燃煤電廠鍋爐結(jié)渣在線監(jiān)測與診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀

崔恒

（華電新鄉(xiāng)發(fā)電有限公司，河南新鄉(xiāng) 453635）

燃煤電廠鍋爐結(jié)渣在線監(jiān)測與診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀

崔恒

（華電新鄉(xiāng)發(fā)電有限公司，河南新鄉(xiāng) 453635）

在燃煤電站鍋爐的運(yùn)行中，爐膛水冷壁結(jié)渣是普遍存在的，也是影響鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個主要問題。近年來，隨著對電站鍋爐結(jié)渣機(jī)理及生成過程認(rèn)識的深入和相應(yīng)技術(shù)的日趨成熟，國內(nèi)外已研發(fā)出多種結(jié)渣診斷技術(shù)及監(jiān)控系統(tǒng)，并已成功地應(yīng)用。介紹了國內(nèi)外研究者對爐膛結(jié)渣在線監(jiān)測與診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

燃煤鍋爐；積灰；結(jié)渣；在線監(jiān)測

0 引言

在煤粉鍋爐的運(yùn)行過程中，鍋爐受熱面的非正常積灰、結(jié)渣會增加鍋爐爐膛的傳熱熱阻和煙道的通風(fēng)阻力，從而成為影響鍋爐正常運(yùn)行的一個主要因素［1］。因此，為了保證煤粉鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，要了解鍋爐產(chǎn)生積灰、結(jié)渣的機(jī)理及其造成的危害，并且研究如何及時(shí)采取措施，有效地預(yù)防和處理電廠鍋爐積灰、結(jié)渣的現(xiàn)象。

近年來，為了降低成本，電力企業(yè)大多燃用灰分高的劣質(zhì)煤以追求更大的經(jīng)濟(jì)效益［2］，而且我國電廠燃用煤多屬于易結(jié)渣煤質(zhì)，經(jīng)常與設(shè)計(jì)值不符，這在一定程度上加劇了鍋爐受熱面的積灰結(jié)渣。受積灰結(jié)渣的影響，鍋爐受熱面的傳熱能力下降，產(chǎn)生高溫腐蝕的幾率也會增加，同時(shí)還有可能影響機(jī)組在正常負(fù)荷下運(yùn)行，甚至?xí)斐赏C(jī)等嚴(yán)重事故，給電廠帶來巨大的損失。針對這一問題，在實(shí)際運(yùn)行操作中，常采用吹灰措施來預(yù)防受熱面的嚴(yán)重積灰結(jié)渣，這也是公認(rèn)的最直接、最有效的預(yù)防手段。目前，在國內(nèi)的電廠鍋爐中均配有可靠的吹灰設(shè)備，但是大多數(shù)電廠僅僅是按照預(yù)先設(shè)定的程序定時(shí)定量地吹灰，具有很強(qiáng)的盲目性，難免產(chǎn)生吹灰不足或吹灰過度的問題。吹灰不足難以起到預(yù)防效果，過度的吹灰會影響鍋爐受熱面的壽命，增加維修費(fèi)用，甚至?xí)斐啥虝r(shí)煙塵排放超標(biāo)，消耗大量不必要的能量。因此，有效地進(jìn)行鍋爐積灰結(jié)渣的在線監(jiān)測和優(yōu)化吹灰操作是我們需要解決的。

1 積灰結(jié)渣診斷技術(shù)與診斷系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

有效地清除鍋爐受熱面積灰，避免出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)渣現(xiàn)象，提高鍋爐運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性，首先應(yīng)該全面了解爐膛內(nèi)部積灰、結(jié)渣的情況。國內(nèi)外研究者已開發(fā)出多種積灰結(jié)渣監(jiān)控系統(tǒng)和診斷技術(shù)，有些已經(jīng)成功地應(yīng)用于鍋爐的實(shí)際運(yùn)行中［3］。目前已有的積灰結(jié)渣診斷技術(shù)主要有直接診斷、熱流計(jì)診斷、水冷壁背面溫差間接診斷和測量爐膛出口煙溫診斷等方法。

1.1 直接診斷技術(shù)

直接診斷技術(shù)是直接利用儀器來觀察鍋爐受熱面的結(jié)渣狀況，從而判斷出爐膛內(nèi)的污染情況。受鍋爐內(nèi)高溫以及飛灰等惡劣環(huán)境的限制，對直接用來觀測爐內(nèi)結(jié)渣情況的儀器設(shè)備要求很高，價(jià)格昂貴，因此對于直接診斷方法的研究并不多見。根據(jù)采取吹灰措施后爐內(nèi)的相對反射率會減小的原理，Afonso等在爐膛不同方位設(shè)置了紅外成像機(jī)來測量水冷壁的輻射發(fā)射率，然后根據(jù)測得發(fā)射率的大小決定是否進(jìn)行吹灰。

