汽包鍋爐爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)控及優(yōu)化吹灰策略

萬(wàn) 躍，晏海能

(江蘇淮陰發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇淮安 223002)

目前，煤碳供應(yīng)形勢(shì)越來(lái)越緊張，各火力發(fā)電廠為提高經(jīng)濟(jì)效益，在生產(chǎn)運(yùn)行中很難燃用設(shè)計(jì)煤種，甚至無(wú)法燃用校核煤種，摻煤混燒已成為火電廠的必然選擇。很多火電廠燃用過(guò)高硫分、低灰熔點(diǎn)的劣質(zhì)煤，這些煤種對(duì)爐膛結(jié)渣有較大的影響，甚至可能因爐內(nèi)結(jié)渣嚴(yán)重而引起停爐的事故。因此，在燃用劣質(zhì)煤時(shí)，加強(qiáng)對(duì)爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)控和預(yù)防就顯得尤為重要，結(jié)合實(shí)例，對(duì)燃用劣質(zhì)煤時(shí)的爐內(nèi)結(jié)渣情況進(jìn)行分析和研究，可供同類型電廠參考。

1 爐內(nèi)結(jié)渣的特性

爐內(nèi)結(jié)渣指在受熱面上熔化了的灰沉積物的積聚，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1600℃[1]以上，因此，煤粉爐內(nèi)穿過(guò)爐膛火焰的全部灰粒都是液化的，如果處于熔融或半熔融狀態(tài)的灰到達(dá)受熱面上，則很容易粘附在受熱面上。由于擴(kuò)散作用，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，不僅引起爐膛溫度的升高，而且還造成了受熱面管子外表溫度比原來(lái)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碰撞，結(jié)合成堅(jiān)實(shí)的積灰，灰層進(jìn)一步變厚，灰溫升高，導(dǎo)致惡性循環(huán)，使灰層表面形成熔融相，可能形成液態(tài)渣層。

爐內(nèi)結(jié)渣導(dǎo)致?tīng)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(duì)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(guò)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(lái)較大的影響。目前，一般電廠經(jīng)常使用的方法是加強(qiáng)爐內(nèi)吹灰，但強(qiáng)化吹灰將帶來(lái)如下問(wèn)題：

（1）爐膛水冷壁吹灰次數(shù)過(guò)多，造成汽溫偏低。為了提高汽溫，增加了對(duì)水平煙道末級(jí)過(guò)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，而且也增加了對(duì)管子的沖蝕。

（2）由于吹灰頻繁，爐膛水冷壁、過(guò)熱蒸汽管、再熱蒸汽管管壁過(guò)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(guò)熱汽溫與再熱汽溫調(diào)節(jié)困難，對(duì)煤種的適應(yīng)性變差。

（3）不利于調(diào)整過(guò)熱蒸汽、再熱蒸汽兩側(cè)汽溫：出現(xiàn)兩側(cè)汽溫偏差時(shí)，調(diào)整的手段和幅度非常有限，常用的只能是將溫度較高一側(cè)的減溫水或事故噴水開(kāi)大，來(lái)控制受熱面的管壁不超溫，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，機(jī)組的效率降低。

根據(jù)西安熱工研究所的研究結(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(duì)于熱值Qar，net＞12 560 kJ/kg的煤種，軟化溫度＞1350℃，屬于不結(jié)渣煤種，如果軟化溫度≤1350℃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(duì)我國(guó)290 種動(dòng)力用煤的灰渣特性進(jìn)行分析，并用三段最優(yōu)分割來(lái)確定，以還原性氣氛下軟化溫度作為判別依據(jù)：軟化溫度＞1390℃ 輕微結(jié)渣；軟化溫度=1260～1390℃ 中等結(jié)渣；軟化溫度＜1260℃ 嚴(yán)重結(jié)渣。

2 爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)控

爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)視目前還是依靠運(yùn)行人員的觀察。已有部分科研單位對(duì)爐內(nèi)結(jié)渣自動(dòng)監(jiān)督進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，吹灰器程序控制系統(tǒng)已得到普遍應(yīng)用，主要是根據(jù)爐內(nèi)結(jié)渣時(shí)運(yùn)行參數(shù)的變化，作為爐內(nèi)結(jié)渣的監(jiān)控手段。

2.1 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)輻射傳熱基本公式為：

式中：Qf為相對(duì)1 kg 燃料爐膛輻射吸熱量，kJ/kg；α1為爐膛系統(tǒng)黑度；σ0為絕對(duì)黑體輻射常數(shù)，取2.04×10-7kJ/（m2·h·K4）；Th為火焰平均有效溫度，K；Tw為水冷壁積灰污染層表面溫度，K；Af為 爐膛有效輻射受熱面積，m2；Bj為計(jì)算燃料消耗量，kg/h。

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必然升高，使得爐膛輻射吸熱量減少。另外，根據(jù)煙氣在爐膛內(nèi)的放熱公式[2]為：

