某600 MW機(jī)組鍋爐結(jié)焦原因分析及預(yù)警軟件開發(fā)應(yīng)用

劉彥鵬，李皓宇，李興旺，高智溥，黃治軍，肖海平

（1.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究院，北京 100040；2.內(nèi)蒙古大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010200；3.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

近年來，我國(guó)許多電廠為了節(jié)約燃料成本，燃用大量劣質(zhì)煤，尤其是低灰熔點(diǎn)煤，造成鍋爐結(jié)焦現(xiàn)象嚴(yán)重[1-5]。其中，屏式受熱面底部掛焦是鍋爐運(yùn)行中比較常見的問題[6]。焦塊的掉落會(huì)影響燃燒的穩(wěn)定性，造成爐膛負(fù)壓大幅度波動(dòng)，甚至砸穿水冷壁，引起爐膛滅火等安全事故[7-11]。

鍋爐結(jié)焦過程是個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，發(fā)生的同時(shí)還伴隨著燃燒、流動(dòng)、傳熱等過程，因此解決起來非常困難。結(jié)焦的影響因素有很多，如煤質(zhì)成分及灰熔點(diǎn)、爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)、燃燒器結(jié)構(gòu)布置等[12-14]。煤的灰熔點(diǎn)作為煤灰顆粒開始熔融、燒結(jié)的重要特征溫度通常被用作評(píng)價(jià)煤種沾污、結(jié)焦傾向的判定依據(jù)[3,7]。當(dāng)爐內(nèi)溫度水平低于灰熔點(diǎn)時(shí)，結(jié)焦往往不易發(fā)生，或程度很輕；當(dāng)爐內(nèi)溫度水平高于灰熔點(diǎn)，且其他條件具備的條件下（如火焰沖墻貼壁等），鍋爐就容易發(fā)生結(jié)焦。煤的灰熔點(diǎn)與灰成分密切相關(guān)。通常認(rèn)為，灰中的SiO2、Al2O3、TiO2等酸性氧化物能夠提高灰熔點(diǎn)，CaO、MgO、Na2O、K2O等堿性氧化物能夠降低灰熔點(diǎn)[3]。Fe2O3對(duì)灰熔點(diǎn)的影響與爐內(nèi)氣氛環(huán)境有關(guān)。當(dāng)爐內(nèi)CO含量較高，還原性氣氛較強(qiáng)烈時(shí)，F(xiàn)e2O3被還原成FeO，F(xiàn)eO與CaO、MgO形成共晶體，具有很高的沉積黏附傾向，會(huì)使灰熔點(diǎn)降低，結(jié)焦傾向加劇[15-20]。目前，多以灰熔點(diǎn)、硅鋁比、堿酸比等參數(shù)定性判斷煤的結(jié)焦傾向[7,13]，通過燃燒調(diào)整、配煤摻燒等方式加以緩解[9,20]。該方法多為分段函數(shù)，即給出幾個(gè)典型負(fù)荷下劣質(zhì)煤的摻燒比例，運(yùn)行人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，真正操作起來人為經(jīng)驗(yàn)影響很大，安全性、經(jīng)濟(jì)性很難得到保證。

本文以某600 MW機(jī)組鍋爐為對(duì)象，針對(duì)其摻燒劣質(zhì)煤出現(xiàn)的屏底結(jié)焦問題，通過對(duì)焦塊進(jìn)行了SEM、XRD分析，測(cè)試煤灰成分、灰熔點(diǎn)，建立了灰熔點(diǎn)蟻群前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，同時(shí)開發(fā)了鍋爐結(jié)焦預(yù)警平臺(tái)，可方便運(yùn)行人員進(jìn)行配煤摻燒運(yùn)行調(diào)整。

