基于實時數據的鍋爐尾部受熱面清潔因子算法研究

摘要：基于熱平衡原理，采用DCS監測系統實時運行數據，針對具體低溫受熱面，進行了清潔因子算法流程的設計，并描繪出其隨時間變化的曲線圖。分析比較了清潔因子不同算法的優缺點，針對空氣流量監測不準、低溫受熱面結構交錯布置、測點數量不多且分布不均等問題，提出了以煙氣擋板處煙溫為基礎，整體處理尾部煙道受熱面熱平衡的計算方法。

關鍵詞：清潔因子；在線監測；算法設計

前言

從現有研究看，目前對于爐膛受熱面的積灰監測主要采用高溫熱流計，尾部煙道內受熱面的積灰監測主要采用煙氣-工質熱平衡法計算，計算數據采用鍋爐實時監測數據。尤其是對鍋爐尾部受熱面的積灰計算，要求鍋爐負荷必須保持穩定，這和實際運行時有很大的差異，實際運行時鍋爐負荷往往是變化的，而鍋爐負荷對積灰特性的計算影響較大，根據變負荷下的實時監測數據計算的清潔因子并不能準確反映受熱面的真實積灰狀態。另外，現有的積灰特性計算方法研究，由于缺乏煙氣側溫度數據，采用了由工質吸熱量，基于煙氣-工質熱平衡方法，來解算煙氣溫度，再進行清潔因子計算的方法（如圖1所示），解算流程是：空預熱器-省煤器-低過-低再-高再-高過。然而，對于300MW機組的鍋爐來說，省煤器、低過和低再布置在同一個尾部煙道內部，而且低過的受熱面和低再受熱面管束交錯重疊布置，很難明確區分煙氣進口和出口，以及煙氣量，更不用說計算煙氣側進出口溫度了。本文研究者曾經采用上面的解算順序，進行了尾部受熱面積灰特性計算，發現根本無法反映受熱面的積灰特性變化規律。

圖1 傳統清潔因子計算流程圖

1彭城電廠300MW燃煤鍋爐DCS系統測點分布

本文研究的具體對象是彭城電廠一臺1025t/h亞臨界壓力自然循環鍋爐。型式是：亞臨界壓力、一次中間再熱、單爐膛、燃燒器布置于爐膛四周、切圓燃燒、尾部雙煙道結構、采用煙氣擋板調節再熱汽溫、固態排渣、全鋼架懸吊結構、平衡通風、半露天島式布置。計算數據來自某日DCS運行參數數據庫，該日鍋爐負荷較為穩定，中間有一次吹灰操作，符合本文研究條件。該電站鍋爐DCS數據實時監測系統，在各監測位置有兩個測點，同時記錄兩組數據。本文數據采集的方法是：每隔30秒采集一次數據，以五分鐘內的平均值為一次記錄值。計算中，每個時間點的參數值，為兩組數據的平均值。

該電廠DCS系統測點在尾部煙道的分布情況為：

1.煙氣溫度測點。中隔墻上部兩側（即前轉向室和后轉向室），低過出口（即省煤器入口）， 省煤器出口，低再出口，煙氣擋板處，共六處煙溫測點。

2.工質熱工參數測點。汽包，再熱器噴水減溫器前（即低再出口），過熱器1#噴水減溫器前（即低過出口），低再事故噴水器后（即低再入口），省煤器入口，共五處工質熱工參數測點。

具體分布如圖2所示：

圖中：●為水或蒸汽溫度、壓力、流量測點，共5處；▲為煙氣溫度測點，共6處。

圖2 鍋爐尾部煙道DCS系統測點分布

2基于電廠DCS系統的鍋爐受熱面積灰在線監測模型

現代鍋爐DCS系統在鍋爐尾部對流受熱面中的監測點比較全面，很容易實現在線監測。首先通過物質平衡和能量平衡，先計算出煙氣在中隔墻兩側的分流比例，然后再采用熱平衡法，根據受熱面進、出口煙氣或工質的參數，以及鍋爐本體的結構尺寸，就可以計算出受熱面的熱流密度。通過其他的軟件和設備將熱流密度直接展示在監測屏幕，就可以實時獲取受熱面灰污狀況。清潔因子作為表征受熱面積灰程度的參數，被廣泛應用于在線監測燃煤鍋爐受熱面灰污狀態的研究領域[1]，本文也采取CF監測形式。

