的灰污程度 这种热流计的结构比较复杂 在使用前需要标定 确定热流计在不 同灰污状态下对脉冲加热信号的响应时间 另一些人的研究集中在对流受热面的灰污监测上 g e 公司的商业软件一锅炉管理工具o p t i f i r e 能在优化电站运行的同时 还能减少锅炉结渣并实 现吹灰策略的优化l i d i a m o n dp o w e r 公司开发了基于w i n d o w s 平台的电站锅炉清洁系统 其集成了锅炉运行监 测和故障诊断功能 并能通过智能自动吹灰实现吹灰优化 2 训 瑞士a b b 公司产品o p t i m a x 中的锅炉清洁模块能在线计算锅炉受热面的清洁度以及每个受 热面入口的烟气温度 并将计算结果用于优化锅炉吹灰器运行程序 该模块还以图形界面显示各受 热面灰污状况和吹灰效果 对运行人员给予吹灰指导1 2 国内的研究起步相对较晚 我国自二十世纪八十年代才开始锅炉受热面灰污监测和吹灰优化问 题的研究 至今已取得了一定的研究成果 一些系统也已投入使用1 2 2 2 4 近年来 我国建成投产的 3 0 0 m w 及以上的人型电厂锅炉 均安装了性能良好和运行可靠的受热面蒸汽吹灰清渣系统 并配 备了先进的计算机数据采集 处理 控制和运行管理系统 一次传感器和仪表的测量精度较以前大 幅度提高 这些都为实现在线监测分析和指导运行创造了有利的条件 华北电力大学的阎维平教授等 以电站锅炉整体 局部的能量和质量平衡原理为基础 在线检 测和处理锅炉机组的运行数据 开发了燃煤电站锅炉结渣积灰计算机在线分析检测装置和吹灰优化 软件系统 实时计算 分析和显示锅炉的经济与安全性能指标 降低了机组能源消耗 提高了锅炉 运行的管理水平和机组运行经济性1 2 副 系统主要功能包括 监测锅炉热效率和进行锅炉能损分析 监测各受热面的积灰 结渣状况并分析其对锅炉效率的影响 给出优化吹灰指导 提供计算燃料消 耗量 锅炉内部各区段的烟气温度估计值 飞灰可燃物软测量值 回转式空气预热器的漏风率和出 口氧量软测量值 监测高温受热面炉内最高管肇温度 提示不可信测量参数 显示实时图形 曲线 实时锅炉故障分析报警等 为锅炉机组运行提供动态优化管理 东南大学 清华大学和浙江大学等 科研单位也先后开展了这方面的研究工作 建立了基于热平衡 烟气压差法等新型方法的受热面灰 污监测模型 并开发了一些应用软件 如清华大学开发了锅炉对流受热面积灰状态的在线监测系统 3 东南大学硕士论文 实现了受热面灰污状态在线监测 2 6 l 东南大学周克毅教授等研究确定了锅炉积灰引起的热损欠计算 模型 并根据经济性确定最佳吹灰时间周期间隔的方法1 27 开发了电厂锅炉吹灰优化管理系统 实 现了积灰结渣在线监测和吹灰优化管理1 2 引 这些系统都具有锅炉受热面的在线监测功能 并给出了 初步的吹灰优化操作指导 近年来 人工智能领域研究空前活跃 国内外科研院所都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监测和智能吹灰系统的研究 取得了一些研究成果 这些成果的应用将 对优化和完善锅炉吹灰方案提供重要的帮助 如两屋公司的s m a r tp r o c e s s t m 它是一套由优化器和 顾问器模块组成的智能软件 其中包括吹灰优化和指导功能 吹灰优化器使用神经网络工具确定吹 灰频率和位置 使吹灰过程损失最小 并延长机组设备的寿命 吹灰优化器利用神经网络计算得到 锅炉各吹灰器区域的实际传热量 据此信息求出清洁系数并与理想值作比较 形成吹灰指导建议1 2 引 优化的结果可并入现有的d c s 形成闭环控制 也可供运行人员参考 西屋公司还提出基于模糊逻辑 的吹灰投用策略 使蒸汽温度和锅炉效率同时得到改善 