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      燃煤電廠鍋爐結(jié)渣在線監(jiān)測與診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀

      2016-02-03 16:51:54崔恒
      綜合智慧能源 2016年11期
      關(guān)鍵詞:煙溫結(jié)渣積灰

      崔恒

      (華電新鄉(xiāng)發(fā)電有限公司,河南新鄉(xiāng) 453635)

      燃煤電廠鍋爐結(jié)渣在線監(jiān)測與診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀

      崔恒

      (華電新鄉(xiāng)發(fā)電有限公司,河南新鄉(xiāng) 453635)

      在燃煤電站鍋爐的運(yùn)行中,爐膛水冷壁結(jié)渣是普遍存在的,也是影響鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個主要問題。近年來,隨著對電站鍋爐結(jié)渣機(jī)理及生成過程認(rèn)識的深入和相應(yīng)技術(shù)的日趨成熟,國內(nèi)外已研發(fā)出多種結(jié)渣診斷技術(shù)及監(jiān)控系統(tǒng),并已成功地應(yīng)用。介紹了國內(nèi)外研究者對爐膛結(jié)渣在線監(jiān)測與診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

      燃煤鍋爐;積灰;結(jié)渣;在線監(jiān)測

      0 引言

      在煤粉鍋爐的運(yùn)行過程中,鍋爐受熱面的非正常積灰、結(jié)渣會增加鍋爐爐膛的傳熱熱阻和煙道的通風(fēng)阻力,從而成為影響鍋爐正常運(yùn)行的一個主要因素[1]。因此,為了保證煤粉鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性,要了解鍋爐產(chǎn)生積灰、結(jié)渣的機(jī)理及其造成的危害,并且研究如何及時(shí)采取措施,有效地預(yù)防和處理電廠鍋爐積灰、結(jié)渣的現(xiàn)象。

      近年來,為了降低成本,電力企業(yè)大多燃用灰分高的劣質(zhì)煤以追求更大的經(jīng)濟(jì)效益[2],而且我國電廠燃用煤多屬于易結(jié)渣煤質(zhì),經(jīng)常與設(shè)計(jì)值不符,這在一定程度上加劇了鍋爐受熱面的積灰結(jié)渣。受積灰結(jié)渣的影響,鍋爐受熱面的傳熱能力下降,產(chǎn)生高溫腐蝕的幾率也會增加,同時(shí)還有可能影響機(jī)組在正常負(fù)荷下運(yùn)行,甚至?xí)斐赏C(jī)等嚴(yán)重事故,給電廠帶來巨大的損失。針對這一問題,在實(shí)際運(yùn)行操作中,常采用吹灰措施來預(yù)防受熱面的嚴(yán)重積灰結(jié)渣,這也是公認(rèn)的最直接、最有效的預(yù)防手段。目前,在國內(nèi)的電廠鍋爐中均配有可靠的吹灰設(shè)備,但是大多數(shù)電廠僅僅是按照預(yù)先設(shè)定的程序定時(shí)定量地吹灰,具有很強(qiáng)的盲目性,難免產(chǎn)生吹灰不足或吹灰過度的問題。吹灰不足難以起到預(yù)防效果,過度的吹灰會影響鍋爐受熱面的壽命,增加維修費(fèi)用,甚至?xí)斐啥虝r(shí)煙塵排放超標(biāo),消耗大量不必要的能量。因此,有效地進(jìn)行鍋爐積灰結(jié)渣的在線監(jiān)測和優(yōu)化吹灰操作是我們需要解決的。

      1 積灰結(jié)渣診斷技術(shù)與診斷系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

      有效地清除鍋爐受熱面積灰,避免出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)渣現(xiàn)象,提高鍋爐運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性,首先應(yīng)該全面了解爐膛內(nèi)部積灰、結(jié)渣的情況。國內(nèi)外研究者已開發(fā)出多種積灰結(jié)渣監(jiān)控系統(tǒng)和診斷技術(shù),有些已經(jīng)成功地應(yīng)用于鍋爐的實(shí)際運(yùn)行中[3]。目前已有的積灰結(jié)渣診斷技術(shù)主要有直接診斷、熱流計(jì)診斷、水冷壁背面溫差間接診斷和測量爐膛出口煙溫診斷等方法。

