內置陣列式聲波吹灰器應用及節(jié)能分析

周磊，張舉，宋梓源，楊志平，郭培虎，肖海平，張晨，李建龍*

內置陣列式聲波吹灰器應用及節(jié)能分析

周磊1，張舉2，宋梓源1，楊志平3，郭培虎3，肖海平3，張晨4，李建龍4*

（1．華能寧夏大壩電廠四期發(fā)電有限公司，寧夏回族自治區(qū) 青銅峽市 751600；2．華電和祥工程咨詢有限公司，山西省 太原市 030006；3．華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京市 昌平區(qū) 102206；4．北京中電慧能國際電力科技有限公司，北京市 海淀區(qū) 100081）

由于傳統(tǒng)蒸汽吹灰技術存在吹灰死角，需耗費大量高品質蒸汽，且蒸汽因對受熱面進行沖刷而影響其安全性，因此近年來較多的新建電廠傾向于在低溫煙道采用內置陣列式聲波吹灰器對低溫再熱器、低溫過熱器、省煤器進行吹掃。結合某660MW電廠聲波吹灰器的應用進行經濟性評價研究。吹灰經濟性通過鍋爐側的鍋爐效率和汽機側的汽輪機熱效率2個指標來評價，采用鍋爐反平衡方法計算某個負荷下鍋爐排煙溫度變化1℃時鍋爐效率的變化量，吹灰后通過排煙溫度的降低值來計算鍋爐效率的增大值，進一步計算出煤耗的降低值。采用等效焓降法中工質攜帶熱量出系統(tǒng)的計算方法，得到吹灰蒸汽量對汽輪機熱耗的影響，并進一步計算出煤耗的增大值。綜合考慮鍋爐側和汽機側的經濟性評價，得出聲波吹灰器運行時的經濟性增益。結果表明，采用內置陣列式聲波吹灰器較常規(guī)蒸汽吹灰器年節(jié)約成本100萬元以上。對于多年運行經濟性較差的機組，采用內置陣列式聲波吹灰器會有更佳的節(jié)能效果。

燃煤發(fā)電機組；內置陣列式聲波吹灰器；節(jié)能分析；經濟性評價

0 引言

煤是復雜混合物，在高溫燃燒過程中會形成大量微小的飛灰顆粒，隨煙氣流經鍋爐各個受熱面。在高溫煙氣段，細小灰粒在受熱面黏附形成初始灰層，并不斷黏結飛灰顆粒，在高溫條件下形成致密的黏結性積灰；在中低溫煙氣段，煙氣中的飛灰顆粒低于灰熔點，灰粒之間不易發(fā)生粘連，從而在受熱面上形成疏松的積灰層；而當煙氣或受熱面壁溫達到酸露點時，由于硫酸蒸汽在管壁發(fā)生凝結，促使灰粒在受熱面形成低溫黏結灰。當煙氣掠過布置在煙道中的各類換熱器管束時，如過熱器、再熱器、空氣預熱器等，飛灰顆粒將會由于流場的變化或者與其他物質發(fā)生相互作用而沉積在換熱器受熱面上，從而增加了換熱器的傳熱熱阻，導致?lián)Q熱效果下降，使得排煙溫度升高[1]。鍋爐中未發(fā)生積灰和結渣的受熱面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一般為46.5~58.1W/(m2·K)，發(fā)生積灰和結渣后，受熱面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)迅速下降至0.058~0.116W/(m2·K)，鍋爐積灰嚴重時，可導致空氣預熱器出口的排煙溫度升高15~20℃[2]。飛灰既能在換熱面上沉積，造成換熱系數(shù)降低；又會對清潔換熱表面產生頻繁撞擊，逐漸使換熱管管壁變薄，即飛灰顆粒對換熱面管束造成了磨損。磨損、腐蝕引起的換熱管破裂是導致燃煤鍋爐停機的主要原因，由換熱管破裂引起的停機時間占鍋爐總停機時間的50%~75%，且對破損換熱管的維護成本高達總生產成本的54%[3]。為了保證鍋爐安全經濟運行，采用減輕積灰的受熱面及改變其布置方式，同時在鍋爐受熱面布置吹灰器，以清除受熱面積灰。

