（工程热物理专业论文）基于烟气温度在线监测的锅炉安全经济运行的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 实时准确的锅炉热力计算对锅炉优化运行非常重要，而传统的锅炉热力计算是 通过某些参数的假设和规定来完成的，这种热力计算存在一定的偏差。随着科技的 进步，新型红外辐射式高温测量仪的出现能够很好地解决烟温的准确测量问题。目 前已有电厂安装红外线测温仪并取得了良好的效果。 本文就是利用红外线测温仪测得的数据，结合锅炉系统的实时数据，以某电厂 4 号炉为研究对象，重点介绍和分析了在线的锅炉热力计算，进而分析了锅炉预防 过再热器的超温爆管、结渣及吹灰优化问题，并以锅炉高效率和低n o 。排放为目标， 利用神经网络对锅炉运行进行优化，开发了基于在线数据监测的锅炉运行软件，为 现场操作人员提供了较为全面的参考与建议。 关键词：安全经济，在线监测，实时计算，运行软件 a b s t r a c t i t i s g r e a ti m p o r t a n tt og e tr e a l - t i m ea n da c c u r a t eb o i l e r st h e r m a lc a l c u l a t i o nf o r e c o n o m i c s e c u r i t yo p e r a t i o n o nt h ep l a n tb o i l e r , b u tt r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o ni sn o t a c c u r a t e p r o g r e s si ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , n e wi n f r a r e dt h e r m o m e t e rc o m e s ，t h eu s e o fr e m o t en o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t so ft e m p e r a t u r e i ti s g o o dr e s u l t st oi n s t a l l a t i o n i n f r a r e dt h e r m o m e t e r s ot h i st h e s i su s e do n l i n ed a t aa n db a s i sd a t at oa n a l y z eb o i l e rt h e r m a lc a l c u l a t i o n ， t h e np r o c e e dt ot h es t e pt oa n a l y z eb o i l e ro p e r a t i o nf o rb o i l e r i vo ft h ep l a n t ，f o re x a m p l e o v e r - t e m p e r a t u r eb u r s tp i p e s ，s l a g b o n d i n ga n ds oo n ，m e a n w h i l et h eab pn e u r a l n e t w o r km o d e lh a sb e e nb u i l tf o rp r e d i c t i n gt h eb o i l e r sp e r f o r m a n c ef o ri m p r o v i n g b o i l e re f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gn i t r o g e no x i d ee m i s s i o n s f i n a l l yt h et h e s i sp r o p o s e d a d j u s t m e n tp r o g r a m so ft h ep l a n ta n df o r m e dt h es o f t w a r e ；i tc a nh e l po n s i t es t a f ft o o p e r a t et h eb o i l e r z a n gh a i r u i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o h us a n g a o k e yw o r d s ：e c o n o m i c s e c u r i t yo p e r a t i o n ，o n - l i n em o n i t o r i n g ，r e a l - t i m e c o m p u t a t i o n ，r u n n i n gs o f t w a r e 