鍋爐吹灰優(yōu)化控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

曹勤峰，崔 巍

（浙江浙能嘉興發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314201）

鍋爐吹灰優(yōu)化控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

曹勤峰，崔 巍

（浙江浙能嘉興發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314201）

根據(jù)600 MW機組鍋爐吹灰系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出基于受熱面灰污監(jiān)測的新型智能吹灰優(yōu)化系統(tǒng)，詳細介紹吹灰優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計思路及現(xiàn)場實施過程。通過一系列的吹灰試驗，對鍋爐監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性進行校核，并對新建立的吹灰優(yōu)化模型進行了修正。實際應(yīng)用表明，該吹灰系統(tǒng)能夠改善鍋爐受熱面的結(jié)渣狀況，提高鍋爐的安全經(jīng)濟運行性能。

鍋爐吹灰；受熱面；灰污監(jiān)測；清潔因子

0 引言

為了避免鍋爐在長期運行過程中因受熱面產(chǎn)生嚴重積灰而影響傳熱效率，發(fā)電廠通常會采取各種辦法，相對來說，使用帶一定壓力的蒸汽或空氣對受熱面進行吹掃是最有效且普遍采用的方法。為了清除這些積灰，需要一定壓力和干度的蒸汽對這些受熱面進行吹掃，以達到清除積灰的目的。現(xiàn)在大多數(shù)電廠都根據(jù)鍋爐制造廠提供的要求或者其它已投運電廠的經(jīng)驗，定時進行吹灰，這種做法帶有一定的盲目性，達不到最優(yōu)吹灰的效果，而且無法有效適應(yīng)燃料種類的變化。所以，如何能夠高效地進行鍋爐吹灰，是值得關(guān)注的問題，也是本文的研究目標。

本文提出了根據(jù)爐膛受熱面在線監(jiān)測系統(tǒng)，編制綜合考慮鍋爐效率、主/再熱蒸汽溫度、安全性、可靠性、管道效率等因素的吹灰方案，按照受熱面的污染情況制定可靠合理的吹灰策略，指導運行人員按需吹灰；在優(yōu)化吹灰的同時，提高鍋爐主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度的穩(wěn)定性；通過紅外測溫儀對爐膛出口煙溫進行監(jiān)測，以全面掌握爐內(nèi)受熱面的結(jié)渣、結(jié)焦狀況。

1 灰污種類與吹灰方式

發(fā)電廠一般通過鍋爐設(shè)計、煤種選用和實際運行中對鍋爐吹灰來減少鍋爐積灰，但是灰污沉積的性質(zhì)、位置、階段不同，造成粘附程度不同，因此需要根據(jù)鍋爐不同受熱面的灰污特點，制定吹灰方式、吹灰器的動作時間以及吹灰受熱面的動作順序等。

1.1 爐膛結(jié)渣與吹灰

爐膛內(nèi)的結(jié)渣過程分3個階段，即初始沉積、一次沉積和二次沉積。當受熱面積灰處于初始沉積時最容易被清除，隨著時間的推移，清除的難度也越來越大，特別是在某次沉積過程中形成燒結(jié)時，吹掃將只能降低沉積層的增長速度，而不能有效清除或阻止沉積層的發(fā)展。所以，應(yīng)該在初始沉積層形成的時候進行有效吹灰，可以有效地消除受熱面的結(jié)渣。此外，吹灰槍的持續(xù)動作時間也是重要因素，應(yīng)該保證有足夠長的時間來清除灰渣。

1.2 對流受熱面積灰與吹掃

當煙溫為300～700℃時，對流受熱面上的積灰多為松散性積灰，其中的沉積物不會發(fā)生化學反應(yīng)，也不存在熔融和軟化的成分，所以粘附強度很低。積灰的形狀與煙速有關(guān)，當煙速一定時，經(jīng)過一段時間后，松散性積灰不再增加，達到動態(tài)平衡。

