鍋爐省煤器積灰在線監(jiān)測(cè)研究

孝延軍

(大唐琿春發(fā)電廠設(shè)備部， 吉林 琿春 133000)

0 引言

受熱面積灰是電廠鍋爐運(yùn)行中普遍存在的問(wèn)題。積灰不僅改變了各部分受熱面吸熱比例，使運(yùn)行偏離正常工況，而且導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行熱效率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)迫使機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行甚至停運(yùn)[1]。而我國(guó)電站燃煤往往呈現(xiàn)煤種多變、煤質(zhì)差的狀況，造成鍋爐受熱面更容易積灰結(jié)渣[2]。

為了降低積灰?guī)?lái)的損失，吹灰是一種簡(jiǎn)單且行之有效的技術(shù)措施。燃煤鍋爐的吹灰具有定時(shí)吹灰和根據(jù)鍋爐排煙溫度變化吹灰2種形式，這2種吹灰形式均未區(qū)分受熱面管的積灰程度和結(jié)焦?fàn)顩r，容易造成受熱面的過(guò)吹或欠吹。吹灰過(guò)度浪費(fèi)吹灰介質(zhì)，磨損受熱面、降低管子的使用壽命；吹灰不足則無(wú)法有效改善積灰問(wèn)題，提高傳熱效率。因此，對(duì)受熱面的積灰狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)按需吹灰是電廠吹灰系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題之一。

受熱面灰污監(jiān)測(cè)從功能上可分為針對(duì)輻射受熱面的灰污監(jiān)測(cè)和對(duì)流受熱面的灰污監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)的研究則主要集中在對(duì)流受熱面的灰污監(jiān)測(cè)，主流研究方向包括熱平衡法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[3]。閻維平教授率先在國(guó)內(nèi)采用熱平衡原理建立了一套可用于鍋爐在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)模型用以進(jìn)行相關(guān)熱力計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出灰污狀態(tài)，通過(guò)相關(guān)決策對(duì)鍋爐對(duì)流受熱面積灰結(jié)渣進(jìn)行選擇性吹灰；喻火明等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立了受熱面清潔吸熱量預(yù)測(cè)模型，計(jì)算出灰污特征參數(shù)，進(jìn)而對(duì)積灰狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]。雖然上述研究為鍋爐灰污監(jiān)測(cè)的實(shí)踐提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，但是由于成本、穩(wěn)定性、設(shè)備復(fù)雜等方面的限制，能夠應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的多是采用機(jī)理建模法。傳統(tǒng)的機(jī)理法以熱平衡為基礎(chǔ)，在變工況時(shí)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。本文提出的動(dòng)態(tài)灰污監(jiān)測(cè)模型充分考慮了變工況時(shí)的蓄熱問(wèn)題，具有良好的負(fù)荷適應(yīng)性，而且無(wú)需增加其他設(shè)備，對(duì)模型稍加改動(dòng)即可應(yīng)用在不同類型機(jī)組。

1 灰污特征參數(shù)的選取

鍋爐計(jì)算中一般選取灰污熱阻作為灰污特征參數(shù)，但是單純的灰污熱阻值無(wú)法直觀表現(xiàn)積灰對(duì)受熱面?zhèn)鳠岬挠绊懗潭?，因此通過(guò)傳熱系數(shù)的變化來(lái)反映灰污程度。將實(shí)際傳熱系數(shù)與清潔狀態(tài)下的理想傳熱系數(shù)的比值作為受熱面的灰污特征參數(shù)，即清潔因子，公式如下：

(1)

式中，Ksj為實(shí)際傳熱系數(shù)，Kqj為理想傳熱系數(shù)，即受熱面清潔時(shí)的傳熱系數(shù)。

從上式可以看出，當(dāng)受熱面無(wú)積灰時(shí)，清潔因子為1，隨著積灰的加重，清潔因子逐漸減小，趨近于0。因此清潔因子作為灰污特征參數(shù)能夠直觀的反映出受熱面污染程度。

2 灰污監(jiān)測(cè)模型

灰污在線監(jiān)測(cè)的最終目標(biāo)是獲取受熱面的清潔因子，由上文介紹可知，清潔因子的求取需要獲得兩個(gè)參數(shù)，即實(shí)際傳熱系數(shù)與理想傳熱系數(shù)。

2.1 實(shí)際傳熱系數(shù)計(jì)算模型

實(shí)際傳熱系數(shù)的計(jì)算是建立在熱平衡公式的基礎(chǔ)上的[5]。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，根據(jù)能量守恒有“煙氣與工質(zhì)間換熱量等于工質(zhì)吸熱量或煙氣放熱量”，如式(2)所示。

QΣ=Qgz=Qy

(2)