1 設(shè)備概況

某600 MW機(jī)組鍋爐為B&WB-1885/17.5-M型、亞臨界、一次再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、Π型布置、單爐筒自然循環(huán)鍋爐。爐膛寬20 100 mm，深17 400 mm，爐頂標(biāo)高60 060 mm，爐膛由膜式水冷壁構(gòu)成。爐膛上部布置屏式過熱器，爐膛折焰角上方有二級(jí)高溫過熱器，在水平煙道處布置了垂直再熱器。尾部豎井由隔墻分隔成前后2個(gè)煙道，前部布置水平再熱器和省煤器，后部布置一級(jí)過熱器和省煤器。在分煙道底部設(shè)置了煙氣調(diào)節(jié)擋板裝置，用來分流煙氣量。煙氣通過調(diào)節(jié)擋板后又匯集在一起經(jīng)2個(gè)尾部煙道引入左右各回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

燃燒系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)正壓直吹制粉系統(tǒng)，前后墻對(duì)沖燃燒方式，配置低NOx旋流燃燒器。鍋爐設(shè)計(jì)燃料為準(zhǔn)格爾煙煤，為了節(jié)約燃料成本，該廠大量摻燒劣質(zhì)煤，設(shè)計(jì)煤質(zhì)和摻燒煤質(zhì)主要參數(shù)見表1。從表1可以看出，摻燒煤灰熔點(diǎn)較低，從而導(dǎo)致該廠鍋爐出現(xiàn)經(jīng)常性掉焦現(xiàn)象。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)和摻燒煤質(zhì)主要參數(shù)Tab.1 Main quality parameters of the design coal and blending coal

2 結(jié)焦原因分析

該600 MW機(jī)組鍋爐在運(yùn)行過程中發(fā)生了嚴(yán)重結(jié)焦，掉落的焦塊將渣井液壓關(guān)斷門砸開，無法關(guān)閉。停爐檢修過程判斷結(jié)焦部位主要為屏式受熱面底部。為了分析鍋爐結(jié)焦的原因，在屏式過熱器不同位置現(xiàn)場(chǎng)采集了7種具有不同外觀的焦塊樣，如圖1所示。從圖1可以看出，焦塊整體無光澤，顏色不深，結(jié)構(gòu)較為松散，未出現(xiàn)琉璃狀，表明爐內(nèi)溫度尚未達(dá)到使大部分煤灰熔融琉璃化的程度。其中，3號(hào)和4號(hào)樣品呈現(xiàn)出明顯的紅黃色，表明焦塊中鐵的含量較高。

圖1 焦塊樣原始形態(tài)Fig.1 Original form of the coke sample

2.1 焦塊的SEM分析

圖2 分別為1號(hào)、4號(hào)、7號(hào)焦塊樣放大500倍和10 000倍的微觀形貌。從圖2可以看出：1號(hào)焦塊樣表面凹凸不平，整體孔隙較大，多以50 μm左右的大顆粒形式存在，有少量2 μm左右的細(xì)小顆粒粘連在表面，少有直徑1 μm左右的細(xì)小孔洞，僅在10 000倍放大下才發(fā)現(xiàn)少量塑型絮狀，顆粒表面幾乎沒有連片的光滑的熔融面，表明該焦塊樣尚未經(jīng)歷大規(guī)模深度熔融過程，只是松散地聚合在一起；4號(hào)焦塊樣沒有連片的光滑的熔融面，但顆粒聚合度依次增強(qiáng)，直徑2 μm以下的孔洞逐漸增多，10 000倍下，可見更多1 μm以下的熔融孔，且孔內(nèi)有熔融顆粒，大顆粒表面粘有許多細(xì)小的球狀、桿狀顆粒和細(xì)小孔洞，這是熔融的必要前提，表明焦塊已經(jīng)發(fā)生一定程度的熔融；7號(hào)焦塊樣顆粒聚合度最高，有一部分層次，也有少量的球狀顆粒，低倍數(shù)下存在一定熔融孔和凹凸不平的熔融面，顆粒表面熔融分層相對(duì)清晰，存在一定數(shù)量的2 μm左右的細(xì)小熔融孔，孔內(nèi)有熔融的小顆粒，在7個(gè)焦塊樣中熔融程度最高。