高溫粘結(jié)性積灰的燒結(jié)過程中存在著液相，燒結(jié)強度較高，依靠吹灰難以清除，直接吹灰方式對高溫對流受熱面的吹灰效果不太明顯，但可以通過爐膛吹灰來減弱高溫對流受熱面的積灰。爐膛吹灰可增加水冷壁的輻射傳熱，降低爐膛平均溫度和爐膛出口溫度，減少Na和K氣態(tài)物的生成量，從而減少高溫粘結(jié)性積灰中氣態(tài)堿金屬硫酸鹽的生成量。此外，也會降低受熱面壁溫，容易使氣態(tài)礦物質(zhì)在接近受熱面之前固化，不易形成粘結(jié)基質(zhì)，從而有利于減少氣態(tài)礦物的沉積量及降低沉積層的燒結(jié)強度和燒結(jié)速度。

2 受熱面灰污在線監(jiān)測系統(tǒng)

發(fā)電廠的鍋爐機組一般都安裝有較為完備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，監(jiān)測的參數(shù)很多，可以通過它們得到不同部位的溫度、壓力、流量等，這些數(shù)據(jù)最終都被傳輸?shù)紻CS中。在采集和傳輸過程中，有些參數(shù)會出現(xiàn)隨機波動，甚至出現(xiàn)壞值，所以要對這些參數(shù)進行校核和預處理；另一方面，監(jiān)測數(shù)據(jù)大多只是用于過程控制和運行監(jiān)視，還有隱含的信息沒有得到開發(fā)利用。

本文介紹嘉興電廠600 MW機組受熱面灰污在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠充分利用測點數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性對數(shù)據(jù)的準確程度進行實時判斷，當與標準值有較大偏差時，即被認為是壞值，并予以剔除。系統(tǒng)的流程如圖1所示。

圖1 受熱面污染在線監(jiān)測總體流程

鍋爐吹灰優(yōu)化在線監(jiān)測系統(tǒng)包含以下模塊：

（1）數(shù)據(jù)處理模塊，實現(xiàn)機組實時運行數(shù)據(jù)的處理和分析功能。

（2）數(shù)據(jù)通信模塊，實現(xiàn)DCS及系統(tǒng)主機的實時數(shù)據(jù)雙向通信功能。

（3）臟污計算和監(jiān)測模塊，監(jiān)測鍋爐各個受熱面的積灰程度，包括鍋爐的各個對流受熱面、爐膛受熱面和空預器。

（4）臟污預測模塊，預測鍋爐各個受熱面在未來一段時間內(nèi)的積灰程度。

（5）積灰成本損失模型，計算由于積灰導致的鍋爐效率下降以及由此引起的鍋爐成本增加。

（6）吹灰成本損失模塊，計算吹灰成本，包括直接的蒸汽損失成本和間接成本。

（7）吹灰優(yōu)化模塊，用于吹灰優(yōu)化計算。

程序在運行過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)用電廠SIS數(shù)據(jù)庫中的實時數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)預處理，將經(jīng)過篩選、修正后的數(shù)據(jù)通過計算模塊計算出各受熱面的實時污染程度，得出需要吹灰的受熱面，向DCS發(fā)出吹灰建議，由運行人員進行吹灰。

3 建立吹灰優(yōu)化控制系統(tǒng)模型要考慮的因素

受熱面的灰污監(jiān)測計算是以換熱設(shè)備的熱平衡計算為基礎(chǔ)的，當鍋爐各受熱面出口煙溫、工質(zhì)側(cè)進/出口參數(shù)已知時，通過煙氣側(cè)和工質(zhì)側(cè)的熱平衡方程式，利用熱平衡計算原理，在假定鍋爐整體熱平衡的基礎(chǔ)上，進行各受熱面的熱平衡和傳熱計算，得到受熱面的進口煙溫；再通過傳熱方程計算得出傳熱系數(shù)和清潔因子（受熱面實際污染系數(shù)與理想污染系數(shù)的比值）。

