鍋爐智能吹灰優(yōu)化系統(tǒng)的優(yōu)化實施

周世杰，徐同社（河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北石家莊050031）

蘇乾，麥永強（國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000）

1 前言

電站鍋爐受熱面的積灰污染不僅使鍋爐運行熱效率降低，嚴(yán)重時將導(dǎo)致機組降負(fù)荷運行或停機。目前大容量電站鍋爐各受熱面均配有不同形式的吹灰器。但是吹灰是以吹灰介質(zhì)和介質(zhì)攜帶能量為代價的。吹灰模式不合理，不僅使吹灰的總體經(jīng)濟性低下，而且過于頻繁的吹灰會對受熱面造成損壞，縮短吹灰裝置本身的使用壽命。國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司布連發(fā)電廠為2×660MW超超臨界燃煤鍋爐過熱器管組、再熱器管組及省煤器配備了長伸縮吹灰器70只，空氣預(yù)熱器配備了1只PS-AT型和1只AHLW型半伸縮吹灰器，通過在該工程實施了吹灰優(yōu)化控制系統(tǒng)，實時提出優(yōu)化的吹灰模式，根據(jù)臨界污染率和機組運行狀況，提出吹灰優(yōu)化指導(dǎo)，對受熱面污染嚴(yán)重的部位進行吹灰，實現(xiàn)了按需吹灰。

2 吹灰優(yōu)化系統(tǒng)方案

2.1 受熱面污染程度確定方案

吹灰優(yōu)化系統(tǒng)控制范圍定為除爐膛受熱面（水冷壁）外的對流受熱面（包括過熱器、再熱器、省煤器）和空氣預(yù)熱器。量化污染程度，確定受熱面清潔度，進行各受熱面污染程度在線監(jiān)測。將對需要進行吹灰優(yōu)化指導(dǎo)的鍋爐受熱面針對不同的受熱面的特點確定其清潔度的表達，從而進行各受熱面積灰或結(jié)渣程度的在線監(jiān)測。

（1）對于對流受熱面，定義實際的傳熱系數(shù)與理想狀態(tài)下的傳熱系數(shù)的比值為受熱面的潔凈因子，描述受熱面的潔凈程度。

（2）對于空氣預(yù)熱器，將在不同負(fù)荷和過量空氣系數(shù)下的實測壓差值均折算到某一特定的工況（額定負(fù)荷，某一煙氣含氧量）條件下，形成折算壓差的概念，其具有一定的可比性。采用實際折算壓差與在選取的理想狀態(tài)下的折算壓差的比值作為空氣預(yù)熱器潔凈因子，來衡量受熱面的潔凈度。

2.2 不同負(fù)荷下臨界污染潔凈因子的確定

負(fù)荷不同時，生成的飛灰量和煙氣流速也不同，但其對積灰速度的影響效果相反。升負(fù)荷時，飛灰量以略小于正比的規(guī)律增加，使積灰速度有加快的趨勢；另一方面，隨著負(fù)荷的上升，煙氣流速增加，對灰污層的沖刷和大顆粒對管壁正面灰層的撞擊作用也得到增強，又使受熱面的污染率增長速度有下降的趨勢。兩相抵消，在不同負(fù)荷條件下，污染率增長速度變化不大，并且其增長的基本規(guī)律一致。 在不同負(fù)荷下，受熱面的對數(shù)溫壓、理想傳熱系數(shù)、計算燃料量等參數(shù)存在較大差異。通過大量的試驗研究，確定了兩臺鍋爐不同運行負(fù)荷下的受熱面最佳臨界污染潔凈因子。在軟件調(diào)試期間，獲得了大量不同負(fù)荷下的污染率曲線。通過對不同工況下污染率曲線的擬合，得到各受熱面在不同工況下的污染率增長規(guī)律，計算出對應(yīng)工況下的各受熱面對數(shù)溫壓、理想傳熱系數(shù)、計算燃料量等參數(shù)，分別求出不同負(fù)荷下對應(yīng)的臨界污染率。

