聲波吹灰器及監(jiān)測(cè)平臺(tái)在1 000 MW機(jī)組空氣預(yù)熱器上的應(yīng)用

呂宏彪，賈建超，史恒惠，張榮初，劉宇清

(1.中電投河南電力有限公司 技術(shù)信息中心，鄭州 450001；2.中電投河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司，河南 平頂山 467312；3.南京常榮噪聲控制環(huán)保工程有限公司， 南京 210008)

0 引言

在火力發(fā)電廠鍋爐系統(tǒng)中，其受熱面和煙道系統(tǒng)積灰是造成鍋爐熱效率降低的重要因素之一。積灰?guī)?lái)的最直接影響是鍋爐受熱面及空氣預(yù)熱器吸熱量減少、鍋爐排煙溫度上升，導(dǎo)致鍋爐熱效率降低、煤耗升高和能源浪費(fèi)。同時(shí)，積灰嚴(yán)重會(huì)影響鍋爐脫硝、脫硫、除塵及空氣預(yù)熱器系統(tǒng)的正常工作，造成設(shè)備損壞，增加大氣污染物的排放量。有效去除鍋爐積灰是保持受熱面清潔、設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要問(wèn)題。

1 空氣預(yù)熱器出現(xiàn)的問(wèn)題

某電廠#2鍋爐空氣預(yù)熱器采用豪頓華工程有限公司生產(chǎn)的33 V NT2120型容克式空氣預(yù)熱器，空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子內(nèi)徑?17 210 mm，傳熱元件共分為2層，其中熱段層高度1 120 mm，冷段層高度1 000 mm。每臺(tái)空氣預(yù)熱器裝有2臺(tái)PS-AT伸縮式蒸汽吹灰器，分別安裝在煙氣側(cè)的熱端和冷端。單臺(tái)蒸汽耗量各為2 500 kg/次，每天吹掃6次。從煤質(zhì)使用效果可以看出，實(shí)際使用煤種灰分及硫分較高，煤燃燒后形成的灰渣較多，給風(fēng)煙系統(tǒng)造成了較大影響。鍋爐同時(shí)投運(yùn)脫硝裝置，不可避免地會(huì)產(chǎn)生氨逃逸，造成煙氣中的硫酸氫氨較多，從而導(dǎo)致空氣預(yù)熱器低溫腐蝕嚴(yán)重，由此形成的結(jié)垢難以去除(如圖1所示)。機(jī)組投運(yùn)3年來(lái)，空氣預(yù)熱器換熱效果明顯下降，鍋爐排煙溫度上升，熱效率降低，煙氣側(cè)壓差顯著升高，甚至不得不停運(yùn)機(jī)組進(jìn)行高壓水沖洗，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。由于吹灰器吹灰頻次高，消耗大量蒸汽，使能源過(guò)度浪費(fèi)，蒸汽吹灰器的頻繁使用造成換熱元件嚴(yán)重吹損。

圖1 空氣預(yù)熱器下部結(jié)垢積灰及腐蝕情況

2 加裝可調(diào)頻高聲強(qiáng)聲波吹灰器的可行性

可調(diào)頻聲波吹灰技術(shù)是一種能夠徹底解決鍋爐積灰結(jié)垢的有效方法，目前已在煙氣換熱器(GGH)設(shè)備上得到了應(yīng)用?？烧{(diào)頻聲波吹灰技術(shù)旨在應(yīng)用一種基于高聲強(qiáng)發(fā)聲技術(shù)理論研制的大功率、寬頻、可調(diào)幅的電動(dòng)調(diào)制氣流揚(yáng)聲器、擴(kuò)聲號(hào)筒及智能控制系統(tǒng)構(gòu)成的新型聲波吹灰器。該吹灰器以聲功率10 000～30 000 W、頻率10～10 000 Hz間任意調(diào)節(jié)的高聲強(qiáng)聲波對(duì)各種鍋爐的積灰形態(tài)進(jìn)行有效清除，以改善受熱面換熱效果，提高鍋爐熱效率，節(jié)約能源，減少污染物排放。