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 目录 第一章引言1 1 - 1 课题背景1 1 2 本课题研究的意义和价值1 1 3 本课题国内外研究现状2 1 4 本课题的研究目的和研究内容3 1 4 1 本课题的主要问题3 1 4 2 本课题的研究内容3 第二章锅炉烟温监测及在线热力计算的分析5 2 1 锅炉设备概述5 2 2 锅炉红外测温位置的选择5 2 2 1 关于锅炉热力计算的讨论5 2 2 2 测量位置的确定6 2 3 锅炉在线热力计算7 2 3 1 锅炉在线热力计算总体框架7 2 3 2 锅炉在线热力计算方法9 第三章锅炉安全运行有关问题的分析与研究1 3 3 1 锅炉受热面安全运行1 3 3 2 炉膛安全运行1 4 3 2 1 炉膛烟温偏差1 4 3 2 2 炉膛负压及汽包水位1 5 3 2 3 制粉系统1 5 3 3 锅炉安全运行监测1 6 3 3 1 金属壁温监测1 6 3 3 2 烟温偏差监测1 6 3 3 3 炉膛负压及汽包水位监测1 7 3 3 4 制粉系统监测1 7 第四章锅炉经济运行有关问题的分析与研究1 9 4 1 受热面吸热量的分配1 9 4 1 1 受热面吸热量计算1 9 4 1 2 受热面吸热量监测数据2 0 4 2 锅炉热效率计算2 0 i l 华北电力大学硕士学位论文 4 3 锅炉吹灰监测及优化2 l 4 3 1 灰污表征方法2 2 4 3 2 吹灰的在线监测2 2 4 3 3 受热面污染的判定2 4 4 3 4 吹灰优化系统2 5 4 4 锅炉经济运行优化模型2 5 4 4 1 神经网络原理及模型 1 8 - 2 4 j 2 6 4 4 2 锅炉运行的神经网络预测模型2 8 4 4 3 模型的优化2 9 4 4 4 遗传算法的计算3 0 第五章锅炉安全经济运行在线监测与优化的软件系统3 1 5 1 软件系统概述3 l 5 2 软件系统设计3 1 5 2 1 软件系统环境3 l 5 2 2 数据库模块3 2 5 2 3 后台应用程序模块3 3 5 2 4 客户界面模块3 4 5 3 系统应用3 4 5 3 1 系统数据3 4 5 3 2 锅炉安全运行监测3 5 5 3 3 锅炉经济运行监测3 8 5 3 4 锅炉运行优化模块4 0 5 3 5 其它界面介绍4 1 5 4 系统应用分析4 4 第六章总结与展望4 5 6 1 工作总结4 5 6 2 展望4 5 参考文献。4 7 致谢。5 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 1 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 在我国的电力行业，火力发电占百分之七十左右，因此火电机组的运行状态对 电力行业的发展效益有很大影响。提高火电机组运行的安全性和经济性，对于整个 电力行业发展具有重要意义，锅炉又是火电机组的重要设备之一，因此提高锅炉运 行的安全性和经济性，必然是电站运行优化的重点。 锅炉运行是在设计的规范和过程的控制下进行的，锅炉设计中要充分考虑烟气 侧和蒸汽侧的能量平衡。在火力发电厂中，锅炉控制系统中包含着大量蒸汽参数的 监测仪表，但由于检测技术的限制，使烟气侧的监测点寥寥无几。由于烟气侧为锅 炉系统提供能量，因此控制烟气的参数对确保锅炉的可靠运行非常重要，而实际电 厂大多数锅炉上却缺少这样的控制参数，导致控制逻辑缺少关键数据的回馈。例如， 炉膛出口温度是设计人员考虑能量平衡时的一个重要技术参数，烟气参数的变化， 可以反映各主要换热面的运行工况，并据此做出相应的调整决策。对于直流燃烧器 六角布置、切圆燃烧方式的锅炉，炉内存在烟气残余旋转，运行中出现的主要问题 是烟道两侧烟气偏差比较大，使得过热器、再热器热气温偏差大，严重是会引起受 热面超温爆管，同时受热面壁温的升高会引起结渣，影响锅炉的运行，而结渣会进 一步引起更严重地结渣，必须吹灰。因此增加部位的烟气温度在线监测对锅炉安全 经济运行是很有意义的。 随着科技水平的不断提高，利用非接触的新型远红外辐射式测量装置应运而 生，利用这种非接触式可以准确地测量出一些关键部位的烟气温度，从而为我们研 究锅炉安全经济运行提供了很大的方便。 1 2 本课题研究的意义和价值 锅炉系统控制需要大量的监测点，特别是关键部位的监测点，如炉膛出口烟气 温度。炉膛出口温度是设计、运行人员考虑能量平衡时的一个重要技术参数，烟气 参数的变化，可以反映各主要换热面的运行工况，并据此做出相应的调整。过去由 于技术手段的欠缺，无法连续在线监测该点的温度，只能依靠间接的办法对这点的 温度进行推算，推算出的结果失去了准确性和时效性。 新型远红外辐射式高温测量仪是远距离非接触式测量装置，将其可以安装在任 何观察孔、检修口或穿过锅炉和墙面安装，对炉膛出口烟气温度( 英文简称f e g t ) 华北电力大学硕士学位论文 进行连续监测和控制，有着很重要的实际意义。利用这一特别控制点f e g t ( 炉膛出 口温度) 可更加准确地进行锅炉热力计算，进而研究锅炉安全经济运行技术，对锅 炉的运行的安全性、可靠性、经济性以及降低污染物排放，延长锅炉使用寿命有着 重要的作用和影响。 