大型電站鍋爐爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)控及解決策略

晏海能

(淮陰發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇 淮安 223002)

目前，煤炭供應(yīng)形勢越來越緊張，各火力發(fā)電廠為提高經(jīng)濟(jì)效益，在很難燃用設(shè)計(jì)煤種、甚至無法燃用校核煤種的情況下，摻煤混燒已成為火電廠的必然選擇。很多火電廠燃用硫分高、灰熔點(diǎn)低的劣質(zhì)煤，這些煤種對爐膛結(jié)渣有較大的影響，甚至?xí)驙t內(nèi)結(jié)渣嚴(yán)重而引起停爐事故。因此，在燃用劣質(zhì)煤時(shí)，加強(qiáng)對爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)控和預(yù)防就顯得尤為重要。

1 爐內(nèi)結(jié)渣的特性

爐內(nèi)結(jié)渣是指熔化的灰沉積物在受熱面上的積聚，多發(fā)生在爐內(nèi)輻射受熱面上。大型煤粉鍋爐爐內(nèi)煤粉在0.03 ～0.05 s 的時(shí)間內(nèi)即被加熱到1 600 ℃以上，因此，煤粉爐內(nèi)穿過爐膛火焰的全部灰粒都處于液化狀態(tài)。當(dāng)處于熔融或半熔融狀態(tài)的灰粒到達(dá)受熱面，很容易粘附在受熱面上；再由于擴(kuò)散作用，會(huì)在管子外表面形成薄的、白色的、很細(xì)的灰沉積層。該層厚度一般為0.2 ～0.5 mm，具有良好的絕熱性能，不僅會(huì)引起爐膛溫度的升高，而且還會(huì)造成受熱面管子外表面溫度比原來高很多，使受熱面管表面大量結(jié)渣成為可能。隨著表面燒結(jié)層厚度的增加，積灰表面的溫度也升高，當(dāng)積灰表面的溫度升高到接近煙氣溫度時(shí)，大量熔融的灰粒與積灰層相互碰撞，產(chǎn)生燒結(jié)反應(yīng)，結(jié)合成堅(jiān)實(shí)的積灰，使灰層進(jìn)一步變厚，灰溫進(jìn)一步升高，形成惡性循環(huán)，使灰層表面形成熔融相，有可能形成液態(tài)渣層。

爐內(nèi)結(jié)渣使?fàn)t內(nèi)傳熱惡化，爐內(nèi)輻射傳熱量減少，爐膛出口煙溫升高，對流受熱面區(qū)域熱負(fù)荷增加，可能造成受熱面管壁超溫，同時(shí)造成過熱器、再熱器減溫水用量大幅增加，排煙溫度也隨之升高，給鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來較大的影響。目前，電廠通常使用的方法是加強(qiáng)爐內(nèi)吹灰，但強(qiáng)化吹灰會(huì)帶來如下問題。

(1)爐膛水冷壁吹灰次數(shù)過多，造成汽溫偏低。為了提高汽溫，需要增加水平煙道末級(jí)過熱器和末級(jí)再熱器管屏處的吹灰次數(shù)，這樣不僅浪費(fèi)汽源，也加劇了對管子的沖蝕。

(2)由于吹灰頻繁，爐膛水冷壁、過熱蒸汽管、再熱蒸汽管管壁過于清潔，管子表面缺乏調(diào)節(jié)換熱的“灰層”，熱量分配容易失衡，導(dǎo)致過熱汽溫與再熱汽溫調(diào)節(jié)困難，對煤種的適應(yīng)能力變差。

(3)強(qiáng)化吹灰不利于調(diào)整過熱蒸汽、再熱蒸汽兩側(cè)的汽溫。在出現(xiàn)兩側(cè)汽溫偏差時(shí)，調(diào)整的手段和幅度都非常有限，常用的方法就是將溫度較高一側(cè)的減溫水或事故噴水開大，來控制受熱面的管壁不超溫。強(qiáng)化吹灰將造成減溫水或事故噴水量增加，特別是再熱器事故噴水量的增加，使機(jī)組煤耗增加較多，使機(jī)組的效率降低。