圖2 焦塊樣SEM微觀形貌Fig.2 SEM micro-morphology of the coke samples

總體來看，焦塊尚未發(fā)生整體超溫生成琉璃狀焦塊的情況，但已開始出現(xiàn)局部熔融粘連結(jié)焦的現(xiàn)象，表明入爐煤中存在低灰熔點(diǎn)煤，只是數(shù)量比例還不高，尚不足以形成大的熔融焦塊。正是由于這部分灰熔點(diǎn)相對(duì)較低煤顆粒的存在，當(dāng)鍋爐整體或局部達(dá)到并超過灰熔點(diǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生結(jié)焦。

2.2 焦塊的XRD分析

為了更精準(zhǔn)地分析焦塊的組成成分，對(duì)焦塊進(jìn)行了XRD分析。將樣品干燥，研磨至75 μm以下，以滿足XRD實(shí)驗(yàn)的樣品需求，研磨后的焦塊樣宏觀形貌如圖3所示。圖中從左至右依次為1—7號(hào)樣品。

圖3 研磨后的焦塊樣宏觀形態(tài)Fig.3 Macroscopical morphology of the grinded coke

圖4 是7個(gè)焦塊樣的XRD圖譜。整體來看，7個(gè)樣品中的主要礦物是莫來石、石英及其同質(zhì)異象體。其中，1號(hào)—4號(hào)樣品中存在極少量的長(zhǎng)石族礦物，包含鈣長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石及中間體的鈣鈉長(zhǎng)石。3號(hào)、4號(hào)樣品，灰焦塊顆粒呈紅黃色，與XRD圖譜中檢測(cè)到Fe2O3的衍射峰相吻合。5號(hào)—7號(hào)樣品，衍射峰的位置及形狀幾乎完全相同，且?guī)缀醪缓渌V物質(zhì)，僅僅是石英的相對(duì)含量有少許的變化。XRD分析結(jié)果同樣表明，煤種存在低灰熔點(diǎn)煤灰的成分，但其比例不高，且由于莫來石、石英等高灰熔點(diǎn)礦物質(zhì)的存在，其結(jié)焦能力有限，還不足以引起大規(guī)模結(jié)焦。

圖4 焦塊樣的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of the coke samples

2.3 灰成分及灰熔點(diǎn)分析

當(dāng)前鍋爐燃用的煤種較多、較雜。在對(duì)全年燃料統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，得出主力煤為伊泰煤，摻燒部分九洲煤，少量摻燒納源、暖水煤，其煤質(zhì)分析見表2和表3。

表2 煤質(zhì)分析Tab.2 The coal quality analysis result

表3 灰成分分析 w/%Tab.3 The ash composition analysis result

為了進(jìn)一步分析混煤的一些特性，對(duì)伊泰、九洲等主力煤種進(jìn)行了不同比例的混合，并進(jìn)行了化驗(yàn)分析，其中表3僅列出了伊泰與九洲煤質(zhì)量比按3:1、1:1、1:3混合后的測(cè)試結(jié)果。從表3可以看出：九洲、納源、暖水3種煤灰分的Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)不到20%，明顯偏低；MgO、Na2O、K2O等質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和達(dá)4%左右，明顯偏高，且Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%以上，也明顯偏高，結(jié)焦傾向嚴(yán)重。

表4 給出了弱還原性氣氛下灰熔點(diǎn)測(cè)試結(jié)果。從表4可以看出，暖水、納源、九洲煤灰熔點(diǎn)相對(duì)較低，ST分別為1 200、1 250、1 300 ℃左右，這3種煤的鐵含量普遍高于其他煤種，灰熔點(diǎn)受還原性氣氛的影響程度更大，比氧化性氣氛下低了約100 ℃，均屬易結(jié)焦煤種。而且，當(dāng)電廠少摻燒或不摻燒這3種煤時(shí)，結(jié)焦明顯緩解或幾乎不發(fā)生，因此可以推斷這3種煤是造成結(jié)焦的主要原因。

表4 弱還原性氣氛的灰熔點(diǎn) 單位：℃Tab.4 The ash melting points in weak reductive atmosphere