為有效解決空氣預(yù)熱器堵灰、提高空氣預(yù)熱器換熱效果， 2013年4月，在檢修期間對(duì)該廠#2鍋爐空氣預(yù)熱器進(jìn)行水沖洗的同時(shí)實(shí)施了聲波吹灰器改造，在每臺(tái)空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)熱端加裝1臺(tái)聲波吹灰器，在二次風(fēng)側(cè)冷端加裝2臺(tái)聲波吹灰器，每臺(tái)鍋爐加裝6臺(tái)聲波吹灰器。針對(duì)空氣預(yù)熱器的回轉(zhuǎn)再生式特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了特殊的指數(shù)型喇叭，喇叭開口徑向覆蓋換熱元件，利用空氣預(yù)熱器自身的轉(zhuǎn)動(dòng)，使高強(qiáng)聲波的最大能量直接對(duì)每一倉(cāng)格的換熱元件實(shí)現(xiàn)吹掃。通過(guò)倒裝形式，在喇叭出口，空氣預(yù)熱器上部熱端及下部冷端聲場(chǎng)大于155 dB，密集蓄熱元件中聲場(chǎng)可達(dá)到150 dB，可有效去除空氣預(yù)熱器的積灰，保持蓄熱元件潔凈。

6臺(tái)聲波吹灰器使用1臺(tái)8通道吹灰控制系統(tǒng)控制(兩通道備用)，每臺(tái)吹灰器設(shè)定依次運(yùn)行，每次2 min，間隔10 min，6臺(tái)吹灰器運(yùn)行1周為72 min。每臺(tái)吹灰器一次用氣量約40 m3，在管路前安裝1臺(tái)20 m3(0.8 MPa)儲(chǔ)氣罐，充滿后一次可供2臺(tái)發(fā)生器使用。可調(diào)頻高聲強(qiáng)聲波吹灰系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和高聲強(qiáng)聲波發(fā)生系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)可編程邏輯控制器(PLC)接收到氣路系統(tǒng)壓力開關(guān)信號(hào)后，打開電磁閥給高聲強(qiáng)發(fā)生器供氣，同時(shí)單片機(jī)發(fā)出已設(shè)定好的頻率、幅值信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后輸入給高聲強(qiáng)發(fā)生器發(fā)出聲波。整個(gè)吹灰器工作流程如圖2所示。

圖2 可調(diào)頻高聲強(qiáng)聲波吹灰系統(tǒng)工作流程

3 同步開發(fā)空氣預(yù)熱器在線污染監(jiān)測(cè)平臺(tái)

評(píng)價(jià)空氣預(yù)熱器等換熱器傳熱能力的主要指標(biāo)是傳熱系數(shù)，對(duì)于回轉(zhuǎn)空氣預(yù)熱器而言，傳熱系數(shù)與煙氣側(cè)的對(duì)流放熱系數(shù)、空氣側(cè)對(duì)流吸熱系數(shù)有關(guān)，由于后者積灰相對(duì)較輕，前者數(shù)值也很大，因此傳熱系數(shù)主要與煙氣側(cè)的對(duì)流放熱系數(shù)有關(guān)。煙氣側(cè)的對(duì)流放熱系數(shù)主要與煙氣流速和受熱面積灰程度有關(guān)，由于煙氣流速與機(jī)組負(fù)荷呈正相關(guān)關(guān)系，因此傳熱系數(shù)不能直接作為評(píng)價(jià)受熱面污染程度的指標(biāo)。煙氣熱阻取傳熱系數(shù)的倒數(shù)，煙氣熱阻越大，污染越嚴(yán)重。據(jù)此，引入灰污染因子和清潔因子的概念。

灰污染因子定義為：設(shè)備的設(shè)計(jì)傳熱系數(shù)與實(shí)際傳熱系數(shù)的比值，即灰污染因子=設(shè)備熱阻實(shí)際值/設(shè)備熱阻設(shè)計(jì)值。

從圖3可以看出，熱阻實(shí)際值與設(shè)計(jì)值總的變化趨勢(shì)是一致的，因此其比值(灰污染因子)與負(fù)荷關(guān)聯(lián)度比較小，作為評(píng)價(jià)受熱面污染程度的指標(biāo)是科學(xué)、合理的。

圖3 空預(yù)器吸熱量實(shí)際值、設(shè)計(jì)值與負(fù)荷關(guān)系曲線

實(shí)際運(yùn)行情況表明：灰污染因子作為判斷空氣預(yù)熱器積灰嚴(yán)重程度指標(biāo)是合理的，但仍與機(jī)組負(fù)荷、入爐煤量、送風(fēng)量關(guān)聯(lián)度比較大，作為吹灰監(jiān)控操作的輔助指標(biāo)。

評(píng)價(jià)空氣預(yù)熱器積灰程度的另一個(gè)主要指標(biāo)是清潔因子，清潔因子定義為：空氣預(yù)熱器最小積灰程度指標(biāo)與實(shí)際積灰程度指標(biāo)的比值。該值越大，說(shuō)明實(shí)際工況的空氣預(yù)熱器積灰程度越小，受熱面越清潔。因此，根據(jù)清潔因子狀況指導(dǎo)運(yùn)行人員優(yōu)化吹灰操作，降低排煙溫度，同時(shí)應(yīng)盡量減少蒸汽耗量。