3 引 美国h o n e y w e l l 公司于二十世纪九十年代 开始进行燃煤电站吹灰影响的数据分析 主要利用神经网络对炉膛结渣和对流受热面灰污建模 描 述灰污动态特性以优化吹灰周期 并利用p c a 等数学分析方法发现影响电站性能的主要因烈3 l j 1 2 3 国内外吹灰优化系统吹灰策略的研究现状 根据锅炉积灰结渣的影响分析 灰污对机组运行中的锅炉效率 风机电耗 超温爆漏 腐蚀磨 损 n q 排量有着重要影响 吹灰的首要目的是保证机组的经济性 但仅仅考虑机组经济性是不够 的 通过各种分析 人们越来越多的开始认识到吹灰对机组安全性的重要意义 目前 在优化的基础上 结合灰污对其他方面的影响提供吹灰策略的研究 已在国内外公开的 少量文献中提出 如美国能源研究中心 e n e r g yr e s e a r c hc e n t e r u s a 研究通过一系列热平衡计算 获得各受热面吸热量 清沽因子和灰污沉积程度 寻求 移 排放量 蒸汽温度波动 热耗率和其它 因素的均衡 以此确定吹灰周期 指导优化吹灰 r o m e r o 和p a v u n s k i 等认为吹灰策略的优化是权衡 n o 排量 蒸汽温度 排烟损失和吹灰成本等 决定何时吹扫锅炉何处 l e h i g h 大学能源研究中心 正致力于锅炉智能优化吹灰的研究 它借助数据挖掘方法 发现锅炉灰污和吹灰对蒸汽温度 减温 水流量 d 和烟尘排放量的影响 分析吹灰效果 实时在线优化吹灰动作 提出确定何时分组吹 扫锅炉何处 以满足吹灰优化 矽 和烟尘排放标准等目标的优化吹灰策略方案1 3 i 3 2 j 国内的研究也开始逐步从简单的提高传热能力 降低排烟温度等方面的优化 转向为提高锅炉 安全经济运行的优化 并以此为目标制定科学 合理的吹灰方案 如浙江大学杨卫娟等把提高锅炉 效率 降低引风机电耗 保证锅炉的调节性能和蒸汽温度品质 增加机组设备安全性能 延长受热 面管子使用寿命 降低n o x 排放等作为吹灰收益 把清洁介质热量损耗 驱动装置电耗 吹灰器的 折旧维修费用 受热面管道设备寿命损耗等作为吹灰成本 采用层次模糊评判作为吹灰优化方法1 3 3 1 如华北电力大学陈宝康等在受热面传热量优化的基础上 根据受热面灰污状况和其它运行需要 提 出合理的动态吹灰动作重组策略 以达到提高锅炉效率 协调汽温控制 延长管道使用寿命 降低 污染物排放的目的 华北电力大学朱予东等基于对流受热面灰污增长率的预测模型 灰污监测模型 吹灰优化模型 对6 0 0 m w 机组在提高锅炉效率 减少蒸汽消耗 延长管子寿命等方面 研究建立智 能吹灰指导系统 为锅炉吹灰提供吹灰策略1 3 引 本文在分析灰污及吹灰对机组各方面影响的基础上 结合上述文献研究成果 总结了吹灰优化 的经济性指标与安全性指标 并首次提出了基于指标分析的动态综合评定临界清洁因子的方法 建 立了基于机组经济性及安全性的优化吹灰策略 1 3 本文的主要内容 本文根据当前锅炉受热面积灰结渣实时监测技术的发展状况 对电站锅炉的不同受热面采取不 同的监测方法 在此基础上 综合考虑机组经济性及安全性 制定吹灰策略 确定吹灰周期 开发 4 出吹灰优化系统软件 并用于现场实际 除本章外 其它各个章节的安排如下 第二章从受热面积灰的形成机理出发 说明了受热面灰污的形态及特性 列举了锅炉受热面发 生积灰和结渣时可能会造成的危害 合理考虑积灰的增长以及灰粒的剥蚀 分析受热面的灰污随时 间 烟气流速等影响因素的变化规律 并在此基础上建立了受热面灰污增长模型与吹扫模型 通过 实时数据对灰污增长模型与吹扫模型进行了简单的验证 最后对目前电厂采用的几种吹灰方式进行 了简单介绍 第三章提出利用炉膛出口烟温监测炉膛内灰污状态的方法 