3 解決方案

由于鍋爐采用前后墻對(duì)沖的燃燒方式，可調(diào)整的配風(fēng)方式相對(duì)較少，通過調(diào)整入爐煤比例、配煤摻燒的方式進(jìn)行解決將是一個(gè)很好的選擇[10]。由于爐膛整體溫度水平隨鍋爐負(fù)荷的降低而降低，爐內(nèi)出現(xiàn)結(jié)焦的可能性與區(qū)域都隨之減小，因此，應(yīng)在低負(fù)荷時(shí)盡可能多地?fù)綗突胰埸c(diǎn)劣質(zhì)煤，以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益；在高負(fù)荷時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低低灰熔點(diǎn)煤的摻配比例，以保障機(jī)組安全運(yùn)行。對(duì)此，可通過比較入爐混煤的灰熔點(diǎn)與屏底煙溫的方式調(diào)整各磨煤機(jī)的出力，使入爐煤的灰熔點(diǎn)始終比屏底煙溫低50~100 ℃，在確保爐內(nèi)燃燒安全的基礎(chǔ)上獲得最大的摻燒效益。

不同混煤的灰熔點(diǎn)（ST）的預(yù)測(cè)是判斷結(jié)焦是否發(fā)生的一項(xiàng)重要工作。由于結(jié)焦影響因素的多樣性，及爐內(nèi)燃燒環(huán)境的復(fù)雜性，采用筆者提出的蟻群前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合多年積累的數(shù)據(jù)可獲得較高的預(yù)測(cè)精度，具體的建模方法可參見文獻(xiàn)[16]，這里不再贅述。

屏底煙溫通過在水冷壁上打孔加裝測(cè)溫元件，獲得屏底煙溫的實(shí)時(shí)數(shù)值。

通過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)整與試驗(yàn)測(cè)試，獲得一系列摻燒比例-負(fù)荷工作點(diǎn)，將其繪制成曲線可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)整工作。九洲-伊泰配煤摻燒比例-鍋爐負(fù)荷曲線如圖5所示。

圖5 九洲-伊泰配煤摻燒比例-鍋爐負(fù)荷曲線Fig.5 The change curves of Jiuzhou and Yitai coal blending ratio with boiler load

從圖5可以看出，整個(gè)運(yùn)行區(qū)域分為安全區(qū)、結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及過渡區(qū)。安全區(qū)內(nèi)，灰熔點(diǎn)ST要高于屏底煙溫，結(jié)焦的可能性很低；風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)，灰熔點(diǎn)ST要低于屏底煙溫，結(jié)焦的概率明顯偏高。實(shí)際運(yùn)行過程中，考慮到爐內(nèi)燃燒工況的復(fù)雜性，以及運(yùn)行人員調(diào)整的不確定性等因素，指導(dǎo)曲線還留出過渡區(qū)，給運(yùn)行人員提供一定的操作裕度，確保安全。運(yùn)行時(shí)應(yīng)當(dāng)確保工作點(diǎn)落在安全區(qū)以內(nèi)，并盡可能地向安全過渡區(qū)的下限靠近，在確保安全的同時(shí)提高劣質(zhì)煤的摻燒比例。由于采用大數(shù)據(jù)方法預(yù)算混煤的灰熔點(diǎn)，存在一定范圍內(nèi)的誤差，本文擬合誤差在±5%左右。

4 結(jié)焦預(yù)警平臺(tái)開發(fā)

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行人員的指導(dǎo)，將上述曲線編制成軟件，開發(fā)出鍋爐結(jié)焦預(yù)警平臺(tái)，方便運(yùn)行人員實(shí)時(shí)調(diào)整應(yīng)用。軟件利用電廠DCS接入機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。平臺(tái)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和主畫面分別如圖6和圖7所示。

圖6 鍋爐結(jié)焦預(yù)警平臺(tái)硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.6 The hardware network structure diagram of boiler coking early warning platform

圖7 平臺(tái)主畫面Fig.7 The main screen of the platform

運(yùn)行人員可以根據(jù)實(shí)際上煤情況，選擇每臺(tái)磨煤機(jī)實(shí)際煤種。計(jì)算區(qū)域與結(jié)焦曲線可根據(jù)具體用煤與負(fù)荷情況等給出摻燒劣質(zhì)煤最大比例推薦值。該平臺(tái)可分析多種煤的摻混情況，根據(jù)入爐煤的比例計(jì)算出不同灰成分的百分比，利用預(yù)測(cè)模型得出灰熔點(diǎn)?；烀荷厦哼^程中主要限制混煤的灰分和灰熔點(diǎn)，灰分設(shè)定最高限值A(chǔ)max，而灰熔點(diǎn)最低限值DTmin，約束條件為：