式中：λ均煙溫下的煙氣的導熱系數； 管子直徑； 煙氣流速，； ，q為單位時間通過的流量，； 煙氣運動粘度系數； 普朗特準則數， ， 為煙氣動力粘度系數， 為煙氣定壓比容，λ為煙氣的導熱系數； 管子沿煙氣流程排數的修正系數； 管簇橫向與縱向管節距修正系數；

式中： 蒸汽的流量； 受熱面積； 、 蒸汽進入受熱面的出、進口焓；

3各對流受熱面清潔因子計算流程及變化曲線

各對流受熱面清潔因子計算中，理想傳熱系數的計算基本不變，但實際傳熱系數的計算流程因各受熱面測點位置不同而有較大差異，上述傳統清潔因子計算流程已不適用。本文根據不同受熱面已知參數，分別設計了實際傳熱系數計算流程。

3.1省煤器

省煤器清潔因子計算中，首先要確定中隔墻兩側煙氣流量。本文采用低溫再熱器出口、省煤器出口以及煙氣擋板處煙溫分布確定中隔墻兩側煙氣流量，即：

式中： 、 低溫再熱器、省煤器處煙氣流量比例； 、 、 低溫再熱器、省煤器出口、煙氣擋板處煙氣焓值。

有相關論文采用省煤器出口、低溫再熱器出口以及空氣預熱器進口的煙焓，計算中隔墻兩側煙氣流量，這兩種方法的比較在下面篇章將做具體分析。

根據DCS測點分布，本文的已知條件是進出、口煙溫，進口水溫為給水溫度，出口水溫未知，因此，必須根據熱平衡原理先計算出出口水焓，才能得到出口水溫，進而完成下面的計算。具體流程見下圖：

圖3 省煤器實際傳熱系數計算流程圖 圖4 省煤器清潔因子變化曲線

計算中，省煤器側煙道內煙氣流量較小，清潔因子計算受其他因素變化較大，因此在鍋爐有吹灰動作時，清潔因子變化較為劇烈，個別數據失真。但總體來看，清潔因子的變化趨勢能正確反映出省煤器受熱面積灰狀況，清潔因子隨時間增長而逐漸減小，在鍋爐吹灰完成時，又有較大增加，完全符合實際情況。

3.2低溫過熱器

蒸汽在低過進口處沒有溫度、壓力測點，采用汽包出口時蒸汽參數。出口蒸汽溫度為1號噴水減溫器前的溫度，出口煙溫為省煤器進口煙溫。計算中，不采用低過進口煙溫測點數據（后轉向室煙溫），具體流程如下圖：

圖5 低過實際傳熱系數計算流程 圖6 低過清潔因子變化曲線

省煤器和低溫過熱器同位于中隔墻后部，煙氣流量和積灰狀況應相差不大，因此，兩者的清潔因子變化規律也相同。由于缺少進口蒸汽參數，低過進口蒸汽采取汽包壓力下的飽和蒸汽溫度，計算出的進口煙氣溫度比實際值要大。但是，這種整體計算方法能正確反映清潔因子變化趨勢，在鍋爐灰污監測計算中，此方法是可取的。

3.3低溫再熱器

低溫再熱器位于中隔墻前部煙道中，此處布置有很多其他受熱面，如前墻過熱器、側包墻過熱器等等，結構較為復雜，在采用熱平衡計算時，低溫再熱器管道內側工質吸熱并不等于管外煙氣放熱，因此，在計算低溫再熱器進口煙溫時必須采用尾部煙道整體焓降法。進口蒸汽溫度為低再事故噴水減溫器后溫度；出口蒸汽溫度為1#再熱噴水減溫器前的蒸汽溫度；出口煙溫已知，具體流程如下圖：