燃煤鍋爐所用吹灰技術均為物理性吹灰[4-5]，常見的吹灰器有蒸汽吹灰器、水力吹灰器、燃氣脈沖吹灰器、氣體激波吹灰器和聲波吹灰器等。其中，蒸汽吹灰技術是利用蒸汽吹灰器將一定壓力和溫度的過熱蒸汽噴入受熱面部位，對積灰和結渣的受熱面進行沖刷以清除灰渣的方式，是目前應用最為廣泛的鍋爐吹灰技術[2]。對于一些較為平整無障礙的受熱面，蒸汽吹灰效果很明顯；但是對于一些具有死角且有障礙的受熱面，蒸汽吹灰效果較差。如果蒸汽吹灰的使用過于頻繁，會使得排煙濕度及煙氣露點升高，還會導致受熱面吹損爆管。吹灰蒸汽一般從鍋爐屏式過熱器或低溫再熱器引出，經過調節(jié)閥或者降溫降壓裝置后噴入爐內。蒸汽的消耗使得機組的熱效率降低，因而蒸汽吹灰技術會對機組運行的經濟性及安全性造成不利影響。此外，蒸汽吹灰設備結構復雜，運維成本高，每年維護費用為系統(tǒng)總成本的15%~20%，一般過5年就需要更換50%的部件[2]。從20世紀90年代開始，聲波吹灰技術受到了國內電力行業(yè)研究者的更多關注，一些研究者對其進行了更深入的研究，研制出多種類型的聲波吹灰器[6]，如旋笛式[7]、膜片式[8]、共振腔式[9]等，并將其應用于電站鍋爐，對鍋爐積灰具有一定的改善作用。

不同吹灰技術各有其優(yōu)缺點和適用性，吹灰方式的選擇最終還是取決于吹灰效果，同時考慮鍋爐運行的安全可靠性和經濟性。就經濟性而言，主要關注初始投資和運行費用，運行費用需要綜合考慮煤耗、水耗、電耗及運行維護成本等。姚軍[6]從耗汽量、設備維護費、人工費用等角度對聲波吹灰與常規(guī)蒸汽吹灰進行了經濟性比較，但沒有考慮蒸汽吹灰對鍋爐效率的影響；楊衛(wèi)娟等[10]主要從吹灰改善鍋爐效率的角度評價其吹灰優(yōu)化的經濟性，但沒有考慮汽機效率對機組經濟性的影響；陳朋[11]從運行費用、維護檢修費用、人工費用等角度分析了聲波吹灰改造的效益，但沒有對引入聲波吹灰后機組整體經濟性進行深入分析；龔勝等[12]基于熱平衡提出了考慮管道效率的蒸汽吹灰分析模型，分析了吹灰蒸汽量和汽源位置對機組煤耗的影響，但沒有從整體上考慮吹灰優(yōu)化模型的經濟性；楊小海等[13]用等效焓降法對某300MW機組優(yōu)化吹灰與常規(guī)吹灰進行了經濟性比較，但沒有綜合考慮檢修成本、人工費用及鍋爐效率的影響。

本文在前人研究的基礎上綜合考慮吹灰對鍋爐效率和汽輪機熱耗的影響，以及蒸汽吹灰的運行成本，對內置陣列式聲波吹灰器應用于燃煤電站鍋爐的經濟性進行全面分析，并通過對比常規(guī)蒸汽吹灰器進行節(jié)能評價。

