（热能工程专业论文）基于火电厂dcs数据的再热器积灰特性预测及寿命评价.pdf

山东大学硕十学位论文 摘要 再热器是锅炉的主要高温受热面之一，工作条件恶劣，除了要承受高温 高压作用外，还受到来自工质侧或烟气侧的腐蚀、磨损和疲劳损伤。其安全 稳定运行与否直接关系到锅炉的安危。在锅炉的事故中，炉内承压部件的爆 裂问题占有相当大的比重，而再熟器的爆管问题又是最常见的事故之一，是 影响发电机组经济安全运行的最重要的问题之一。因此，对再热器的积灰和 寿命进行评价研究是一项非常迫切的工作。 在锅炉运行过程中，再热器不可避免的存在着灰污现象，为了减少受热 面沾污造成的损失，提高锅炉机组运行的安全性和经济性，势必要求对再热 器的实际灰污程度和发展趋势进行监测。本文在前人研究的基础上，以锅炉 在线监测的运行参数为基础，开发了一套诊断再热器积灰状况的在线监测技 术，分析建立了再热器的积灰监测模型，用灰污系数d c ( d e p o s i t i o n c o e f f i c i e n t ) 来表征受热面实际的灰污状况，从而提高运行操作的透明度。 这套基于在线监测参数的锅炉受热面积灰监测及计算分析模型，所依赖的大 部分实时数据均为电厂d c s 系统数据采集工作站采集的实时热工参数，与其 它方法相比，无须增加新的测点，不必采用复杂的诊断设备和数据采集、处 理装置，监测原理简单、实用、易懂，并给出了计算流程图和监测程序的设 计方案。根据所建立的模型，本文使用m a t l a b 编写了积灰监测程序，程序中 包括以下四个模块：理想传热系数计算模块、实际传热系数计算模块、灰污 系数计算模块、等效积灰厚度计算模块。 以某电厂3 0 0 册机组的高温再热器为例，本文应用所编写的程序对其 积灰状况进行了分析，选取机组负荷比较稳定的一段时间为监测时间，每隔 一个小时记录一次数据作为一个工况，对十二个工况的灰污系数d c 和等效积 灰厚度进行了计算，计算结果与电厂的实际情况有较好的吻合性。 提出了等效积灰厚度的概念，计算表明，该厚度可以帮助评估受热面的 积灰状况，对于指导锅炉优化吹灰有一定的指导意义。 在总结国内外相关经验的基础上，本文以高温再热器为例对电站锅炉承 压部件的寿命损耗规律进行了分析，分析了引起锅炉承压部件失效的方式及 失效机理，通过对主要失效机理的研究，在保证可靠性的基础上，忽略次要 因素，提出了寿命计算的简化方法。利用这些简化的计算模型，研究提出了 山东大学硕士学何论文 针对再热器管的寿命损耗计算的流程图。通过对流程和核心算法的研究为以 后开发锅炉管在线寿命损耗监测系统提供设计基础。 关键词：再热器；积灰；寿命；在线监测 i i 山东大学硕十学位论文 a b s t r a c t r e h e a t e ri so n eo ft h em a i nh i g h t e m p e r a t u r eh e a t i n gs u r f a c e so ft h eb o i l e r ， w h i c hh a st 0w o r ku n d e rs e v e r s ec o n d i t i o n s e x c e p th i g ht e m p e r a t u r c 、 h i g h p r e s s u r ee f f c c t ，i th a st 0u n d e r t a k ee f o s i o n 、 a b f a s i o na n df a t i g u ef r o ms t e a mo r n u eg a s w h e t h e rt h er e h e a t e rc a no p e r a t es a f c l y0 rn o ti n n u e n c ct h eb o i l e f s s a f 色t yd i r e c t l y 1 nb o i l e ra c c i d e n t s ，t h ep r e s s u r e - c o n t a i n i n gm e m b e r sb u r s t i n g p r o b l e m sa c c o u n tf o ral a r g ep r o p o f t i o na n dt h er c h e a t e r sb u r s t i n gp r o b l e mi s o n eo ft h em o s tc o m m o na c c i d e n t s i ti so n e0 ft h em o s ti m p o n a n tp r o b l e m st h a t i n n u e n c e st h ep o w e fp l a n t ss a f e0 p e r a t i o n t h u s ，t 0s t u d yt h er e h e a t e r sa s h d e p o s i ta n dl i f 色i sau r g e n tj o b a s hd e p o s i t i o no nr e h e a t e rs u r f a c e si sac o m m o np h e n o m e n o ni nf o s s i if u e l f i r e dp o w e rp i a n t t om o n i t o ft h er e h e a t e r sa s hd e p o s i t i o ne x t e n ta n d d e v e l o p i n gn 。