電站鍋爐受熱面吹灰控制系統(tǒng)的優(yōu)化研究

么穎林

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

電站鍋爐是燃煤發(fā)電的核心設(shè)備，其工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了火力發(fā)電時(shí)的效率和效益。由于燃煤的特性，在燃燒的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，部分粉塵會(huì)逐漸地沉積在電站鍋爐的受熱面上，不僅會(huì)造成受熱面的傳熱效率低下，而且會(huì)極大地降低電站鍋爐的發(fā)電效率。為了提高電站鍋爐在使用過程中的換熱效率，需要在受熱面處建立吹灰裝置，根據(jù)灰塵的集聚情況來進(jìn)行吹灰，保證鍋爐受熱面的清潔度，提高換熱效率。

目前常見吹灰系統(tǒng)主要是依靠提前測算的導(dǎo)熱系數(shù)和灰塵集聚量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過監(jiān)測導(dǎo)熱系數(shù)的變化來判斷灰塵的集聚情況，進(jìn)而確定吹灰的時(shí)機(jī)。該方案在實(shí)際應(yīng)用過程中存在著監(jiān)測精度差，調(diào)節(jié)滯后性高的不足，因此導(dǎo)致吹灰不及時(shí)或者吹風(fēng)量過大，進(jìn)一步降低了鍋爐的換熱效率和經(jīng)濟(jì)效益。

本文提出了一種新的鍋爐受熱面吹灰控制系統(tǒng)，通過研究受熱面上不同時(shí)刻灰塵增量的分布，建立起數(shù)學(xué)期望模型，以單位時(shí)間內(nèi)的換熱效率最高為優(yōu)化目標(biāo)，自動(dòng)判斷最佳吹灰方案，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明新的控制系統(tǒng)，能夠?qū)⒋祷視r(shí)間降低34.3%，將單位時(shí)間內(nèi)的換熱量增加21.4%，極大地提升了電站鍋爐的換熱效率和經(jīng)濟(jì)性。

1 吹灰模型優(yōu)化研究

為了對(duì)受熱面的污染情況進(jìn)行定量分析，便于進(jìn)行精確監(jiān)測，本文提出了受熱面污染率，來表征受熱面上的沉積情況，受熱面的污染率可表示為[1]：

式中：Kr為表示電站鍋爐受熱面實(shí)際傳熱系數(shù)；Kt為表示電站鍋爐受熱面理論傳熱系數(shù)。

當(dāng)F=0時(shí)表明電站鍋爐的受熱面處在最清潔的狀態(tài)；當(dāng)F＞0時(shí)表明受熱面開始處于受污染狀態(tài)，數(shù)值越大表明受熱面上的積灰越嚴(yán)重。電站鍋爐在運(yùn)行的過程中，在不同的工作狀態(tài)下其給煤量、送風(fēng)量均會(huì)發(fā)生變化，因此需要考慮實(shí)際工作狀態(tài)下煙氣側(cè)釋放熱量的修正，確保監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

根據(jù)公式（1），結(jié)合對(duì)電站鍋爐受熱面積灰的變化趨勢，提出了一種基于受熱面換熱效率最高的優(yōu)化模型，積灰時(shí)間和吹灰時(shí)間變化周期內(nèi)污染率變化及受熱面換熱率變化趨勢如圖1所示。

圖1 基于吹灰模型的變化曲線

圖1中，F(xiàn)d表示受熱面積灰時(shí)的污染率變化曲線，F(xiàn)b表示吹灰時(shí)的污染率變化曲線，td表示受熱面積灰時(shí)長，tb表示吹灰時(shí)長。根據(jù)該模型曲線可知，隨著受熱面污染率的提升，受熱面的換熱率逐步地下降，隨著吹灰時(shí)間的增加，受熱面的換熱率逐漸增加，表明了該吹灰模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性。

2 吹灰周期分布研究

在電站鍋爐工作的過程中，定期對(duì)受熱面進(jìn)行吹灰，能夠有效地提高受熱面的清潔度，提高換熱效率，但吹灰時(shí)間越長，反而會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱效率的下降，因此需要合理的研究受熱面的吹灰周期，確保電站鍋爐始終處在高效換熱的工作區(qū)間內(nèi)。