1 內置陣列式聲波吹灰器及吹灰經濟性評價

1.1 內置式聲波吹灰器結構及布置方案

內置式聲波吹灰器是一種共振腔式結構吹灰器[14]。其主要結構包括調節(jié)環(huán)、噴嘴、連桿、諧振腔，如圖1所示。其吹灰原理如下：環(huán)形的調節(jié)門及噴嘴可以接受蒸汽或壓縮空氣等介質，通過諧振腔與殼體的復合振動方式，產生數(shù)米半徑的軸向與橫向振動；振動范圍之內的灰塵將變?yōu)閯討B(tài)懸浮狀態(tài)，被流動的煙氣帶走。

圖1 共振腔式吹灰器

聲波吹灰依靠聲波的作用力使灰粒子和空氣分子產生震蕩，破壞和阻止灰粒子在熱交換器表面結合，由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，使之處于懸浮流化狀態(tài)，隨煙氣的流動將其帶走。以非接觸方式來清除管道積灰，不會發(fā)生吹損管道的問題，延長了換熱器管道的使用壽命，使鍋爐能夠長期安全、經濟、穩(wěn)定運行。內置式聲波吹灰器很好地解決了傳統(tǒng)蒸汽吹灰器的吹灰死角問題，其蒸汽消耗量僅為傳統(tǒng)蒸汽吹灰器蒸汽消耗量的5%~10%，運維方便，清潔嚴密，并且可以接入電廠分散控制系統(tǒng)(distributed control systems，DCS)中實現(xiàn)智能化控制。

鍋爐尾部內置陣列式聲波吹灰器布置如圖2所示。利用共振腔式聲波吹灰器可內置的特點，將若干吹灰器組成一組，若干組又按陣列式最近距離布置在各受熱面積灰部位，突破了單一聲波吹灰器作用范圍有限的瓶頸，聲場均勻分布，對積灰空間全覆蓋，吹灰無死角，積灰清除效果良好。陣列式聲波系統(tǒng)與汽源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)共同構成內置陣列式聲波吹灰系統(tǒng)，為分組吹灰、實時吹灰等智能化清灰提供了硬件支撐[15]。受材料性能的限制，目前內置陣列式聲波吹灰器多布置在鍋爐中低溫受熱面，實際運行表明其吹灰效果優(yōu)于四周布置的聲波吹灰器，而且受熱面并未出現(xiàn)磨損。圖3為某鍋爐安裝內置陣列式聲波吹灰器運行一年后的實際效果圖。

圖2 鍋爐尾部內置陣列式聲波吹灰器布置圖

圖3 內置陣列式聲波吹灰器實際運行效果圖

圖4為某660MW超臨界鍋爐采用常規(guī)蒸汽吹灰器吹灰時，在50%負荷工況下鍋爐排煙溫度變化。常規(guī)長桿蒸汽吹灰器蒸汽量較大，當吹掃省煤器、空氣預熱器時，由于蒸汽溫度較高，導致吹掃過程中鍋爐排煙溫度上升8℃，吹灰結束后排煙溫度下降。鍋爐吹灰結束7.2h后排煙溫度下降20.9℃，之后隨著受熱面積灰厚度增加，受熱面換熱系數(shù)減小，排煙溫度上升，5.4h之后排煙溫度升高14.6℃。

圖4 采用常規(guī)蒸汽吹灰時鍋爐排煙溫度變化

圖5為某660MW超超臨界鍋爐尾部受熱面采用內置陣列式聲波吹灰器吹灰時，在50%負荷工況下鍋爐排煙溫度變化。吹灰蒸汽取自過熱器蒸汽，溫度很高，所以常規(guī)蒸汽吹灰會使高溫蒸汽摻入排煙中，導致煙氣溫度出現(xiàn)一段上升。由于聲波吹灰蒸汽量很少，聲波吹灰期間鍋爐排煙溫度直接開始下降，聲波吹灰1.2h，排煙溫度下降6.9℃；吹灰結束后鍋爐排煙溫度繼續(xù)下降，2.7h之后排煙溫度下降4.0℃；之后隨著受熱面積灰厚度增加，排煙溫度逐漸升高，經過7h，排煙溫度由111.1℃升高到122.1℃。吹灰后鍋爐排煙溫度隨時間的變化曲線呈拋物線形狀。

