大型燃煤電站鍋爐吹灰技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀

張廣才，王一坤，柳宏剛，解冰

(西安熱工研究院有限公司，西安 710032)

大型燃煤電站鍋爐吹灰技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀

張廣才，王一坤，柳宏剛，解冰

(西安熱工研究院有限公司，西安 710032)

燃煤電站鍋爐運(yùn)行中，受熱面的積灰與結(jié)渣不可避免，為了保障電站鍋爐的安全運(yùn)行，必須采用一定的手段將受熱面的積灰與結(jié)渣控制在不影響機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性的范圍內(nèi)。描述了蒸汽吹灰、水力吹灰、燃?xì)饷}沖吹灰、氣體激波吹灰和各種聲波吹灰系統(tǒng)的工作原理，對(duì)各種吹灰系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了技術(shù)比較，并給出了不同受熱面的吹灰系統(tǒng)選擇建議方案。

燃煤電站；鍋爐；蒸汽吹灰；水力吹灰；燃?xì)饷}沖吹灰；氣體激波吹灰；聲波吹灰

0 引言

燃煤電站鍋爐燃煤含有大量的灰分，這些灰分燃燒后一般有3種形態(tài)：(1)成為固體飛灰隨煙氣流經(jīng)鍋爐各個(gè)受熱面；(2)在高溫下熔融為液態(tài)并逐步沉積在爐膛內(nèi)受熱面形成結(jié)渣；(3)在高溫下?lián)]發(fā)為氣態(tài)，在較冷的受熱面與飛灰結(jié)合而沾污受熱面。鍋爐的受熱面發(fā)生積灰和結(jié)渣會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行，為了保障電站鍋爐的安全運(yùn)行，必須采取一定的手段，將受熱面的積灰與結(jié)渣控制在不影響機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性的范圍內(nèi)。本文介紹了目前燃煤電站鍋爐中常見(jiàn)的吹灰系統(tǒng)，對(duì)其原理、優(yōu)缺點(diǎn)和工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并給出了不同受熱面的吹灰系統(tǒng)選擇建議方案。

1 積灰與結(jié)渣的成因、影響因素及危害

煤粉燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量的微小灰粒，這些微小灰粒隨著燃燒產(chǎn)生的煙氣流經(jīng)鍋爐各個(gè)受熱面時(shí)，由于灰顆粒之間、灰粒與受熱面之間存在的表面張力、分子吸引力、熱泳力和靜電吸引力等的交互作用，在受熱面會(huì)出現(xiàn)積灰和結(jié)渣。

影響積灰的因素主要有煙氣流速、飛灰粒徑、換熱管束直徑及排列方式、煙氣中的飛灰質(zhì)量濃度等；此外，燃料成分、燃燒方式和溫度也會(huì)不同程度影響飛灰在受熱面的沉積。燃煤鍋爐的結(jié)渣則與爐內(nèi)氣氛、溫度和空氣動(dòng)力場(chǎng)的組織情況密切相關(guān)。

鍋爐受熱面發(fā)生積灰和結(jié)渣后，會(huì)造成鍋爐熱效率下降、廠用電率上升、鍋爐安全性降低等嚴(yán)重后果。鍋爐中未發(fā)生積灰和結(jié)渣的受熱面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一般為46.5～58.1 W/(m2·K)，發(fā)生積灰和結(jié)渣后，其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)迅速下降至0.058～0.116 W/(m2·K)[1]。因此，鍋爐積灰嚴(yán)重時(shí)，可導(dǎo)致空氣預(yù)熱器出口的排煙溫度升高15～20 ℃，影響煤耗2.8～3.5 g/(kW·h)。當(dāng)屏式過(guò)熱器或高溫對(duì)流受熱面發(fā)生結(jié)渣后，煙氣流速增大，部分管束磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致“爆管”；當(dāng)鍋爐折焰角上方發(fā)生嚴(yán)重積灰時(shí)，還可能因?yàn)榉e灰倒向爐內(nèi)而發(fā)生“塌灰滅火”。

