低頻聲波吹灰在百萬機(jī)組中的應(yīng)用研究

張永全

摘 要：文章分析了聲波吹灰機(jī)理及采用低頻可調(diào)頻聲波吹灰器運(yùn)用于鍋爐吹灰的可行性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算，針對(duì)寧海電廠二期1000MW機(jī)組尾部煙道建立了聲場(chǎng)模型，并對(duì)聲波吹灰參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與理論分析一致，為聲波吹灰在大型鍋爐尾部煙道除灰的應(yīng)用提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，為聲波吹灰技術(shù)應(yīng)用于鍋爐吹灰改造提供實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：鍋爐；聲波除灰；調(diào)頻；聲波吹灰器

1 引言

1.1 概述

吹灰是大型電站鍋爐日常運(yùn)行中的重要工作之一。吹灰不僅可以提高鍋爐效率，而且有利于保證蒸汽品質(zhì)，對(duì)降低鍋爐污染物排放、延長(zhǎng)鍋爐受熱面管道的使用壽命、降低煙道流通阻力也有一定作用。吹灰器是保持電站鍋爐各種受熱面清潔、設(shè)備通暢，保障鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要設(shè)備。目前，我國(guó)電廠多種吹灰方式并存，應(yīng)用最廣泛的是蒸汽吹灰。雖然蒸汽吹灰技術(shù)較為成熟，但由于能源消耗大，容易吹損設(shè)備，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜經(jīng)常出現(xiàn)問題，導(dǎo)致不能很好地保證吹灰效果。

近年，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)利用聲波振動(dòng)來除灰的新技術(shù)，可有針對(duì)性地對(duì)各種鍋爐的積灰形態(tài)，進(jìn)行有效的清除，目前已在國(guó)內(nèi)300MW～1000MW機(jī)組空預(yù)器、GGH、水平煙道等位置得到應(yīng)用，除灰效果明顯，聲波吹灰器在尾部煙道大空間積灰的除灰能力的研究不僅可以直接解決課題寧海電廠二期1000MW機(jī)組尾部煙道的積灰，并對(duì)國(guó)內(nèi)其他電廠解決鍋爐積灰問題具指導(dǎo)作用，推進(jìn)聲波吹技術(shù)的發(fā)展。

1.2 蒸汽吹灰技術(shù)

蒸汽吹灰是將一定壓力和過熱度的蒸汽從吹灰器噴口高速噴出，利用蒸汽射流能量對(duì)積灰受熱面進(jìn)行吹掃，以達(dá)到清除積灰的目的。蒸汽吹灰器雖然有一定吹灰效果，但存在著大量的缺陷和問題：

（1）吹灰用蒸汽過熱度波動(dòng)大，介質(zhì)吹掃面積有限，沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向吹掃壓力衰減快，對(duì)中間層積灰清除能力差。

（2）吹灰周期長(zhǎng)，使受熱面積灰過多，甚至使積灰燒結(jié)硬化，增加吹灰難度。

（3）蒸汽吹灰如果壓力過高或長(zhǎng)期使用，會(huì)加快金屬管壁的磨損，造成爆管等安全事故。

雖然蒸汽吹灰器現(xiàn)在為鍋爐吹灰的主要形式，但聲波吹灰技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用表明，蒸汽吹灰器將逐漸被其取代。

1.3 聲波吹灰技術(shù)

針對(duì)鍋爐積灰這一難題，國(guó)內(nèi)外專家展開了大量理論及應(yīng)用研究。研究結(jié)果表明，聲波吹灰技術(shù)是一種能夠徹底解決鍋爐積灰的有效方法[1-3]。我國(guó)的聲波吹灰研究始于20世紀(jì)80年代，進(jìn)入90年代，聲波吹灰技術(shù)的研究十分活躍，在這期間已有不少科研機(jī)構(gòu)相繼推出了各種聲波吹灰器，主要有膜片與旋笛兩種形式，這兩種聲波吹灰器受到發(fā)聲技術(shù)的限制，其有效聲功率低，作用范圍小，且發(fā)聲頻率范圍窄，無法適應(yīng)鍋爐各種復(fù)雜的積灰形態(tài)，應(yīng)用于電廠后，但沒有取得預(yù)期效果[4-5]。近年，國(guó)內(nèi)研究出新型的大功率低頻可調(diào)聲波吹灰器具有可調(diào)頻調(diào)幅功能，可有針對(duì)性地對(duì)各種鍋爐的積灰形態(tài)，進(jìn)行有效的清除，目前已在國(guó)內(nèi)300MW～1000MW機(jī)組空預(yù)器、GGH、水平煙道等位置得到成功應(yīng)用成為最先進(jìn)的聲波吹灰技術(shù)。

