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1、锅炉蒸汽吹灰优化研究与应用分析 刘恩生 华电国际邹县发电厂 刘恩生 华电国际邹县发电厂 摘 要：本文结合我国电力发展实际，以邹县电厂 600MW 燃煤机组为对象，以机组实际系统配置和运行参数为基础，介绍了锅炉受热面污染监测及吹灰优化系统的国内外研究现状、结合实际开发和应用情况。通过实际使用效果对比及对比试验结果，提出在受热面污染监测及吹灰优化系统指导下，可根据受热面污染情况实现按需吹灰，在受热面换热特性得到保证的情况下，最大限度降低吹灰频次，达到节能降耗、提高机组运行经济性和安全性的目的。 关键词： 锅炉 吹灰 运行 优化 1 蒸汽吹灰器吹灰优化现状 1.1 蒸汽吹灰优化背景 1.1 蒸汽吹灰
2、优化背景 当前大部分配备吹灰器的锅炉都采取按时间进行吹扫的控制模式。 实现这种控制模式的关键是如何合理地设定每只吹灰器的运行间隔时间和每次运行的吹扫时间。 由于锅炉各部分受热面灰污层的增长速度与受热面的位置、煤质的变化密切相关，总是处在不断的变化之中。这种变化规律具有特异性，即使是相同型号的锅炉，其变化规律也可能差得很远。依据经验和少量实验设定的吹扫程序，与锅炉运行的实际要求可能有较大差异。一般情况下，吹扫的时间程序一旦设定，很少根据运行的变化进行调整，除非发生特别严重的灰污沉积。因此，这种控制方式很难同时避免吹灰不足和吹灰过度。 如果吹灰不足，吹灰间隔时间过长，不但会造成灰污在数量上的积累，
3、而目会使灰污层难以清理。在灰污形成的初始阶段，往往是一些比较疏松的、易于清理的灰渣。随着灰污层的增长和时间的推移，灰污的沉积强度越来越大。在高温烟气的作用下，灰污层表面温度升高，灰污进一步烧结、熔化，相邻管子上的灰渣会搭桥、融合成一个致密的渣壳。灰污层的沉积强度和致密强度越高，越难以清除干净，影响后续吹灰操作的效果。吹灰操作也不是越频繁越好，过度频繁地进行吹灰，一方面会浪费昂贵的吹灰介质，增加运行成本；另一方面，在机械力和热疲劳的作用下，受热面的使用寿命会缩短。吹灰器的频繁使用还会缩短自身的使用寿命，增加额外的维护工作量。吹灰系统的最优化运行方式是根据锅炉受热面的实际灰污程度，当而且只当必要的
4、时候，将相应部位的吹灰器投入运行。 工程咨询公司(Engineering Consulting Company)的研究表明，通过改进吹灰程序，大约能提高锅炉效率 1%左右1。对于一台 300MW的机组，每年按满负荷发电 5000 小时计算，这相当于节约了 56(103)吨燃煤，同时减少了 67(103)吨以上CO 2的排放。如果再考虑其它的污染 物的增加、吹灰蒸汽对受热管的磨损，以及设备维护费用的增长，显然，不合理吹灰造成的浪费和对环境的污染都是十分惊人的， 目前的吹灰程序远远没有挖掘出智能吹灰的潜力， 迫切需要对其进行改进。 因此，在锅炉运行中，应尽可能地准确监测炉内结渣积灰的程度和发展趋势
5、，并根据积灰结渣的状况和运行需要，合理、有效地动作吹灰器，及时吹灰清渣。因此，需要研究和开发基于在线监测参数， 直接或间接地诊断炉内积灰结渣的在线监测诊断技术， 并在此基础上建立优化吹灰模型，针对应用对象的运行特性具体的优化目标，制定合理的吹灰策略，指导运行人员对吹灰器进行操作，将传统的周期性定时定量吹灰改变为根据受热面污染状况和其它运行需要的动态吹灰，以达到提高锅炉效率、延长管道使用寿命、降低污染物排放的目的。 6301.2 蒸汽吹灰优化研究概况 1.2 蒸汽吹灰优化研究概况 电站锅炉受热面吹灰因其蕴含的巨大的节能潜力， 近年来开始引起国内外电力行业的高度重视2,3。尤其在工业发达国家，燃煤