2 吹灰技術(shù)的分類及工作原理

目前，燃煤鍋爐所用吹灰技術(shù)均為物理性吹灰，常見(jiàn)的吹灰器有蒸汽吹灰器、水力吹灰器、燃?xì)饷}沖吹灰器、氣體激波吹灰器和聲波吹灰器等。

2.1 蒸汽吹灰

蒸汽吹灰是讓高溫、高壓的蒸汽通過(guò)特制的吹灰器噴嘴膨脹加速，利用高速蒸汽對(duì)灰渣層進(jìn)行沖擊或振動(dòng)，是目前應(yīng)用最為廣泛的吹灰技術(shù)。蒸汽吹灰系統(tǒng)主要由蒸汽吹灰器、控制系統(tǒng)和蒸汽管路3部分組成，一般采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)來(lái)控制蒸汽壓力與流量。常見(jiàn)的蒸汽吹灰器主要有短伸縮式吹灰器、長(zhǎng)伸縮式吹灰器和固定回轉(zhuǎn)式吹灰器[2]。

目前，電站鍋爐蒸汽吹灰的汽源一般可以選擇屏式過(guò)熱器出口蒸汽、汽輪機(jī)高壓缸排汽和低溫再熱器出口蒸汽等。對(duì)于燃煤鍋爐，一般要求吹灰蒸汽的壓力為1.5～3.0 MPa，蒸汽溫度比相應(yīng)壓力下的飽和溫度高80 ℃以上即可滿足要求。當(dāng)采用屏式過(guò)熱器出口蒸汽作為吹灰汽源時(shí)，存在鍋爐經(jīng)濟(jì)性下降、設(shè)備初投資增大和設(shè)備可靠性降低等問(wèn)題，因此，為提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，很多機(jī)組選擇高壓缸排汽或低溫再熱器出口蒸汽作為吹灰系統(tǒng)汽源。高壓缸排汽溫度與吹灰器工作溫度相近，可以減少甚至不使用減溫水；當(dāng)采用低溫再熱器出口蒸汽時(shí)，能避免蒸汽在吹灰器中凝結(jié)，防止吹灰蒸汽帶水和干擾爐內(nèi)燃燒。如某630 MW超臨界機(jī)組將吹灰汽源改為低溫再熱器出口蒸汽后，可降低煤耗0.74 g/(kW·h)，按機(jī)組負(fù)荷率60%、年運(yùn)行3 500 h、標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)為500 t/h計(jì)算，每年可增加收益49萬(wàn)元[3]。鄒縣電廠#7機(jī)組吹灰汽源改為低溫再熱器出口蒸汽后，運(yùn)行一年再未發(fā)生改造前的吹灰汽源減壓閥焊縫漏氣現(xiàn)象，屏式過(guò)熱器區(qū)域吹灰器也未燒損，停爐檢查發(fā)現(xiàn)受熱面僅有少量積灰，運(yùn)行效果良好[4]。此外，根據(jù)受熱面的污染情況對(duì)吹灰方案進(jìn)行優(yōu)化，也能顯著降低運(yùn)行費(fèi)用，如國(guó)網(wǎng)神頭第二發(fā)電廠根據(jù)鍋爐自身受熱面的污染特性，對(duì)吹灰器的運(yùn)行方式進(jìn)行了優(yōu)化，每年可節(jié)省吹灰蒸汽成本140萬(wàn)元[5-7]。

2.2 水力吹灰

水力吹灰是利用冷水的沖擊力和溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力來(lái)清除受熱面灰渣。當(dāng)水流沖擊水冷壁時(shí)，水冷壁上的灰渣受溫度應(yīng)力作用發(fā)生龜裂松動(dòng)；另一方面，由于水冷壁上的灰渣溫度較高，水流進(jìn)焦塊縫隙后迅速蒸發(fā)導(dǎo)致焦塊膨脹，會(huì)使沉積的灰渣松動(dòng)脫落。水力吹灰系統(tǒng)一般由水力吹灰器、吹灰器管路、加藥裝置及控制系統(tǒng)組成。水力吹灰器特別適用于去除黏性大、質(zhì)地堅(jiān)硬的灰渣，一般用于燃用褐煤或結(jié)焦性強(qiáng)煤種的機(jī)組，目前在我國(guó)部分燃用準(zhǔn)東煤的機(jī)組上也有應(yīng)用業(yè)績(jī)[8]。

常見(jiàn)的水力吹灰器有旋轉(zhuǎn)伸縮式和遠(yuǎn)程噴射式。旋轉(zhuǎn)伸縮式水力吹灰器行程約為1 m，有效吹掃半徑為2～4 m；遠(yuǎn)程噴射式吹灰器可在水平與垂直方向上擺動(dòng)，有效射程可達(dá)30 m，單次吹掃面積可達(dá)400 m2，常用于清掃吹灰器正面及兩側(cè)墻水冷壁。

