鍋爐智能吹灰優(yōu)化系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)施

文 _ 周世杰 徐同社 蘇乾

1河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 2 國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司

鍋爐智能吹灰優(yōu)化系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)施

文 _ 周世杰1徐同社1蘇乾2

1河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 2 國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司

電站鍋爐受熱面的積灰污染不僅使鍋爐運(yùn)行熱效率降低，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行或停機(jī)。目前大容量電站鍋爐各受熱面均配有不同形式的吹灰器，但是吹灰模式不合理，不僅使吹灰的總體經(jīng)濟(jì)性低下，而且過于頻繁的吹灰會(huì)對(duì)受熱面造成損壞，縮短吹灰裝置本身的使用壽命。國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司布連發(fā)電廠為2×660MW超超臨界 過熱器管組、再熱器管組及省煤器配備了長(zhǎng)伸縮吹灰器70只，空氣預(yù)熱器配備了1只PS-AT型和1只AHLW型半伸縮吹灰器，通過在該工程實(shí)施了吹灰優(yōu)化控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)提出優(yōu)化的吹灰模式，根據(jù)臨界污染率和機(jī)組運(yùn)行狀況，提出吹灰優(yōu)化指導(dǎo)，對(duì)受熱面污染嚴(yán)重的部位進(jìn)行吹灰，實(shí)現(xiàn)了按需吹灰。

1 吹灰優(yōu)化系統(tǒng)方案

1.1 受熱面污染程度確定方案

吹灰優(yōu)化系統(tǒng)控制范圍定為除爐膛受熱面（水冷壁）外的對(duì)流受熱面（包括過熱器、再熱器、省煤器）和空氣預(yù)熱器。將對(duì)需要進(jìn)行吹灰優(yōu)化的鍋爐受熱面，針對(duì)不同的特點(diǎn)確定其清潔度，從而進(jìn)行各受熱面積灰或結(jié)渣程度的在線監(jiān)測(cè)。

1.2 不同負(fù)荷下臨界污染潔凈因子的確定

不同負(fù)荷生成的飛灰量和煙氣流速也不同，但對(duì)積灰速度的影響效果相反。當(dāng)負(fù)荷上升時(shí)，飛灰量以略小于正比的規(guī)律增加，使積灰速度有加快的趨勢(shì)；另一方面，隨著負(fù)荷的上升，煙氣流速增加，對(duì)灰污層的沖刷和大顆粒對(duì)管壁正面灰層的撞擊作用也得到增強(qiáng)，又使受熱面的污染率增長(zhǎng)速度有下降的趨勢(shì)。兩相抵消，在不同負(fù)荷條件下，污染率增長(zhǎng)速度變化不大，并且其增長(zhǎng)的基本規(guī)律一致。 在不同負(fù)荷下，受熱面的對(duì)數(shù)溫壓、理想傳熱系數(shù)、計(jì)算燃料量等參數(shù)存在較大差異。通過大量的試驗(yàn)研究，確定了兩臺(tái)鍋爐不同運(yùn)行負(fù)荷下的受熱面最佳臨界污染潔凈因子。在軟件調(diào)試期間，獲得了大量不同負(fù)荷下的污染率曲線。通過對(duì)不同工況下污染率曲線的擬合，得到各受熱面在不同工況下的污染率增長(zhǎng)規(guī)律，計(jì)算出對(duì)應(yīng)工況下的各受熱面對(duì)數(shù)溫壓、理想傳熱系數(shù)、計(jì)算燃料量等參數(shù)，分別求出不同負(fù)荷下對(duì)應(yīng)的臨界污染率。

1.3 吹灰優(yōu)化控制策略

在制定吹灰優(yōu)化方案時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持以安全優(yōu)先的原則作為吹灰控制的前提，以吹灰收益最大原則作為補(bǔ)充。主要采取以下吹灰優(yōu)化控制策略。