建立了基于热平衡原理的对流受热 面积灰监测模型 提出了基于烟气压差法的空气预热器积灰监测方法 通过建立的模型来实时监视 受热面灰污状态 第四章分析了受热面积灰对各受热面吸热量大小的影响 阐述了积灰对炉膛 高温对流受热面 和尾部受热面传热性能的不同影响 给出了吹灰优化的经济性指标和安全性指标 通过监测这些参 数的实时变化趋势 可以了解机组的运行情况 从经济和安全两个方面考虑吹灰的优化投用问题 最后分析了当机组实际负荷变化时 负荷变化对锅炉灰污监测的影响 第五章介绍了锅炉吹灰损失及吹灰收益的具体组成 并将其分为吹灰给机组运行带来的直接影 响和间接影响两类 建立了基于吹灰收益最大原则的优化吹灰策略 通过吹灰收益最大原则确定受 热面临界清洁因子 结合受热面灰污监测模型及临界清洁因子 确定吹灰频率及吹灰周期 首次提 出了动态综合评定受热面临界清洁因子的方法 并以炉膛 省煤器受热面为例来说明 最后介绍了 基于热力学第二定律的锅炉吹灰熵产及受热面各种熵产的计算模型 分析了受热面发生灰污及吹灰 时各种熵产的变化趋势 与基于热力学第一定律的吹灰损失与吹灰收益进行比较分析 第六章介绍了基于厂级信息监控系统的电站锅炉受热面积灰结渣在线监测与优化吹灰系统 并 对其客户端界面进行了说明 该系统实现了燃煤电站锅炉的受热面灰污监测和优化吹灰 得到了用 户较好的评价 第七章是全文的结论与展望 对本文的主要内容进行同顾和总结 并指出今后进一步工作和研 究的方向 5 东南人学硕士学位论文 第二章锅炉受热面污染机理与吹灰概述 我国现阶段发电仍以火电机组为主 火电机组以煤为燃料 现有供煤和配煤系统尚有许多不完 善之处 使电站锅炉燃片j 煤质难以得到保证 目前 我国大型机组燃用的煤种约5 0 属易结渣煤 加上我国电厂燃用煤质多变 经常偏离设计值较大 因此儿乎都存在不同程度的结渣问题 实践证 明 吹灰是清除灰污和维持锅炉受热面清洁的一种极为有效的手段 它能提高机组效率 保证锅炉 经济 安全运行 美国和两欧各国都将吹灰器看作锅炉本体的重要辅机和保障机组经济运行的重要 手段 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 钢珠除灰 水枪冲渣等 但对各种吹灰器吹灰效果及吹灰经济性进行的研究还比较少 特别是能对此进行定量 分析的研究更是少之又少 本章介绍了锅炉受热面积灰 结渣的形成 形态及特性 并详细分析对 流受热面积灰的形成过程及积灰结渣的危害 对几种不同吹灰方式的经济性 安全性和操作维护性 进行了简要分析 2 1 锅炉受热面污染及其危害 锅炉在运行中 其受热面烟气侧总是存在着灰粒的沉积 以下简称积灰 下面介绍积灰的形成过 程 形态特性及其对机组的危害 2 1 1 锅炉灰污的形成 煤在锅炉燃烧后 产生的不可燃 司体残余物称为灰渣 通常将由层燃炉炉排后面的渣斗或煤粉 炉冷灰斗排出的固态燃烧残余物称为渣 而把由烟气从锅炉炉膛带出的i 司态燃烧残余物称为灰 颗 粒度大的一部分灰粒子沉积在烟道中或者烟道中的受热面管子表面上 在除尘器中 一部分灰粒子 又与烟气分离开来 余下的小部分灰粒子则随烟气经烟囱排入大气 对于一定容量的锅炉 煤中灰 分含量的高低决定了锅炉灰渣生成量的大小 煤的灰分不是煤本身原有的不可燃杂质 而是指煤在 燃烧过程中所有可燃物完全燃烧 煤中的矿物质发生一系列分解 化合等复杂反应后所剩余的残渣 1 3 5 锅炉受热面灰污是指积灰对辐射受热面和对流受热面造成的污染作用 按灰在受热面上形成的 沉积层强度和沉积层颗粒粘附特征不同 灰污可分为松散性灰污和粘结性灰污两种 松散性灰污对 应于松散性积灰 粘结性灰污对应于粘结性积灰和结渣 按受热面所在处烟温的高低 粘结性灰污 