      1.1 直接診斷技術(shù)

      直接診斷技術(shù)是直接利用儀器來觀察鍋爐受熱面的結(jié)渣狀況,從而判斷出爐膛內(nèi)的污染情況。受鍋爐內(nèi)高溫以及飛灰等惡劣環(huán)境的限制,對直接用來觀測爐內(nèi)結(jié)渣情況的儀器設(shè)備要求很高,價(jià)格昂貴,因此對于直接診斷方法的研究并不多見。根據(jù)采取吹灰措施后爐內(nèi)的相對反射率會減小的原理,Afonso等在爐膛不同方位設(shè)置了紅外成像機(jī)來測量水冷壁的輻射發(fā)射率,然后根據(jù)測得發(fā)射率的大小決定是否進(jìn)行吹灰。

      研究者[4-5]采用傅里葉變換紅外發(fā)射光譜,利用光譜識別二氧化硅、硫酸鹽和硅酸鹽等,來分析煤灰沉積物的變化。只是這種方法尚處在研究階段,還未實(shí)現(xiàn)通過光譜特征來確定沉積物的成分和反應(yīng)過程,若要用于鍋爐受熱面灰沉積過程的直接診斷仍需進(jìn)一步研究。

      1.2 熱流計(jì)診斷技術(shù)

      熱流計(jì)診斷是將熱流計(jì)作為傳感器安裝在水冷壁上,依據(jù)熱流計(jì)表面的灰污情況建立數(shù)學(xué)模型,計(jì)算模擬出水冷壁的結(jié)渣情況。既可根據(jù)熱流的變化判斷爐內(nèi)的結(jié)渣情況,還可以優(yōu)化吹灰過程,使受熱面保持較高的換熱水平。目前利用熱流計(jì)診斷爐膛結(jié)渣的技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室和電廠運(yùn)行中都有廣泛的應(yīng)用。

      加拿大研究者研發(fā)了利用熱流計(jì)針對爐膛結(jié)渣的監(jiān)測系統(tǒng)[6]。該監(jiān)測系統(tǒng)將圓盤式熱流計(jì)(包括清潔熱流計(jì)和灰污熱流計(jì))安裝在爐膛水冷壁的易結(jié)渣部位。清潔熱流計(jì)內(nèi)裝有空氣吹掃裝置,可以及時(shí)清除熱流計(jì)表面的飛灰沉積,測量的數(shù)據(jù)為鍋爐受熱面所吸收的火焰輻射熱流?;椅蹮崃饔?jì)同水冷壁一樣會受到飛灰沉積,測量的數(shù)據(jù)為鍋爐受熱面實(shí)際吸收的火焰輻射熱流。通過對比較清潔熱流計(jì)和灰污熱流計(jì)的所獲取的數(shù)據(jù),就可以判斷出水冷壁內(nèi)部的積灰結(jié)渣情況。

      英國研究者采用圓柱熱流計(jì)測量水冷壁吸收的輻射熱流,并且結(jié)合鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化吹灰操作。該方法是將熱流計(jì)直接安裝在管子的表面,制作出一個可以流通工質(zhì)的測量段,測量時(shí)會用該測量段代替爐膛內(nèi)的某段水冷壁管。該積灰監(jiān)測和吹灰系統(tǒng)已在鍋爐上得以應(yīng)用,并在提高鍋爐效率、減輕受熱面腐蝕和預(yù)防結(jié)渣事故等方面取得很好的效果。

      Wynnyck等人[7]利用82只“沾污”熱流計(jì)和13只“潔凈”熱流計(jì)建立了受熱面積灰診斷系統(tǒng),該系統(tǒng)在優(yōu)化吹灰等方面發(fā)揮了重要的作用。也有研究者采用自制熱流計(jì)實(shí)現(xiàn)了對爐膛結(jié)渣的監(jiān)控和優(yōu)化吹灰。熱流計(jì)可安裝在爐膛內(nèi)的不同位置,進(jìn)行爐膛結(jié)渣的局部或全面診斷,因而成為國外學(xué)者研究較多的積灰結(jié)渣診斷手段。但因其造價(jià)昂貴、維護(hù)困難等缺點(diǎn)也在一定程度上限制了熱流計(jì)技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