確定了各受熱面在不同工況下的清潔因子后，就可確定各受熱面的吹灰時機，各受熱面的吹灰時機確定后，還要考慮機組吹灰的能力等因素和限制，確定合理吹灰的優(yōu)先級，哪段受熱面先吹，哪段受熱面可暫時維持現(xiàn)狀。

2.3 吹灰優(yōu)化控制策略

在制定吹灰優(yōu)化方案時，應(yīng)堅持以安全優(yōu)先的原則作為吹灰控制的前提，以吹灰收益最大原則作為補充。主要采取的吹灰優(yōu)化控制策略如下：

（1）吹灰器分組：不同位置的吹灰器，對積灰的清除效果、對鍋爐運行參數(shù)的影響是不同的。為此，把整臺鍋爐的吹灰器分成對流受熱面組和空氣預(yù)熱器組。其中，對流受熱面組暫分為后屏過組、高過組（末級過組）、高再組、低再組、低過組和省煤器組；空氣預(yù)熱器組分為冷段和熱段兩組。

（2）燃煤煤質(zhì)分類：每臺鍋爐都有設(shè)計煤種、校核煤種，而實際運行中，燃燒的煤種也有差異，本策略將鍋爐實際燃燒煤質(zhì)分成較好、一般和較差3個等級，根據(jù)煤質(zhì)的級別，在吹灰策略中實行吹灰參數(shù)（吹灰頻率、每次吹灰器工作時間）的差異化。

（3）鍋爐負(fù)荷的分類：根據(jù)鍋爐不同的運行時期，將鍋爐分成低負(fù)荷和正常運行負(fù)荷2種工況。根據(jù)工況的不同，有差別地（吹灰重點部位、每次吹灰器工作時間）執(zhí)行吹灰操作。

（4）一定吹灰工況：在鍋爐負(fù)荷低谷到來前對超過最短吹灰周期的受熱面吹灰一次。

（5）一定不吹灰工況：爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定（負(fù)壓波動大）；機組負(fù)荷每分鐘的變化率過高；吹灰汽源壓力過高或過低時。

（6）吹灰優(yōu)先等級：當(dāng)鍋爐多個受熱面同時積灰較重時，按受熱面吹灰優(yōu)先等級，吹灰順序按照：空氣預(yù)熱器、對流受熱面、省煤器依次進行。

3 吹灰優(yōu)化系統(tǒng)功能

3.1 實現(xiàn)受熱面污染程度的實時監(jiān)測

（1）對爐膛和過熱器等輻射、半輻射受熱面，建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鍋爐爐膛等輻射受熱面污染監(jiān)測模型，通過能量和質(zhì)量平衡，實時計算各受熱面的實際傳熱系數(shù)及污染率，監(jiān)測受熱面污染程度。

（2）對空氣預(yù)熱器采用折算壓差法計算其潔凈因子實現(xiàn)積灰狀態(tài)的在線監(jiān)測。即根據(jù)流體力學(xué)基本原理，空氣預(yù)熱器前后煙氣壓差可以反映阻力系數(shù)，從而進一步反映其積灰程度，但煙氣流量和過量空氣系數(shù)變化亦對壓差產(chǎn)生影響，因此提出將在不同負(fù)荷和過量空氣系數(shù)下的實測壓差值均折算到某一特定工況（額定負(fù)荷，某一煙氣含氧量）條件下，因而具有可比性。各受熱面污染程度的計算及監(jiān)測均提供實時數(shù)據(jù)的顯示及歷史數(shù)據(jù)的查詢，打印及統(tǒng)計功能。

3.2 實現(xiàn)優(yōu)化吹灰的實時指導(dǎo)