可分为炉膛结渣 高温粘结性积灰和低温粘结性积灰 灰污层的导热系数比金属管壁的导热系数低很多 受热面即使是轻度积灰 灰污层附加热阻也 将占受热面总传热热阻的1 2 1 3 如不予以清除 就首先反映出锅炉排烟热损失的增加 对于燃煤 锅炉 当各级受热面不吹灰时 排烟损失将普遍升高 相当于锅炉效率降低1 0 o 2 结渣是熔融或半熔融灰渣沉积在壁面上的灰污 通常发生在炉膛燃烧器区附近 但严重的结渣 会延伸至炉膛出口烟窗和炉膛底部的灰斗区域 炉膛结渣的危害往往比松散性灰污严重的多 炉膛 内结渣过多会使炉内辐射传热量减少 炉膛出口烟气温度升高 影响对流受热面的安全运行或影响 机组的出力 燃烧器区附近的结渣会导致燃烧器烧坏 炉膛上部区域的结渣 在掉落过程中可能引 起炉膛负压大幅度波动 从而触发炉膛灭火保护系统动作 严重时其至会砸破水冷壁 引发灾难性 事故 3 6 2 1 2 锅炉积灰 结渣的形态和特性 锅炉受热面的灰污通常可分为炉膛辐射受热面结渣和对流受热面积灰 在燃烧过程中 部分灰 渣形成熔化或半熔化的颗粒 这些熔融灰粒在凝固之前由烟气携带碰撞在炉墙 水冷壁或者高温段 过热器上 并粘附于其表面 经冷却凝固而形成焦块 这种现象称为结渣 结渣而形成的焦块形态 釜三童塑塑鐾垫雪望銎塑 里皇堕壅塑姿 主要是粘稠或熔融的沉淀物 主要出现在锅炉辐射受热面上 会降低炉内受热面的传热能力p 6 1 部分灰渣保持固体状态 并以飞灰的形式随着烟气经过过热器 再热器 省煤器和空气预热器 等受热面 其中部分灰渣在高温下挥发成气态 然后在水冷肇 过热器和再热器管子表面上发生凝 结 并与飞灰相结合一起沉积在管子表面上 形成高温粘结性积灰 或称高温积灰 由于高温积灰的 形成温度处于灰粒的变形温度下的某一范围内 故这种积灰多发生在屏式过热器 对流过热器 再 热器等对流受热面上 积灰的程度与煤种有很大的关系 同时也受到炉膛水冷壁工况的影响 在过 热器和再热器部位发生的积灰 一般由内外两层组成 内层呈液相形态 在受热面管子和烧结飞灰 外层之间起着一种粘结剂的作用 并在一定条件下形成块状沉积物 粘结性积灰主要在管子的正面 形成并迎着气流生长 在灰的沉积层上会发生二次物理 化学过程 使积灰层的强度增加 因此其 不但会降低受热面传热能力 还可能堵塞烟气通道 有时难以用常规的除灰装置加以清除 锅炉受热面灰污的另一种类型称为低温积灰 它是由飞灰中部分粒径较大的飞灰颗粒沉积在烟 道中或受热面管子表面上而形成 低温积灰会降低受热面传热能力并可能引起堵塞 主要出现在温 度可能低于烟气中酸露点的管壁表面上 如省煤器和空气预热器受热面 由酸液与飞灰凝聚而成 因 此低温积灰与冷却表面上发生的酸或水蒸气的凝结有关 由于低温积灰而沉积在受热面上的积灰可 由三类物质构成 第一类物质为由于酸腐蚀而产生的反应产物 其数量取决于产生酸腐蚀的量 反 应温度以及受热面金属的类型 第二类物质为随烟气碰撞受热面管子并沉积下来的大部分飞灰 第 三类物质为酸与飞灰中的铁 钠 钙等元素发生反应形成的盐类 2 1 3 锅炉积灰和结渣的危害性 锅炉受热面发生积灰和结渣对机组造成的危害有以下几方面 1 水冷肇结渣将降低炉内受热面的传热能力 水冷壁在发生灰污数小时后传热能力一般下降 3 0 6 0 使蒸汽产量减少 此外 当水冷壁管屏各管或各管屏吸热严重不均匀 还会影响锅炉水 循环的正常运行i j 川 2 炉内受热面的积灰和结渣 将导致炉内火焰中心后移 炉膛出口温度相应升高 使得飞灰 容易粘结在屏式和对流过热器上 引起过热器的高温粘结性积灰和腐蚀 堵塞烟气通道 引起传热 恶化 3 粘结在水冷壁或高温过热器上的积灰层或熔渣具有较强的腐蚀性 在高温烟气的作用下会 与管壁金属发生复杂的化学反应 形成高温腐蚀 