3.1 受熱面灰污變化趨勢

受熱面積灰增加的過程就是不斷打破舊的動平衡、建立新的動平衡過程。剛開始，由于受熱面較清潔，灰粒的沉積速度很快，隨著灰層厚度的增加，速度越來越慢，最終達到平衡。但是，隨著較大灰粒的沉積，由于重力的作用，會使細小的灰粒從受熱面上剝落，動平衡被打破，灰粒繼續(xù)沉積，一直到新的動平衡建立。

3.2 受熱面臟污程度的判斷

通過計算得出每個受熱面的清潔因子，由此判斷該受熱面的臟污程度，進而得出是否需要吹灰。確定機組正常運行時清潔因子和臨界清潔因子的數(shù)值，是判斷能否實現(xiàn)優(yōu)化吹灰的重要前提。

基于節(jié)約蒸汽量以及機組吹灰能力限制的考慮，應(yīng)該合理確定哪些受熱面需要吹灰、哪些可以維持現(xiàn)狀不需吹灰。不同的受熱面，其清潔因子的數(shù)值不同，當受熱面剛結(jié)束吹灰時，清潔因子應(yīng)接近1；當受熱面被污染時，換熱量發(fā)生變化，清潔因子隨之改變。應(yīng)根據(jù)此時的機組工況，合理選擇每個受熱面的臨界清潔因子，當清潔因子低于臨界清潔因子時，必須進行吹灰并給出吹灰建議。給出吹灰建議的同時，還要考慮到鍋爐的減溫水量、消耗的蒸汽量、受熱面?zhèn)鳠岣纳频某潭龋约拔膊繜焿m排放量等。

3.3 受熱面吹灰時間間隔與吹灰收益之間的關(guān)系

每支吹灰槍動作時，會以固定的速度向爐膛推進或退出，在某個確定的時間范圍內(nèi)，每次吹灰消耗的蒸汽量固定不變，吹灰的成本支出即總蒸汽消耗量與吹灰次數(shù)成正比。

吹灰收益是指吹灰?guī)淼膫鳠嵝矢纳?，吹灰凈收益為吹灰收益減去吹灰消耗的成本。剛開始，隨著吹灰次數(shù)的增加，吹灰凈收益也會增加，當超過臨界點，凈收益將成為負值，所以要選擇合適的時間開始吹灰，使吹灰收益達到最大。

3.4 機組負荷對吹灰頻率的影響

鍋爐負荷變化時，爐膛內(nèi)的飛灰量及煙氣流速也會發(fā)生變化。負荷增加，飛灰量增加，積灰速度加快；但是，隨著負荷的增加，煙氣流速將加快，對灰污層的沖刷力增強，大顆粒對管壁的灰層也有一些撞擊作用，使受熱面灰污的增長速度有下降趨勢，兩者相互抵消。所以，當負荷變化時，灰污增長速度變化不明顯。

4 試驗結(jié)果分析

相對于常規(guī)吹灰以及其它吹灰方式，本文所討論的優(yōu)化吹灰不需要對原有的吹灰設(shè)備做大的改動，只需要根據(jù)機組的實際情況添加一些煙溫測點。通過合理的受熱面分組，將鍋爐分為10個受熱面，從而可通過軟件中的計算模型根據(jù)爐膛臟污程度改變原有的吹灰模式，減少運行人員的工作量，避免發(fā)生常規(guī)吹灰方式下可能出現(xiàn)的各種問題。

4.1 吹灰試驗

為提高吹灰優(yōu)化模型的精確度，首先根據(jù)機組為期半年的運行數(shù)據(jù)進行簡單建模，然后通過試驗對運算模型及參數(shù)進行修正，完成了表1所示的多項試驗。

表1 試驗項目

在機組和吹灰器運行情況良好時進行吹灰優(yōu)化試驗。試驗過程中，如果因為機組負荷的波動或運行不穩(wěn)定等情況造成試驗中途停止，則試驗重新開始，本次試驗數(shù)據(jù)視為無效。試驗后，對試驗數(shù)據(jù)進行歸納、總結(jié)、計算、分析，進而通過計算結(jié)果對吹灰優(yōu)化模型進行修正。