1 3 本课题国内外研究现状 运行优化的基础是锅炉热力计算，而锅炉热力计算的关键在于确定的炉膛出口 烟温。传统的计算方法是采用理论与试验相结合的方法，利用经验公式得出炉膛出 口烟温，这个值与实际误差较大。近些年，也提出了从测量准确的排烟温度开始， 沿着烟气流动相反的方向，主要利用热平衡关系，反向推出各受热面处的烟气温度， 直到炉膛出口烟气温度，这个方法由于有误差积累及有些部分蒸汽温度并没有测点 需要假设，导致炉膛出口烟气温度计算与实际相差较大，不适用于在线计算。 对于直流燃烧器六角布置、切圆燃烧方式的锅炉，由于六角切圆燃烧方式残余 旋转的影响，运行中出现的主要问题是烟道两侧烟气偏差比较大，使得过热器、再 热器热气温偏差大，严重是会引起受热面超温爆管，再一个问题燃烧低灰熔煤，炉 内结渣比较严重。解决前一个问题的方法就是改造燃烧器应用“正反切圆 燃烧技 术消除炉膛出口气流的残余旋转，再通过燃烧器调整试验确定最佳工况。对于结渣 问题，解决方法主要掺烧灰熔点较高的煤，然后再进行燃烧调整试验，确定合适参 数，如氧量、一次风量、一、二次风配比等，再一个就是根据受热面进行定期吹灰。 但是由于我国很多电厂用煤煤质较差，虽然应用上述方法能解决一些问题，但只能 保持一段时间，而且由于各受热面的区别，所以不能从根本上解决这个问题，应用 在线温度的监测与控制可以根据监测结果进行在线调制，使得锅炉运行处于最佳工 况下运行。 锅炉热力系统的分析与计算，进而优化其运行参数，是促进火电站节能降耗的 重要组成部分之一。2 0 世纪8 0 年代初，国外一些机构已开始研究电站性能优化， 并有一些软件开始在火电站应用。迄今为止，国外大部分d c s 供货商均开发了一些 功能强大的火电厂优化运行软件，如德国s i e m e n s 公司的s i e n e r g y 系统、美国e l a g h b a i l e y 公司的p e r f o r m e r 系统、瑞士a b b 公司的o p t i m a x 系统等。 我国开展锅炉优化运行工作已有三十多年的历史，取得了不少的科研成果，主 要表现在： ( 1 ) 开发了一些锅炉运行优化的软件，同时还开发了一些电站性能分析和在线 监测的应用软件系统【1 j 浙江大学丌发出了优化配煤专家系统。此系统基于煤燃烧的论文研究、实验探 讨和计算分析相结合，以神经网络反传播法来描述混煤与单煤特性之间的非线性关 2 华北电力大学硕士学位论文 系。华北电力大学在煤质方面也进行了一些研究，主要是利用工程学和经济学的研 究方法，建立了煤质工程分析关系网络和煤质工程评价指标体系l 引。 ( 2 ) 人工神经网络的应用 锅炉是一个非常复杂的系统对象。锅炉参数众多，并且相互交叉影响，运行工 况有时瞬间变化，需要现场运行人员立即响应。运行中出现的问题仅仅依靠现场的 运行人员或者相关专家判断、研究，常常满足不了实时指导的需要。人工神经网络 是一种模拟人类的推理进行分析的一门新兴科学，它的发展成果被应用到电站中起 到了极其重要的作用，诸如用自适应模糊神经网络实现煤的结渣预报、用反向传播 b p 网络实现再热蒸汽温度控制，神经网络在电站控制系统的许多方面有了实质的进 展【3 】。 国内在近几年来在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，一些高校研究所 及有关科研工作者正在大力开发计算机监测与控制系统人工智能专家系统，在诸如 故障诊断、热效率偏差和趋势分析以及确定吹灰策略等方面有了实质性进展，开发 研制出了如运行诊断核心系统、热效率专家系统吹灰系统( d i a g n o s t i co p e r a t i o n s c e n t e rs y s t e mh e a tr a t ed e g r a d a t i o ne x p e r ts y s t e ma d v i s o rs o o tb l o w e ra d v i s o r ) 等一 系列实用的专家系统。在煤燃烧领域，华中理工大学周怀春用自组织特性神经网络 进行了燃烧诊断研究。 ，； 我国关于电站锅炉运行优化的研究尚未形成一套系统化的理论体系，还需要进 行大量深入的研究。 1 4 本课题的研究目的和研究内容 1 4 1 本课题的主要问题 由于目前此火电厂锅炉不同程度的存在下列问题： ( 1 ) 锅炉热力计算缺少实时性与准确性； ( 2 ) 影响锅炉安全经济运行优化的问题：结焦结渣问题、水平烟道受热面热偏差 问题、氮氧化物排放超标问题、过热器、再热器超温问题、吹灰程序、次数和合理 性问题。 这些问题会引起锅炉效率降低，甚至严重时会导致锅炉灭火，因此，解决上述 问题成为当前的关键。 1 4 2 本课题的研究内容 ( 1 ) 锅炉主要安全运行问题研究：电厂锅炉由于煤种的变化和运行工况不稳定等 等，锅炉常常会发生过热器再热器超温爆管、锅炉受热面结渣等现象，形成安全隐 3 偏差等，结合红外 渣现象。 低、受热面的吸热 总厂甜炉为例，研 运行进行优化。 口烟气温度及锅炉 。