锅炉受热面积灰结渣在线监测与优化2003.2.7

2020/2/181电站锅炉受热面积灰在线监测及优化吹灰系统的研究与实现上海泓奥电力科技有限公司2020/2/182锅炉吹灰实际现状我国锅炉的受热面污染都比较严重，一方面是因为吹灰器的问题：型号多，本身的吹灰原理、结构不合理，在使用中被烧坏、卡住，使吹灰器无法使用或效果很差。另一方面是吹灰的方式不合理，现在吹灰有两种方式，有的是定时吹灰，它不论积灰情况，到时间就吹灰；有的则是根据排烟温度的高低进行吹灰，排烟温度高就吹灰。存在共同的问题是：不能了解积灰的部位和具体情况，只能是盲目的不论积灰是否严重、是否应该吹灰、什么部位吹灰，锅炉受热面全部进行吹灰。这样既浪费了大量蒸汽，锅炉效率下降，又对受热面产生严重磨损。2020/2/183课题背景吹灰并不总是有益,存在最佳吹灰策略目前的除灰措施主要包括蒸汽吹灰、炉膛的水枪冲灰和尾部受热面的声波除灰等，目前主要以蒸汽吹灰为主。吹灰和积灰是两个截然相反的过程，后者增加受热面的热阻，降低能量的利用率；而前者通过消耗少量的能量，减小热阻，最终达到提高能量利用的目的。由于吹灰在增加传热系数、提高热流率的同时，需要消耗一定的能量，并对受热面造成腐蚀和磨损，因此，吹灰并不总是有益，吹灰器不恰当的运作不仅无助于提高机组的经济性，反而可能影响机组的安全运行（磨损爆管），这就存在一个最佳吹灰策略的问题。2020/2/184课题背景在对受热面吹灰策略的研究中，目前主要有两种思路：周期性吹灰和不定期吹灰。周期性吹灰通常假设积灰的增长是时间的线性或指数函数，然后以总能量消耗最小为目标，并结合设计和运行经验，在锅炉设计时便确定最佳吹灰周期，实际运行中按设定程序吹灰，这也是目前国内外电站锅炉普遍采用的吹灰方法.特点：以经济性为目标，但其假设可能与实际情况不符，尤其难以正确假设所有受热面上的积灰变化过程，而且一些设计时无法考虑的因素（如：燃用煤种的变化等）亦会对积灰增长状况和吹灰效果产生一定的影响，因此设计时设定的“最佳吹灰周期”往往并非最佳吹灰时机。2020/2/185课题背景不定期吹灰是近年来逐步发展起来的新的吹灰策略，它实时监测各受热面的清洁程度，并预先人为地将清洁程度划分为“清洁”和“脏”两种状况，根据运行中受热面清洁状况的变化确定是否需要吹灰。特点：不定期吹灰需要正确监测受热面积灰状况，依据监测结果确定吹灰与否，简洁直观。由于优化吹灰对机组经济性的重要越来越为人们所认同，该项研究逐渐成为电站锅炉节能领域的一个重要研究方向。2020/2/186课题背景国、内外研究现状：1、在受热面污染监测方面，加拿大滑铁卢大学曾开发了专门针对炉膛结渣的监测装置。该系统在炉膛水冷壁的易结渣部位安装了圆盘式热流计，这些热流计分为两类：一类是清洁热流计，另一类是灰污热流计。通过比较灰污热流计和清洁热流计的信号，可以判断出水冷壁的污染程度。英国BMS公司和德国的一家公司也有同类设备。部分大学利用热平衡模型计算洁净因子监测受热面污染，并在实际监测锅炉受热面应用中进行了探讨。2020/2/187课题背景2、目前常用热平衡法的研究思路：运用热平衡原理，建立基于在线监测数据的热力计算模型，采用在线热工参数的模糊表述和预处理，考虑煤质和负荷变化的影响。从机组运行的经济性出发，对表征受热面污染程度的因数进行合理的计算选取。在锅炉整体热平衡的基础上，从省煤器出口开始，逆烟气流向根据各段受热面特点进行热平衡和传热计算。即在已知受热面出口烟温，工质侧进出口温度等参数的基础上，分别由烟气侧和工质侧的热平衡方程，计算该受热面的入口烟温。根据热平衡方程得到该工况下受热面的实际传热系数，继而求出该受热面洁净因子(CF)。