研究者［4-5］采用傅里葉變換紅外發(fā)射光譜，利用光譜識別二氧化硅、硫酸鹽和硅酸鹽等，來分析煤灰沉積物的變化。只是這種方法尚處在研究階段，還未實(shí)現(xiàn)通過光譜特征來確定沉積物的成分和反應(yīng)過程，若要用于鍋爐受熱面灰沉積過程的直接診斷仍需進(jìn)一步研究。

1.2 熱流計(jì)診斷技術(shù)

熱流計(jì)診斷是將熱流計(jì)作為傳感器安裝在水冷壁上，依據(jù)熱流計(jì)表面的灰污情況建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算模擬出水冷壁的結(jié)渣情況。既可根據(jù)熱流的變化判斷爐內(nèi)的結(jié)渣情況，還可以優(yōu)化吹灰過程，使受熱面保持較高的換熱水平。目前利用熱流計(jì)診斷爐膛結(jié)渣的技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室和電廠運(yùn)行中都有廣泛的應(yīng)用。

加拿大研究者研發(fā)了利用熱流計(jì)針對爐膛結(jié)渣的監(jiān)測系統(tǒng)［6］。該監(jiān)測系統(tǒng)將圓盤式熱流計(jì)（包括清潔熱流計(jì)和灰污熱流計(jì)）安裝在爐膛水冷壁的易結(jié)渣部位。清潔熱流計(jì)內(nèi)裝有空氣吹掃裝置，可以及時(shí)清除熱流計(jì)表面的飛灰沉積，測量的數(shù)據(jù)為鍋爐受熱面所吸收的火焰輻射熱流?；椅蹮崃饔?jì)同水冷壁一樣會受到飛灰沉積，測量的數(shù)據(jù)為鍋爐受熱面實(shí)際吸收的火焰輻射熱流。通過對比較清潔熱流計(jì)和灰污熱流計(jì)的所獲取的數(shù)據(jù)，就可以判斷出水冷壁內(nèi)部的積灰結(jié)渣情況。

英國研究者采用圓柱熱流計(jì)測量水冷壁吸收的輻射熱流，并且結(jié)合鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化吹灰操作。該方法是將熱流計(jì)直接安裝在管子的表面，制作出一個可以流通工質(zhì)的測量段，測量時(shí)會用該測量段代替爐膛內(nèi)的某段水冷壁管。該積灰監(jiān)測和吹灰系統(tǒng)已在鍋爐上得以應(yīng)用，并在提高鍋爐效率、減輕受熱面腐蝕和預(yù)防結(jié)渣事故等方面取得很好的效果。

Wynnyck等人［7］利用82只“沾污”熱流計(jì)和13只“潔凈”熱流計(jì)建立了受熱面積灰診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)在優(yōu)化吹灰等方面發(fā)揮了重要的作用。也有研究者采用自制熱流計(jì)實(shí)現(xiàn)了對爐膛結(jié)渣的監(jiān)控和優(yōu)化吹灰。熱流計(jì)可安裝在爐膛內(nèi)的不同位置，進(jìn)行爐膛結(jié)渣的局部或全面診斷，因而成為國外學(xué)者研究較多的積灰結(jié)渣診斷手段。但因其造價(jià)昂貴、維護(hù)困難等缺點(diǎn)也在一定程度上限制了熱流計(jì)技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

1.3 水冷壁背面溫差間接診斷

清華大學(xué)武彬［8］提出了通過測量水冷壁背面溫差來監(jiān)測爐膛內(nèi)部污染的思路。研究者將帶有梯形鰭片的膜式水冷壁作為研究對象，利用有限單元法求解水冷壁溫度場，建立溫度與熱負(fù)荷的關(guān)系，在線監(jiān)測出水冷壁的局部熱負(fù)荷，然后通過直接測量或爐膛分區(qū)段計(jì)算出清潔熱負(fù)荷。對比二者即可判斷出結(jié)渣的位置和嚴(yán)重程度，還可以大致確定出爐膛結(jié)渣的面積。只是該方法僅限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究，到目前為止尚未見到有關(guān)電廠應(yīng)用的報(bào)道。

1.4 測量爐膛出口煙溫

在鍋爐負(fù)荷不變的情況下，當(dāng)鍋爐受熱面出現(xiàn)積灰結(jié)渣時(shí)，灰層的熱阻會提升灰層外壁面溫度，增強(qiáng)反向輻射，從而使受熱面吸收的熱量減少，爐膛出口煙氣溫度升高。根據(jù)爐膛煙溫的監(jiān)測，每當(dāng)采取吹灰操作后，爐膛出口煙溫會顯著下降。