结合在线的热力 现场工作人员提供 华北电力大学硕士学位论文 第二章锅炉烟温监测及在线热力计算的分析 2 1 锅炉设备概述 该发电总厂，总装机容量8 4 8 万千瓦，为东北电网骨干电厂之一。2 0 0 1 年7 月9 日，被国家电力公司命名为一流火力发电厂。该发电总厂以褐煤为主要燃料， 每年将5 0 亿千瓦时的电能输往东北电网，现已成为拉动蒙东地区经济发展的强劲 动力。 该电厂锅炉的型号为h g 6 7 0 1 4 0 h m l 2 ，采用六角切圆燃烧方式，以其炉内混 合较好、燃烧稳定、煤种适应性强等优点，但其炉内气流在炉膛出口及水平烟道内 的残余旋转等问题，在长期运行下会出现蒸汽温度偏差、超温爆管、受热面结渣等 现象，从而对锅炉稳定经济运行造成一定的影响。 2 2 锅炉红外测温位置的选择 2 2 1 关于锅炉热力计算的讨论 锅炉热力计算在锅炉设计、改造等方面有重要的作用。传统的锅炉热力计算是 预先假定锅炉排烟温度、热风温度，利用经验公式计算出炉膛出口烟气温度。而由 于炉膛出口烟气温度公式误差较大，对于在线计算，一般是通过在线测量的锅炉排 烟温度、热风温度逆着烟气流向，从尾部受热面逐次计算到炉膛出口。我国的锅炉 热力计算普遍采用前苏联1 9 5 7 年和1 9 7 3 年两个联合标准。这两种炉膛出口烟气温 度分别规定为： 1 9 5 7 年标准规定t s l ： 口二2 i 三奔一2 7 3 ( 2 - 1 ) 式中，t a 理论燃烧温度，k ；为辐射受热面的假想污染系数，对于煤粉炉，当燃 用烟煤、褐煤时，毒= 0 4 5 ，当燃用无烟煤及贫煤时，毒= 0 4 ；h 为辐射受热面积， m 2 ；a 。为锅炉炉膛黑度；b p 为计算燃料消耗量，k g s ；v c 印为炉膛平均热容量， k j k g 。c ；伊为保热系数。 5 华北电力大学硕士学位论文 1 9 7 3 年标准规定【5 】： 8 二2 一一2 7 3 m l 箫卜 ( 2 2 ) 式中，妒。为平均热有效系数；m 为修正系数，其值决定于沿炉膛高度火焰最高温 度所处的相对位置x ，当炉内燃高反应的燃料及层燃所有的燃料时，m = 0 5 9 0 5 x ， 当炉内燃低反应的燃料及高灰分的烟煤时，m = 0 5 6 0 5 x ，m 值不超过o 5 ；驴为保 热系数。 在电厂实际中，常用热电偶测得炉膛出口烟气温度，而热电偶的热交换主要依 靠空气对流，是接触式的，由于周围环境的热辐射，热电偶元件的热平衡也会受到 影响。因此，热电偶不能长时间测量【6 7 j 。而红外线测温仪是通过测量火焰在燃烧过 程中发出的辐射能，从而确定火焰中介质的温度，具有非接触测温法的响应快、不 受外部条件影响的特点。所以，本课题采用可长期在线运行的红外测温仪作为温度 的输入元件，对所测结果以热电偶测温结果为基准进行评价。本项目采用的红外测 温仪为德国h e i t r o n i c s 公司的k t l 5l i 型红外测温仪，该测温仪已经被多家电厂 ( 如华能日照电厂) 用于炉膛烟道温度测量，测量数据精确。 2 2 2 测量位置的确定 准确的炉膛出口烟温对锅炉整个热力计算有重要的影响，同时炉膛出口烟气跟 锅炉运行的安全性和经济性也密切相关，因此本研究选择炉膛出口烟气为红外线测 温仪的测点，安装位置在炉膛与后屏的交接处即靠近后屏的开封孔。 炉膛出口烟温一般指由炉膛出口进入对流受热面( 对流管束、凝渣管束) 之前的 烟气温度。在锅炉运行中，选择和控制好炉膛出口烟温是关系到锅炉经济性和可靠 性的重要问题： 关于热力计算：确定炉膛出口烟气温度是锅炉热力计算的关键，准确的炉膛出 口烟温能够使锅炉热力计算更加准确。 关于超温爆管：准确地炉膛出口烟温能够确保炉膛吸热量的准确计算，从而能 够较为准确地分配预热段、蒸发段、过热段、再热段的吸热热量，进而判断是否可 能超温。 关于受热面结渣：烟温过高会使飞灰仍处于融融状态，粘结到受热面管子壁面 上。结渣常常出现在炉膛出口，监测炉膛出口烟气温度对结渣问题的解决有了实时 重要的依据。 关于技术经济：炉膛出口烟温是一个分界点，将锅炉受热面分成以辐射吸热为 华北电力大学硕士学位论文 主的受热面和以对流吸热为主的受热面。从单位受热面吸热量来比较，炉内辐射受 热面要比对流受热面大，也就是在同样吸热量的情况下，炉内辐射受热面及金属消 耗量要比对流受热面的少。故而，对锅炉辐射受热面和对流受热面的金属耗量及总 成本进行技术经济比较，存在一个最佳的炉膛出口烟气温度值。 2 3 锅炉在线热力计算 2 3 1 锅炉在线热力计算总体框架 锅炉热力计算是在燃料燃烧计算和热平衡计算之后进行的，主要是确定锅炉受 热面与燃烧产物和工质参数之间的关系。按计算任务的不同，可分为设计计算和校 核计算，本系统的热力计算即属于校核计算，整体结构的控制如图2 - 1 。 首先从数据库中调用计算所需的数据，其中包括燃料特性参数、锅炉的蒸发量、 蒸汽参数、给水参数、受热面的结构数据、过量空气系数、各受热面漏风量、烟气 参数等。j ：? 然后进行热力计算的辅助计算，辅助计算主要包括燃料的燃烧计算、烟气、空 气的性质计算( 如理论空气量、烟气份额、容积、容积份额和焓值等) 、对流放热系 数、辐射放热系数和传热系数等。 