      1.3 水冷壁背面溫差間接診斷

      清華大學(xué)武彬[8]提出了通過測量水冷壁背面溫差來監(jiān)測爐膛內(nèi)部污染的思路。研究者將帶有梯形鰭片的膜式水冷壁作為研究對象,利用有限單元法求解水冷壁溫度場,建立溫度與熱負(fù)荷的關(guān)系,在線監(jiān)測出水冷壁的局部熱負(fù)荷,然后通過直接測量或爐膛分區(qū)段計(jì)算出清潔熱負(fù)荷。對比二者即可判斷出結(jié)渣的位置和嚴(yán)重程度,還可以大致確定出爐膛結(jié)渣的面積。只是該方法僅限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究,到目前為止尚未見到有關(guān)電廠應(yīng)用的報(bào)道。

      1.4 測量爐膛出口煙溫

      在鍋爐負(fù)荷不變的情況下,當(dāng)鍋爐受熱面出現(xiàn)積灰結(jié)渣時(shí),灰層的熱阻會提升灰層外壁面溫度,增強(qiáng)反向輻射,從而使受熱面吸收的熱量減少,爐膛出口煙氣溫度升高。根據(jù)爐膛煙溫的監(jiān)測,每當(dāng)采取吹灰操作后,爐膛出口煙溫會顯著下降。

      常見的爐膛出口煙溫的測量方法有2種。(1)直接測量法。由于爐膛出口煙氣溫度很高,常規(guī)的熱電偶難以承受,所以常用光學(xué)方法,如光學(xué)高溫計(jì)等。還有一些像聲學(xué)高溫計(jì)、紅外傳感器等新方法[9];(2)熱平衡計(jì)算法,即間接測量爐膛煙溫法。一般是在省煤器入口或空氣預(yù)熱器入口測得煙氣溫度,然后逆煙氣的各流經(jīng)段對受熱面的熱平衡進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而推算爐膛出口的煙氣溫度[10]。該方法存在一定的誤差,只能從整體上反映爐膛內(nèi)積灰結(jié)渣的特征。

      2 其他診斷方法

      在德國施陶丁格電廠#5機(jī)組上安裝有一種可以保持受熱面清潔的新型鍋爐結(jié)渣診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)在線測量數(shù)據(jù),由分段熱平衡和傳熱計(jì)算分別得出受熱面的實(shí)際換熱系數(shù)和理想換熱系數(shù)。比較這2種換熱系數(shù)即可得出表征受熱面積灰程度的專門系數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)吹灰器的優(yōu)化吹灰。Ecxerd等[11]也提出了一種相似的吹灰器控制系統(tǒng),該系統(tǒng)依據(jù)DAS采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算出受熱面的實(shí)際傳熱系數(shù),以控制吹灰器運(yùn)行。

      國內(nèi)研究者文孝強(qiáng)等[12]將vague集理論引入燃煤鍋爐的評判中并采用距離意義下相似度量新方法對4臺鍋爐進(jìn)行了評判,實(shí)現(xiàn)了對當(dāng)前運(yùn)行鍋爐的結(jié)渣狀況的診斷。閻維平教授等以能量和質(zhì)量守恒原理為基礎(chǔ),利用在線檢測和鍋爐機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù),開發(fā)了針對燃煤電站鍋爐積灰結(jié)渣的在線檢測裝置和優(yōu)化吹灰系統(tǒng),節(jié)約了能源,提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性。國內(nèi)各科研單位如清華大學(xué)、浙江大學(xué)和東南大學(xué)等也先后開展了相關(guān)的研究[13-14],建立了受熱面積灰監(jiān)測模型,也開發(fā)了一些應(yīng)用軟件,實(shí)現(xiàn)了對受熱面積灰結(jié)渣狀況在線監(jiān)測。