常見的爐膛出口煙溫的測量方法有2種。（1）直接測量法。由于爐膛出口煙氣溫度很高，常規(guī)的熱電偶難以承受，所以常用光學(xué)方法，如光學(xué)高溫計(jì)等。還有一些像聲學(xué)高溫計(jì)、紅外傳感器等新方法［9］；（2）熱平衡計(jì)算法，即間接測量爐膛煙溫法。一般是在省煤器入口或空氣預(yù)熱器入口測得煙氣溫度，然后逆煙氣的各流經(jīng)段對受熱面的熱平衡進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而推算爐膛出口的煙氣溫度［10］。該方法存在一定的誤差，只能從整體上反映爐膛內(nèi)積灰結(jié)渣的特征。

2 其他診斷方法

在德國施陶丁格電廠＃5機(jī)組上安裝有一種可以保持受熱面清潔的新型鍋爐結(jié)渣診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）在線測量數(shù)據(jù)，由分段熱平衡和傳熱計(jì)算分別得出受熱面的實(shí)際換熱系數(shù)和理想換熱系數(shù)。比較這2種換熱系數(shù)即可得出表征受熱面積灰程度的專門系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)吹灰器的優(yōu)化吹灰。Ecxerd等［11］也提出了一種相似的吹灰器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)依據(jù)DAS采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算出受熱面的實(shí)際傳熱系數(shù)，以控制吹灰器運(yùn)行。

國內(nèi)研究者文孝強(qiáng)等［12］將vague集理論引入燃煤鍋爐的評判中并采用距離意義下相似度量新方法對4臺鍋爐進(jìn)行了評判，實(shí)現(xiàn)了對當(dāng)前運(yùn)行鍋爐的結(jié)渣狀況的診斷。閻維平教授等以能量和質(zhì)量守恒原理為基礎(chǔ)，利用在線檢測和鍋爐機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，開發(fā)了針對燃煤電站鍋爐積灰結(jié)渣的在線檢測裝置和優(yōu)化吹灰系統(tǒng)，節(jié)約了能源，提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性。國內(nèi)各科研單位如清華大學(xué)、浙江大學(xué)和東南大學(xué)等也先后開展了相關(guān)的研究［13-14］，建立了受熱面積灰監(jiān)測模型，也開發(fā)了一些應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)了對受熱面積灰結(jié)渣狀況在線監(jiān)測。

3 結(jié)束語

爐膛積灰結(jié)渣的在線監(jiān)測與診斷技術(shù)可以作為運(yùn)行控制的依據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷出爐內(nèi)積灰結(jié)渣的位置和程度，優(yōu)化吹灰操作，提高電廠運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。國內(nèi)外研究者對該課題都進(jìn)行了較深入的研究，取得了一定的成績，但同時(shí)也存在著一些不可避免的問題。常用的積灰結(jié)渣診斷方法都存在有一定的缺點(diǎn)與不足：直接診斷法，一般需要昂貴的診斷設(shè)備和先進(jìn)的測量技術(shù)，推廣和應(yīng)用都受到限制；熱流計(jì)法是目前用于研究和應(yīng)用最多的一種診斷手段，它可以診斷出爐膛不同位置處的積灰結(jié)渣狀況，但是熱流計(jì)的布置卻比較麻煩，而且價(jià)格較為昂貴，從而限制了熱流計(jì)法的應(yīng)用，尤其是對于已投入運(yùn)行的電廠，要運(yùn)用該診斷方法更加困難；測量爐膛出口煙溫的方法只能從整體對爐膛內(nèi)部結(jié)渣的狀況做出判斷，而不能反映爐內(nèi)結(jié)渣的具體分布情況，而且煙溫也難以準(zhǔn)確測量，計(jì)算過程也存在一定誤差，所以該診斷方法只能作為輔助診斷手段。還有一些設(shè)想只是處于實(shí)驗(yàn)研究階段。

相對于國際上來說，我國對于爐膛積灰結(jié)渣的在線監(jiān)測與診斷的研究起步較晚，雖然取得了一定的成果，也有些系統(tǒng)已經(jīng)在電廠投入運(yùn)行，但是在國內(nèi)大型機(jī)組中得以普遍應(yīng)用仍有很長的路要走。因此，研究者仍需致力研究出一種使監(jiān)測更加簡潔、可靠，精度更高適應(yīng)性更強(qiáng)的監(jiān)測系統(tǒng)。

［1］岑可法，樊建人，池作和，等.鍋爐和熱交換器的積灰、結(jié)渣、磨損和腐蝕的防止原理與計(jì)算［M］.北京：水利電力出版社，1994.

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（本文責(zé)編：齊琳）

TK 224.9

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1674-1951（2016）11-0023-03

崔恒（1989—），男，河南商丘人，助理工程師，從事電廠鍋爐設(shè)備檢修方面的工作（E-mail：452747130＠qq.com）。

2016-08-17；

2016-10-08