当CF＝1时，表明受热面处于理想洁净状态；CF小于1时，表明受热面偏离正常的受污染状态，CF值越小，表明污染程度越严重。2020/2/188课题背景3、在优化吹灰方面，传统思路是考虑热效率提高和吹灰蒸汽热损失的机组经济性研究。这也是过去几年主要的研究方向。但目前国外的一些研究者不再满足于吹灰仅仅用于提高机组经济性，而是更大程度地挖掘了吹灰的潜力，分析了吹灰和CO2、NOX等污染物排放、吹灰和蒸汽温度控制、吹灰和管道寿命之间的联系，并试图从这些新的角度出发制定吹灰策略。目前国内仅仅局限于受热面污染监测的研究。2020/2/189存在的问题前人的研究工作基本上对受热面的污染监测，还存在以下问题1、判断基准的选取及其计算不严谨目前，在根据热平衡方法进行受热面实际传热系数计算时，均单独采用单元发电机组的负荷作为判断的基础，实际上，机组负荷是一个综合量，不具有参数特征，它是与机组实际运行工况（如：机组负荷、煤质、漏风以及运行操作、设备状况等因素）有关的。2020/2/1810存在的问题2、锅炉是一个复杂的非线形系统，各受热面换热状况之间关联密切、相互偶合，前人的研究只考虑了某受热面吹灰对该受热面换热的影响，未深入涉及该受热面吹灰对其它受热面造成的影响。解决这一问题，不仅需要基础研究，更需要大量的现场实践工作。3、在制定吹灰策略时，一般主要考虑吹灰器运行的先后顺序和开始运作的时间，未考虑吹灰的强度（包括汽源的压力和温度、吹灰持续的时间等）以及吹灰对锅炉的运行参数和运行工况的影响。目前，仅实现了根据受热面洁净因子的变化来决定吹灰，还没有考虑锅炉实际运行工况对吹灰的频率和强度的要求。2020/2/1811存在的问题4、基准值不正确。以往研究中衡量受热面污染程度的基准值，多采用理想洁净因子或理想状态下的传热系数，该数值准确与否，对在不同工况下可靠判断该受热面的污染程度是很重要的，原计算模型对此问题的处理不够完善，准确度不高。5、目前，绝大部分研究还停留在依据受热面污染程度来判断是否需要吹灰的唯一或最主要的标准，只有少数的国外研究者考虑了吹灰和汽温、管道寿命等其它因素之间的影响，但目前研究不够全面，也不深入，未形成成熟的综合模型和适用的优化理论方法。2020/2/1812存在的问题6、炉膛辐射受热面和炉膛上部的半辐射受热面积灰的监测是个难点，目前国内外的研究报道均还没有解决这一难题。炉膛的吹灰不仅影响机组的经济性，更对汽温控制和污染物排放产生直接的影响，准确监测其污染状况显得十分重要。炉膛传热及上部的半辐射受热面的传热状况复杂，试图以对流为主的热平衡计算模型实现准确监测存在很大困难。2020/2/1813课题研究内容及目的一、合理选取基准值，探索计算方法结合实际机组在不同负荷下的大量运行数据，确定锅炉各段受热面污染程度的基准值。从DCS数据库中追忆出足够长时间的历史数据、历史曲线；通过数学模型从历史曲线中计算生成运行历史基准；根据历史基准测算出下一次吹扫的基准值，当烟温偏差超出此基准允许范围时发生吹灰命令；重复进行上述1—3，测算出再次吹扫基准值。保证基准值的动态修正。2020/2/1814课题研究内容及目的二、研究吹灰的综合影响研究吹灰和汽温控制的关系，受热面吹灰不仅对机组的经济性产生影响，作为锅炉系统的一个扰动，它还影响到机组的蒸汽温度。炉膛吹灰后，因炉膛出口温度降低，对流受热面吸热减少，在其他因素不变的情况下，主汽温和再热汽温均有降低的趋势。研究吹灰对受热面管道寿命的影响，影响管道寿命的主要因素包括热应力和热冲击、腐蚀性的烟气环境、周期应力、轴向拉伸应力、管道表面温度等。吹灰对将对管壁产生一定的热冲击，在增加传热系数的同时也提高了管壁的表面温度，对于原本便处于较高温度的管道来说，吹灰显得十分危险，很容易超过管壁的极限温度，从而造成爆管等事故。