（1）吹灰器分組

不同位置的吹灰器，對(duì)積灰的清除效果、對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)的影響是不同的。為此，把整臺(tái)鍋爐的吹灰器分成對(duì)流受熱面組和空氣預(yù)熱器組。其中，對(duì)流受熱面組暫分為后屏過組、高過組（末級(jí)過組）、高再組、低再組、低過組和省煤器組；空氣預(yù)熱器組分為冷段和熱段兩組。

（2）燃煤煤質(zhì)分類

將鍋爐實(shí)際燃燒煤質(zhì)分成較好、一般和較差3個(gè)等級(jí)，根據(jù)煤質(zhì)的級(jí)別，在吹灰策略中實(shí)行吹灰參數(shù)（吹灰頻率、每次吹灰器工作時(shí)間）的差異化。

（3）鍋爐負(fù)荷的分類

根據(jù)鍋爐不同的運(yùn)行時(shí)期，將鍋爐工況分成低負(fù)荷和正常運(yùn)行負(fù)荷。根據(jù)工況有差別地（吹灰重點(diǎn)部位、每次吹灰器工作時(shí)間）執(zhí)行吹灰操作。

（4）一定吹灰工況

在鍋爐負(fù)荷低谷到來前對(duì)超過最短吹灰周期的受熱面吹灰一次。

（5）一定不吹灰工況

爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定（負(fù)壓波動(dòng)大）；機(jī)組負(fù)荷每分鐘的變化率過高；吹灰汽源壓力過高或過低時(shí)。

（6）吹灰優(yōu)先等級(jí)

當(dāng)鍋爐多個(gè)受熱面同時(shí)積灰較重時(shí)，按受熱面吹灰優(yōu)先等級(jí)，吹灰順序按照：空氣預(yù)熱器、對(duì)流受熱面、省煤器依次進(jìn)行。

2 吹灰優(yōu)化系統(tǒng)功能

2.1 實(shí)現(xiàn)受熱面污染程度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

對(duì)爐膛和過熱器等輻射、半輻射受熱面，建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鍋爐爐膛等輻射受熱面污染監(jiān)測(cè)模型，通過能量和質(zhì)量平衡，實(shí)時(shí)計(jì)算各受熱面的實(shí)際傳熱系數(shù)及污染率，監(jiān)測(cè)受熱面污染程度。

對(duì)空氣預(yù)熱器采用折算壓差法計(jì)算其潔凈因子實(shí)現(xiàn)積灰狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。即根據(jù)流體力學(xué)基本原理，空氣預(yù)熱器前后煙氣壓差可以反映阻力系數(shù)，從而進(jìn)一步反映其積灰程度，但煙氣流量和過量空氣系數(shù)變化亦對(duì)壓差產(chǎn)生影響，因此提出將在不同負(fù)荷和過量空氣系數(shù)下的實(shí)測(cè)壓差值均折算到某一特定工況（額定負(fù)荷，某一煙氣含氧量）條件下，因而具有可比性。各受熱面污染程度的計(jì)算及監(jiān)測(cè)均提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示及歷史數(shù)據(jù)的查詢，打印及統(tǒng)計(jì)功能。

2.2 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化吹灰的實(shí)時(shí)指導(dǎo)

該系統(tǒng)通過經(jīng)濟(jì)性分析，提出優(yōu)化吹灰建議。建立吹灰優(yōu)化模型和吹灰經(jīng)濟(jì)性分析模型，其中吹灰判斷模型監(jiān)測(cè)當(dāng)前鍋爐受熱面的污染狀況，判斷鍋爐是否需要進(jìn)行吹灰操作，并確定吹灰時(shí)間和吹灰順序。吹灰優(yōu)化模型是在吹灰判斷模型基礎(chǔ)上確定吹灰需求和明確了吹灰對(duì)象的前提下，引入時(shí)間變量，通過對(duì)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化，確定受熱面最佳吹掃時(shí)間。