1.4 研究?jī)?nèi)容

本次研究課題基于寧海電廠二期1000MW機(jī)組尾部煙道的積灰情況開展理論分析、數(shù)值建模和聲波吹灰器實(shí)際應(yīng)用開展研究工作，主要內(nèi)容如下：

（1）聲波吹灰機(jī)理研究。

（2）采用有限元軟件對(duì)寧海電廠二期1000MW機(jī)組尾部煙道數(shù)值建模分析。

（3）采用可調(diào)頻聲波吹灰器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究。

（4）綜合對(duì)比可調(diào)頻聲波吹灰器的可行性和優(yōu)越性。

2 聲波吹灰機(jī)理研究

2.1 鍋爐積灰原理

鍋爐積灰、結(jié)渣是個(gè)很復(fù)雜的物理化學(xué)過程，它涉及煤的燃燒、爐內(nèi)傳熱、傳質(zhì)、煤灰粒子在爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)以及煤灰與管壁間的粘附等復(fù)雜過程，至今還沒有能定量描述積灰、結(jié)渣過程的數(shù)學(xué)模型。影響該形成過程的因素很多，而鍋爐燃料中的灰分占總量的10-35 %，煤中灰分的存在是爐膛結(jié)渣、受熱面積灰的根源，課題主要基于鍋爐使用煤種，綜合理論及采樣統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)鍋爐各受熱面的結(jié)渣積灰特性進(jìn)行研究分析。

2.1.1 積灰結(jié)渣力學(xué)理論分析

促使飛灰在受熱面上粘附的力主要有：

（1）范德華力：沉積在鍋爐受熱面上的顆粒與受熱面之間的范德華力，可簡(jiǎn)化為球形顆粒與一平面間的范德華力，其大小可用下式來計(jì)算：

2.2 聲波吹灰機(jī)理

聲波是一種機(jī)械波，空氣中的聲波使空氣分子產(chǎn)生振動(dòng)，在邊界層振動(dòng)的空氣分子必然帶動(dòng)相鄰的介質(zhì)分子振動(dòng)，并產(chǎn)生兩種效果，一種是聲能透射到相鄰介質(zhì)中使介質(zhì)中形成固體聲波；另一種由于空氣分子與相鄰介質(zhì)分子之間的粘滯力，聲波相當(dāng)于施加給相鄰介質(zhì)一個(gè)作用力，使表面介質(zhì)分子被聲波來回推拉[8]。聲波對(duì)積灰的作用見圖1。

結(jié)垢所受到的聲波作用力、聲波的能量以及結(jié)垢的振動(dòng)位移、速度、加速度相關(guān)。振動(dòng)位移、速度、加速度越大結(jié)垢所受到的力就越大，積灰，結(jié)垢就容易斷裂，松散和除去。聲波頻率對(duì)振動(dòng)加速度影響比較復(fù)雜，不同的結(jié)垢顆粒粒徑有不同的頻率敏感區(qū)域。隨結(jié)垢顆粒粒徑減小，其受頻率影響的敏感區(qū)擴(kuò)大，且敏感區(qū)域的臨界頻率向較高頻率點(diǎn)推移；相反隨結(jié)垢顆粒粒徑增大，其受頻率影響的敏感區(qū)變窄，且敏感區(qū)域的臨界頻率向較低頻率點(diǎn)推移；當(dāng)頻率小于臨界頻率時(shí)，結(jié)垢顆粒最大振動(dòng)加速度隨頻率增高而增大的程度較顯著，反之則增大程度較緩慢。