該系統(tǒng)通過經(jīng)濟性分析，提出優(yōu)化吹灰建議。建立吹灰優(yōu)化模型和吹灰經(jīng)濟性分析模型，其中吹灰判斷模型監(jiān)測當(dāng)前鍋爐受熱面的污染狀況，判斷鍋爐是否需要進行吹灰操作，并確定吹灰時間和吹灰順序。吹灰優(yōu)化模型是在吹灰判斷模型基礎(chǔ)上確定吹灰需求和明確了吹灰對象的前提下，引入時間變量，通過對目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化，確定受熱面最佳吹掃時間。

4 應(yīng)用效果及效益分析

4.1 運行監(jiān)督與管理水平提升

在運行期間智能吹灰控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)運行穩(wěn)定：實時計算的積灰污染指標(biāo)反應(yīng)準(zhǔn)確，吹灰算法與策略可以實時計算不同受熱面的污染程度，對各受熱面提出不同的吹灰操作。與傳統(tǒng)吹灰方式相比，智能吹灰控制系統(tǒng)具有以下特點：

（1）實現(xiàn)受熱面污染程度的可視化監(jiān)控

智能吹灰系統(tǒng)綜合提取了涉及鍋爐運行的關(guān)鍵參數(shù)，對整個鍋爐系統(tǒng)受熱面工質(zhì)和煙氣的傳熱過程進行了在線動態(tài)分析和計算，以數(shù)字和圖形方式給出了各受熱面當(dāng)前積灰污染及結(jié)渣信息。鍋爐積灰污染可視化的實現(xiàn)，使各受熱面污染程度有了統(tǒng)一的量化指標(biāo)，有利于實現(xiàn)吹灰系統(tǒng)操作的規(guī)范化和運行管理的精細化。

（2）提高吹灰系統(tǒng)的自動化管理水平

智能吹灰系統(tǒng)通過對吹灰器分組優(yōu)化、程控流程優(yōu)化和安全保護的設(shè)計，能有效提高智能吹灰系統(tǒng)的投入率，保證按需適量的吹灰效果。受熱面分組根據(jù)每支吹灰器吹掃半徑，將前后煙道長吹分成了8個吹掃區(qū)域，設(shè)計方案不僅滿足了不同區(qū)域的按需吹灰需求，而且將不同吹灰區(qū)域的吹灰時間控制在2小時以內(nèi)，很好的平衡了運行操作與自動系統(tǒng)投入各自需求，使自動吹灰系統(tǒng)便于投入。

4.2 吹灰器投用方式及頻率優(yōu)化

智能吹灰系統(tǒng)投運后，按污染程度以及傳熱特性和熱量需求比例，對各個受熱面給出了不同于以往且更有針對性的吹灰策略。為了說明試運行前后各項數(shù)據(jù)的變化情況，綜合考慮將熱態(tài)試驗完成時間2013年9月21日零點和試運行正式開始前一天，即2013年10月21日零點之間一個月(30天)的時間段作為智能吹灰試運行前的“對比工況”。而將2013年10月21日零點至11月1日零點(11天)這段時間作為智能吹灰投運后的“試運行工況”。

（1）吹灰器總體投用頻率降低

首先統(tǒng)計了對比工況與試運行工況吹灰器總體投運數(shù)量情況，智能吹灰系統(tǒng)投運后每天可較對比工況節(jié)省吹灰器投運數(shù)量達27%，節(jié)汽效果顯著，參見表1。

表1 吹灰器投運總數(shù)對比

（2）吹灰器投運區(qū)域優(yōu)化

根據(jù)需要對左右側(cè)每一只長伸式吹灰器的在各自時間段內(nèi)的投用數(shù)量、占總吹灰器投用數(shù)量的比例、以及每天平均投用數(shù)量進行分析比較。根據(jù)劃分的傳熱區(qū)域，圖1給出了兩個工況內(nèi)各傳熱區(qū)域內(nèi)吹灰器投用比例，其中傳熱區(qū)域內(nèi)的受熱面有：