e n d c a nh e l pd e c r e a s et h el o s sb e c a u s eo fa s hd e p o s i t i o na n d h a n c et h ep o w c rp l a n t ss a f e t ya n de c o n o m yc a p a b i l “y b a s e d t h eo n - l i n e m 严t o r i n gp a a m e t e 格 o f b o i l e r ，t h i s t h e s i s d e v e l o p e d a| 【n do fo n 。1 1 n c m o n i t o f i n gt e c h n i q u ew h i c hc a nm o n i t o rt h ef b u l i n gc o n d i t i o n0 ft h cc o n v e c t i o n h e a t i n g - s u r f a c e sa n db u i l t aa s h - m o n i t o r i n gm o d e lo fr e h e a t e r d e p o s i t i o n c o e f f i c i c n ti su s e dt oa s s e s st h cf o u l i n gc o n d i t i o no fr e h e a t e f m o s to ft h e r e a l t i m ed a t at h a tt h ea s h - m o n i t o r i n gm o d e ld e p e n d so nc o m e sf r o md c s s y s t e m c 0 m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d ，t h i st e c h n i q u ed o e s n tn e e dt oi n s t a un e w m e a s u r i n gp o i n t sa n di t st h e o r y i s s i m p l e t h i st h e s i s a l s op f e s e n t e da c a l c u l a t i o nn o wc h a ta n dad e s i g np r o p o s a lo ft h em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do n t h em o d e l ，t h i st h e s i sc o m p i l e daa s h m o n i t o r i n gp r o c e d u f ew i t hm a t l a b t h i s p r o c e d u r ei n c l u d e sf b u rp a r t s ：t h ec a l c u l a t i o no fi d e a lh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t 、 t h ec a l c u l a t i 衄o fa c t u a lh e a t t r 蛐s f c rc o e f f i c i e n t 、t h ec a i c u l a t i o no fd e p o s i t i o n c o e f f i c i e n ta n dt h ec a l c u l a t i o no fe q u i v a i e n ta s ht h i c k n e s s 1 a k i n gah i g h t e n l p e r a t u r er e h e a t e ro fa3 0 0 m wu n i tf o re x a m p l e ，t h i s p a p e ra n a l y z e di t sd e p o s i t i o nc o n d i t i o n t h i st h e s i ss e l e c t e dap e r i o do ft i m e w h e nt h el o a di ss t e a d ya n dn o t e dd a t ao n c ea nh o u r t l e l v ed ca i l de q u i v a l e n t a s ht h i c l m e s sa r ec a l c u l a t e da n dt h er e s u l t si n o s c u l a t ew i t hp i 。