總的來說，聲波頻率和聲壓級(jí)對(duì)除垢效果有明顯的影響，聲壓級(jí)越高，作用于介質(zhì)和結(jié)垢顆粒的交變聲壓絕對(duì)值越大，有利于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)及結(jié)垢顆粒的振動(dòng)位移和振動(dòng)加速度的提高。另一方面，頻率增高，有利于提高介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)和振動(dòng)加速度，同時(shí)頻率的提高直接增大了聲場(chǎng)中聲壓的交變次數(shù)，有利于結(jié)垢疲勞效應(yīng)的增強(qiáng)。

只有在聲波作用下灰垢的剝離力大于灰垢的黏附力才能取得吹灰效果，根據(jù)計(jì)算得寧海電廠尾部煙道主要除灰參數(shù)要求到達(dá)155dB以上，頻率40～300Hz左右。

2.3 可調(diào)頻聲波吹灰技術(shù)

2.3.1 可調(diào)頻聲波吹灰器結(jié)構(gòu)

可調(diào)頻聲波吹灰器有別于傳統(tǒng)的膜片式、板哨式、旋笛式吹灰器，其發(fā)聲設(shè)備采用新型的電動(dòng)調(diào)制氣流揚(yáng)聲器[9]，主要由磁鋼、驅(qū)動(dòng)線圈、動(dòng)靜環(huán)組件、喇叭等組成。工作時(shí)氣流經(jīng)過濾后到達(dá)由動(dòng)靜環(huán)組件構(gòu)成的工作單元，控制系統(tǒng)通過給驅(qū)動(dòng)線圈特定的電信號(hào)，控制動(dòng)圈有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，改變動(dòng)圈和靜圈之間的縫隙，從而切割通過的氣流，產(chǎn)生所需的除灰聲波，最后經(jīng)喇叭傳播輻射出去。氣流揚(yáng)聲器氣聲轉(zhuǎn)化效率高于90%，聲功率達(dá)到30000聲瓦，實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻調(diào)幅，聲波頻率可在10-10KHz間任意調(diào)節(jié)。

2.3.2 可調(diào)頻聲波吹灰器工作原理及特點(diǎn)

可調(diào)頻聲波吹灰器主要由氣流揚(yáng)聲器、控制系統(tǒng)、管路組成。吹灰控制系統(tǒng)基于PLC及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)，使用觸摸屏操作，可便捷的設(shè)定吹灰頻率，組合設(shè)置多種除塵模式。通過組態(tài)軟件及網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能，設(shè)備操作簡(jiǎn)單，維護(hù)便捷。

吹灰器控制系統(tǒng)內(nèi)的PLC接收到氣路系統(tǒng)壓力開關(guān)的信號(hào)后，打開電磁閥給聲波發(fā)生器供氣，同時(shí)，單片機(jī)針對(duì)不同設(shè)備、受熱面積灰、結(jié)垢特點(diǎn)發(fā)出針對(duì)性的頻率、幅值信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后輸入給聲波發(fā)生器發(fā)出有效地除灰聲波。

3 模型分析

利用有限元軟件建立國(guó)華寧海電廠二期2×1000MW超超臨界燃煤機(jī)組尾部煙道積灰空間，利用邊界元法用來求解內(nèi)部聲場(chǎng)和外部輻射聲場(chǎng)，為方便建立聲壓隨時(shí)間、空間變化的聲波方程，對(duì)介質(zhì)及聲傳播作如下假設(shè)：

（1）介質(zhì)為理想流體，不存在粘滯性，聲波傳播過程中沒有能量損耗。

（2）沒有聲擾動(dòng)時(shí)，媒質(zhì)在宏觀上是靜止、均勻的，靜態(tài)壓力、密度為常數(shù)。

（3）聲波傳播過程中，媒質(zhì)中稠密和稀疏的過程是絕熱的。

3.1 尾部煙道內(nèi)部空間聲場(chǎng)特性分析

尾部煙道內(nèi)部空間聲場(chǎng)特性分析見圖2

由圖2左圖可以看出，整個(gè)聲場(chǎng)最強(qiáng)的部分在鍋爐前墻聲源周圍，聲場(chǎng)分布以聲源為中心呈圓環(huán)狀向其周圍逐漸減弱；由右面的視圖可以看出，在后墻分布有3個(gè)聲場(chǎng)較強(qiáng)的區(qū)域，其中最強(qiáng)的區(qū)域在該平面的幾何中心，次強(qiáng)的聲場(chǎng)對(duì)稱分布在該區(qū)域的兩側(cè)，同時(shí)也是點(diǎn)聲源所在的投影區(qū)。