? 屏區(qū)：前屏過熱器、后屏過熱器；

? 延伸煙道區(qū)：有高溫過熱器、高溫再熱器；

? 前豎井區(qū)：低溫再熱器、低再側(cè)省煤器；

? 后豎井區(qū)：低溫過熱器、低過側(cè)省煤器。

圖1 傳熱區(qū)域內(nèi)吹灰器投用率

與對比工況相比，屏區(qū)、前、后豎井煙道內(nèi)吹灰器投運率都略微減少，而延伸煙道區(qū)域的吹灰器投用率則有較大增長。由于試運行工況期間平均負(fù)荷較對比工況低，這種吹灰方式能有意識的將屏區(qū)受熱面的污染容忍度適當(dāng)增加以提高爐膛出口煙溫，末級受熱面加強吹灰有利于在負(fù)荷較低時提升過熱器二級減溫水流量，從而增加主汽溫調(diào)節(jié)余量，同時有利于提升再熱汽溫。表2給出了對比工況與試運行工況期間鍋爐主、再熱汽溫及負(fù)荷平均值狀況，試運行期間主再熱汽溫在平均負(fù)荷較低的情況下也均有所上漲，它體現(xiàn)了吹灰策略在不同負(fù)荷下根據(jù)傳熱需要靈活適應(yīng)的特點，而不是僅僅給出一個固定的優(yōu)化吹灰頻率。

表2 指標(biāo)均值

4.3 相關(guān)經(jīng)濟安全性指標(biāo)改善

（1）降低排煙損失

圖2為兩工況下排煙溫度在各個負(fù)荷段的分布情況，從分布情況看試運行工況下排煙溫度帶狀區(qū)域整體下移，煙溫較對比工況明顯降低?？紤]到試運行期間已臨近十一月份，環(huán)境溫度更低，空預(yù)器溫壓有所增大換熱加強，因此將環(huán)境溫度同樣考慮進來計算得到了圖2（右）的排煙損失分布狀況。在各個負(fù)荷區(qū)段內(nèi)智能吹灰投運后的排煙損失整體狀況也要低于對比工況，這表示占鍋爐效率計算中最大損失源的排煙損失在試運行期間得到了較為有效控制。

圖2 排煙溫度與排煙損失比較

（2）合理控制省煤器出口煙溫

圖3顯示了前后煙道出口，即前后省煤器出口的煙溫負(fù)荷分布狀況。這個區(qū)域煙溫受漏風(fēng)等影響更小，也能夠反應(yīng)整個鍋爐本體的吸熱效率。與對比工況相比，該區(qū)域煙溫在前后豎井煙道內(nèi)吹灰次數(shù)明顯減少的情況下整體煙溫狀況并沒有惡化。相反由于尾部煙道所有受熱面在吹灰策略中緊密的關(guān)注了鍋爐整體效率狀況，此外還考慮了高低負(fù)荷下煙氣擋板開度對煙溫的影響，前后豎井煙道的出口煙溫在低負(fù)荷下變化不大，而在高負(fù)荷時有明顯的下降，各負(fù)荷下出現(xiàn)極端高溫而威脅空預(yù)器安全的概率大幅降低，整體煙溫波動幅度比對比工況稍小，煙溫數(shù)據(jù)帶顯得更“窄”一些。因此在積灰污染可監(jiān)視的情況下，采取合理吹灰策略分配尾部煙道不同受熱面的吹灰頻率，能夠明顯提高這一地區(qū)的吹灰效率。