圖5 采用內置陣列式聲波吹灰時鍋爐排煙溫度變化

對比圖4、5可知，2臺鍋爐為同一制造廠生產的660MW鍋爐，雖然實際排煙溫度不同，但采用聲波吹灰時約10h后排煙溫度達到吹灰前水平，而采用常規(guī)蒸汽吹灰時約12.6h后排煙溫度達到吹灰前水平。由此可見，采用內置式聲波吹灰能夠達到常規(guī)蒸汽吹灰的效果。由于內置陣列式聲波吹灰對受熱面吹損很小，因此可以增加吹灰次數(shù)；而常規(guī)蒸汽吹灰為了減輕受熱面吹損，需要控制吹灰次數(shù)。

1.2 吹灰經濟性評價

鍋爐吹灰蒸汽影響機組的效率，進而影響機組的煤耗。吹灰蒸汽對機組效率的影響包括鍋爐效率和汽輪機熱效率(或熱耗率)2方面。對鍋爐效率的影響，常通過反平衡方法進行評價，主要考慮吹灰蒸汽對排煙熱損失的影響。一方面吹灰蒸汽影響鍋爐排煙溫度，另一方面吹灰蒸汽進入煙道，致使排煙量增加，因此應綜合考慮排煙溫度和排煙量的影響。對汽輪機熱效率(熱耗率)的影響，常采用等效焓降法[16-17]進行評價。

1.2.1 鍋爐排煙溫度變化對機組發(fā)電煤耗率的影響

鍋爐效率與發(fā)電煤耗率的關系可表示為：

鍋爐效率變化量與排煙熱損失的關系可表示為

1.2.2 鍋爐吹灰耗汽量對機組發(fā)電煤耗率的影響

鍋爐吹灰耗汽量與發(fā)電煤耗率的關系可表示如下：

1.2.3 蒸汽吹灰運行成本

吹灰蒸汽來源于鍋爐屏式過熱器出口或再熱器出入口，蒸汽噴入鍋爐，導致進入汽輪機的蒸汽量減少，需要及時補入相應量的除鹽水，因此應考慮補充水量的制水費用。常規(guī)蒸汽吹灰器需要由電機驅動長、短桿進出鍋爐，因此應考慮耗電費用。若要對比不同吹灰技術經濟性，還需考慮吹灰器自身的運行維護費用及吹損鍋爐受熱面所需的維修費用。蒸汽吹灰運行成本可表示為

1.2.4 內置陣列式聲波吹灰器節(jié)能效益

相較于常規(guī)蒸汽吹灰器，內置陣列式聲波吹灰器的節(jié)能效益為

2 案例分析

2.1 機組概況

本文以某660MW超超臨界燃煤間接空冷機組為研究對象，應用上述方法研究鍋爐豎井煙道受熱面采用內置陣列式聲波吹灰器后的能耗狀況，并與常規(guī)蒸汽吹灰器的能耗進行對比。

該機組鍋爐為高效超超臨界參數(shù)變壓直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風、四角切圓燃燒、緊身封閉布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continuous rating，BMCR)為1918t/h，鍋爐出口蒸汽參數(shù)為29.4MPa/605℃/622℃。汽輪機為超超臨界、單軸、一次中間再熱、三缸兩排汽、間接空冷凝汽式汽輪機，型號為NJK660-28/600/620。機組在不同設計工況(THA)下的熱經濟指標如表1所示。

表1 機組在不同設計工況下的熱經濟指標

通常鍋爐吹灰器配置常規(guī)蒸汽吹灰器，爐膛四周布置80臺短伸縮式吹灰器，水平煙道布置16臺長伸縮式吹灰器，豎井煙道低溫過熱器、低溫再熱器區(qū)域布置28臺長伸縮式吹灰器，省煤器區(qū)域布置8臺半伸縮式吹灰器，吹灰汽源來自低溫再熱器入口。蒸汽吹灰器的主要參數(shù)如表2所示。