圖4是B空氣預(yù)熱器吹灰前、后灰污染因子和清潔因子的變化趨勢(shì)圖。運(yùn)行人員能及時(shí)監(jiān)測(cè)到當(dāng)前運(yùn)行工況下以及吹灰前、后灰污染因子和清潔因子的變化情況，當(dāng)清潔因子達(dá)到限值時(shí)可以及時(shí)對(duì)受熱面進(jìn)行吹灰。

4 空氣預(yù)熱器加裝聲波吹灰器的效果分析

4.1 參數(shù)分析

空氣預(yù)熱器加裝聲波吹灰器后，可取代原有蒸汽吹灰器，在空氣預(yù)熱器中，可形成聲壓級(jí)155 dB以上的有效除灰聲場(chǎng)，保持空氣預(yù)熱器的潔凈，降低煙阻，提高空氣預(yù)熱器換熱效果，降低排煙溫度，提升鍋爐熱效率。同時(shí)還能節(jié)約吹灰蒸汽能源和風(fēng)機(jī)電耗、消除蒸汽吹灰對(duì)空氣預(yù)熱器換熱元件吹損所產(chǎn)生的安全隱患、降低設(shè)備損耗。加裝聲波吹灰器空氣預(yù)熱器前、后各項(xiàng)參數(shù)見表1。

#2鍋爐投運(yùn)聲波吹灰系統(tǒng)后，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)空氣預(yù)熱器煙氣壓差下降明顯，穩(wěn)定在1.8 kPa左右。

4.2 效益分析

(1)節(jié)煤收益?？諝忸A(yù)熱器加裝聲波吹灰器投運(yùn)后，剔除各項(xiàng)因素的影響，機(jī)組鍋爐排煙溫度因此而降低10 ℃左右，供電煤耗率降低1.87 g/(kW·h)，鍋爐熱效率提升0.55%，按單臺(tái)機(jī)組發(fā)電量5 500 GW·h計(jì)算，年節(jié)約標(biāo)煤1.03萬(wàn)t，若標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)按600元/t計(jì)，每年節(jié)煤收益約620萬(wàn)元。

(2)節(jié)約風(fēng)機(jī)用電?？諝忸A(yù)熱器加裝聲波吹灰器后，基本解決了A，B側(cè)空氣預(yù)熱器結(jié)垢問(wèn)題，使空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)壓差降低200～300 Pa，額定負(fù)荷下吸風(fēng)機(jī)電流平均降低約6 A，按機(jī)組年運(yùn)行6 500 h計(jì)，節(jié)電780 MW·h，用電成本按0.4元/(kW·h)計(jì)，全年節(jié)電31.2萬(wàn)元。

圖4 B空氣預(yù)熱器吹灰前后灰污染因子和清潔因子的變化趨勢(shì)(2013年度)

表1 加裝聲波吹灰器前、后空氣預(yù)熱器各項(xiàng)參數(shù)比較(2013年度)

(3)節(jié)約蒸汽運(yùn)行成本。空氣預(yù)熱器聲波吹灰器改造完成后，使原有4臺(tái)PS-AT伸縮式蒸汽吹灰器由每天吹掃6次減為每天吹掃1次。其單臺(tái)耗汽量為2 500 kg/次，吹灰器電功率1.5 kW。按機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間6 500 h計(jì)，4臺(tái)蒸汽吹灰器年節(jié)約耗汽量13 541.7 t。蒸汽成本按140元/t，則每年節(jié)約蒸汽成本為189.6萬(wàn)元。

(4)投資分析。每年節(jié)約標(biāo)煤收益約620.0萬(wàn)元，每年風(fēng)機(jī)節(jié)電31.2萬(wàn)元，每年節(jié)約蒸汽成本189.6萬(wàn)元，減排收益暫不考慮，則每年節(jié)能收益總計(jì)840.8萬(wàn)元。

5 結(jié)論

(1)空氣預(yù)熱器加裝聲波吹灰器后，年節(jié)煤收益約620.0萬(wàn)元，全年節(jié)能收益合計(jì)達(dá)840.8萬(wàn)元。

(2)每年可減排CO22.58萬(wàn)t，SO210.3 t，NOx29.9 t，環(huán)保效益顯著。

(3)空氣預(yù)熱器通過(guò)聲波吹灰器改造后，延長(zhǎng)了空氣預(yù)熱器蓄熱元件的使用壽命，提高了空氣預(yù)熱器的運(yùn)行可靠性，為主設(shè)備的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行打下了良好的基礎(chǔ)。

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