圖7 低再清潔因子計算流程圖

圖8 低再清潔因子變化曲線

低溫再熱器位于中隔墻的前部，積灰狀況與前兩者稍有不同。低溫再熱器處煙氣流量較大，對吹灰動作造成的溫度變化的反應程度沒有前兩者劇烈。低溫再熱器清潔因子變化較為平和，這是由于其受熱面積較大，工質和煙氣流動較穩定，受其他因素干擾較小，計算結果較為理想。

4與其它算法的比較

4.1煙氣流量計算

在計算中隔墻兩側煙氣流量時，本文采用省煤器出口、低溫再熱器出口以及煙氣擋板處，三者的煙溫大小進行計算。有人認為采用煙氣擋板溫度不太準確，原因是，中隔墻兩側煙氣在流經煙氣擋板時，并沒用完全充分混合，其溫度不能當作混合后的煙溫，應該改用空氣預熱器進口煙溫進行計算，如圖10：

圖9 空預器進口煙溫計算流程圖

圖10 省煤器清潔因子變化曲線圖

明顯，此方法不適于受熱面積灰特性研究。原因：鍋爐DCS系統監測空預器進出口一、二次風流量偏差較大，漏風系數又進一步增大進口溫度偏差。本來三者溫度相差不大，計算中，即使某一參數有較小偏差，也會結果造成較大影響。

4.2前轉向室煙溫計算法

低熱器清潔因子計算中，要采用前轉向室溫度計算，則低過進口蒸汽溫度未知。雖然進口蒸汽焓很容易算出，但是，過熱蒸汽焓是關于溫度和壓力的高次方程，不適用于計算機進行大批量數據的計算。因此，要采用前轉向室煙溫計算法，只能對進口蒸汽溫度進行估算，或者直接采用汽包壓力下的飽和溫度。下面是采用這種方法計算出的低溫過熱器清潔因子變化曲線：

圖11 低溫過熱器清潔因子變化曲線圖

此變化曲線明顯不符合實際情況。前面提到，鍋爐低溫受熱面結構比較復雜過熱蒸汽從汽包出來后經過多個包墻過熱器和中隔墻，流程較長。在熱平衡計算中，煙氣焓降并不能簡單地等于單個設備中工質的焓增，蒸汽溫度較實際情況有很大差異，單獨計算各個設備清潔因子肯定會有很大誤差，甚至不能正確反映真實受熱面灰污狀況。在尾部低溫受熱面清潔因子計算中，必須要采用整體法，全局把握受熱面傳熱情況，最大可能地減小計算誤差。

4.3低溫再熱器進口煙溫計算

和低溫過熱器一樣，低溫再熱器也處于傳熱較為復雜的尾部煙道，它的清潔因子的計算也要采取整體法，其計算方法的差別是在于進口煙溫的確定。本文在計算低溫再熱器進口煙溫時，采用尾部煙道整體焓降法間接計算。

另一種方法是，以前轉向室煙溫為低溫再熱器進口煙溫，按照低溫再熱器垂直和水平受熱面的大小估算低溫再熱器水平段出口蒸汽溫度。下圖為該方法的清潔因子計算結果：

圖12 低溫再熱器清潔因子變化曲線圖

從圖12可以看出清潔因子逐漸降低，但顯示不出中間吹灰過程，顯然不是實際灰污狀況的真實反映，該方法不能作為尾部受熱面灰污特性研究的計算方法。這也同時證明了在研究鍋爐低溫受熱面積灰特性研究中采用整體法計算清潔因子的必要性。

5總結

本文提出的以煙氣擋板處煙溫為基礎，采用整體法處理尾部煙道熱平衡的解算思路，能準確地反映出清潔因子的變化情況，與其它方法相比較，該解算設計摒棄了尾部受熱面結構復雜、氣流紊亂、傳熱對象不單一等情況，避免了系統測點數量不多、分布不均的問題，使計算簡單、實用，結果穩定可靠、更貼近實際情況。

參考文獻

[1] 閻維平，陳寶康 電站鍋爐回轉式空氣預熱器積灰監測模型的研究，《動力工程》，2002-04-15

[2] 張逸祥，基于實時數據庫的生產優化管理實現策略，《電力技術》，2010

作者簡介：

王國紅（1972.12），男，河北井陘人，工程師，長期從事火電機組運營以及節能管理