a c “c a ls i t u a t i o n s m 山东大学硕士学位论文 t h i st h e s i sp r e s e n t e dt h ec o n c e p t i o no fe q u i v a l e n ta s ht h i c k n e s s t h e c a l c u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h et h i c k n e s sc a nh e l pa s s e s st h eh e a t i n gs u r f a c e s a s h d e p o s i t i o n c o n d i t i o na n dc a ng u i d et h eb o i l e r s0 p t i m i z e ds o o t b i o w i n gt oa c e r t a j ne x t e n t t h i st h e s i s ，t a k i n gah i g h t e m p e t a t u r et e h e a t e rf o re x a m p l e ，牡a l y z e dt h e l i f e l o s sm i ea n dr e a s o no ft h ep r e s s u r ec o m p o n e n t s b a s e do nt h es t u d yo ft h e m a i nf a i l u r em e c h a n i s m ，i g n o r i n gm i n o rf a c t o r ，t h j st h e s i sp f e s e n t e das i m p l e c a l c u l a t i o nm e t h o do fl i f c l o s s u s i n gt h e s es i m p l i f i e dc a l c u l a t i o nm o d e i s ，t h i s t h e s i sp r e s e n t e dac a l c u l a t i o nn o wc h a to ft h er e h e a t e r sl i f e l o s s t h en o wc h a t a n dc o r ec a l c u l a t i o nm e t h o di st h eb a s i sf o rt h eo n - l i n el i f cl o s s m o n i t o r i n g s y s t e m k e y w o r d s ： r e h e a t e r ； a s h d e p o s i t i o n ； l i f c ；o n l i n em o n “o r i n g i v 山东大学硕十学位论文 勉 d t l 、l b i i 一、l l ； 口 符号表 工质的吸热量，灯磁： 对流受热面中工质的流量，酶5 ； 对流受热面进出口处工质焓，盯酶； 计算燃料量，琢j ； 保热系数； 对流受热面前、后的烟气焓，聪； 冷空气焓，磁； 漏风系数； 烟气进口温度，o c ； 对数平均温压，o c ； 对流传热量，肜，姆； 受热面积，m 2 ； 灰污层的厚度，聊聊； 灰污层导热系数，j ，l k ； r e ： 烟气、蒸汽的雷诺数； p r 2 烟气、蒸汽的普朗特数； 烟气对管壁的放热系数，肼炳2 o c ) ； 管内工质对流放热系数，圈矿伽2 。c ) ； 传热热阻； 传热系数，m 矿厦所2 o c ) ； 蒸汽导热系数，m k ； 烟气导热系数，用k ； 管子沿烟气流程排数的修正系数； 节距修正系数； v 缸玩日 瓯 九 瓯q 吃 r 鬣如 e e 山东大学硕+ 学位论文 下脚标 h 灰污 b管壁 1 烟气 2工质 i n进口 0 u t 出口 管壁的黑度； 烟气平均绝对温度，k ； 为烟气黑度； 受热面管壁外侧温度，k ； 气体常数； 蠕变激活能； 材料常数； 钢材的蠕断时间，h ； 材料的蠕变寿命损耗量； 在i 参数下部件的运行时间，h ； 在i 参数下部件的蠕变断裂时间，h ； 管子中工质的压力，肘砌； 管子的平均直径，历所； 管子的壁厚，m 肌； t 口瓦r q 彳r 诈缸 尸嘎s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承 担。 论文作者签名：缝益日期：趁翌2 1 三：兰生 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文 的印刷件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：主玺益导师签名： 华 山东大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 再热器概述 1 1 1 再热器的作用 再热器是电站锅炉最重要的受热面之一。