式中，QΣ為煙氣與工質(zhì)間換熱量，Qgz為工質(zhì)吸熱量，Qy為煙氣放熱量。

煙氣與工質(zhì)間換熱量QΣ計(jì)算方法如式(3)所示，式中的K即需要求取的實(shí)際傳熱系數(shù)。

(3)

式中，K為實(shí)際傳熱系數(shù)，Δt為傳熱溫壓，H為受熱面面積。

傳熱溫壓Δt的計(jì)算需要知道工質(zhì)以及煙氣的進(jìn)出口溫度，電廠工質(zhì)溫度測(cè)點(diǎn)布置較為完善，但煙氣溫度只在低溫區(qū)布置有測(cè)點(diǎn)。在已知省煤器出口煙氣溫度的條件下，利用熱平衡公式“工質(zhì)焓升等于煙氣焓降”推出省煤器的煙氣入口焓值，利用煙氣焓值與溫度間的關(guān)系求得煙氣入口溫度。已知工質(zhì)以及煙氣的進(jìn)出口溫度后，通過(guò)對(duì)數(shù)平均溫差法求受熱面平均傳熱溫差，計(jì)算方法如式(4)所示：

(4)

式中，Δtmax和Δtmin分別為工質(zhì)與煙氣溫差中的較大值和較小值。在求得傳熱溫差后，將工質(zhì)吸熱量與(3)式聯(lián)立即可求得實(shí)際傳熱系數(shù)。工質(zhì)吸熱量Qgz的計(jì)算方法如式(5)所示：

Qgz=D(h″-h′)

(5)

式中，D為工質(zhì)質(zhì)量流量，h′、h″分別為受熱面進(jìn)口和出口焓值，計(jì)算方法可參照IAPWS-IF97的水和水蒸氣性質(zhì)表。

2.2 理想傳熱系數(shù)計(jì)算模型

省煤器在清潔狀態(tài)下的傳熱系數(shù)K0可用下式表示：

(6)

由于電廠目前多采用非沸騰式省煤器，水的對(duì)流放熱系數(shù)很大，工質(zhì)側(cè)熱阻可以忽略，因此理想傳熱系數(shù)只與煙氣側(cè)放熱系數(shù)α1有關(guān)。對(duì)于省煤器，其煙氣側(cè)放熱系數(shù)為：

α1=αd+αf

(7)

式中，αd為煙氣對(duì)流放熱系數(shù)，αf為煙氣輻射放熱系數(shù)，其計(jì)算方法分別如下[6]：

(8)

(9)

式中，Cs為管子排列的修正系數(shù)，Cz為管排修正系數(shù)，ω為煙氣流速，agb和ay分別為管壁黑度和煙氣黑度，Tgb和Ty分別為管壁及煙氣的絕對(duì)溫度，λ、υ、Pr分別為煙氣的導(dǎo)熱率、運(yùn)動(dòng)粘度、普朗特?cái)?shù)，與煙氣成分有關(guān)。其中導(dǎo)熱率和普朗特?cái)?shù)的計(jì)算方法參考萬(wàn)從等提出的鍋爐熱力計(jì)算中導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)字化計(jì)算方法研究[7]。

清潔因子的計(jì)算過(guò)程中使用的參數(shù)數(shù)量較大，電廠重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的參數(shù)一般布置有測(cè)點(diǎn)，如給水流量、工質(zhì)溫度等，可從DAS系統(tǒng)中直接讀取，和鍋爐結(jié)構(gòu)及受熱面布置形式有關(guān)的參數(shù)可根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象具體情況選擇相應(yīng)的值[8]。

2.3 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

電力生產(chǎn)因其特殊性，不能直接存儲(chǔ)[9]，負(fù)荷需時(shí)刻跟蹤用戶用電需求，因此電廠鍋爐常常處于變工況運(yùn)行狀態(tài)。負(fù)荷升降率大于3%/min的運(yùn)行狀況稱為變工況。變工況時(shí)，機(jī)組是變壓運(yùn)行，爐內(nèi)各點(diǎn)的煙溫、水溫和各處壓力等值都在相應(yīng)發(fā)生變化[10]，因此將金屬管壁的蓄熱量和工質(zhì)蓄熱量的變化考慮進(jìn)來(lái)，對(duì)熱平衡進(jìn)行修正。修正后的動(dòng)態(tài)熱平衡如下式所示。

QΣ=Qgz+ΔQt+ΔQw=Qy

(10)

式中，Qgz為工質(zhì)吸熱量，計(jì)算方法式(3)已經(jīng)給出，ΔQw為工質(zhì)蓄熱量的變化，ΔQt為管壁蓄熱量的變化，計(jì)算方法分別如式(11)和(12)所示。

(11)

(12)