2.3 燃?xì)饷}沖吹灰器

燃?xì)饷}沖吹灰器是利用燃?xì)獗籍a(chǎn)生的沖擊波進(jìn)行清灰。燃?xì)鉀_擊波產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)縱波對(duì)積灰產(chǎn)生一種先壓后拉的作用，積灰受沖擊波的沖擊破碎后脫離受熱面；導(dǎo)入積灰的沖擊波會(huì)在積灰與受熱面的結(jié)合處產(chǎn)生剪切力，使積灰與受熱面發(fā)生分離[9-10]。此外，高溫高壓氣體還能降低積灰與受熱面的黏結(jié)強(qiáng)度，加速積灰與受熱面的分離。

實(shí)際使用時(shí)，常使用乙炔作為燃料，主要是因?yàn)橐胰草^易制取，生產(chǎn)成本低，能量較高，燃燒速度快且爆炸極限范圍很寬(3%～81%)，易于掌握。燃燒所需的氧氣可為空氣或純氧，由專用風(fēng)機(jī)或空氣分離裝置提供。燃?xì)饷}沖吹灰器一般由回火防止器、過(guò)濾器、混合器、點(diǎn)火罐、脈沖管、控制系統(tǒng)和噴嘴等組成[11-12]。菏澤發(fā)電廠在再熱器和管式空氣預(yù)熱器安裝了燃?xì)饷}沖吹灰器后，排煙溫度下降了10 ℃，鍋爐熱效率提高了0.5百分點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著[13]。

2.4 氣體激波吹灰器

氣體激波吹灰器工作原理與燃?xì)饷}沖吹灰器相似，一定壓力的氣體(空氣或氮?dú)?在特殊結(jié)構(gòu)的激波發(fā)生器中瞬間釋放，產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間大于100 ms、強(qiáng)度為2～5馬赫的激波，通過(guò)沖擊管?chē)娍谧饔糜谑軣崦鎇14]。激波自噴口射出后，在空間內(nèi)作球面擴(kuò)散，擴(kuò)散后的激波在被吹受熱面發(fā)生反射和折射，并通過(guò)折射層導(dǎo)入，激波的壓力脈沖波在對(duì)積灰進(jìn)行壓拉的同時(shí)產(chǎn)生一定等級(jí)的聲波，最終積灰在激波和聲波的共同作用下破碎并與受熱面分離，被煙氣帶走[15]。氣體激波吹灰器一般由激波發(fā)生器、流量控制系統(tǒng)、空壓機(jī)系統(tǒng)、控制保護(hù)系統(tǒng)等幾部分組成。

2.5 聲波吹灰器

聲波吹灰器是以壓縮空氣或高壓蒸汽為驅(qū)動(dòng)源，在聲波發(fā)生裝置內(nèi)產(chǎn)生低頻高強(qiáng)度的聲波后，利用聲波立體傳播和高速周期振蕩的特點(diǎn)，使受熱面上的灰垢脫落并被煙氣帶走。20世紀(jì)80年代，瑞典的Mats Olsson首先申請(qǐng)了利用聲能清除積灰的專利。我國(guó)的聲波吹灰器研究始于20世紀(jì)80年代，并于20世紀(jì)90年代開(kāi)始了工業(yè)性應(yīng)用試驗(yàn)[16]。

對(duì)于聲波吹灰的機(jī)制有兩種假設(shè)理論：一種認(rèn)為整個(gè)吹灰過(guò)程主要受受熱面與聲波的共振影響；一種認(rèn)為主要受積灰邊界層在聲波作用下的拉、壓影響，與受熱面的共振無(wú)關(guān)。目前對(duì)聲波吹灰機(jī)制的認(rèn)識(shí)更傾向于第2種理論[17]。根據(jù)聲波吹灰器產(chǎn)生聲波的裝置，可以將其分為膜片式吹灰器[18-19]、旋笛式吹灰器[2]、可調(diào)頻聲波吹灰器[20-21]和腔體式聲波吹灰器幾種。

聲波吹灰器用于燃煤機(jī)組的不同受熱面已經(jīng)有了良好的工程應(yīng)用效果。平煤集團(tuán)坑口電廠在電除塵器加裝可調(diào)頻聲波吹灰器后，電除塵器清灰效果明顯增強(qiáng)，除塵效率得到了提高[22]。圖1為粵電集團(tuán)沙角B電廠#1鍋爐再熱器區(qū)域加裝聲波吹灰器前、后的對(duì)比圖，從圖中可以看出，加裝聲波吹灰器后受熱面的積灰明顯減少，受熱面上僅有一層很薄的積灰，原來(lái)管束間的積灰基本被吹掃干凈。