通常把在高压过热器中加热的 蒸汽称为一次过热蒸汽，把高压缸排汽引回锅炉的低压蒸汽称为二次汽或再 热蒸汽。根据热经济性优化计算，再热器内的工质压力通常为过热蒸汽压力 的1 5 左右，再热蒸汽出口温度则与一次过热蒸汽相近。 再热器的作用是： ( 1 ) 提升蒸汽温度。将汽轮机高压缸排出的低压、低温蒸汽加热成为具 有指定压力、温度的过热蒸汽。 ( 2 ) 调节蒸汽温度。当锅炉负荷、煤种、给水温度等运行工况变化时， 进行汽温调节，保持其出口蒸汽温度在额定温度的一1 0 。c + 5 。c 范围内。 再热器布置于炉膛内或锅炉烟道内，由进出口集箱、钢管绕成的各种型 式的管束以及连接管道组成。管子外面接受火焰的辐射或高温烟气的冲刷， 内部流动着单相的过热蒸汽，对管壁进行纵向冲刷冷却，同时实现热量交换 使蒸汽比焓升高。 1 1 2 工作特点 再热器实际上是一个中压过热器。按照传热方式的不同，再热器也可分 成对流式、半辐射式、辐射式。我国3 0 0 砌级的锅炉再热器通常有两种典 型布置系统，一种是三级布置，由墙式再热器、屏式再热器和高温再热器组 成。另一种是两级布置，由布置于尾部竖井的低温再热器和水平烟道的高温 再热器组成。与两级布置方式相比，三级布置的分级较多，且相当大的一部 分受热面积布置于炉膛上方的水冷壁外，对炉膛出口烟温的改变比较敏感， 适合于摆动式燃烧器的汽温调节。但由于分级较多，再热器的流动阻力大一 些。两级布置方式的每一级再热器都是对流式。它们的结构与对流式过热器 的相似，也是由大量并列绕弯的蛇行管和进、出口集箱所组成。对流式再热 器也有顺流布置、逆流布置，立式布置、卧式布置之分，并且在这方面的特 点与对流式过热器相同。由于低温再热器( 布置于尾部竖井) 的面积较大， 因此适于烟道挡板的调温装置。 山东大学硕+ 学位论文 与水冷壁和省煤器相比，再热器具有如下特点： ( 1 ) 再热器是在锅炉所有受热面中工质温度最高的受热面之一，同时又 面l 临着很高的烟气温度，而内部蒸汽的冷却能力与水冷壁和省煤器相比又是 很差的。因此再热器是锅炉所有受热面中壁温最高的受热面之一。随着参数 的进一步提高，水的汽化潜热减小而过热热增加，这在设计上就迫使更多的 再热器要布置在炉膛内，以便帮助水冷壁吸收炉内辐射，降低炉膛出口烟温。 这就使再热器面临更高的烟气温度，工作条件更为恶劣。 ( 2 ) 由于再热器的出口处工质已达到其在锅炉中的最高温度，锅炉金属 壁温很高，所以再热器的许多部分，特别是末端部分需要采用价格较高的合 金钢。由于钢材的限制，国产大型锅炉绝大多数采用亚临界参数，再热蒸汽 温度被限制在5 4 0 5 5 5 。c 的水平。近年来引进超临晃技术，发展了一批超 临界参数电站锅炉，再热蒸汽温度达到5 7 0 。c 6 0 5 。c 的水平。个别工业发 达国家，如日本等，其电厂燃料需从国外进口，为提高循环效率，降低燃料 消耗，而采用更好的合金钢材，蒸汽参数还要更高些。 ( 3 ) 整个再热器的阻力，即工质压降不能太大。因大部分再热器都布置 在较高烟温区域。为了使得它们的管子得到较好的冷却，就得使管内工质有 较高的流速。工质流速越高，阻力越大，工质的压降就会越大。 再热器阻力大，工质压降大，则再热器出口蒸汽压力降低，进人汽轮机 中压缸的蒸汽的做功能力也降低，这将影响电厂热力循环的经济性。一般亚 临界锅炉允许再热器的最大压降为0 2 m p n 。 ( 4 ) 再热器管壁的冷却条件较水冷壁和省煤器差。由于亚临界以下参数 的蒸汽密度较水小，特别是再热蒸汽密度更小，在相同条件下，管壁与蒸汽 之间的放热系数就小，蒸汽对管壁的冷却能力就差。且再热器内的工质温度 又处在锅炉中最高部位。因此为使管壁金属得到有效冷却，避免烧损和爆管 事故，必须使得管内蒸汽具有较高的质量流速。但是较高的流速会产生较大 压降。综合考虑管壁冷却和压降的两个因素，目前国内亚临界参数锅炉再热 器内的工质质量流速pw 采用2 5 0 4 0 0k g ( m 2 s ) 。 ( 5 ) 再热器出口汽温将随锅炉负荷的改变而变化。这是由于再热器有相 当部分布置在水平烟道和尾部竖井烟道内，传热以对流换热方式为主，当锅 炉负荷变化时，受热面管外烟气流速和管内工质流速都将发生变化，管内外 2 山东大学硕士学位论文 的对流放热系数随着改变，导致管内蒸汽吸热量改变。 ( 6 ) 再热器管间的烟气流速受多种因素的影响。通常，在锅炉额定负荷 时，布置在水平烟道时采用1 0 1 4 m s 烟气流速，燃油和燃气时可提高到 2 0 m s 。布置在尾部竖井烟道时，管间烟速不宜太低。这是因为当管间烟气 流速低时，传热性能较差，并由于冲刷能力降低，容易产生积灰。当烟速低 于3 m s 时，将引起严重堵灰现象。一般要求在额定负荷时管间烟速不低于 6 m s 。较高的烟速可以提高传热系数，减少传热面积，但烟气中所含飞灰 对管子的磨损会加剧。水平烟道靠近炉膛出口，处在高烟温区域，高温飞灰 具有一定的粘结性，易于在管壁上产生高温烧结性积灰，但飞灰由于高温软 化，对管子的磨损能力比较弱。综合积灰、磨损和传热三因素，可采用较高 的烟气流速( 9 m s 以上) ，燃油和燃气时基本无飞灰，烟速可更高。