下一步依次进行锅炉热平衡计算、炉膛传热计算和受热面的计算。先假设排烟 温度，计算锅炉的热效率和燃料消耗量。以炉膛出口烟气温度为分界点，分别进行 炉膛热力计算和沿着烟气的流动方向依次进行各受热面的热力计算。完成受热面的 计算后，进行锅炉热平衡的校核计算。若排烟温度不能满足精度要求或者燃料带入 炉膛的总热量与各受热面的吸热量之和的偏差不能满足要求，则应该返回重新假定 排烟温度，直到满意为止。完成热力计算后，输出各部分的计算结果并保存至数据 库中。结果数据信息主要有：燃料消耗量、锅炉热效率、各项热损失、各受热面进 出口烟气和工质温度、各受热面的洁净因子、受热面的壁温、吸热量等。 7 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 锅炉热力计算的结构图 8 华北电力大学硕士学位论文 2 3 2 锅炉在线热力计算方法 锅炉热力计算的任务就是确定锅炉受热面与燃烧产物和工质参数之间的关系。 通常按照锅炉受热面的传热特点进行计算，受热面可分为辐射受热面，半辐射受热 面和对流受热面三部分。 2 3 2 1 炉膛热力计算 锅炉热力计算首先根据燃料的特性数据进行燃料的燃烧计算，包括沿着烟道内 的三原子气体容积、水蒸汽容积及燃料消耗量。主要计算公式如下： 理论空气量v o 为： v 。：0 0 8 8 9 ( c p + o 3 7 5 s 9 ) + o 2 6 5 h p 0 0 3 3 3 0 9 ( 2 3 ) 理论三原子气体容积v r 0 ，为： v r 。，；1 8 6 6 ( c 9 0 3 7 5 s h l o o ( 2 4 ) 理论氮气容积v o 为： v 矿o 0 7 9 v + 0 8 嵩) a 5 ， 理论水蒸汽容积v 乏为： v o ；i o 1 l l h p + 0 0 1 2 4 w p + 0 0 1 6 1 v o 熔( 2 - 6 ) h 2 0 、 ， 燃料带入的热量q ：为： q ：= q ：+ i 。 ( 2 7 ) 锅炉机组的吸热量q h 为： q h = d i ( i ：。一in j ) + ( d u a d u x i ；。一i 衄) + a d ( i 二u i 印) ( 2 8 ) 燃料消耗量b 为： b ；q k ax 1 0 0( 2 9 ) q ：xr i 【a 式中，c p 、s 一、h 一、0 ，、n 9 、w r 分别为煤中碳、硫、氢、氧、氮、水分的收 到基；a 为修正系数，其值为a = 1 + r ，r 为烟气再循环率；q ：为燃料的地位发热 值，圳k g ；i 。为燃料的物理显热，k j k g ；d l 、d 、a d u 分别为过热蒸汽流量、 再热蒸汽流量和再热蒸汽喷水量，k g s ；i n j 、i ：。u 、t u 、i 印分别为给水焓、再热 9 华北电力大学硕士学位论文 蒸汽进口焓、出口焓、再热蒸汽喷水焓，k j k g ；r b 为锅炉效率。 接下来就是锅炉主要部件的热力计算了。炉膛热力计算根据结构参数和已知的 热力学参数计算理论燃烧焓( 温度) ，结合所测的炉膛出1 3 烟气温度，即可计算烟气 的平均热熔、火焰黑度、炉膛黑度，最后计算炉膛的辐射吸热量、辐射热负荷。主 要计算公式如下： 理论燃烧焓i t 为： i t | q p ( 等) + q q + r f i ，+ r x i 。 ( 2 - l o ) 式中，q ；为燃料带入的热量，k j k g ；q ，为化学未完全燃烧损失，；q 。为空气带 入炉膛的热量，k j k g ；r e 为热炉烟抽取份额，；i 。为热炉烟焓，k j k g ；r x 为冷 炉烟抽取份额，；i ，为冷炉烟焓，k j k g 。 烟气平均热容量v c 为： ；业 ( 2 1 1 ) v i t 。i ； 式中，i t 为理论燃烧焓，k j k g ；b 为理论燃烧温度，。c ；i 疗为炉膛出口烟焓，k j k g ； l 为炉膛出口烟温，。c 。 火焰有效黑度a 。为： a 妒一m a 曲+ ( 1 一m ) a 。 ( 2 1 2 ) 式中，m 为火焰黑度修正系数，本文取值为1 ；a 。为发光火焰黑度，本文取值为0 8 ； a ，为修正系数，取值为0 。 炉膛黑度a 。为： a m2 j ：i _ 靠 2 一1 3 ) a m2 j 云_ ：_ 1 巨i ：商 z l3 式中，a 。为火焰有效黑度；妒为修正系数；当为玷污系数。 2 3 2 2 对流与半辐射受热面的热力计算 对流受热面主要指锅炉蒸发管束、对流过热器和再热器、省煤器、空气预热器 以及以受热面方式为主体的传热受热面。对流受热面的热力计算主要有三大部分， 分别为烟气的对流放热、工质的对流吸热和对流传热。 对流受热面的传热量q 。为： q 血：墅堕( 2 - 1 4 )q d c2 亍 式中，k 为传热系数，w m 2 k ；a t 为传热温差，k ；v j 为受热面面积，m 2 ；b ：为 1 0 华北电力大学硕士学位论文 计算燃料消耗量，k g s 。 传热系数k 为： k ： 竺! ! 