國(guó)電投平山電廠#2鍋爐空氣預(yù)熱器加裝可調(diào)頻高強(qiáng)聲波吹灰器后[24]：(1)排煙溫度降低了6 ℃，機(jī)組供電煤耗降低約1.128 g/(kW·h)，按單臺(tái)機(jī)組年發(fā)電量50×108kW·h、標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)500元/t計(jì)算，可節(jié)約標(biāo)煤費(fèi)用282萬(wàn)元；(2)空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)差壓降低了0.8～1.0 kPa，引風(fēng)機(jī)電流合計(jì)下降了30 A，按單臺(tái)機(jī)組年運(yùn)行4 500 h計(jì)算，預(yù)計(jì)可節(jié)電27×105kW·h，按上網(wǎng)電價(jià)0.35元/(kW·h)計(jì)算，全年可節(jié)約電費(fèi)94.5萬(wàn)元；(3)預(yù)計(jì)每天節(jié)約吹灰蒸汽24 t，按照吹灰蒸汽150元/t計(jì)算，全年可節(jié)約蒸汽費(fèi)用67.5萬(wàn)元；(4)每年節(jié)煤收益282.0萬(wàn)元，節(jié)電收益94.5萬(wàn)元，節(jié)汽收益67.5萬(wàn)元，每年節(jié)能收益合計(jì)444.0萬(wàn)元。

圖1 再熱器加裝聲波吹灰器前、后對(duì)比[23]

銅山華潤(rùn)電力有限公司#6鍋爐在低溫再熱器安裝陣列式聲波吹灰器后，再熱蒸汽溫度平均提高了4.1 ℃，按2臺(tái)機(jī)組年發(fā)電量120×108kW·h、標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)500元/t計(jì)算，年節(jié)約標(biāo)煤費(fèi)用113.3萬(wàn)元[25]。

3 不同吹灰技術(shù)的比較

不同吹灰技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 不同吹灰技術(shù)對(duì)比

續(xù)表

4 結(jié)論及建議

鍋爐燃用的煤質(zhì)特性變化決定了對(duì)鍋爐的不同區(qū)域需要按照具體受熱面特性及灰渣特性選擇適合的吹灰設(shè)備。

(1)對(duì)于鍋爐爐膛和屏式受熱面，蒸汽吹灰器仍然是最佳選擇；燃用結(jié)渣性很強(qiáng)的燃煤時(shí)，可以考慮水力吹灰器；燃用結(jié)渣性和黏性不強(qiáng)的燃煤，可以采用聲波吹灰器和蒸汽吹灰器同時(shí)使用的方案。

(2)對(duì)于尾部受熱面，包括再熱器、低溫過(guò)熱器和省煤器，如積灰呈松散狀，蒸汽吹灰器、聲波吹灰器、燃?xì)饷}沖吹灰器和氣體激波吹灰器均可采用，在保證吹灰效果的前提下，應(yīng)優(yōu)先采用能耗較低的聲波吹灰器；如積灰為黏性，可以考慮以聲波吹灰器、燃?xì)饷}沖吹灰器和氣體激波吹灰器日常吹掃為主，必要時(shí)投運(yùn)蒸汽吹灰器。

(3)對(duì)于無(wú)受熱面的水平煙道、灰斗等，應(yīng)優(yōu)先采用陣列腔體式聲波吹灰器，可以避免低負(fù)荷時(shí)煙氣流速降低造成的水平煙道積灰等現(xiàn)象。

(4)對(duì)于SCR脫硝系統(tǒng)，為保證催化劑的完整，應(yīng)采用聲波吹灰器為主、蒸汽吹灰器備用的方案。

(5)對(duì)于回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，積灰呈松散狀時(shí)，可以采用聲波吹灰器、燃?xì)饷}沖吹灰器和氣體激波吹灰器；積灰呈黏性時(shí)，可以采用蒸汽吹灰器和水力吹灰器。

(6)對(duì)于低壓省煤器、除塵器和GGH，可以考慮采用能耗較低的聲波吹灰器。

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(本文責(zé)編：劉芳)

2016-12-06；

2017-02-14

TK 229.6

B

1674-1951(2017)03-0012-04

張廣才(1963—)，男，陜西渭南人，研究員，從事鍋爐優(yōu)化運(yùn)行、低氮燃燒器改造、煙氣余熱利用等方面的研究工作(E-mail:zhangguangcai@tpri.com.cn)。