因此 受热面发生灰污和结渣可以看作高温腐蚀 的前兆 4 由于炉内结渣使炉膛出口烟温升高 导致过热汽温偏高 高温过热 再热器受热面形成局 部超温 从而引起金属强度降低而发生爆管事故 高温过热 再热器自身的局部积灰 会产生热偏 差 从而影响受热面安全运行 5 低温积灰将引起省煤器和空气预热器的堵塞和传热效果的显著下降 从而使锅炉的排烟温 度和热损失变大 通风阻力增大 增加风机电耗 影响锅炉出力 降低运行的经济性 6 由于锅炉受热面总的传热热阻增大 锅炉可能无法维持在满负荷工况下运行 只好增加燃 煤量 引起炉膛出口烟温进一步升高 并可能导致一系列锅炉事故 如过热器和省煤器堵灰 传热 性能恶化导致爆管等 锅炉受热面由于发生积灰和结渣可能造成的经济损失主要有 1 炉膛出口烟温和排烟温度的升高将降低锅炉的出力和效率 锅炉效率会冈发生灰污而降低 严重时可达1 2 增大了机组的煤耗 2 锅炉尾部受热面积灰后 烟气流通截面变窄 烟速增加 受热面管壁粗糙度增加 引起烟 气流动阻力增大 会增加引风机的负荷 从而增加了引风机电耗 3 当炉膛结渣时 烟气温度升高 从而增加了 d 的生成量 尾部的 d 排放量增加 当 d 排量超标时可能会招致处罚 7 东南大学硕士学位论文 2 2 灰污增长模型的分析 本节将论述对流受热面积灰的形成机理 考虑积灰的增长以及灰粒的磨蚀和剥落 分析对流受 热面的灰污随时间 烟气流速等影响因素的变化规律 建立受热面的灰污增长模型 2 2 1 灰粒的沉积与剥蚀 文献 3 7 3 8 i j i 用k e r n 和s e a t o n 的结论 认为在受热面管壁灰污形成过程中 一方面灰污会在 换热面上沉积 增加热阻 另一方面 也存在灰污被烟气和灰粒冲击而剥离 使热阻减小的现象 实验观测到的灰污热阻随时间的变化则是这两个现象形成结果的叠加 采用以下常微分方程表示 d m 历d m 2 1 r 石2 z 1 其中m 为单位换热面上沉积灰污的质量 k e d m 2 m d 为灰污沉积率 k g m 2 s 所 为灰污剥蚀率 k g m 2 s f 为时间 s 在对颗粒灰污沉积率的研究中 k e r n s e a t o n 和w a t k i n s o n 等均认为沉积率与含污染物流体的 流速w 及灰污物质在主流中的浓度g 成正比 3 9 4 2 1 即 m d q c b w 2 2 其中 是包括了传输变量以外的所有变量和常数 主要与管道直径 管道排列方式 飞灰颗粒粒 径及性质 管肇温度和烟气流速等冈素有关 对流受热面的管道直径和排列方式属于结构参数 在 设计之初便已确定 冈此实际影响沉积率的因素是乜灰浓度与烟气流速 在煤种变化不大 配风稳 定的条件下 飞灰浓度基本保持恒定 因此烟气流速成为影响灰污沉积率的重要因素 所以式 2 2 简化为 口w 2 3 其中 口是与受热面结构与工况 煤质特性 燃烧状况等因素有关的系数 w 为烟气流速 剥蚀指沉积在换热面上的灰污重新脱离换热面或灰污层被流动流体带走的过程 在剥蚀的研究 过程中 c h a r l e s w o r t h 的研究假定剥蚀率与灰污的沉积量成正比 k e r n 和s e a t o n 等也曾提出剥蚀率 与壁面灰污质量成正比f 3 9 4 2 1 即 聊 pw2m 2 4 其中 是时间系数 m 是烟气对灰污的剥蚀量 w 为烟气流速 2 2 2 对流受热面灰污增长模型推导 假定灰污的成分和特性沿对流受热面换热面和灰污层厚度方向都是均匀分布的 煤质等其他不可控冈素可能带来的影响 则由物质热阻的定义 4 3 有 r 三 且不考虑由于 2 5 其中p 为灰污的密度 k g m 3 名为灰污的导热系数 k w m o c 由上述假定