因此，必須加強(qiáng)對爐內(nèi)結(jié)渣的預(yù)防和監(jiān)測，以合理確定吹灰頻率，從而提高鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性能。

2 爐內(nèi)結(jié)渣的預(yù)測方法

2.1 用煤灰特性作為判別標(biāo)準(zhǔn)

用煤灰特性作為煤本身結(jié)渣特性的判別指標(biāo)，其判別準(zhǔn)確率是最高的，許多國家都以此作為判別的基本依據(jù)。

根據(jù)西安熱工研究院的研究結(jié)果，在GB7562-87 中，以煤的軟化溫度為基本指標(biāo)，以煤的低位發(fā)熱量為輔助指標(biāo)。對于Qar，net>12 560 kJ/kg 的煤種，當(dāng)ST>1 350 ℃，屬于不結(jié)渣煤種；當(dāng)ST≤1 350 ℃，則屬于結(jié)渣煤種。

哈爾濱電站設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院對我國290 種動(dòng)力用煤的灰渣特性進(jìn)行分析，并用3 段最優(yōu)分割來確定，以還原性氣氛下軟化溫度作為判別依據(jù)：

(1)ST>1 390 ℃：輕微結(jié)渣；

(2)1 260 ℃≤ST≤1 390 ℃：中等結(jié)渣；

(3)ST<1 260 ℃：嚴(yán)重結(jié)渣。

2.2 用煤灰成分綜合指標(biāo)作為判別標(biāo)準(zhǔn)

煤灰中的成分不同，結(jié)渣的傾向性也不同，如SiO2和AL2O3是煤灰中主要的酸性物質(zhì)，SiO2含量增高，使灰熔點(diǎn)上升；AL2O3具有兩面性，一方面AL2O3會(huì)使灰熔點(diǎn)上升，另一方面AL2O3會(huì)與堿性物質(zhì)形成低熔點(diǎn)的共晶體，使灰熔點(diǎn)下降。若采用硅比、硅鋁比、鐵鈣比、堿酸比4 項(xiàng)指標(biāo)來作為判別標(biāo)準(zhǔn)，則判別的準(zhǔn)確率較低；而采用煤灰綜合指數(shù)R 法，判別的準(zhǔn)確率則相對較高。

實(shí)踐中，根據(jù)上述方法僅能進(jìn)行爐內(nèi)結(jié)渣的預(yù)測，但具體結(jié)渣的嚴(yán)重程度如何，在運(yùn)行中通過哪些參數(shù)能反映出來，還需在實(shí)踐中進(jìn)行總結(jié)摸索。

3 爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)控

目前，對爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)視還沒有很好的自動(dòng)監(jiān)控手段，主要是依靠運(yùn)行人員的觀察?？蒲袉挝灰呀?jīng)對爐內(nèi)結(jié)渣自動(dòng)監(jiān)督進(jìn)行開發(fā)研究，吹灰器程序控制系統(tǒng)已得到普遍應(yīng)用，目前主要是根據(jù)爐內(nèi)結(jié)渣時(shí)運(yùn)行參數(shù)的變化，探制爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)控手段。