式中：φ為考慮散熱損失的保溫系數(shù)；V為1 kg 燃料的煙氣量，m3/kg；Cp為爐內(nèi)煙氣的比熱容，kJ/（m3·K）；Ta為理論燃燒溫度，K；Tl"為爐膛出口煙氣溫度，K。由此可知，當(dāng)爐內(nèi)結(jié)渣嚴(yán)重時(shí)，Tl" 會(huì)升高。

但在實(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)仍存在一定困難，主要原因：一是高溫?zé)煔獾臏y(cè)量問(wèn)題，采用水冷抽氣熱偶測(cè)量精度差，不能作為長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量的手段，所以用高溫過(guò)熱器或高再熱器后的煙氣溫度來(lái)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(cè)量點(diǎn)。三是爐膛出口煙溫受運(yùn)行工況如磨組變化及一、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，因此難以確定某一定值來(lái)嚴(yán)格界定爐膛是否結(jié)渣。

2.2 采用蒸汽側(cè)吸熱量計(jì)算爐膛出口煙氣溫度

華北電力大學(xué)提出，通鍋爐汽水側(cè)參數(shù)計(jì)算出爐膛出口煙溫。對(duì)于汽包鍋爐，當(dāng)煤種變化不大時(shí)，可用省煤器出口聯(lián)箱水溫的測(cè)量和布置在爐膛內(nèi)過(guò)熱器、再熱器吸熱量的測(cè)量，替代爐膛出口煙溫的測(cè)量[3]。

由式（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(wèn)題轉(zhuǎn)化為爐膛輻射傳熱量Qf的計(jì)算：

式中：Qsc為鍋爐部分輸出熱量，kJ/h；Qfg為爐內(nèi)輻射式或半輻射式過(guò)熱器蒸汽吸熱量之和，kJ/h；Qfz為爐內(nèi)輻射式或半輻射式再熱器蒸汽吸熱量之和，kJ/h；Qyc為爐膛出口煙窗投射出去的熱量，kJ/h；Qgr為工質(zhì)過(guò)熱過(guò)程吸收的熱量，kJ/h；Qsm為省煤器內(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(cè)點(diǎn)較為準(zhǔn)確，華北電力大學(xué)經(jīng)過(guò)多次傳熱試驗(yàn)證實(shí)，此方法測(cè)量精度更高。

3 選用低溫過(guò)熱器出口蒸汽溫度監(jiān)控爐內(nèi)結(jié)渣

從理論上講，爐內(nèi)結(jié)渣必然造成水冷壁吸熱量減少，因此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，筆者通過(guò)跟蹤鍋爐運(yùn)行參數(shù)變化，提出用低溫過(guò)熱器出口蒸汽溫度的變化來(lái)表示爐膛輻射吸熱量的變化，反映爐內(nèi)結(jié)渣情況。不選取高溫過(guò)熱器或屏式過(guò)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，這兩者都使過(guò)熱汽溫必然升高。但由于屏式過(guò)熱器和高溫過(guò)熱器出口的蒸汽經(jīng)過(guò)噴水減溫，其溫度值受噴水量的影響較大，不能作為比較依據(jù)。

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(guò)低溫過(guò)熱器的蒸汽量減少，由于低溫過(guò)熱器的吸熱主要取決于煙氣側(cè)，因此，可將低溫過(guò)熱器的吸熱量看作不變，則低溫過(guò)熱器出口蒸汽溫度必然升高。另一方面，爐內(nèi)結(jié)渣還造成低溫過(guò)熱器處煙氣溫度升高，這也使低溫過(guò)熱器出口汽溫上升。

在實(shí)際使用過(guò)程中，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(guò)熱器出口汽溫為390～400℃，在燃用高硫煤時(shí)，硫份St，ad遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)煤種的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(guò)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)分析成分見(jiàn)表1，爐膛吹灰前后的參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 入爐煤工業(yè)分析成分

表2 爐膛吹灰前后的參數(shù)

從表中可以看出，在爐膛吹灰前，1 h 內(nèi)的低過(guò)出口汽溫平均為414.4℃，吹灰后，低過(guò)出口汽溫下降到403.9℃，同時(shí)，過(guò)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(duì)不同機(jī)組的不同的煤種，在實(shí)際運(yùn)行中，可通過(guò)試驗(yàn)得出最佳吹灰標(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(guò)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(yǔ)

目前，對(duì)爐膛結(jié)渣的監(jiān)控還沒(méi)有很好的自動(dòng)監(jiān)控手段，運(yùn)行人員通過(guò)運(yùn)行中參數(shù)的變化，能及時(shí)有效地判斷爐膛是否結(jié)渣。對(duì)于汽包鍋爐，可以采用低溫過(guò)熱器出口溫度作為爐膛結(jié)渣的判據(jù)，通過(guò)對(duì)低溫過(guò)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，提高運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

[1]岑可法，周 昊，池作和.大型電站鍋爐安全及優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2003：38.

[2]范從振.鍋爐原理[M].北京：中國(guó)電力出版社，1986：52.

[3]姚文達(dá)，姜 凡.火電廠鍋爐運(yùn)行及事故處理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007：46.