表2 蒸汽吹灰器主要參數(shù)

鑒于內置陣列式聲波吹灰器在鍋爐低溫區(qū)域的安全可靠運行效果，將該鍋爐低溫過熱器、低溫再熱器的28臺長伸縮式蒸汽吹灰器和省煤器區(qū)域的8臺半伸縮式蒸汽吹灰器改為36組內置陣列式聲波吹灰器，分為左右兩側對稱布置，每側18組，吹灰時可選擇兩側逐層依次兩兩對吹方式。

2.2 機組吹灰熱經濟性評價

根據上述方法，對該機組在不同設計工況下進行計算，得到不同工況下鍋爐排煙溫度變化對鍋爐效率的影響，如圖6所示，1t吹灰蒸汽量對汽輪機熱耗率的影響如圖7所示。鍋爐尾部受熱面采用內置陣列式聲波吹灰與常規(guī)蒸汽吹灰的運行費用對比如表3所示。

鍋爐吹灰次數(shù)根據煤種不同而不同，同時采用常規(guī)蒸汽吹灰還要考慮吹灰對受熱面的磨損，需限制吹灰次數(shù)。內置陣列式聲波吹灰依靠聲波作用清除積灰，對受熱面幾乎沒有損傷，根據受熱面積灰狀況隨時投運。為保證吹灰效果，目前已安裝內置陣列式聲波吹灰器的鍋爐每班吹掃1次，一天4次，每次兩兩對吹再加分層吹掃，每次吹掃時間相當于表3中的2倍，因而吹灰成本也翻倍，即85.56元，一天吹灰成本共計342.24元。

圖6 鍋爐排煙溫度變化對鍋爐效率的影響

圖7 1t吹灰蒸汽量對汽輪機熱耗率的影響

分析上述50%負荷時實際運行數(shù)據，可知2種吹灰方式的吹灰效果基本相同，所以在吹灰次數(shù)相同的情況下，可以認為2種吹灰方式的吹灰效果相同，所引起的鍋爐效率變化量相同。因此，在計算機組整體經濟性時，可忽略因吹灰方式改變而對鍋爐效率產生的影響。

表3 鍋爐尾部受熱面采用內置陣列式聲波吹灰與常規(guī)蒸汽吹灰的運行費用對比

如果吹灰次數(shù)不同，應考慮鍋爐效率變化，本文將內置陣列式聲波吹灰4次/d分別與常規(guī)蒸汽吹灰1、2、3、4次/d進行對比，分析其節(jié)能效果，如表4所示。根據鍋爐反平衡方法計算，鍋爐空氣預熱器出口排煙溫度升高1℃，鍋爐熱效率下降0.05%。通過計算，在設計負荷時鍋爐排煙中水蒸氣每增加1t，鍋爐效率下降約0.005%。文獻[2]指出，鍋爐積灰嚴重時排煙溫度會升高15~20℃，考慮正常運行鍋爐積灰造成鍋爐排煙溫度平均升高5℃，鍋爐吹灰后鍋爐效率提高0.25%，按70%負荷時設計鍋爐效率94.50%，由式(1)、(2)計算可知，發(fā)電煤耗率降低0.75g/(kW?h)。則與內置陣列式聲波吹灰4次/d相比，常規(guī)蒸汽吹灰1次/d的情況下，一天18h鍋爐效率降低0.25%；常規(guī)蒸汽吹灰2次/d的情況下，一天12h鍋爐效率降低0.25%；常規(guī)蒸汽吹灰3次/d的情況下，一天6 h鍋爐效率降低0.25%。表5為考慮鍋爐效率影響，即鍋爐效率變化0.25%時內置陣列式聲波吹灰與常規(guī)蒸汽吹灰節(jié)能效果對比。

由表5可以看出，在不考慮常規(guī)蒸汽吹灰對受熱面吹損所產生費用的情況下，鍋爐中低溫煙道采用內置陣列式聲波吹灰較常規(guī)蒸汽吹灰年節(jié)約費用100萬元以上。