3.1 根據(jù)爐膛出口煙氣溫度進(jìn)行監(jiān)控

根據(jù)傳熱學(xué)原理，爐內(nèi)輻射傳熱基本公式如下：

式中：Qf——相對于1 kg 燃料的爐膛輻射吸熱量，kJ/kg；

α1——爐膛系統(tǒng)黑度；

σ0——絕對黑體輻射常數(shù)，為2.04×10-7kJ/（m2·h·K4）；

Th——火焰平均有效溫度，K；

Tw——水冷壁積灰污染層表面溫度，K；

Af——爐膛有效輻射受熱面積，m2；

由分析可知，隨著水冷壁表面積灰的增加，水冷壁積灰污染層表面溫度會(huì)升高，使得爐膛輻射吸熱量減少。

煙氣在爐膛內(nèi)的放熱公式為：

式中：φ——考慮散熱損失的保溫系數(shù)；

V——1 kg 燃料的煙氣量，Nm3/kg；

Cp——爐內(nèi)煙氣的比熱容，kJ/(Nm3·K)。

Ta——理論燃燒溫度，K；

Tl〃——爐膛出口煙氣溫度，K。

由此可知，當(dāng)爐內(nèi)結(jié)渣嚴(yán)重時(shí)，Tl〃升高，所以Tl〃是反映爐內(nèi)結(jié)渣狀態(tài)較好的參數(shù)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，用爐膛出口煙溫作為爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)控參數(shù)時(shí)，仍存在困難：一是高溫?zé)煔獾臏y量問題，采用水冷抽氣熱偶測量精度較差，不能作為長期連續(xù)測量的手段，所以用高溫過熱器或高再熱器后的煙氣溫度來替代；二是大型鍋爐爐膛出口煙道截面積大，煙氣溫度偏差很大，難以找到具有代表性的測量點(diǎn)；三是爐膛出口煙溫受運(yùn)行工況，如：磨組的變化，一、二次風(fēng)的調(diào)整等影響較大，并不單純反映爐內(nèi)結(jié)渣情況，因此，難以確定某個(gè)定值來嚴(yán)格界定爐膛是否結(jié)渣。

螺旋聚合物的螺旋結(jié)構(gòu)除了由側(cè)鏈上大基團(tuán)的剛性來固定,還可以通過氫鍵和一些弱作用力來維持[17].M.Teraguchi[18]報(bào)道,由苯乙炔合成的聚合物通過兩個(gè)N-烷基酰胺基團(tuán)合成,其單手性螺旋結(jié)構(gòu)通過分子內(nèi)氫鍵穩(wěn)定.2017年,N.Liu等人[19]合成了兩個(gè)新穎的對映異構(gòu)體含手性氨基的苯乙烯衍生物(L-和D-1),這個(gè)聚合物的結(jié)構(gòu)由于氫鍵的作用,使其聚合物的結(jié)構(gòu)保持螺旋構(gòu)像.在之前的報(bào)道中,揭示了聚合物的螺旋結(jié)構(gòu)在某一程度上取決于均分子量的大小,短的鏈長不能形成穩(wěn)定的螺旋結(jié)構(gòu),常見的螺旋聚合物主要是由于主鏈上側(cè)鏈大位阻基團(tuán)的相互作用,來固定螺旋構(gòu)像使其在溶液中不發(fā)生翻轉(zhuǎn).

為此，有必要尋找其他的參數(shù)來反映爐內(nèi)的結(jié)渣情況。

3.2 用蒸汽側(cè)的吸熱量來計(jì)算爐膛出口煙氣溫度

華北電力大學(xué)研究提出，可通過鍋爐汽水側(cè)參數(shù)來計(jì)算出爐膛出口煙溫。其主要思路是：對于汽包鍋爐，當(dāng)煤種變化不大時(shí)，可以用省煤器出口聯(lián)箱水溫的測量和布置在爐膛內(nèi)過熱器、再熱器吸熱量的測量，替代爐膛出口煙溫的測量。

如式(2)，只要計(jì)算出爐膛放熱量，即可以計(jì)算出爐膛出口煙溫：

因此，問題轉(zhuǎn)化為爐膛輻射傳熱量Qf的計(jì)算，如下式：

式中：Qsc——鍋爐部分輸出熱量，kJ/h;

Qfg——爐內(nèi)輻射式或半輻射式過熱器蒸汽吸熱量之和，kJ/h;

Qfz——爐內(nèi)輻射式或半輻射式再熱器蒸汽吸熱量之和，kJ/h;

Qyc——爐膛出口煙窗投射出去的熱量，kJ/h;

Qgr——工質(zhì)過熱過程吸收的熱量，kJ/h;

Qsm——省煤器內(nèi)工質(zhì)吸收的熱量，kJ/h。

此方法雖然看似復(fù)雜，但由于蒸汽側(cè)溫度、壓力等測點(diǎn)較為準(zhǔn)確，華北電力大學(xué)經(jīng)過多次傳熱試驗(yàn)證實(shí)，此方法測量精度很高。

