1导言
燃煤电厂锅炉受热面非正常的积灰结渣使传热热阻和烟道通风阻力增加,影响锅炉的正常运行,降低锅炉热效率并增加机组煤耗。严重时将导致机组降负荷运行或停机,甚至酿成重大事故。因此,预防和减轻电厂锅炉受热面积灰结渣是确保机组安全经济运行的重大问题之一。
2分析电站锅炉
电站锅炉又称“电厂锅炉”，是指发电厂中向汽轮机提供规定数量和质量蒸汽的中大型锅炉。火力发电厂的主要热力设备之一。常与一定容量的汽轮发电机组相配套，主要用于发电，但在某些特殊场合下也可兼作对外供热之用。一般其蒸发量较大，蒸汽参数(汽温和汽压)很高，需要有一整套的辅助设备，多需配置室燃炉膛，采用强制通风方式，可燃用多种燃料(煤粉、原油或重油、高炉煤气或炼焦炉煤气)，结构较复杂，效率较高，多数可达85～93%左右，对运行管理水平、机械化程度以及自动控制技术则有相当高的要求。电站锅炉的本体结构类型主要取决于燃料特性、锅炉容量和蒸汽参数等因素。常见的有倒u型、塔型和箱型，一是倒U型适用于各种容量的锅炉和燃料，故应用广泛。锅炉的高度比其他炉型低，受热面布置较方便，风机和除尘设备都可放在地面上，但占地面积较大。二是塔型适用于燃用多灰烟煤和褐煤的锅炉，无转弯烟道，可减轻飞灰对受热面的局部磨损，且占地面积较小。但炉体高，安装和检修较复杂。三是箱型适用于容量较大的燃油和燃气锅炉。炉膛以上的烟道分为两部分：一部分直接接在炉膛出口，烟气上流；另一部分烟气下流。其优点是结构紧凑，占地面积较小，锅炉与汽轮机的连接较方便。缺点是制造工艺较复杂，检修困难。
3基于在线监测运行参数的锅炉受热面积灰结渣分析计算模型
基于少数烟气侧数据和绝大部分工质侧数据已提出各类分析算法,但在具体处理上均有较大的不同,主要体现在计算模型的选取,譬如,热平衡计算法,人工神经网络的方法等;故在检测参数的预处理,受热面洁净度的定义,理想洁净度的确定,判断污染程度和指导吹灰的策略等方面也有所不同。本项工作采用了热平衡计算原理。在锅炉整体热平衡的基础上,从省煤器出口开始,逆烟气的流程逐段进行各受热面的热平衡和传热计算。即,在已知受热面出口烟温,工质侧进出口等参数的基础上,分别由烟气侧和工质侧的热平衡方程式。
4受热面洁净程度判断规则和洁净因子计算
一是如何通过在线热力数据的计算结果合理判断某一受热面在怎样的状态下为正常污染,即所谓的理想状态。在这一相对“洁净”的条件下,该受热面可以达到某一“理想的”换热量和传热系数,譬如,当受热面刚经历正常吹灰后的状态,应当有CF=1,而在其它状态下则为“污染”条件下的换热量和传热系数；二是怎样的状态为“脏”,污染到何等程度就必须进行吹灰。在各种特定的工况下需要科学地选取洁净因子的下限值,当计算的受热面的实际洁净因子低于此下限值后,就必须吹灰。该值的选取决定于以下因素：首先吹灰消耗蒸汽的代价与受热面传热效率改善的权衡；其次考虑烟尘排放瞬时超标的限制；三是由于机组实际吹灰能力的限制,应合理确定哪一段受热面需要立即吹灰,哪一段受热面可以暂时维持现状。对不同的受热面,基于锅炉对象的运行原则,确定各不相同的较合理的最小洁净因子,以确保某些受热面在某些运行工况条件下的优先吹灰。
目前已考虑的因素有：首先低负荷时,污染增长的较慢,吹灰间隔可以延长,因此,预置的各受热面的CF值均可以小一些；其次高负荷时,污染增长较快,吹灰间隔应适当缩短,因此,预置的CF值可以大一些；再次在无减温水的投入时,提高过热器和再热汽温通常要求增加燃料量,因此,对炉膛水冷壁选取较小的CF值(允许炉膛“脏”一些),增加对流吸热量,同时,也增加了对流受热面的吹灰机会,达到提高汽温而不必多投燃料的目的；最后当排烟温度升高时,应适当增大所有受热面的CF值。其它的预置规则还包括：CF计算值较小的受热面优先吹灰;烟气下游比上游受热面有更高的吹灰优先权等。
5在线监测计算分析系统模型的组成