4.2 試驗結(jié)果分析

4.2.1 單獨受熱面吹灰

在煤質(zhì)、負荷穩(wěn)定的情況下，分別進行單獨受熱面吹掃，同時檢測各吹掃受熱面和未吹掃受熱面的清潔因子變化，以及鍋爐汽溫、減溫水量、效率等參數(shù)的變化情況。

圖2為不同負荷下，長吹受熱面6的清潔因子變化情況?？梢钥闯觯S著負荷增大，受熱面的清潔因子有所變小，即負荷越高，受熱面沾污程度越深。因此，制定優(yōu)化吹灰策略時，應(yīng)該考慮負荷對受熱面沾污程度的影響。

圖2 不同負荷下長吹受熱面的清潔因子變化

4.2.2 逆煙氣流程吹灰

吹掃過程中，先對下游受熱面進行吹灰，再吹掃上游受熱面，最后吹掃爐膛。在整個吹灰過程中，機組負荷穩(wěn)定在500 MW左右。

圖3為吹灰過程中，長吹受熱面6對下游長吹受熱面7的影響。未進行吹灰操作時，各受熱面的清潔因子隨積灰時間的增加而緩慢減少。隨著吹灰器的動作，受熱面趨于清潔，清潔因子迅速增大，隨后緩慢減少。從圖3可以看出，上游受熱面吹灰對下游受熱面的沾污情況影響很小，主要是因為上游受熱面吹灰時，在增大了煙氣中飛灰濃度的同時也增大了下游受熱面的自除灰能力，所以下游受熱面積灰增長速度變化不明顯。

圖3 長吹受熱面6吹灰對長吹受熱面7的影響

4.2.3 積灰增長速度實驗

在鍋爐正常運行時，維持受熱面2天以上不吹灰，觀察各受熱面的清潔因子變化情況。當清潔因子隨時間變化較為緩慢，或者積灰增長速度很慢時，即認為積灰污染與煙氣帶灰達到了動平衡，此時即可以得出清潔因子的下限值。通過記錄的數(shù)據(jù)和時間，得到沉積常數(shù)和時間常數(shù)，從而驗證灰污沉積模型的準確性。

4.2.4 受熱面清潔度吹灰

在鍋爐正常運行24 h后，對受熱面進行連續(xù)吹灰，并通過爐膛窺視孔觀察受熱面的結(jié)焦情況，如果受熱面在進行1次吹灰后仍然可以看到有很明顯的積灰，則再次進行吹灰，直至受熱面較為清潔。通過對整個試驗過程的數(shù)據(jù)分析，可以得到清潔因子的上限，即受熱面最清潔時的極限值。

對通過以上各項試驗獲得的數(shù)據(jù)進行詳細分析、歸納、總結(jié)，得出最為準確的吹灰模型，從而可通過優(yōu)化服務(wù)器發(fā)出吹灰指令，指導運行人員進行吹灰。

5 應(yīng)用情況分析

5.1 2種吹灰方式的對比條件

為了能根據(jù)爐膛參數(shù)的變化情況來分析比較優(yōu)化吹灰的效果，對常規(guī)吹灰和優(yōu)化吹灰這2種吹灰方式進行了試驗測試。試驗時，鍋爐首先按照常規(guī)吹灰方式對整個爐膛進行全面吹灰，吹灰結(jié)束后開始計時并同時記錄爐膛運行參數(shù)，直至下一次常規(guī)吹灰結(jié)束，計時結(jié)束。此時立刻投入吹灰優(yōu)化系統(tǒng)，開始計時并記錄運行參數(shù)，直至下一次爐膛吹灰結(jié)束。在整個試驗過程中，保證煤種及發(fā)電負荷不發(fā)生變化，磨煤機的組合方式不發(fā)生變化，避免因煤質(zhì)或負荷的變化影響試驗結(jié)果的準確性，記錄得到的參數(shù)均取平均值進行最終結(jié)果運算。