式中：x1，x2…xn為摻配煤種比例，%；A1，A2，…，An為摻配煤種灰分，%；DThun為混煤灰熔點(diǎn)，℃，該溫度根據(jù)各摻配煤灰分，采用大數(shù)據(jù)算法計(jì)算得出?；曳肿罡呦拗艫max和灰熔點(diǎn)最低限值DTmin根據(jù)該鍋爐具體運(yùn)行參數(shù)，其中Amax根據(jù)鍋爐受熱面磨損關(guān)系確定，DTmin根據(jù)鍋爐屏底煙溫確定，具體分機(jī)組負(fù)荷給出：600 MW負(fù)荷下Amax為33%，DTmin為1 350 ℃；450 MW負(fù)荷下Amax為42%，DTmin為1 210 ℃；300 MW負(fù)荷下Amax為51%，DTmin為1 020 ℃，其他負(fù)荷點(diǎn)采用線性內(nèi)插值法得出。

根據(jù)以上約束條件，選擇目標(biāo)函數(shù)：

式中，Ci為摻配煤價(jià)格，元/t。具體摻配比例以約束條件為邊界，以目標(biāo)函數(shù)最小為追求目標(biāo)，采用網(wǎng)格法計(jì)算得出，計(jì)算參考文獻(xiàn)[19]。

軟件同時(shí)還具有以下功能：1）實(shí)現(xiàn)了鍋爐主要受熱面的運(yùn)行狀況顯示及污染程度的可視化（圖8）；2）參與指導(dǎo)鍋爐吹灰及機(jī)組配煤；3）具備數(shù)據(jù)采集、計(jì)算結(jié)果存貯等功能，為用戶端提供相關(guān)歷史數(shù)據(jù)的查詢等；4）平臺(tái)將計(jì)算爐膛出口煙溫及其他各受熱面進(jìn)出口的煙氣平均溫度繪制煙氣溫度分布圖，以便運(yùn)行人員實(shí)時(shí)監(jiān)控鍋爐內(nèi)部的煙溫分布；同時(shí)預(yù)留了根據(jù)煤種灰成分輸入功能畫面，顯示灰熔點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，以及機(jī)組的最佳配煤摻燒比例推薦值等；新煤種煤質(zhì)數(shù)據(jù)的更新有獨(dú)立的平臺(tái)界面，由采購(gòu)部門錄入，自動(dòng)更新關(guān)聯(lián)至主運(yùn)行界面。

平臺(tái)已在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用1年多，效果良好。原來各負(fù)荷下，運(yùn)行人員只摻燒15%~20%的低灰熔點(diǎn)煤；在該平臺(tái)的指導(dǎo)下，運(yùn)行人員根據(jù)不同的負(fù)荷，最高已經(jīng)將摻燒比例提高至40%以上，并逐步摸索進(jìn)一步提高。

圖9 為鍋爐燃用低灰熔點(diǎn)煤的實(shí)際工作點(diǎn)。從圖9可以看出，當(dāng)前工作點(diǎn)“☆”距離摻配安全曲線還有較遠(yuǎn)距離，運(yùn)行人員可以進(jìn)一步增加低灰熔點(diǎn)煤的摻配比例，以獲得更大經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語(yǔ)

某600 MW機(jī)組鍋爐結(jié)焦是因低灰熔點(diǎn)煤的摻配比例不當(dāng)所致。根據(jù)不同混煤的灰熔點(diǎn)數(shù)據(jù)建立了蟻群前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，獲得了不同混煤的最大摻配比例曲線，據(jù)此開發(fā)了電站鍋爐結(jié)焦預(yù)警軟件平臺(tái)，在該平臺(tái)的指導(dǎo)下，運(yùn)行人員根據(jù)不同的負(fù)荷，最高已經(jīng)將摻燒比例由原來的15%~20%提高至40%以上，應(yīng)用效果良好。