竺垒 “卜净一训 ( 2 - 1 5 ) 式中，口d l 、分别为对流放热、辐射放热系数，w m 2 k ；考为受热面的污染系 数，m 2 k w ；口2 为蒸汽至管壁放热系数，w m 2 k 。 烟气的对流放热量q 越为： q 。，= ( h j h ；+ a a i o ) ( 2 1 5 ) 式中，妒为保热系数，w m 2 k ；h ：、h ；分别为受热面的进口、出口焓，k j k g ； a a 为受热面的漏风系数；i ? 为冷空气的焓，k j k g 。 对流受热面的工质吸热量q 。为： q 以；萼掣如 防1 6 ) 一j 式中，d 为对流受热面内工质的流量，k g s ；h ：、h ：为受热面内工质的进口及出 e l 焓，k j 蝇；b ；为锅炉计算燃料量，k g s ；q 6 为对流受热面所在区域内附加受热 面的吸热量，k j k g 。 对于带有减温水的过热器，要先计算减温器后的高温级过热器，求得高温级过 热器出口烟气温度和入口工质温度，再按照减温器的热平衡和工质平衡即可求出低 温级过热器的出口温度、焓，然后按照正常的传热计算方法进行计算。减温器的热 平衡和工质平衡如下： 热平衡： 工质平衡： d l i 1 + a d i 。= d 2 h 2 d l4 - a d = d 2 ( 2 一1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 由上述两式，司得 h ：；堕蔓坐 ( 2 1 9 ) d 2 一a d 式中，d 1 、d ：、a d 分别为低温级、高温级及减温器的工质流量，k g s ；h ：、h ：、 玩分别为低温级、高温级及减温器的焰，k j k g 。 1 1 华北电力大学硕十学位论文 q = y h q t _ h 蠡 ( 2 2 。) 式中，q t 为炉膛辐射吸热量，k j k g ；h t 、h 蠡分别为炉膛、半辐射受热面的面积， m 2 ；妒为修正系数。 扯蔼 q - 2 1 ) h 一 式中，a t 。为受热面具有较大温差端的介质温差，。c ；a t 。为受热面令一端的介质温 差，。c 。 管壁玷污温度t 耋为： p ”卜去) 竿 ( 2 - 2 2 ) t o p 为蒸汽平均温度，o c ；为受热面的污染系数，m 2 k w ；口：为蒸汽至 热系数，w m 2 k 。b p 为锅炉计算燃料消耗量，k g s ；q 为受热面的传热量， h 为受热面的面积，m 2 。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章锅炉安全运行有关问题的分析与研究 锅炉运行过程中必须确保安全、稳定，否则一旦发生故障，将可能会造成无可 挽回的安全事故和经济损失。炉膛结渣、过热器和再热器的超温是锅炉运行常见的 安全问题。炉膛结渣是处于熔化状态的煤灰粒子接近炉膛出口或水冷壁附近时粘附 在受热面上形成的。过热器和再热器的超温主要是由于烟气偏差或管内工质换热较 差，金属壁温长期高于其最高允许高度，从而发生爆管现象。炉膛结渣、过热器和 再热器的超温主要是由于炉膛烟气速度场与温度场偏差导致传热不均引起的，而烟 温偏差是由炉膛出口的烟气残余旋转引起的。本研究主要从锅炉受热面爆破、炉内 结渣、炉膛负压及汽包水位、炉内煤粉燃烧方面分析锅炉的安全运行。 3 1 锅炉受热面安全运行 锅炉受热面是热量传递的载体，一侧接触的是火焰或烟气，另一侧接触的是水 或蒸汽。受热面主要有水冷壁、过热器、再热器和省煤器，各受热面爆破的原因不 同，水冷壁、过热器和再热器爆破主要是由于受热面壁温超过金属允许温度引起的， 其中水冷壁主要由于受热面结渣引起的，过热器、再热器是由于烟温偏差引起的。 而省煤器爆破主要是由于飞灰磨损引起的。本锅炉的主要问题是过热器和再热器的 爆管现象和炉膛结渣。对于过热器和再热器的爆管问题，本研究主要从受热面壁温 分析。 若略去沾灰和积垢的热阻，过热器( 再热器) 的壁温t 。i s ： t 6 = t g + q h ( 3 1 ) 式中，q 为壁面热负荷，w m 2 ；h 为管壁对蒸汽的对流放热系数，w m 2 。c ；t 。为 工质温度，。c 。 从上式可得，金属壁温随着工质温度和热负荷的升高而升高的，随着蒸汽流速 的增大而减小的，而热负荷主要取决于烟气温度和烟气流速，烟温越高，受热面传 热温差越大，热负荷就越大。烟气侧是传热的起由，烟气侧的传热不均会引起管壁 的受热不均，进而导致管内蒸汽的汽温不均。工质在管内蒸发流动时，由于汽包的 趋中效应，在管壁四周会产生连续流动的水膜使得管壁温度在不超过工质温度2 5 0 c 的范围内，这时受热面可以安全的工作。当蒸汽受热不均时，管壁四周的水膜就会 被撕破，管壁会超温，严重时导致爆管。 锅炉受热面都是平行管束，平行管束的热偏差主要受热不均和工质流量不均引 1 3 华北电力大学硕士学位论文 起的。