表4 不考慮鍋爐效率影響時內置陣列式聲波吹灰與常規(guī)蒸汽吹灰節(jié)能效果對比

表5 鍋爐效率變化0.25%時內置陣列式聲波吹灰與常規(guī)蒸汽吹灰的節(jié)能效果對比

3 結論

1）與常規(guī)蒸汽吹灰器相比，內置陣列式聲波吹灰器消耗蒸汽量較少，由于沒有轉動部件，所以不需要進行維護，而且不會吹損鍋爐受熱面，優(yōu)勢明顯。

2）在不考慮蒸汽吹灰對鍋爐受熱面磨損所產生的維修維護費用的情況下，鍋爐尾部低溫受熱面采用內置陣列式聲波吹灰器節(jié)能效果顯著，較常規(guī)蒸汽吹灰器年節(jié)約成本100萬元以上。

3）所選機組為660MW超超臨界燃煤間接空冷機組，其設計熱經濟性能高于目前在役600MW級超臨界以下燃煤發(fā)電機組，而且所對比的蒸汽吹灰器為目前先進的吹灰器，相比在役多年的燃煤鍋爐安裝的蒸汽吹灰器，其耗汽量顯著降低，因此如果內置陣列式聲波吹灰器應用于在役多年的燃煤發(fā)電機組，節(jié)能效果將更為顯著。

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Application and Energy-saving Analysis of Built-in Array Acoustic Sootblower

ZHOU Lei1, ZHANG Ju2, SONG Ziyuan1, YANG Zhiping3, GUO Peihu3,XIAO Haiping3, ZHANG Chen4, LI Jianlong4*

(1. Huaneng Ningxia Daba Power Plant Phase IV Power Generation Co., Ltd., Qingtongxia 751600, Ningxia Hui Autonomous Region, China; 2. Huadian Hexiang Engineering Consulting Co., Ltd., Taiyuan 030006, Shanxi Province, China; 3. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 4. Beijing Zhongdian Huineng International Power Technology Co., Ltd., Haidian District, Beijing 100081, China)

Because the traditional steam sootblowing technology has a dead corner, it needs a lot of high quality steam, and the safety of the steam is affected by the scouring of the heating surface. Therefore, in recent years, many new power plants tend to adopt built-in array acoustic sootblower in the low-temperature flue to purge the low-temperature reheater, low-temperature superheater and economizer. Combined with the application of acoustic sootblower in a 660 MW power plant, the economic evaluation was studied. The sootblowing economy was evaluated by two indexes: boiler efficiency at boiler side and steam turbine thermal efficiency at turbine side. The boiler anti-balance method was used to calculate the boiler efficiency variation when the exhaust gas temperature changed 1℃ under a certain load. The increase of boiler efficiency was calculated by the decrease of flue gas temperature after sootblowing, and the decrease of coal consumption was further calculated. By using the calculation method of heat carrying out system by working medium in the equivalent enthalpy drop method, the influence of sootblowing steam on the heat consumption of steam turbine was obtained, and the increase of coal consumption was further calculated. The economic gain of acoustic sootblower was obtained by considering the economic evaluation of boiler side and steam turbine side. The results show that compared with the conventional steam sootblower, the annual cost saving of the built-in array acoustic sootblower is more than 1 million yuan. In addition, it will have better energy-saving effect for units with poor economic performance for many years.

coal-fired generating units; built-in array acoustic sootblower; energy-saving analysis; economic evaluation

10.12096/j.2096-4528.pgt.19146

TK229.6

國家科技支撐計劃項目(2015BAA04B02)；華能集團總部科技項目(HNKJ18-H21)。

Project Supported by National Science and Technology Support Program (2015BAA04B02); Huaneng Group Headquarters Science and Technology Project (HNKJ18-H21).

2020-03-24。

(責任編輯 尚彩娟)