5.2 2種吹灰方式的經(jīng)濟性比較

由于鍋爐吹灰過程會對機組熱損失有一定影響，所以在實際計算過程中，僅考慮對經(jīng)濟性的影響。在保證吹灰條件相同的情況下，優(yōu)化吹灰消耗的蒸汽量減少，鍋爐排煙溫度降低，機組的整體經(jīng)濟性將有所提高。

常規(guī)吹灰測試時間為48 h，優(yōu)化吹灰的測試時間為73 h?？梢妰?yōu)化吹灰間隔時間較長，即機組運行過程中，長時間處于較清潔的狀態(tài)。相對于常規(guī)吹灰，優(yōu)化吹灰的排煙溫度降低了8．4℃，吹灰的時間間隔T與單位吹灰凈收益G之間的關(guān)系如下式所示：

式中：η（θ）為鍋爐經(jīng)濟性與排煙溫度關(guān)系的函數(shù)；G為單位時間吹灰收益；T為吹灰時間間隔；Ccost為受熱面吹灰一次成本。

設(shè)排煙溫度每降低1℃的收益為42元/℃·h，一次吹灰成本為307元。G隨吹灰時間間隔增加先迅速遞增后逐漸減小。當T=4．89 h時，Gmax= 69．4元/h；當T=3～7．5 h時，可達到最大收益的90%以上。

優(yōu)化吹灰的蒸汽耗量比常規(guī)吹灰減少了約20%，主要是由于位于尾部煙道的低溫過熱器及省煤器容易積灰，增加了尾部的吹灰次數(shù)。減少蒸汽耗量可以有效減少汽輪機的回熱抽汽，提升機組經(jīng)濟性，降低機組煤耗。同時，由于受熱面長期處于較為清潔的狀態(tài)，換熱量也隨之增加。

利用有效焓降法對發(fā)電負荷為500 MW時的能耗進行計算得出，與常規(guī)吹灰方式相比，優(yōu)化吹灰使汽輪機側(cè)煤耗增加0．02 g/kWh，鍋爐側(cè)煤耗降低0．98 g/kWh，即優(yōu)化吹灰?guī)淼男б嬷饕Q于鍋爐側(cè)。綜合比較，機組可降低煤耗0．96 g/kWh，經(jīng)濟效益巨大。

6 結(jié)語

吹灰方案是否合理將直接影響鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性，制定切實可行的吹灰方案，意義重大。合理吹灰可以使鍋爐受熱面相對清潔，降低排煙溫度，提高鍋爐效率，降低輔機電耗，減少發(fā)生運行事故的可能，實現(xiàn)用最小的吹灰成本得到較高的經(jīng)濟效益。本文所介紹的吹灰優(yōu)化系統(tǒng)，能夠根據(jù)鍋爐灰污程度發(fā)出吹灰建議，指導運行人員吹灰；還可以根據(jù)鍋爐現(xiàn)狀，對受熱面進行合理分組，吹灰時可以單獨啟動某個受熱面的吹灰，從而大大節(jié)約了吹灰蒸汽用量，也降低了吹灰對管壁的損壞程度。

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（本文編輯：龔 皓）

Research and Application of Sootblowing Optimization and Control System of Boiler

CAO Qinfeng,CUI Wei
（Zhejiang Zheneng Jiaxing Power Generation Co.，Ltd.，Jiaxing Zhejiang 314201，China）

According to the status quo of sootblowing system in 600 MW unit boilers，this paper proposes a new type of intelligent sootblowing optimization system based on heating surface soot monitoring and elaborates on design idea and field implementation of sootblowing optimization system.By a series of sootblowing tests，accuracy of the monitored boiler data of boilers is checked and the newly established optimization model is corrected.It is proved by actual operation that the sootblowing system can improve slagging condition of boiler heating surface and increase the performance of operation safety and economy of boilers.

boiler sootblowing；heating surface；soot monitoring；cleaning factor

TK223.27

B

1007-1881（2015）04-0035-05

2015-01-23

曹勤峰（1982），男，工程師，從事火電廠鍋爐專業(yè)相關(guān)工作。