      3 結(jié)束語

      爐膛積灰結(jié)渣的在線監(jiān)測與診斷技術(shù)可以作為運(yùn)行控制的依據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷出爐內(nèi)積灰結(jié)渣的位置和程度,優(yōu)化吹灰操作,提高電廠運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。國內(nèi)外研究者對該課題都進(jìn)行了較深入的研究,取得了一定的成績,但同時(shí)也存在著一些不可避免的問題。常用的積灰結(jié)渣診斷方法都存在有一定的缺點(diǎn)與不足:直接診斷法,一般需要昂貴的診斷設(shè)備和先進(jìn)的測量技術(shù),推廣和應(yīng)用都受到限制;熱流計(jì)法是目前用于研究和應(yīng)用最多的一種診斷手段,它可以診斷出爐膛不同位置處的積灰結(jié)渣狀況,但是熱流計(jì)的布置卻比較麻煩,而且價(jià)格較為昂貴,從而限制了熱流計(jì)法的應(yīng)用,尤其是對于已投入運(yùn)行的電廠,要運(yùn)用該診斷方法更加困難;測量爐膛出口煙溫的方法只能從整體對爐膛內(nèi)部結(jié)渣的狀況做出判斷,而不能反映爐內(nèi)結(jié)渣的具體分布情況,而且煙溫也難以準(zhǔn)確測量,計(jì)算過程也存在一定誤差,所以該診斷方法只能作為輔助診斷手段。還有一些設(shè)想只是處于實(shí)驗(yàn)研究階段。

      相對于國際上來說,我國對于爐膛積灰結(jié)渣的在線監(jiān)測與診斷的研究起步較晚,雖然取得了一定的成果,也有些系統(tǒng)已經(jīng)在電廠投入運(yùn)行,但是在國內(nèi)大型機(jī)組中得以普遍應(yīng)用仍有很長的路要走。因此,研究者仍需致力研究出一種使監(jiān)測更加簡潔、可靠,精度更高適應(yīng)性更強(qiáng)的監(jiān)測系統(tǒng)。

      [1]岑可法,樊建人,池作和,等.鍋爐和熱交換器的積灰、結(jié)渣、磨損和腐蝕的防止原理與計(jì)算[M].北京:水利電力出版社,1994.

      [2]閻維平,鄭占國.300MW燃煤電廠鍋爐積灰結(jié)渣計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測與優(yōu)化吹灰[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2000,20(9):84-88.

      [3]盛昌棟,黃永生.國外煤粉爐結(jié)渣診斷與監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)展[J].鍋爐技術(shù),1997(8):28-32.

      [4]Baxte L L.Ash depositon during biomass and coal combustion;amechanistic approach,Biomass and Bioenergy[J],1993,4(2):85-102.

      [5]Vassallo A M,F(xiàn)innie K S,Palmisano A J,et al.Infra-red emission analysis of coal mineral thermal transformations[C].Australian,1992.

      [6]Chambers A K,Wynnyckyj JR,Rhodes E.A furnish wall ash monitoring system for coal fired boiler[J].ASME,J. Eng.Powe,1981(103):532-538.

      [7]Rhodes E,Wynnychyj JR,Marr R.用于褐煤鍋爐沾污控制的積灰檢測系統(tǒng)[J].熱力發(fā)電譯叢:1991(5):14-21.

      [8]武彬.電站鍋爐受熱面污染監(jiān)測[D].北京:清華大學(xué),2000.

      [9]魏鐵錚,王平川,王建軍.鍋爐爐膛出口煙氣溫度的推算[J].華北電力技術(shù),1999(9):14-16.

      [10]沈國清.基于聲波理論的爐膛溫度場在線監(jiān)測技術(shù)研究[D].北京:華北電力大學(xué),2008.

      [11]Echerd R S,Zimmerman S A.Control of soot blowing in black liquor recovery boilers[J].ISA Transactions,1987,26(2):253-260.

      [12]文孝強(qiáng),徐志明,孫媛媛,等.一種評判燃煤鍋爐結(jié)渣特性的新方法[J].動力工程,2012,29(3):223-227.

      [13]閻維平,梁秀俊.300MW燃煤電廠鍋爐積灰結(jié)渣計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測與優(yōu)化吹灰[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2000,20(9):84-88.

      [14]王斌忠,吳占松.煤粉爐爐膛結(jié)渣診斷的一種新方法[J].熱力發(fā)電,1999(6):78-82.

      (本文責(zé)編:齊琳)

      TK 224.9

      B

      1674-1951(2016)11-0023-03

      崔恒(1989—),男,河南商丘人,助理工程師,從事電廠鍋爐設(shè)備檢修方面的工作(E-mail:452747130@qq.com)。

      2016-08-17;

      2016-10-08

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