在尾 部竖井烟道中，烟温已降至6 0 0 7 0 0 。c ，飞灰己无粘性，但灰粒变硬，对 管壁的磨损能力增大，应采用较低的烟气流速。 ( 7 ) 在锅炉点火升炉或汽轮机甩负荷时，过热器或再热器中没有蒸汽通 过，管壁会由于得不到冷却而产生爆管或烧损。因此必须设计可靠的减温减 压旁路系统和排汽系统，保证在启动和汽轮机甩负荷时有足够的蒸汽通过过 热器和再热器，保障过热器和再热器的安全。亚临界机组典型的旁路系统如 图卜1 所示。 图卜1 过热器和再热器旁路系统简图 卜过热器：2 一再热器；3 一高压缸；4 一中低压缸；5 一锅炉；6 一凝汽器：7 一i 级减温减压旁路：8 一i i 级减温减压旁路。9 一主汽门 3 山东大学硕十学位论文 1 2 再热器积灰和寿命评价研究的必要性 再热器是锅炉的主要高温受热面之一，工作条件恶劣，除了要承受高温 高压作用外，还受到来自工质侧或烟气侧的腐蚀、磨损和疲劳等损伤。其安 全稳定运行与否直接关系到整个锅炉的安危。在锅炉的事故中，炉内承压部 件的爆裂问题占有相当大的比重，而再热器的爆管问题又是最常见的事故之 一，是影响发电机组经济安全运行的最重要的问题之一。因此，对再热器的 积灰和寿命进行评价研究是一项非常迫切的工作。 现在大容量电站锅炉一般都装有较完备的集散控制系统( d i s t r i b u t e d c o n t r 0 1s y s t e m ，简称d c s ) ，监测点达数百个，这些测点的测量结果大多 数只是直接用于过程控制和运行监视，许多隐含在其中的有用信息，没有得 到开发利用，是一种潜在的浪费。因此，利用d c s 采集的数据对再热器的积 灰和寿命进行评价研究成为本文的主要工作，而这些数据为本文的研究工作 提供了保障。 在锅炉运行过程中，再热器不可避免的存在着灰污现象，为了减少受热 面沾污造成的损失，提高锅炉机组运行的安全性和经济性，势必要求对受热 面的实际灰污程度和发展趋势进行监测，并考虑运行的需要，及时有效地采 取吹灰措施。因此，基于d c s 数据开发再热器积灰状况的在线监测技术，对 于运行过程避免再次发生故障或减轻故障危害具有现实意义，对于优化锅炉 吹灰系统的运行具有指导作用。 再热器工作条件恶劣，除了要承受高温高压作用外，还受到来自工质侧 或烟气侧的腐蚀、磨损和疲劳等损伤。其工作的好坏对整个锅炉运行有举足 轻重的作用。因此，监测再热器的寿命损耗，并据此进行维修管理，以保证 在设备规定寿命期间，能安全可靠地运行，并在寿命将尽时进行及时预报以 便更换或报废，这对于防止重大事故的发生提高机组安全性、经济性具有重 大意义。 1 3 本文的工作 本文主要工作如下： ( 1 ) 以锅炉在线监测的运行参数为基础，基于d c s 数据，开发一套诊断 再热器积狄状况的在线监测技术，分析建立再热器的积灰监测模型，用灰污 系数来表征受热面实际的灰污状况，并给出计算流程图和监测程序的设计方 4 山东大学硕士学位论文 案。根据所建立的模型，使用m a t l a b 编写积灰监测程序，对某3 0 0 m w 机组 高温再热器十二个工况的灰污系数d c ( d e p o s i t i o nc o e f f i c i e n t ) 和等效 积灰厚度进行计算，分析评价其积灰程度和趋势。 ( 2 ) 以高温再热器为例对电站锅炉承压部件的寿命损耗规律进行分析，分 析引起锅炉承压部件失效的方式及失效机理，通过对主要失效机理的研究， 在保证可靠性的基础上，忽略次要因素，提出寿命计算的简化方法，并利用 这些简化的计算模型，研究提出针对再热器管的寿命损耗计算的流程图。该 流程图和核心算法为以后开发再热器寿命在线监测系统提供了设计基础。 5 山东大学硕寸：学位论文 第二章再热器积灰在线监测 第一节绪论 当锅炉燃用固体或者含有灰份的液体燃料时，锅炉各部分受热面都不同 程度地伴随有矿物质的沉积现象，这种现象，在不同的场合与文献被称为积 灰、沾污，按照不同的分类标准，又可以作出不同的分类【1 1 。 积灰主要发生在对流过热器、再热器、省煤器、空气预热器等对流受热 面。这些部位的烟气温度低于煤灰的软化温度，沉积物大多由固态飞灰颗粒 堆积形成，颗粒之间有清晰的界限。外表面有时会发生部分烧结，形成一个 比较硬的壳。低温受热面上由于酸性结露和腐蚀导致的飞灰沉积也归属于积 灰。 研究受热面积灰的发生机理和危害，有助于开发适当的技术。从而有效 地抑制积灰的恶性增长。 1 1 锅炉受热面积灰的发生机理 发生在烟气侧的积灰现象，是由于煤中含有的不可燃矿物质，以及燃烧 中的衍生物，在受热面上的物理和化学沉积导致的。 受热面上的矿物质沉积首先与煤的灰份组成和煤的成灰特性密切相关。 煤中含有的不可燃矿物质主要由硅、铝、钙、硫、钠、钾、镁、磷、锰、氟 等元素组成的复杂化合物。 灰污在受热面上的沉积是一个渐进的积累过程。在正常的情况下，新锅 炉受热面从开始运行时就发生积灰现象。煤粉炉中，穿过炉膛火焰的大部分 飞灰都是熔融状态的小液滴。由于受到边界层气流和受热面金属的及时冷 却，撞在干净受热面上的飞灰已经或者很快地凝结为固态颗粒，弹开或滑落， 并不黏附在受热面上。只有那些粒度在1 m 左右的细小颗粒才能吸附在受 热面上，形成最初的一层灰污沉淀。