3 應(yīng)用效果及效益分析

3.1 運(yùn)行監(jiān)督與管理水平提升

在運(yùn)行期間智能吹灰控制系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)運(yùn)行穩(wěn)定：實(shí)時(shí)計(jì)算的積灰污染指標(biāo)反應(yīng)準(zhǔn)確，吹灰算法與策略可以實(shí)時(shí)計(jì)算不同受熱面的污染程度，對(duì)各受熱面提出不同的吹灰操作。

3.2 吹灰器投用方式及頻率優(yōu)化

為了說明試運(yùn)行前后各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化情況，將熱態(tài)試驗(yàn)完成時(shí)間2013年9月21日零點(diǎn)和試運(yùn)行正式開始前一天，即2013年10月21日零點(diǎn)之間一個(gè)月(30天)的時(shí)間段作為智能吹灰試運(yùn)行前的“對(duì)比工況”。而將2013年10月21日零點(diǎn)至11月1日零點(diǎn)(11天)這段時(shí)間作為智能吹灰投運(yùn)后的“試運(yùn)行工況”。

（1）吹灰器總體投用頻率降低

首先統(tǒng)計(jì)了對(duì)比工況與試運(yùn)行工況吹灰器總體投運(yùn)數(shù)量情況，見表1。智能吹灰系統(tǒng)投運(yùn)后每天可較對(duì)比工況節(jié)省吹灰器投運(yùn)數(shù)量達(dá)27%，節(jié)氣效果顯著。

表1 吹灰器投運(yùn)總數(shù)對(duì)比

根據(jù)劃分的傳熱區(qū)域，圖1給出了兩個(gè)工況內(nèi)各傳熱區(qū)域內(nèi)吹灰器投用比例。

通過對(duì)比分析，屏區(qū)、前、后豎井煙道內(nèi)吹灰器投運(yùn)率都略微減少，而延伸煙道區(qū)域的吹灰器投用率則有較大增長(zhǎng)。由于試運(yùn)行工況期間平均負(fù)荷較對(duì)比工況低，這種吹灰方式能有意識(shí)地將屏區(qū)受熱面的污染容忍度適當(dāng)增加，以提高爐膛出口煙溫。末級(jí)受熱面加強(qiáng)吹灰有利于在負(fù)荷較低時(shí)提升過熱器二級(jí)減溫水流量，從而增加主汽溫調(diào)節(jié)余量，同時(shí)有利于提升再熱汽溫。表2給出了對(duì)比工況與試運(yùn)行工況期間鍋爐主、再熱汽溫及負(fù)荷平均值狀況，試運(yùn)行期間主再熱汽溫在平均負(fù)荷較低的情況下也均有所上漲，它體現(xiàn)了吹灰策略在不同負(fù)荷下根據(jù)傳熱需要靈活適應(yīng)的特點(diǎn)，而不是僅僅給出一個(gè)固定的優(yōu)化吹灰頻率。

3.3 相關(guān)經(jīng)濟(jì)安全性指標(biāo)改善

（1）降低排煙損失

從圖2看試運(yùn)行工況下排煙溫度帶狀區(qū)域整體下移，煙溫較對(duì)比工況明顯降低?？紤]到試運(yùn)行期間已臨近十一月份，環(huán)境溫度更低，空預(yù)器溫壓增大、換熱加強(qiáng)，因此將環(huán)境溫度同樣考慮進(jìn)來計(jì)算得到了圖 2（右）的排煙損失分布狀況。在各個(gè)負(fù)荷區(qū)段內(nèi)智能吹灰投運(yùn)后的排煙損失整體狀況也要低于對(duì)比工況，說明排煙損失在試運(yùn)行期間得到了較為有效的控制。