平行管束实际工作一般不是管束整体壁温很高，而是由于个别管道偏离平均 工况造成局部壁温升高，严重时即发生超温爆管，因此，防止超温爆管主要是防止 局部高温管道的壁温，即那些传热最强( 仉最大) 同时流动又最弱( r g 最小) 的管子 【1 1 】 在线壁温计算方法： 叭( r w r + 1 口2 弘( 3 6 a ) ( 3 - 2 ) 式中，t 为管件在计算截面上管内介质的平均温度，。c ；r 。为计算管污染系数；a ： 为管内蒸汽换热系数，w m 2 k ；b ；为计算燃料量，蚝s ；a 为管道受热面面积， m 2 ；q 为管子外壁热负荷，w ； 从上述分析可知，过热器和再热器的爆管主要是由于管壁局部壁温超过金属最 大允许温度引起的，因此，为了防止过热器、再热器超温而产生爆管，须加强对过 热器、再热器管壁温度的监测。在线监测过热器和再热器受热面的壁温，使其低于 金属的最大允许温度。如运行中发现超温，应及时地调整并分析原因。 对于炉膛结渣问题，由于炉膛结渣发生在炉膛出口折焰角处，而红外测温仪所 测得温度正好是炉膛出口烟气温度，所以本研究根据在线监测各段受热面热量的分 配情况和炉膛出口温度相结合，控制过、再热蒸汽温度维持在额定值( 或在一定范 围) ，并保持炉膛出1 2 1 温度低于煤灰的软化温度以不至于结渣。 3 2 炉膛安全运行 5 # 炉内强烈旋转，有利于 华北电力大学硕士学位论文 煤粉燃烧。炉膛中心区是速度很低的微风区，而外围则是速度较高的螺旋上升气流。 试验表明：若只有一股气流射入炉膛内，射流的轴心线与燃烧器喷嘴的中心重合 9 1 。 若六股气流同时射入炉内，六股射流之间相互影响，会导致实际的切圆直径增大， 在不同的炉膛截面上，气流切向速度和径向速度的合速度会随着炉膛高度不断衰 减，对于本锅炉而言，炉膛的高度不足以切向速度完全消失，因此存在一定的烟气 残余旋转。 采用逆时针旋转的切圆燃烧气流会在炉内产生逆时针的旋转上升气流，产生较 大的旋转动量矩，同时高温火焰的粘度很大，到达炉膛出口处会产生很大的残余旋 转，致使炉膛出口处右侧的烟温明显高于左侧，此时右侧很容易出现结渣现象。烟 气流在炉膛出口转向后进入水平烟道，由于历经的行程不同，下部近，上部远；过 热器、再热器下部与折焰角上边形成的烟气走廊则是直接的烟气短路，故产生下面 高上面低的烟温偏差，烟温偏差会引起较大的热偏差，致使过热器再热器超温、结 渣。炉膛出口烟气的残余旋转是造成受热面结渣和超温的主要原因，可以利用“正 反切圆”燃烧技术削弱烟气的残余旋转来减少烟温偏差，技术已经在某电厂成功应 用 1 0 1 1 1 2 。 本研究采用红外线测温仪对炉膛出口烟温进行实时测量，并将监测所得的温度 数据通过界面显示出来，现场操作人员可根据数据进行有效地调节。减少烟温偏差 的措施主要有：炉内送风量的调整，即通过减少炉膛的过量空气使烟气流量减少。 还有一次风速的调节，当一次风速超过一定的数值后，随着一次风速的提高，炉膛 出口烟温偏流和烟温偏差明显增大，因此燃烧调整时应对一次风速加以控制 1 3 j 。 3 2 2 炉膛负压及汽包水位 锅炉负压及汽包水位直接关系着锅炉系统运行的安全，炉膛负压是反映燃烧工 况稳定与否的重要参数，炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生变化，而 维持汽包水位在一定范围是保证锅炉安全运行的必要条件，汽包水位过高，直接影 响汽水分离，严重是会导致过热器爆管。汽包水位过低，则破坏了锅炉的汽水自然 循环系统，致使水冷壁烧坏。 3 。2 3 制粉系统 本锅炉采用直吹式制粉系统，直吹式制粉系统中个一次风管内风粉的均匀性及 煤粉浓度分布是影响炉膛内稳定燃烧及锅炉燃烧效率的重要因素。对于六角切圆燃 烧的锅炉，同层各一次风流速和煤粉浓度不一致会引起炉内燃烧不稳定，造成炉内 燃烧切圆偏斜，引起烟温偏差、传热不均等一系列问题。因此，加强对直吹式制粉 系统的运行监测对炉内燃烧具有重要意义。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 直吹式制粉系统采用每台磨煤机向同层的六角燃烧器并联供煤粉方式运行，系 统将磨煤机磨出的粉直接送入炉膛燃烧。磨煤机的输出量是由供给磨煤机的风量和 煤量确定的，而磨煤机的风量和煤量取决于给煤机运行情况和转速。因此，本系统 主要监测给煤机运行情况和转速、磨煤机运行情况和电流、磨煤机的入口和出口温 度。 3 3 锅炉安全运行监测 3 3 1 金属壁温监测 锅炉受热面的超温，都是由于管壁温度引起来的。因此监测管壁温度是非常重 要的，只需保证实时监测的壁温低于相应管壁材质的高限温度即可。如果管壁超过 高限温度，需要工作人员做出相应的调整，以使壁温控制在一定的范围。监测数据 如表3 - 1 。 表3 - 1 金属壁温监测表 3 3 2 烟温偏差监测 烟温偏差是致使受热面超温及结渣最主要的原因，监测各部件的东西侧烟温及 炉膛出口烟温使其保持在一定的范围，是减少受热面和结渣问题的有效措施。监测 1 6 华北电力大学硕士学位论文 ， 数据如表3 - 2 。 