经过1 0 1 5 小时后，细小颗粒的吸附和 脱落达到平衡，灰污的沉淀趋于平衡。 在烟气温度较高的再热器对流受热面上，会发生高温粘结性积灰。当烟 气流经受热面时，会在受热面上凝结下来。凝结后的碱金属硫酸盐吸收烟气 中的觚，并与受热面上的& ，q 进一步反应，生成碱金属复合盐。碱金属 复合硫酸盐的熔点很低，作为粘性基质捕捉飞灰颗粒。沉积层厚度达到一定 程度后，碱金属复合硫酸盐不再形成，而碱金属硫酸盐可以继续作为粘性基 6 山东大学硕士学位论文 质。由于烟气最先冲刷的是受热面管子的迎风面，所以高温粘结性积灰生要 发生在管子的迎风面上，并有无限增长的趋势。 1 2 受热面积灰对锅炉的影响 长期以来，人们对严重的积灰的危害已形成共识，但对相对轻度( 不致 于降负荷和停炉) 的积灰的影响，特别是在其经济性方面的影响的认识还不 足，此节着重从这方面进行论述。 1 2 1 轻度积灰对锅炉运行经济性的影响 轻度积灰是松散的还未发生烧结或粘结。由于轻度的积灰因不妨碍锅炉 的正常运行，更不会危及安全性，其对经济性的影响【3 】【4 】【5 】在国内还未引起 重视。 一台3 0 0 删锅炉，其燃煤量约3 0 0 0 t d ( 热值大于2 0 m j k g ) ，即使所 用煤的灰份仅为1 5 ( 已经较低) ，仍有4 5 0 t 的煤灰产生。因此随时效作用， 只要极小比例的灰份沉积就会产生巨大的影响。而事实上，保持受热面的清 洁是不可能的，即使燃用不易结渣和积灰的煤也难例外。 轻度积灰对锅炉的影响首先是传热方面。从烟气侧到汽水侧的传热过程 中，沉积物的导热系数较其它环节介质小得多( 见表2 一1 ) ，因而所引起的 附加热阻在受热面总传热热阻中占主导地位，如得不到及时清除，必将显著 地影响传热。 表2 一l 炉内传热各环节介质的热力特性参数 项目 对流换热系数( m 2 k ) 导热系数( 形肌k ) 介质汽水侧 烟气侧金属氧化物沉积层 参数1 1 1 7 1 0 4 2 0 2 0 04 01 0o 0 3 3 o 轻度的积灰一般对应于灰沉积过程的初始阶段，如不及时处理，则可能 继续发展、恶化。对燃用有一定积灰倾向的煤种，因受热面吸热量少，导致 各段烟温升高，此外，因受热面吸热的不足和负荷的需要而增加燃料量，造 成各段烟温的进一步升高，从而促进积灰的进一步的发展( 积灰面积的增 长) 。而即使对燃用不易产生灰沉积的煤种，可能不具备产生严重积灰的条 件但因时效作用，已有的沉积层会烧结、部分熔融，粘性增加而有利于后续 飞灰的吸附，灰沉积也会逐渐恶化直至平衡。我国有研究表明，长期不吹灰， 灰沉积使中等容量锅炉( 2 0 0 m ) 排烟温度升高1 5 1 8 。c ，相 当于锅炉效率降低0 9 1 2 。当燃用有结渣积灰倾向煤种时锅炉效率则会 降低更多。 尽管定量估计积灰造成的经济损失是困难的，但由此引起的损失是巨大 的。根据美国有关方面的初略估计，在有效控制灰沉积的条件下，如热流损 失减少1 ，可用率提高1 ，即可节省4 亿美元年；而对于一台燃用易积灰褐 煤的5 0 0 m 形锅炉，仅灰沉积一项所造成的损失就可达到8 0 0 万美元年。我 国虽然缺少类似的估计，但是由于劣质煤( 高灰份、高硫份，低热值) 的广泛 使用和吹灰不足，其损失应是相当巨大的。因此，对轻度积灰的影响也应给 予高度重视。 1 2 2 缩短设备寿命 锅炉受热面的积灰会促进受热面的腐蚀。当煤中s 、c 1 和碱金属元素的 含量较多时，往往同时发生严重的灰污和高温腐蚀。煤中的碱金属化合物， 在高温条件下发生升华，然后冷凝在温度较低的受热面管壁上，形成复杂的 低熔点复合物，常以液相状态存在，称为熔池。熔池中的碱金属硫酸盐会与 管壁金属发生强烈的腐蚀反应，形成所谓硫酸盐高温腐蚀。高温腐蚀可导致 管壁金属迅速减薄，降低受热面管子的使用寿命。 1 3 受热面积灰监测的必要性 目前，在各种减少积灰的技术措施中，运行中带负荷对受热面进行吹扫 是一种避免严重积灰的十分有效和必要的技术措施。但是，无论是空气或是 蒸汽吹灰，甚至声波吹灰都要消耗大量的能量，如蒸汽吹灰所耗蒸汽量占蒸 汽总产量的1 ，加之蒸汽的热损失及其节流损失和排烟损失的增加，吹灰器 的运行要消耗锅炉效率的0 7 1 2 j ，电厂效率的0 1 【1 3 1 ，另一方面，不适当 的频繁吹灰会因磨蚀和热应力对受热面造成损坏，缩短受热面寿命的同时也 增加了吹灰装置的维修费用；再者，不适当的集中吹灰操作会造成短时间的 烟尘排放超标，可能会招致处罚。 锅炉运行中，应尽可能地准确监测炉内积灰的程度和发展趋势，并根据 积灰的状况和运行需要，及时有效地采取吹灰措施。即在保持受热面清洁的 同时，节约吹灰介质，降低烟尘排放。由于锅炉实际运行环境的限制，不可 能直接判断炉内的积灰情况。运行中由有经验的运行人员对锅炉的运行情况 8 山东大学硕士学位论文 进行判断，而运行人员对运行数据综合分析能力的局限性以及人为因素的影 响，造成不同的运行人员的判断结果不尽相同。因此，在运行中单纯依靠操 作人员根据常规的运行数据来判断锅炉受热面积灰的程度是十分困难的。 为电站锅炉研究和开发基于在线监测参数，直接或间接诊断炉内积灰的 在线监测技术，从而提高运行操作的透明度。