2020/2/1815课题研究内容及目的研究吹灰对污染物排放的影响。随着炉膛温度的升高，各种类型NOX的生成量都会有不同程度的增加。因此，在制定吹灰策略过程中，控制炉膛温度，对于抑制NOX的生成，尤其是热力型NOX，有一定的作用。随着炉膛吹灰器的运作，炉膛出口烟温降低，预示着炉内火焰温度降低，NOX生成量减少，排放量相应减少。完善锅炉受热面积灰分析计算模型。完善热平衡计算模型，特别着重于炉膛辐射受热面和炉膛上部的半辐射式受热面的计算模型，同时，尝试采用非机理模型的受热面污染程度的预测方法，研究这些受热面洁净度的新的定义方法，同时，结合实际监测软件的运行，改进热工检测参数的预处理方法，提高计算依据参数的可靠性，提高判断这些受热面污染程度的精确程度。2020/2/1816课题研究内容及目的开发和编制受热面积灰结渣在线监测计算软件系统独特的理论支撑。在以上理论研究的基础上，以青岛300MW燃煤锅炉机组为工程实施对象，建立基于优化控制的吹灰系统。优化吹灰系统的软件内容包括：1.热平衡计算模型。利用DAS系统中的工质侧参数和省煤器后烟气侧参数，建立基于神经网络的锅炉炉膛等辐射受热面污染监测模型，通过能量和质量平衡，实时计算各受热面的实际传热系数及洁净因子，监测受热面污染程度。2.灰污判断方法模型。利用在线监测的各受热面的洁净因子，判断受热面的污染程度。洁净因子综合考虑了负荷、煤种、时间等因素，是在线计算的，动态刷新的，总是能够反应受热面优化的（实际可达的）清洁程度。3.封闭的算法。吹灰系统实现利用已知参数通过数据予处理，推算出计算所需的未知参数，达到计算的封闭。4.经济性计算模型。包括总耗汽量（必须为已知）、锅炉效率等信息，从而直接反应出吹灰系统运行对机组经济性的影响。达到的目标：1.先进性：智能+优化2.针对吹灰优化的专门计算方法。目前国内外尚属空白。3.理念先进：开发出简单、直接、巧妙的吹灰优化思想。主要子模块功能：热工参数的预处理，过程变量和换热基础数据的计算，锅炉整体和各受热面传热计算，各受热面的积灰或结渣程度的判断，优化吹灰策略专家库，基于运行规则的吹灰运行指导和吹灰的闭环控制，模型的在线调试，历史数据存储与关联，计算机界面显示等。2020/2/1817课题意义众所周知，煤中都含有一定的矿物质，煤在炉膛中燃烧时，这些矿物质转化为灰，灰沉积在锅炉的各种受热面上，影响锅炉的正常运行，为此，必须解决如下几个问题：积灰的清除问题，如何在锅炉运行中自动或人工清除受热面积灰和沉积物，以保持烟气通畅，保证机组安全运行。1、由于受热面所沉积的灰层热阻很大，绝热性强，使锅炉远离设计值运行，不能达到相应的出力。2、受热面的寿命下降问题，由于积灰层或熔渣有较强的腐蚀性，致使金属被强烈腐蚀，管壁减薄而爆管。因为积灰使炉内传热恶化，炉膛出口温度升高，致使高温过热器局部超温，从而引起金属强度降低而爆管。2020/2/1818课题意义目前，随着锅炉容量的增大，炉内积灰、结渣、腐蚀的问题更为严重，这是由于如下因素造成的：炉膛容积增大，清灰困难，烟道尺寸增大，烟速烟温容易分布不均；大容量锅炉蒸汽参数高，壁温升高，易引起积灰和结渣；大容量锅炉对运行的安全性要求高等。通过本课题的研究、开发，可以确定各受热面吹灰时间，以达到效果最佳、受热面最清洁、消耗蒸汽最少的目的，实现智能吹灰。这样做无疑会解决现在运行人员吹灰操作“无法可依”的情况，何时吹、吹哪儿、吹多久，这些原来难以把握的操作，这套优化吹灰系统可以帮你实现。2020/2/1819感谢青岛电厂各位领导的支持预祝电站锅炉受热面积灰在线监测及优化吹灰系统的研究与实现取得圆满成功！