6、电站锅炉受热面结渣积灰在线监测和判断的理论模型研究与开发已经进行了较长时间， 目前此类监视系统已经成为维持燃煤电站锅炉安全经济运行的一个重要技术手段。EPRI（美国电力研究院）连续召开数届电站锅炉智能吹灰国际研讨会，交流研究成果，推广示范工程。 美国Wabamun电厂的#4 机组平均每年有两次因积灰结渣造成的事故停机，而每次停机后再启动需 2.5 天，相当于损失 400000 美元/次。该机组安装了基于Windows 95 的积灰结渣报警监视软件后，避免了因事故停机造成的经济损失。经过一段时期的运行及改进，1999 年 5 月又在Sundance电厂的#1 及#2 机组安装了升级版的软件，并且
7、 1999 年 7 月又在Wabamun电厂的#4 机组重新安装了改进的软件，都取得了一定的效果4。 此外，重庆大学王广军5提出用人工神经网络法诊断电站锅炉受热面污染部位，通过仿真数据验证了该方法的可行性；清华大学沈幼庭等采用模糊人工神经网络法进行尾部受热面污染监测，并找寻污染产生的原因；华北电力大学王建国等6基于灰污热阻的定义式和换热管的微元分析，研究了管侧污垢和壳侧污垢的监测原理，提出了新的在线监测模型；并建立了换热器积灰模拟试验台，大量试验的分析结果验证了污垢监测原理的正确性。 电站锅炉受热面污染监测的根本目的是优化吹灰， 指导吹灰器合理动作， 避免受热面严重的积灰结渣，提高传热效率，减
8、少吹灰蒸汽损耗和对受热面管壁的磨损。受热面污染在线监测是实现优化吹灰这个最终目标的第一步，优化模型的建立、合理吹灰策略的制定同样至关重要。在建立吹灰优化模型和制定优化策略的过程中，确定何时吹灰、以何种强度吹灰(吹灰蒸汽的压力)、吹扫哪些受热面、投运哪些吹灰器、吹多久等问题是应当深入研究的核心内容。 2004 年，邹县电厂与鲁能节能公司、华北电力大学共同研制开发了以节能降耗为目的的智能型吹灰系统。 该系统根据邹县电厂机组运行情况， 重点研究积灰对锅炉各受热面传热特性的影响， 在减少吹灰器运行时间的同时， 减小受热面积灰量， 增加换热效果。 经过大量的计算和实践，蒸汽吹灰器优化吹灰程序已经陆续在邹
9、县电厂#5、#2 锅炉上使用。该系统根据锅炉整体和各局部受热面热量平衡的基本原理， 根据飞灰可燃物及排烟氧量软测量模型， 首先进行锅炉各项热损失和热效率的计算，继而从省煤器出口开始，逆烟气的流程逐段进行各受热面的污染率的计算。主要功能为实时在线监测炉膛的积灰和结渣情况、锅炉各受热面（包括过热器、再热器、省煤器和空气预热器等）的积灰结渣状态，定量给出受热面的洁净程度，分析受热面沾污程度对锅炉热效率的影响，根据锅炉的具体运行工况制定优化吹灰策略，实时指导优化吹灰，显示实时数据和历史图形、曲线，查询及统计报表。 2 吹灰优化前期准备 2.1 前期硬件准备 2.1 前期硬件准备 邹县电厂#5 锅炉受热
10、面污染监测及优化吹灰系统项目先后进行现场测点安装；软件的现场修正；部分现场数据采集；对所采集数据进行校核；利用采集的数据进行系统试算；进行系统现场调试运行等工作。 现场测点的安装具体情况如下： 为提高系统对炉内各受热面运行状态监测的准确度，对#5 炉进行了测点补充，共安装测点 22 个。其中低温再热器出口烟气温度测点 8 个，省煤器出口烟气温度测点 8 个，初级过热器入口壁温测点 4 个，环境温度测点 2 个。并将各新增测点的信号通过新装 DAS 系统送入 PI，新增测点位置如图 1 所示。根据系统要求，增设了一台服务器，服务器与生产内部网相连接，用于运行#5 炉受热面实时污染监测及吹灰优化软
11、件系统，完成从 PI 数据库读取机组实时运行数据、受热面污染监测实时计算、锅炉性能的计算分析、吹631灰策略智能分析、污染面洁净因子数据库管理等功能，为客户端浏览提供数据支持。 图 1 新增测点示意图 2.2 前期软件准备 2.2 前期软件准备 邹县电厂以鲁能节能公司、 华北电力大学技术为指导， 结合科技项目实施共同研制开发了以节能降耗为目的的智能型吹灰系统。 该吹灰系统由参数预处理模块、 锅炉效率实时计算模块、受热面污染监测模块，吹灰成本与收益计算模块，以及能够制定合理吹灰策略的优化吹灰模块，乃至最终实现全自动吹灰的自动控制模块构成，其逻辑框图如图 2。为配合吹灰优化的项目实施工作，软件开发