另外，基于在线监测参数的锅 炉受热面积灰监测及计算分析模型，所依赖的大部分实时数据均为电厂d c s 系统数据采集工作站采集的实时热工参数，与其它方法相比，基本无须增加 新的测点，不必采用复杂的诊断设备和数据采集、处理装置。在实时监测的 基础上，可以进一步摸索运行工况和受热面积灰的相互影响关系，优化锅炉 整体运行。特别是对于那些曾发生过或经常发生受热面积灰故障的锅炉，运 行过程中的监测对于避免再次发生故障或减轻故障危害具有现实意义。 1 4 我国火电厂热工检测和控制装备的现状 我国2 0 0 m 或以上发电机组的燃煤电站配置的常规仪表比较少，大部 分采用d a s ( 数据采集系统) 系统与d c s ( 分布式控制系统) 系统配套使用，实现 了集中检测、事故追忆、数据采集数据处理等功能。但就d a s 系统原设计的 功能来讲，没有真正地得到开发和利用。目前，这些系统的作用仍处于显示 数据、报警紧急保护等方面。 我国大型电厂热工参数检测、计算机数据处理和控制系统为进一步的在 线分析开发提供了良好的软件平台。运用它的实时数据采集和强大的数据管 理功能，基于热工对象建立性能计算模型，通过对数据的整理及运算，可以 开发一种锅炉积灰在线监测系统，实时、有效地提供锅炉运行的经济性和安 全性的分析结果，从而指导机组运行。 1 5 国内外火电厂积灰监测的发展现状 测量仪表的自动化程度不断提高，带动了电站监测系统的大量应用。这 些监测系统在不同程度上起到了提高机组运行效率、防止事故发生、减轻运 行人员工作强度等作用。锅炉受热面烟气侧运行状态的诊断和监测，是一个 重要但是难以实现的方面。少数发达国家已经开发出一些各具特色的灰污监 测系统，这些系统从功能上大抵可以分为两类，一类针对炉膛水冷壁的灰污 监测，另一类针对对流和半对流受热面的灰污监测。前者大多需要安装额外 的测量仪表，测量水冷壁接受的辐射热流等信号。后者大多依赖锅炉原有的 9 山东大学硕士学位论文 数据采集系统提供必要的测量信息，通过数学模型的计算确定受热面的灰污 状态。 德国的k r a f t w e r k 电厂# 5 机于1 9 9 2 年6 月底安装了锅炉受热面污染监测 系统并投入运行。吹灰器的启停由该系统自动控制，通过对吹灰器的操作和 一些其它相关参数的优化调整，使锅炉始终处于最佳运行状态，其可靠性己 被证型1 4 1 。 美国的某电厂安装了基于人工神经网络的自动优化吹灰训练系统，在软 件的训练过程中，吹灰规则是可靠的，反应速度也是比较令人满意的。因此， 在1 9 9 9 年夏季完成了对# 1 机组锅炉的软件安装【1 5 】。 重庆大学王广军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，遗憾地是未在实践中得到验证【1 6 】； 华北电力大学王建国等基于污垢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。建立了换热器 积灰模拟试验台，通过大量试验，分析结果验证了污垢监测原理的正确性并 对积灰规律进行了研究【1 7 】。并且文献介绍有人利用积灰与磨损的关系提出 了防治积灰磨损的方法【1 8 】，也有人从吹灰器的调试运行方面出发，提出了 减轻积灰的方法1 1 1 。 1 6 本章的研究内容 本章利用锅炉机组现有的d c s 系统的运行测量参数，通过对再热器的热 平衡计算和传热计算，确定受热面的积灰特性参数，实现对再热器积灰状态 的监测。对再热器采用灰污系数d c ( d e p o s i t i o nc o e f f i c i e n t ) 作为特性 参数。建立基于在线监测参数的再热器积灰监测及分析计算模型，并给出计 算流程图和监测程序的设计方案。根据所建立的模型，使用m a t l a b 编写积灰 监测程序。 以某电厂3 0 0 肘机组的高温再热器为例，本文应用所编写的程序对其 积灰状况进行分析，选取机组负荷比较稳定的一段时间为监测时间，从早上 九点开始，每隔一个小时记录一次数据作为一个工况，对十二个工况的灰污 系数d c 和等效积灰厚度进行计算。 1 0 山东大学硕十学位论文 第二节基于电厂d c s 系统的再热器积灰在线监测 在锅炉的常规运行过程中，受热面的灰污状态是不可见的，难以直接观 察，锅炉计算中一般用能表征受热面灰污程度的一些参数来反映积灰状况。 而灰污特征参数无法直接测量，需要由其它可以直接测量的物理量间接地推 算出来，从而可以得到受热面灰污特征参数，这就是所谓的灰污监测过程。 现在大容量电站锅炉一般都装有较完备的数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ，简称d a s ) ，监测点达数百个，这些测点的测量结果大多数只是直接 用于过程控制和运行监视，许多隐含在其中的有用信息，没有得到开发利用， 是一种潜在的浪费。基于在线监测参数的锅炉受热面积灰监测及计算分析模 型，所依赖的大部分实时数据均为电厂d c s 系统数据采集工作站采集的实时 热工参数，与其它方法相比，基本无须增加新的测点，不必采用复杂的诊断 设备和数据采集、处理装置。 如何利用现有测点的测量结果，在不增加新测点，或者只增加个别测点 的条件下从中推算出灰污特征参数，是本节的研究目标。 