幾何中心處的聲場(chǎng)比周圍強(qiáng)，是由于兩個(gè)點(diǎn)聲源發(fā)出的球面聲波在傳播過程中有疊加現(xiàn)象，疊加后形成的駐波有強(qiáng)有弱，到達(dá)后墻時(shí)正好是聲場(chǎng)加強(qiáng)的地方。

在聲源所在的鍋爐前墻和后墻的墻角上，分布有幾處藍(lán)色的低聲壓區(qū)，有必要確定出具體在積灰哪些位置上達(dá)不到除灰所要求的聲壓值，更改吹灰聲源點(diǎn)的位置從而能夠做到有針對(duì)性地進(jìn)行除灰。

從圖3中可以看出，在此平面上聲壓分布也很不均勻。圖形的底部邊界代表聲源所在的前墻，聲波從點(diǎn)聲源發(fā)出，透射過管陣列之后，到達(dá)后墻，即圖形的上邊界，在壁面發(fā)生反射，反射聲波與入射聲波相疊加發(fā)生干涉，使得距離點(diǎn)聲源較遠(yuǎn)的后墻附近的聲壓總體上高于其他各處的聲壓值，聲場(chǎng)強(qiáng)度與聲源附近相差無幾，分析證明聲波除灰可有效清除離除灰器較遠(yuǎn)的后排管子的積灰。

3.2 聲源布置方式的分析

不同聲源布置下爐內(nèi)聲場(chǎng)分布見圖4-圖7：

可見，并列聲源個(gè)數(shù)的增加，會(huì)使?fàn)t內(nèi)整個(gè)空間的聲場(chǎng)強(qiáng)度提高，四個(gè)點(diǎn)聲源兩兩對(duì)沖布置除灰對(duì)于爐內(nèi)聲場(chǎng)的影響效果，不如單側(cè)并列布置二個(gè)點(diǎn)聲源時(shí)爐內(nèi)聲場(chǎng)產(chǎn)生的駐波現(xiàn)象明顯，所以，聲源應(yīng)錯(cuò)列布置，避免對(duì)沖布置。

3.3 吹灰頻率分析

不同除灰頻率聲場(chǎng)分布見圖8-圖10：

可以看到，當(dāng)兩個(gè)聲波除灰器在100Hz頻率下工作時(shí)，整個(gè)管陣列空間聲場(chǎng)分布比較均勻，當(dāng)除灰器頻率提高到200Hz后，可以看到明顯的駐波，除灰器頻率達(dá)到300Hz時(shí)，爐內(nèi)聲場(chǎng)的波動(dòng)性更加明顯，可以在空間表面看到很明顯的駐波分布，通過以上分析可以總結(jié)出，爐內(nèi)空間聲場(chǎng)的波動(dòng)性隨聲波除灰器工作頻率的增加而增大，這是由于，隨著頻率的增大，聲波波長(zhǎng)反而減小，在固定的一段距離內(nèi)，散射聲波與入射聲波疊加而產(chǎn)生的駐波，也隨之增多的緣故，從而出現(xiàn)聲場(chǎng)分布強(qiáng)弱不均的現(xiàn)象，因此吹灰聲波應(yīng)選用高低頻變頻聲波。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

根據(jù)理論和建模分析，要有效去除尾部煙道積灰，需要大功率的聲波吹灰器，研究采用可調(diào)頻聲波吹灰器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究。

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

測(cè)試軟硬件包括：聲波吹灰器、喇叭、信號(hào)發(fā)生器、傳聲器（數(shù)量2個(gè)）、振動(dòng)傳感器（數(shù)量2個(gè)）及聲譜、振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量分析系統(tǒng)。