12、中对受热面管径、横向截距、纵向截距、计算传热面积等锅炉结构参数进行了统计和整理输入。煤质参数经过实地多次取样进行平均后作为一个固定的数据块输入。来自 PI 实时数据平台的原始参数进行了校对。条件具备后项目进入了结合现场的调试阶段，进行了各受热面单独吹灰试验， 以确定各受热面吹灰间的相互影响， 并初步确定了各受热面对应吹灰器对受热面的清洁能力。 图 2 优化吹灰逻辑框图 受热面变吹灰强度试验确定了不同吹灰强度(不同吹灰时间和吹灰蒸汽压力)下吹灰对受热面的清洁效果， 确定最优的吹灰强度和各受热面能够达到的最高洁净程度。 污染上限试验确定了各受热面能够达到的最大污染程度。通过各项试验使软件更加符合实
13、际情况，针对性更强，最终实现了优化吹灰的预期目的，即根据受热面的污染状况，通过经济性分析，结合当时锅炉的运行特性，提出合理的吹灰建议，指导吹灰器动作。同时经过成本分析模块，给出吹灰收益。 3 试验结果与分析 3.1 受热面单独吹灰试验与结果分析 3.1 受热面单独吹灰试验与结果分析 通过单独操作吹灰器， 比较不同位置的吹灰器吹灰效果的差别， 通过试验证明了炉内不同区域的积灰程度和强度不尽相同， 不同区域的吹灰器吹灰效果也不相同。 在随后制定的优化吹灰策632略中，根据试验结果进行了调整，对于吹灰效果明显的吹灰器鼓励多吹，对于吹灰效果不佳的吹灰器，则尽量减少其动作的次数。 图 3 省煤器吹灰过程
14、污染率变化 省煤器吹灰过程污染率变化如图 3 所示，从图中曲线可以看出，在进行吹扫后省煤器、低过的污染率有显著下降， 表明系统准确监测出省煤器和初级过热器污染状态的变化。 同时说明省煤器和低过处布置的吹灰器对受热面有显著的吹灰清扫效果。从省煤器污染曲线变化趋势还可看出，在吹扫前省煤器的污染率还表现出明显的上升趋势，而且吹灰后其污染率增长速率较高，说明#5 炉省煤器处是易于积灰的，有必要加强省煤器吹灰强度。 试验结果表明，省煤器、低过、低再、高再吹灰在进行吹扫后污染率下降显著。可见低温受热面易于积灰，由于低温受热面换热效果下降，易导致排烟温度升高，因此在运行过程中应加强对低温受热面的吹扫。高过吹
15、扫后效果明显，屏过和炉膛吹扫对传热没有明显的影响。空预器进行吹扫仅能起到防止空预器堵灰的作用，并不能使空预器的换热效果得到明显改善。 3.2 污染上下限试验与结果分析 3.2 污染上下限试验与结果分析 试验目的为确定各受热面污染上限 （灰污的积聚和自吹扫达到动平衡， 受热面污染率不再增加或增长非常缓慢）及下限（此时并不表示受热面完全清洁，而是指受热面处于实际运行中所能够达到的清洁状态） 维持对流受热面 2 天以上积灰， 观察优化系统计算获得的各受热面污染率的变化情况， 当污染率曲线不再随时间上升，或随时间增长速度很慢时，认为积灰污染和自吹扫达到动平衡，此时的污染率为该受热面的污染上限。 3.3
16、 受热面变吹灰强度试验及结果分析 3.3 受热面变吹灰强度试验及结果分析 变吹灰强度试验通过改变吹灰蒸汽的压力， 观察在不同压力蒸汽的吹扫下各受热面污染率的变化趋势，通过试验寻找一个比较合理的吹灰压力，既能有效地清除受热面的积灰污染，又避免因为采用过高压力蒸汽吹灰造成的对管壁的无谓磨损。 试验在负荷稳定在 330MW 下进行，试验前 24 小时不进行吹灰工作。试验选取了 1.4MPa、1.6MPa、1.8MPa 三个压力作为对比值。试验结果证明，邹县电厂目前采取的吹灰压力是合适的，既满足了吹灰需要，又没有造成蒸汽的浪费以及受热面的不必要的吹损。 4 效益分析 锅炉受热面污染监测及吹灰优化系统的实施，将锅炉各受热面积灰污染程度进行了量化处理，实现了锅炉受热面污染状态的可视化。运行人员根据系统提示，确定各受热面吹灰需要，改变了以往主观判断排烟温度的吹灰模式或定时吹灰模式，只对受热面污染严重的部位进行吹灰，实现了按需吹灰。在锅炉各受热面换热特性得到保证的前提下，最大限度地降低吹灰频次、降低“四管”磨损、降低排烟温度、降低吹灰蒸汽用量和提高机组运行的经