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

式中，cw和ct分別為工質(zhì)和管壁的平均比熱容，mw和mt分別為工質(zhì)和管壁的質(zhì)量流量，Tw和Tt分別為工質(zhì)和管壁的溫度。

3 仿真研究

3.1 應(yīng)用對(duì)象

應(yīng)用對(duì)象為黔西某電廠300MW機(jī)組亞臨界自然循環(huán)汽包鍋爐省煤器，鍋爐示意圖見圖1。該機(jī)組鍋爐爐型為HG-1025/17.3-WM18，采用一次中間再熱，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，設(shè)計(jì)煤種及校核煤種均為黔西無(wú)煙煤?？紤]到省煤器兩側(cè)管排的布置方式不同，將省煤器分為左右兩部分分別計(jì)算。

3.2 模型驗(yàn)證

選取2014年4月30日的運(yùn)行數(shù)據(jù)，每隔5s取點(diǎn)，共得到17280組數(shù)據(jù)，經(jīng)預(yù)處理后，對(duì)左右省煤器分別采用穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)方法在MATLAB平臺(tái)進(jìn)行編程仿真。圖2為機(jī)組24h的負(fù)荷曲線，圖3及圖4分別為機(jī)組運(yùn)行中左右省煤器的清潔因子變化曲線。

從圖2和圖3可以看出，在吹灰器動(dòng)作后，兩種模型下的清潔因子均呈上升趨勢(shì)，表明傳熱系數(shù)增大，換熱能力增強(qiáng)，受熱面灰污減輕。吹灰結(jié)束后，隨著時(shí)間的推移，清潔因子下降，表明新一輪的積灰重新開始。

結(jié)合負(fù)荷曲線對(duì)比穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模型下的清潔因子，在負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，兩種方法的計(jì)算結(jié)果大致相同，而當(dāng)負(fù)荷上升時(shí)，穩(wěn)態(tài)清潔因子小于動(dòng)態(tài)清潔因子，這是由于升負(fù)荷時(shí)工質(zhì)和管壁蓄熱增加所致，降負(fù)荷時(shí)，則情況相反。因此，經(jīng)過(guò)修正的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型能夠反映出變工況時(shí)的蓄熱變化，具有更好的負(fù)荷適應(yīng)性。

圖2 機(jī)組負(fù)荷

圖3 左省煤器清潔因子曲線

圖4 右省煤器清潔因子曲線

此外，由于該機(jī)組的省煤器位于鍋爐尾部豎井的轉(zhuǎn)向處，左右兩側(cè)煙氣不均勻程度較大，左側(cè)省煤器受煙氣沖刷剝蝕更為嚴(yán)重，清潔因子隨負(fù)荷上升而增加，而右側(cè)省煤器受灰污沉積作用更為嚴(yán)重，清潔因子隨負(fù)荷上升而下降。因此，為了避免左右兩側(cè)工質(zhì)品質(zhì)差異過(guò)大，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)右側(cè)省煤器的吹掃。

4 積灰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了便于電廠運(yùn)行人員進(jìn)行積灰狀態(tài)判斷以及啟動(dòng)吹灰操作，利用工程組態(tài)軟件組態(tài)王開發(fā)了一套積灰在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。Matlab 7.0以上版本中集成了OPC工具箱—Matlab OPC Toolbox，它是一個(gè)客戶端軟件,提供了一種服務(wù)器和客戶端互訪的通用機(jī)制。利用Matlab OPC Toolbox，可以方便地實(shí)現(xiàn)Matlab客戶端與組態(tài)王服務(wù)器間的數(shù)據(jù)通信，通信原理框圖如圖5所示。

圖5 基于OPC的通信原理框圖

圖6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行畫面

在運(yùn)行系統(tǒng)中，OPC服務(wù)器(組態(tài)王)和MATLAB建立連接，按照預(yù)設(shè)的采樣頻率自動(dòng)完成和MATLAB之間的數(shù)據(jù)交換。本文中所設(shè)計(jì)的灰污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行畫面如圖6所示，它可提供清潔因子實(shí)時(shí)變化曲線、省煤器重要參數(shù)等直觀的顯示手段，并向運(yùn)行人員做出吹灰提示。

5 結(jié)論

本文依據(jù)鍋爐熱力計(jì)算原理建立了穩(wěn)態(tài)灰污監(jiān)測(cè)模型，對(duì)熱平衡公式進(jìn)行了修正并在此基礎(chǔ)上建立了動(dòng)態(tài)灰污監(jiān)測(cè)模型以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，MATLAB仿真結(jié)果表明：清潔因子能直觀的反映受熱面灰污狀況的變化；修正后的動(dòng)態(tài)灰污監(jiān)測(cè)模型具有更好的負(fù)荷適應(yīng)性，有效解決了變負(fù)荷時(shí)穩(wěn)態(tài)模型失效的問(wèn)題；同一受熱面的積灰狀況可能存在較大差異，因此對(duì)于煙氣拐角等特殊位置的受熱面應(yīng)分區(qū)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。