聲波吹灰器通過人孔安裝，喇叭長(zhǎng)1.4m；伸進(jìn)爐膛，見圖12。

1#傳聲器布置在喇叭出口1.5m，2#傳聲器布置在喇叭出口13m處。1#振動(dòng)傳感器安裝喇叭在出口10m豎直換熱管束上，2#振動(dòng)傳感器安裝喇叭在出口10m豎直換熱管束支撐板上，見圖13、圖14。

主要測(cè)試設(shè)備見表3。

4.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

測(cè)試使用40～500Hz正弦掃頻信號(hào)，根據(jù)傳聲器和振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。（選取聲壓級(jí)高的頻率并避免振動(dòng)強(qiáng)烈的頻率）1#、2#傳聲器測(cè)量數(shù)據(jù)見圖15、圖16。

從測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知；吹灰頻率在90Hz、170Hz、280Hz時(shí)，1#傳聲器分別獲得最高聲壓級(jí)159dB、153dB、153dB；2#傳聲器分別獲得最高聲壓級(jí)156dB、150dB、151dB，對(duì)比兩傳聲器數(shù)據(jù)可知在喇叭出口13m處低頻衰減3dB左右，聲波反而沒有明顯衰減；（分析原因是因?yàn)橛捎隈v波疊加，抵消了本身的傳播衰減。）在該聲場(chǎng)載荷下1#、2#振動(dòng)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)見圖17、圖18。

從數(shù)據(jù)分析可知；在90Hz、170Hz、280Hz時(shí)，1#振動(dòng)量級(jí)為38dB、16dB、30dB；2#振動(dòng)量級(jí)為39dB、17dB、32dB；表明在該聲場(chǎng)強(qiáng)度下，換熱管束及爐內(nèi)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)不會(huì)對(duì)其造成任何不良影響。同時(shí)聲波振動(dòng)量級(jí)基本沒有衰減，也表明聲波的駐波疊加效果?，F(xiàn)場(chǎng)吹灰效果見圖19。

聲波吹灰器作用后，可以看到吹灰后，水平換熱管道表面積灰明顯增多，并有不同大小的結(jié)垢掉落在上面；豎直換熱管道表面的積灰大面積掉落，管道表面部分結(jié)垢掉落，并露底，效果明顯。

5 結(jié)論及展望

5.1 結(jié)論

以寧海電廠二期1000MW機(jī)組尾部煙道，建立了聲場(chǎng)模型，和聲波吹灰參數(shù)的優(yōu)化分析，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，表明模型建立準(zhǔn)確，低頻可調(diào)頻聲波吹灰器運(yùn)用于該機(jī)組尾部煙道除灰方案可行。研究的主要結(jié)論如下：

要有效去除尾部煙道內(nèi)大空間的積灰，采用的聲源在該積灰空間內(nèi)聲壓級(jí)應(yīng)達(dá)到155dB以上；

（1）除灰聲源的安裝方式應(yīng)根據(jù)積灰空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，避免對(duì)沖布置。

（2）要徹底去除整個(gè)除灰空間內(nèi)的積灰，在保證聲源功率的前提下應(yīng)采用不同頻率的聲波。

（3）相比蒸汽吹灰器，可調(diào)頻聲波吹灰器技術(shù)先進(jìn)、能耗低、可靠性高，可應(yīng)用于該機(jī)組尾部煙道的除灰。

5.2 展望

由于機(jī)組停爐時(shí)間的限制，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)只在鍋爐冷態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行，后續(xù)仍有許多方面有待進(jìn)行研究，只要表現(xiàn)為：

（1）鍋爐實(shí)際工作時(shí)，吹灰參數(shù)的優(yōu)化需要開展進(jìn)一步的研究工作。

（2）使用不同煤種下，煙氣中灰粒成分對(duì)聲波參數(shù)選取的影響需要開展進(jìn)一步的研究工作。

（3）根據(jù)鍋爐運(yùn)行工況進(jìn)行吹灰參數(shù)智能優(yōu)化的研究工作。

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