（2）合理控制省煤器出口煙溫

圖3顯示了前后煙道出口，即前后省煤器出口的煙溫負(fù)荷分布狀況。這個(gè)區(qū)域煙溫受漏風(fēng)等影響更小，也能夠反應(yīng)整個(gè)鍋爐本體的吸熱效率。與對(duì)比工況相比，該區(qū)域煙溫在前后豎井煙道內(nèi)吹灰次數(shù)明顯減少的情況下整體煙溫狀況并沒有惡化。相反由于尾部煙道所有受熱面在吹灰策略中緊密的關(guān)注了鍋爐整體效率狀況，此外還考慮了高低負(fù)荷下煙氣擋板開度對(duì)煙溫的影響，前后豎井煙道的出口煙溫在低負(fù)荷下變化不大，而在高負(fù)荷時(shí)有明顯的下降，各負(fù)荷下出現(xiàn)極端高溫而威脅空預(yù)器安全的概率大幅降低，整體煙溫波動(dòng)幅度比對(duì)比工況稍小，煙溫?cái)?shù)據(jù)帶顯得更“窄”一些。因此在積灰污染可監(jiān)視的情況下，采取合理吹灰策略分配尾部煙道不同受熱面的吹灰頻率，能夠明顯提高這一地區(qū)的吹灰效率。

表2 指標(biāo)均值

圖2 排煙溫度與排煙損失比較

圖3 前后煙道出口煙溫比較

圖4 高再、爐膛出口煙溫比較

（3）其他節(jié)點(diǎn)煙溫分布變化

圖3為高再出口和爐膛出口煙溫分布狀況。這兩個(gè)區(qū)域所處煙溫較高，受熱面又均處于煙氣流程中上游地帶，其溫度不直接影響對(duì)鍋爐效率，但對(duì)安全性有影響。圖4（左）顯示高再出口煙溫，由上面所述試運(yùn)行工況下加強(qiáng)了延伸煙道處受熱面的吹灰強(qiáng)度，因此直接反應(yīng)在該點(diǎn)煙溫在整個(gè)負(fù)荷段，尤其是高負(fù)荷段下降明顯。煙氣在高再出口通過轉(zhuǎn)向室進(jìn)入尾部煙道，通常從轉(zhuǎn)向室開始鍋爐的管壁材料耐高溫規(guī)格均有所下降，而轉(zhuǎn)向室又是省煤器懸吊管、包墻管等工質(zhì)流通出口管道所在處，因此雖然該區(qū)域煙溫遠(yuǎn)比爐膛出口處低，但管組面臨的金屬壁溫超溫問題同樣嚴(yán)峻。高再出口煙溫的降低，有利于對(duì)包墻管、省煤器懸吊管壁溫的安全起到保障作用。圖4（右）顯示爐膛出口煙溫的分布狀況，低負(fù)荷段下由于前后屏結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)減小，出于汽溫調(diào)整需要，適當(dāng)減少了屏區(qū)的吹灰強(qiáng)度，試運(yùn)行工況爐膛煙溫在該負(fù)荷段較原來高一些。但在高負(fù)荷段下，配合爐膛短吹和前后屏長(zhǎng)吹，能夠有效控制爐膛出口紅外煙溫測(cè)點(diǎn)兩側(cè)均值在850℃以內(nèi)，防止受熱面掛焦、掉焦造成機(jī)組安全影響。

4 結(jié)論

電站鍋爐機(jī)組智能吹灰系統(tǒng)根據(jù)在線數(shù)據(jù)判斷鍋爐各受熱面的吹灰需求，實(shí)時(shí)提出優(yōu)化的吹灰模式，根據(jù)臨界污染率和機(jī)組運(yùn)行狀況，提出吹灰優(yōu)化指導(dǎo)，對(duì)受熱面污染嚴(yán)重的部位進(jìn)行吹灰，實(shí)現(xiàn)按需吹灰，在受熱面換熱特性得到保證的情況下，最大限度降低吹灰頻率，達(dá)到節(jié)能降耗、提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性。