吹灰系統(tǒng)在工作過程中，吹灰槍是以恒定的速率在受熱面進(jìn)行吹灰，在這個(gè)過程中吹灰槍的高壓蒸氣壓力恒定，在吹灰過程中消耗的能量QS可以表示為[2]：

式中：q為吹灰過程中消耗的蒸氣質(zhì)量流量，kg/h；h1為吹灰設(shè)備工作時(shí)的氣源焓，kJ/kg；h2為凝汽器的入口焓，kJ/kg。

根據(jù)熱消耗原理，在一個(gè)吹灰周期內(nèi)的換熱量減去吹灰蒸汽消耗后的熱量后，就是系統(tǒng)所能剩下的換熱量Q，可表示為[3]：

式中：QS1為一個(gè)吹灰周期內(nèi)的理論換熱量，kJ。

由此可知，在多個(gè)吹灰周期內(nèi)的過濾受熱面污染率變化曲線如圖2所示。

圖2 多個(gè)周期內(nèi)污染率變化示意圖

由上述分析結(jié)果可知，在恒定的時(shí)間內(nèi)，若吹灰周期短，則就需要增加吹灰的頻率，由于積灰導(dǎo)致受熱面?zhèn)鳠嵝蕮p失會(huì)下降，則由于吹灰導(dǎo)致的蒸氣損失會(huì)增加。若吹灰周期長，則在一定時(shí)間內(nèi)的吹灰頻率就低，而對(duì)應(yīng)的由于積灰導(dǎo)致的受熱面?zhèn)鳠嵝蕮p失會(huì)增加，而吹灰導(dǎo)致的蒸氣損失會(huì)降低，因此需要合理的確定吹灰周期，提高鍋爐的換熱效率。

3 數(shù)據(jù)處理方案

為了精確確定吹灰周期，需要精確地對(duì)受熱面上灰塵的分布情況進(jìn)行監(jiān)測，本文提出了兩種方案，一種方案是獲取受熱面在同一時(shí)刻的多組數(shù)據(jù)分布，然后獲取其數(shù)學(xué)期望值，另一種方案是分析受熱面上灰塵的實(shí)時(shí)增量情況，然后根據(jù)增量分布獲取數(shù)學(xué)期望值[4]，兩種監(jiān)測方案的實(shí)際監(jiān)測效果如圖3所示。

圖3 不同數(shù)據(jù)處理方案監(jiān)測結(jié)果示意圖

由實(shí)際分析結(jié)果可知，采用方案二的情況下，具有更加接近實(shí)際的監(jiān)測效果，監(jiān)測準(zhǔn)確性達(dá)到了98.6%，對(duì)確保系統(tǒng)的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和精確性具有十分重要的意義。

4 結(jié)論

針對(duì)電站鍋爐受熱面吹灰控制精確性差，導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行效率低、蒸氣損失率高的現(xiàn)狀，提出了一種新的鍋爐受熱面吹灰控制系統(tǒng)，對(duì)該控制系的邏輯原理和實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）隨著受熱面污染率的提升，受熱面的換熱率逐步地下降，隨著吹灰時(shí)間的增加，受熱面的換熱率逐漸增加，因此表明了基于受熱面換熱效率最高的優(yōu)化模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性。

2）分析受熱面上灰塵的實(shí)時(shí)增量情況，然后根據(jù)增量分布獲取數(shù)學(xué)期望值的數(shù)據(jù)處理方案，監(jiān)測準(zhǔn)確性達(dá)到了98.6%，對(duì)確保系統(tǒng)的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和精確性具有十分重要的意義。

3）新的控制系統(tǒng)，能夠?qū)⒋祷視r(shí)間降低34.3%，將單位時(shí)間內(nèi)的換熱量增加21.4%，極大地提升了電站鍋爐的換熱效率和經(jīng)濟(jì)效益。