3.3 選用蒸汽側(cè)的參數(shù)來監(jiān)控爐內(nèi)結(jié)渣情況

從理論上講，爐內(nèi)結(jié)渣必然造成水冷壁吸熱量減少，從而造成爐膛出口煙溫升高；但是爐膛出口煙溫受運(yùn)行工況、煤種等影響較大，即爐膛出口煙溫升高，不一定是爐膛結(jié)渣引起的。因此，通過跟蹤鍋爐運(yùn)行參數(shù)變化，提出用低溫過熱器出口蒸汽溫度的變化來表示爐膛輻射吸熱量的變化，以此來反映爐內(nèi)結(jié)渣情況。

而不選取高溫過熱器或屏式過熱器的原因是：爐膛結(jié)渣的結(jié)果是使?fàn)t膛蒸發(fā)量變小，且爐膛出口煙溫升高，這兩者都能使過熱器汽溫升高；由于屏式過熱器和高溫過熱器出口的蒸汽經(jīng)過噴水減溫，其溫度值受噴水量的影響較大，因此也不能作為比較依據(jù)。

在運(yùn)行工況穩(wěn)定時(shí)，爐內(nèi)結(jié)渣使?fàn)t膛蒸發(fā)量減少，流過低溫過熱器的蒸汽量也減少，但由于低溫過熱器的吸熱主要取決于煙氣側(cè)，因此，可將低溫過熱器的吸熱量看作不變，則低溫過熱器出口蒸汽溫度必然升高。另外，爐內(nèi)結(jié)渣還造成低溫過熱器處煙氣溫度升高，這也使低溫過熱器出口汽溫上升。

以某火電廠HG-1036/17.5-YM36 鍋爐為例，在燃用正常煤種時(shí)，低溫過熱器出口汽溫為390 ℃～400 ℃左右，在燃用高硫煤時(shí)，硫分St,ad遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)煤種值(0.72 %)，達(dá)到1.49 %，造成爐膛結(jié)渣。為防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣嚴(yán)重，通過爐膛吹掃可有效地減少爐膛結(jié)渣，提高爐膛運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。以該廠燃用高硫煤時(shí)的一次爐膛吹灰為例。入爐煤工業(yè)成分分析如表1 所示，爐膛吹灰前后的參數(shù)如表2 所示。

表1 入爐煤工業(yè)成分分析

表2 的數(shù)據(jù)是按試驗(yàn)期間，從DCS 中每秒取1 個(gè)值后，再將1 h 內(nèi)的值進(jìn)行平均后得出的，因此，數(shù)據(jù)是可信的。從2 表中可以看出，在爐膛吹灰前，1 h 內(nèi)的低過出口汽溫平均為414.4 ℃；吹灰后，低過出口汽溫下降到403.9 ℃。同時(shí)，過熱器減溫水也從40.2 t/h 下降到10.4 t/h，再熱器噴水量從10.9 t/h 下降到4.2 t/h，鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性明顯提高。

針對不同的機(jī)組、不同的煤種，在實(shí)際運(yùn)行中，可通過試驗(yàn)得出最佳吹灰的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，只要及時(shí)考慮上述情況，合理選擇蒸汽側(cè)(低溫過熱器出口溫度)的參數(shù)，就能達(dá)到優(yōu)化吹灰的目的，提高鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性能。

4 結(jié)束語

目前，對爐膛結(jié)渣的監(jiān)控還沒有很好的自動(dòng)監(jiān)控手段，運(yùn)行人員需要通過運(yùn)行中的參數(shù)變化，及時(shí)有效地判斷爐膛是否結(jié)渣。對于汽包鍋爐，可以采用低溫過熱器出口溫度作為爐膛結(jié)渣的判據(jù)，通過對低溫過熱器出口溫度的分析，合理確定吹灰時(shí)機(jī)，及時(shí)清除爐膛結(jié)渣，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。