系统模型包括的主要子模块有：热工参数的预处理,过程变量和换热基础数据的计算,锅炉整体和各受热面传热计算,各受热面的积灰或结渣程度的判断和洁净因子的预置,基于运行规则的吹灰运行指导,模型的在线调试,历史数据存储与关联,计算机界面显示,锅炉常见故障诊断等。
6有关问题的处理和计算误差分析
6.1锅炉实际燃煤量变化的影响
受热面的换热计算与锅炉的实际燃煤量密切相关,在一定的机组出力下,燃煤量会随锅炉热效率和煤质的变化发生改变。根据实际运行测算,在燃煤的主要指标(发热量、灰分和水分)和锅炉热效率的一般波动范围内,燃煤量大致有不大于1%的变化,不会对计算结果产生显著的影响。同时,为了考虑煤质变化较大的情况,预置了几种常用的煤质数据,可根据入炉煤的情况实时在线选择或输入。
6.2在线采集数据的预处理
模型在线计算所依赖的大部分实时数据均为热工参数,而热工参数具有动态变化的特征,在本质上具有测量的不确定性。另外,也不能排除由于锅炉内部已发生故障或热工测点已经失效而引起的参数异常,加之锅炉热力系统内部参数间的相互关联,使这种不确定性更加复杂。所以,为保证模型计算结果的可靠并提供有价值的指导,在调用这些热工参数进行模型计算之前,必须对热工参数进行合理的表述和过滤处理,并考虑可能出现的与锅炉故障有关的参数畸变。在解决这一问题的尝试中,运用了对参数进行模糊性表达的数学方法,对几乎所有的热工参数在不同的工况下(主要是负荷变化),确定该参数实际值的正常区间和在其外的允许上下区间和异常上下区间等5值区间。在程序执行中,用自然语言将这一5值集合表达为:正常,低,高,过低和过高。所以,在参数的预处理中,对超出范围的检测参数,首先考察其在一定时间间隔中的变化趋势,避免由于参数自身的短暂波动而作出误判断。另外,根据锅炉热力系统的内在联系,判断锅炉可能出现的故障或测点失效。
6.3变负荷过程的处理
机组负荷变化是所有参数中变化最频繁、幅度最大,且对其它热工参数基准值影响最大的参数。一般来说,实时检测的负荷来自锅炉的给水量、汽机侧的计算值和电负荷,这些数据可以互相校核,而负荷值具有较高的准确度。因此,在模型中对所有与负荷变化有关的参数均根据其函数依赖关系做了相应的关联处理,在实时计算中,根据负荷值随时调用和修正。如果锅炉处在动态的负荷变化过程中,即负荷变化的速率或负荷变化的幅度超过一定值时,将暂停执行计算程序,直至负荷达到稳定。
6.4计算误差分析
如前所述的热平衡计算方法是基于锅炉尾部的某些烟气侧和几乎所有工质侧的检测数据,其它逆烟气流程的各截面烟温均为计算得到,为了尽量减少计算误差,对烟气侧的温度等测点做了仔细校核。模型的实际监测结果表明,不同工况下炉膛出口烟温的计算值和设计值的差值基本在测量和计算误差范围内。其它影响计算结果的因素还有待于深入探讨。
7 300MW机组锅炉在线监测的结果与分析
结果表明,由于热工参数的动态变化特性,不可避免地造成计算结果的波动,个别时刻出现瞬间的参数异常。除省煤器外的其它受热面均能够不同程度地显示出运行中洁净因子的变化趋势和吹灰投入前后受热面洁净因子的显著变化。但可能由于不同受热面的积灰程度不同,有的受热面的吹灰效果比较明显,譬如低温再热器,洁净因子变化显著,有些变化幅度小一些,但也有20%左右的改变。另外还有测量精度和计算误差的影响。对省煤器来说,由于其本身的传热率较高,吹灰前后所带来的换热量变化仅约为总换热量的3%～5%,这一变化幅度与因热工参数不稳定性所造成的计算结果波动幅度比较接近,因此,省煤器的计算有待于深入探讨。初步运行结果说明,该系统能够对各主要受热面的污染程度进行在线计算和监测,且监测结果是合理的。
8结论
在300 MW机组锅炉上实时在线运行结果显示,该系统能够比较合理地实时监测锅炉各主要对流受热面积灰结渣状况,说明本项工作所采用的数据处理方法和计算分析模型是合理的,对指导受热面的优化吹灰清渣提供了比较可靠的依据。也为进一步研究与开发工作提供了基础和改进的方向。
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