（3）其他節(jié)點煙溫分布變化

圖3 前后煙道出口煙溫比較

圖4 左右分別為高再出口和爐膛出口煙溫分布狀況，這兩個區(qū)域所處煙溫較高，受熱面又均處于煙氣流程中上游地帶，其溫度對鍋爐效率影響雖不直接，但有很多安全性的考慮。圖4（左）顯示高再出口煙溫，由上節(jié)所述試運行工況下加強了延伸煙道處受熱面的吹灰強度，因此直接反應(yīng)在該點煙溫在整個負(fù)荷段，尤其是高負(fù)荷段下降明顯。煙氣在高再出口通過轉(zhuǎn)向室進入尾部煙道，通常從轉(zhuǎn)向室開始鍋爐的管壁材料耐高溫規(guī)格均有所下降，而轉(zhuǎn)向室又是省煤器懸吊管、包墻管等工質(zhì)流通出口管道所在處，因此雖然該區(qū)域煙溫遠比爐膛出口處低，但管組面臨的金屬壁溫超溫問題同樣嚴(yán)峻，高再出口煙溫的降低，有利于對包墻管、省煤器懸吊管壁溫的安全起到保障作用。圖4（右）顯示爐膛出口煙溫的分布狀況，低負(fù)荷段下由于前后屏結(jié)焦風(fēng)險減小，出于汽溫調(diào)整需要，適當(dāng)減少了屏區(qū)的吹灰強度，試運行工況爐膛煙溫在該負(fù)荷段較原來高一些。但在高負(fù)荷段下，配合爐膛短吹和前后屏長吹，能夠有效控制爐膛出口紅外煙溫測點兩側(cè)均值在850℃以內(nèi)，防止受熱面掛焦、掉焦造成機組安全影響。

圖4 高再、爐膛出口煙溫比較

4.4 系統(tǒng)投運收益評估

智能吹灰系統(tǒng)減少了吹灰器投運數(shù)量，這有助于降低吹灰設(shè)備的折舊損耗，此外還減少了鍋爐補水帶來的費用。但這些費用相對吹灰耗費總量來說較小，這里計算效益主要由節(jié)省吹灰蒸汽以及鍋爐效率提升后所節(jié)省煤耗帶來的兩部分收益組成。

布連電廠鍋爐長伸式吹灰器汽源來自后屏過熱器出口汽溫，由后屏管組金屬壁溫測點值推算，對比工況和試運行工況下鍋爐吹灰汽源平均參數(shù)為壓力22MPa，溫度535℃。每只長伸式吹灰器的蒸汽介質(zhì)耗量參考設(shè)計廠商設(shè)計值為85kg/min，每只吹灰器吹灰行程時間按10min計算（進退各5min）。

具體計算智能吹灰系統(tǒng)經(jīng)濟效益需要當(dāng)?shù)孛簝r，且節(jié)煤量與鍋爐平均負(fù)荷量相關(guān)。為便于做出初步的經(jīng)濟分析，這里統(tǒng)計試運行與對比工況時段內(nèi)鍋爐平均入爐煤量165.2t/h為依據(jù)，煤價參考市場價300元/噸計算，具體收益計算步驟見表 3。

表3 收益計算表

5 結(jié)論

智能吹灰控制系統(tǒng)的投入，實現(xiàn)了鍋爐受熱面污染程度的量化監(jiān)測，對提高受熱面污染監(jiān)測過程數(shù)字化、可視化水平提供了可靠手段，有利于實現(xiàn)對吹灰系統(tǒng)操作和運行的精細化管理。吹灰器投運方式更符合鍋爐運行特點和受熱面積灰特性，吹灰頻率以及吹灰汽耗和電耗明顯降低，不僅延長了吹灰設(shè)備的使用壽命，節(jié)省了相應(yīng)的折舊和維修費用，同時對鍋爐各關(guān)鍵部位煙溫進行了有效控制，降低了鍋爐排煙損失提升了鍋爐效率。與對比工況相比，智能吹灰系統(tǒng)投運后吹灰方式較原吹灰方式可節(jié)汽27%，鍋爐效率提升0.16%，僅從這兩項指標(biāo)變化上可實現(xiàn)每臺機組每年46.7萬元的直接綜合經(jīng)濟效益。

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