2 1 再热器积灰在线监测数学模型 本文采用热平衡计算原理，对再热器进行热平衡和传热计算。即，在已 知再热器出口烟温，工质侧进出口等参数的基础上，分别由烟气侧和工质侧 的热平衡方程式计算再热器的进口烟温。 2 1 1 实际传热系数的计算 丫 工质的吸热量： 玩= d g ”一f ) b ， ( 2 一一1 ) 山东大学硕+ 学位论文 式中：玩一一一工质的吸热量，灯磁 d 一一一对流受热面中工质的流量，磁s ； f 、f 对流受热面进出口处工质焓，肼； 岛一计算燃料量， 匆s 烟气的放热量： = ( ，一，”+ 口f ) ( 2 2 ) 式中：垂一一一保热系数； ，。、，一对流受热面前、后的烟气焓，灯磁； l ，d z 一冷空气焓，k ，i 国5 a 一一漏风系数 根据热平衡原理：瓯= ，由式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可以计算出该 段受热面进口处烟气焓值，。 再由该段受热面进口处烟气焓值和式( 2 3 ) 弓= 户( ，) ( 2 - 3 ) 式中：声是已知烟气焓值求烟气温度的函数； 一烟气进口温度，。c ； 可得该段受热面烟气进口温度。接下来由工质进、出口温度和烟气进、 出口温度按式( 2 4 ) 算出对数平均温压： f ：垒垒二垒生 l n 丝 ( 2 4 ) 乞 1 2 山东大学硕+ 学位论文 式中：垃- _ - 一对数平均温压，。c ； 叱一一受热面中具有较大温差的那一端的介质温度差，。c ； 缸一一受热面中具有较小温差的那一端的介质温度差，。c 。 如果最大温度差虬与最小温度差他满足等订一时，其温压可按下式 计算： f ；丢( 乞+ 他) ( 2 5 ) 求出传热温压，按式( 2 6 ) 可以得到受热面的实际换热系数： k = 曰，瓯( 缸日) ( 2 6 ) 式中； 瓯一对流传热量，灯磁； k f 一一实际传热系数，肼矿所：，c ； d 一传热温差，一c ； 胃一一受热面积，1 2 。 2 1 2 理论传热系数的计算 要推算受热面在没有积灰的理想状况下的传热系数，可以分析热量是如 何分步从烟气传递给管内工质的( 图2 1 ) 。 图2 1 烟气到工质的传热过程分解 ( 1 ) 高温烟气通过对流和辐射换热方式向灰污外表面放热，用对流放热系 山东大学硕+ 学何论文 数和辐射放热系数口，之和口12 a d + a ，来进行计算； ( 2 ) 灰污层的导热热阻，用灰污层的厚度瓯和灰污层导热系数九进行计 算； ( 3 ) 管壁金属的导热热阻，用管壁厚度屯和金属导热系数丸进行计算； ( 4 ) 水垢层的导热热阻，用水垢层的厚度6 9 和水垢导热系数以进行计算； ( 5 ) 水垢表面对工质的对流放热用管内工质对流放热系数口2 进行计算。 整个传热过程的传热热阻即由上述5 部分热阻叠加而成： r ；三+ 垒+ 垒+ 垒+ 土 q 九九 九 a z 热阻的倒数即为传热系数k ( k 形m 2 。c ) ，一般表达式为： n r 丢覃 口1 九九 t 口2 从实际传热过程中的热阻状况分析，管壁金属的热阻很小，可忽略不计。 现代锅炉从安全性考虑，要求严格的给水化学处理，不允许在受热面上结水 垢，则水垢的热阻也可忽略不计。灰污层的热阻是个相当复杂的问题，影响 因素很多，如燃料种类、灰粒尺寸、烟气流速、管子直径及布置方式等。 在无积灰状况下的理想传热系数可表示为： 蚝= 击 a la 2 蒸汽纵向冲刷管子放热系数按下式计算： 口：o 0 2 3 拿r e 0 8 p 毋4 1 4 山东大学硕士学位论文 式中，z 为蒸汽导热系数与管内径比值；r e 2 ，p r 2 分别为蒸汽的雷诺数和 普朗特数，可由蒸汽参数及流速确定； 烟气横向冲刷错列管束放热系数按下式计算： q 鼻0 埏e 争r e 产p 严+ 口， d 。 式中：e 为管子沿烟气流程排数的修正系数；c i 为节距修正系数；妻为烟 气导热系数与管外径之比；r e 。，耽分别为烟气雷诺数和普朗特数，与烟气 流速、温度和烟气成分有关；口，为烟气对管壁的辐射放热系数，按下式计 算： a ，。4 9 1 0 - s 业口r s ! ：堕! 壁! 2 1 一瓴r ) 式中，为管壁的黑度，可取为o 8 2 ；t 为烟气平均绝对温度，k ；a 为烟 气黑度；瓦为受热面管壁外侧温度，k 。 一 另外，烟气侧放热系数q 和工质侧放热系数口：的求解还可利用线算图。 2 1 3 灰污系数的计算 定义实际传热系数巧与理想状态下的传热系数瓦倒数的差值为受热 面的灰污系数d c ( d e p o s i t i o nc o e f f i c i e n t ) ，用来描述受热面的清洁程 度。当受热面清洁时d c = o ，d c 大于0 则表明受热面受到污染，越大则表明受 热面积灰污染越严重。用灰污系数d c 表示换热面的污染状态，可以直接反映 出换热面受沾污影响的大小。 d c ；上一上 k dk k 式中： k j j 一一实际传热系数，删，( m 2 o c ) ； 足：一理论传热系数，豳矿2 o c ) 。 灰污系数的计算分为实际传热系数的计算以及理想传热系数的计算。计 算实际传热系数时首先从受热面蒸汽进、出口参数计算出受热面的传热量， 结合烟气的出口温度( 测量值或者从别处受