表3 - 2 烟温监测表 监测编号监测部位监测编号监测部位 7 8 2 东再热冷段前烟温 7 8 5 西省煤器入口烟温 7 8 3 西再热冷段前烟温 7 8 6 东预热器入口烟温 7 8 4 东省煤器入口烟温 7 8 7 西预热器入口烟温 3 3 3 炉膛负压及汽包水位监测 锅炉负压及汽包水位直接关系着锅炉系统运行的安全，炉膛负压是反映燃烧工 况稳定与否的重要参数，而维持汽包水位在一定范围是保证锅炉安全运行的必要条 件。炉膛负压及汽包水位监测数据如表3 3 。 表3 - 3 炉膛监测表 检测编号监测部位检测编号监测部位 2 6 2 东炉膛负压 9 3 4 西引风机挡板开度 2 6 3 西炉膛负压 9 3 1 东送风机挡板开度 9 4 舞1 引风机电流 9 3 2 西送风机挡板开度 9 5 撑2 引风机电流 1 7 2 调节用汽包水位 9 6 舟1 送风机电流 1 7 3 汽包水位一 9 7 样2 送风机电流， 1 7 4 汽包水位二 9 3 3 东引风机挡板开度 1 7 5 汽匍7 i ( 倍= 3 3 4 制粉系统监测 制粉系统是锅炉燃料的来源，直接影响锅炉的燃烧工况。因此监测制粉系统的 相关参数，使其保持在合理的范围，才能保证合格的煤粉，并能以一定的速度和数 量供给锅炉燃烧。制粉系统监测数据如表3 4 。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 表3 4 制粉系统监测表 监测编号监测部位监测编号监测部位 1 8 8 挣1 给煤机转速 8 8 稃1 磨电流 1 8 9 舞2 给煤机转速 8 9 # 2 磨电流 1 9 0 撑3 给煤机转速 9 0 群3 磨电流 1 9 1 舟4 给煤机转速 9 1 # 4 磨电流 1 9 2 群5 给煤机转速 9 2 撑5 磨电流 1 9 3 挣6 给煤机转速 9 3 舟6 磨电流 6 7 2 撑1 磨出口温度 7 9 0 样1 磨煤机入口风温 6 7 3 撑2 磨出口温度 7 9 1 撑2 磨煤机入口风温 6 7 4 劳3 磨出口温度 7 9 2 拱3 磨煤机入口风温 6 7 5 舞4 磨出口温度 7 9 3 劳4 磨煤机入口风温 6 7 6 撑5 磨出口温度 7 9 4 挣5 磨煤机入口风温 6 7 7 撑6 磨出口温度 7 9 5 带6 磨煤机入口风温 7 8 8 东温风温度 9 1 3 静1 磨温风门阀位 7 8 9 两温风温度 9 1 4 劳2 磨温风门阀位 8 1 4 东空气预热器出口风温 9 1 5 静3 磨温风门阀位 8 1 5 西空气预热器出口风温 9 1 6 静4 磨温风门阀位 8 2 1 撑1 送风机入口风温 9 1 7 襻5 磨温风门阀位 8 2 2 舟2 送风机入口风温 9 1 8 撑6 磨温风门阀位 9 1 9 # 1 磨热风门阀位 9 2 5 孝1 磨二次风门阀位 9 2 0 # 2 磨热风门阀位 9 2 6 群2 磨二次风门阀位 9 2 1 # 3 磨热风门阀位 9 2 7 参3 磨二次风门阀位 9 2 2 # 4 磨热风门阀位 9 2 8 撑4 磨二次风门阀位 9 2 3 # 5 磨热风门阀位 9 2 9 撑5 磨二次风门阀位 9 2 4 # 6 磨热风门阀位 9 3 0 挣6 磨二次风门阀位 1 8 华北电力大学硕士学位论文 第四章锅炉经济运行有关问题的分析与研究 传统方法采用锅炉热效率作为锅炉经济运行的评价指标，而现在电厂对环保的 重视使得锅炉环保成本成为经济性评价的指标之一。锅炉经济运行所涉及的内容十 分复杂和广泛，针对该锅炉的运行情况，本章主要分析了蒸汽的分配、锅炉热效率 和吹灰优化问题。 4 1 受热面吸热量的分配 4 1 1 受热面吸热量计算 蒸汽温度是锅炉特性的指标之一，每台锅炉都有规定的额定蒸汽值，并且要求 运行中不能有过大的偏差。合理地分配吸热量使蒸汽温度保持在允许的范围对锅炉 经济运行有重要意义。锅炉水冷壁作为主要的蒸发受热面，吸收炉内辐射热量，使 水冷壁管内的水汽化，产生全部或大部分饱和水蒸气。过热器和再热器作为主要的 对流受热面，将饱和蒸汽或低温蒸汽加热成为达到合格温度的过热蒸汽。锅炉受热 面的吸热量与锅炉负荷密切相关，当锅炉负荷变化时，受热面管外烟气流速和管内 工质流速都发生变化，管内外传热系数随之发生变化，导致管内蒸汽的吸热量发生 变化，因此应该随着锅炉负荷工况的变化，合理地调整锅炉受热面的吸热量。受热 面的吸热量依据烟气侧和蒸汽侧的热平衡来调节。 烟气侧的对流放热量公式： q 珊= 【h ：一h ；+ a a 0j ( 4 1 ) 式中，为考虑散热损失影响的保热系数，w m 2 k ；h ：、h l j 为烟气在该受热面入 口及出口焓k j k g ；h ? 为口= 1 时漏入冷空气的焓，k j k g ；a a 为受热面的漏风 系数。 工质侧的吸热量公式： q d x ：掣峨 q 。；。a 昏h ；) b j 式中，d 为对流受热面内工质的流量，k g s ； 口及出口焓，k j k g ；b j 为计算燃料消耗量， 1 9 ( 4 2 ) ( 4 - 3 ) h ：、h ：分别为对流受热面内工质的入 k g s ；q 日为对流受热面所在区域内附 华北电力大学硕士学位论文 加受热面的吸热量，k j k g ；d 目为对流受热面内工质的流量，k g s ；h ；、h ；分别为 对流受热面内工质的出