燃煤电厂锅炉结渣在线监测与诊断技术的研究现状

崔恒

（华电新乡发电有限公司，河南新乡 453635）

燃煤电厂锅炉结渣在线监测与诊断技术的研究现状

崔恒

（华电新乡发电有限公司，河南新乡 453635）

在燃煤电站锅炉的运行中，炉膛水冷壁结渣是普遍存在的，也是影响锅炉安全经济运行的一个主要问题。近年来，随着对电站锅炉结渣机理及生成过程认识的深入和相应技术的日趋成熟，国内外已研发出多种结渣诊断技术及监控系统，并已成功地应用。介绍了国内外研究者对炉膛结渣在线监测与诊断技术的研究现状。

燃煤锅炉；积灰；结渣；在线监测

0 引言

在煤粉锅炉的运行过程中，锅炉受热面的非正常积灰、结渣会增加锅炉炉膛的传热热阻和烟道的通风阻力，从而成为影响锅炉正常运行的一个主要因素［1］。因此，为了保证煤粉锅炉运行的安全性和经济性，要了解锅炉产生积灰、结渣的机理及其造成的危害，并且研究如何及时采取措施，有效地预防和处理电厂锅炉积灰、结渣的现象。

近年来，为了降低成本，电力企业大多燃用灰分高的劣质煤以追求更大的经济效益［2］，而且我国电厂燃用煤多属于易结渣煤质，经常与设计值不符，这在一定程度上加剧了锅炉受热面的积灰结渣。受积灰结渣的影响，锅炉受热面的传热能力下降，产生高温腐蚀的几率也会增加，同时还有可能影响机组在正常负荷下运行，甚至会造成停机等严重事故，给电厂带来巨大的损失。针对这一问题，在实际运行操作中，常采用吹灰措施来预防受热面的严重积灰结渣，这也是公认的最直接、最有效的预防手段。目前，在国内的电厂锅炉中均配有可靠的吹灰设备，但是大多数电厂仅仅是按照预先设定的程序定时定量地吹灰，具有很强的盲目性，难免产生吹灰不足或吹灰过度的问题。吹灰不足难以起到预防效果，过度的吹灰会影响锅炉受热面的寿命，增加维修费用，甚至会造成短时烟尘排放超标，消耗大量不必要的能量。因此，有效地进行锅炉积灰结渣的在线监测和优化吹灰操作是我们需要解决的。

1 积灰结渣诊断技术与诊断系统应用现状

有效地清除锅炉受热面积灰，避免出现严重结渣现象，提高锅炉运行的安全性与经济性，首先应该全面了解炉膛内部积灰、结渣的情况。国内外研究者已开发出多种积灰结渣监控系统和诊断技术，有些已经成功地应用于锅炉的实际运行中［3］。目前已有的积灰结渣诊断技术主要有直接诊断、热流计诊断、水冷壁背面温差间接诊断和测量炉膛出口烟温诊断等方法。

1.1 直接诊断技术

直接诊断技术是直接利用仪器来观察锅炉受热面的结渣状况，从而判断出炉膛内的污染情况。受锅炉内高温以及飞灰等恶劣环境的限制，对直接用来观测炉内结渣情况的仪器设备要求很高，价格昂贵，因此对于直接诊断方法的研究并不多见。根据采取吹灰措施后炉内的相对反射率会减小的原理，Afonso等在炉膛不同方位设置了红外成像机来测量水冷壁的辐射发射率，然后根据测得发射率的大小决定是否进行吹灰。

研究者［4-5］采用傅里叶变换红外发射光谱，利用光谱识别二氧化硅、硫酸盐和硅酸盐等，来分析煤灰沉积物的变化。只是这种方法尚处在研究阶段，还未实现通过光谱特征来确定沉积物的成分和反应过程，若要用于锅炉受热面灰沉积过程的直接诊断仍需进一步研究。

1.2 热流计诊断技术

热流计诊断是将热流计作为传感器安装在水冷壁上，依据热流计表面的灰污情况建立数学模型，计算模拟出水冷壁的结渣情况。既可根据热流的变化判断炉内的结渣情况，还可以优化吹灰过程，使受热面保持较高的换热水平。目前利用热流计诊断炉膛结渣的技术在实验室和电厂运行中都有广泛的应用。

加拿大研究者研发了利用热流计针对炉膛结渣的监测系统［6］。该监测系统将圆盘式热流计（包括清洁热流计和灰污热流计）安装在炉膛水冷壁的易结渣部位。清洁热流计内装有空气吹扫装置，可以及时清除热流计表面的飞灰沉积，测量的数据为锅炉受热面所吸收的火焰辐射热流。灰污热流计同水冷壁一样会受到飞灰沉积，测量的数据为锅炉受热面实际吸收的火焰辐射热流。通过对比较清洁热流计和灰污热流计的所获取的数据，就可以判断出水冷壁内部的积灰结渣情况。

英国研究者采用圆柱热流计测量水冷壁吸收的辐射热流，并且结合锅炉运行参数进行计算，实现优化吹灰操作。该方法是将热流计直接安装在管子的表面，制作出一个可以流通工质的测量段，测量时会用该测量段代替炉膛内的某段水冷壁管。该积灰监测和吹灰系统已在锅炉上得以应用，并在提高锅炉效率、减轻受热面腐蚀和预防结渣事故等方面取得很好的效果。

Wynnyck等人［7］利用82只“沾污”热流计和13只“洁净”热流计建立了受热面积灰诊断系统，该系统在优化吹灰等方面发挥了重要的作用。也有研究者采用自制热流计实现了对炉膛结渣的监控和优化吹灰。热流计可安装在炉膛内的不同位置，进行炉膛结渣的局部或全面诊断，因而成为国外学者研究较多的积灰结渣诊断手段。但因其造价昂贵、维护困难等缺点也在一定程度上限制了热流计技术的推广和应用。

1.3 水冷壁背面温差间接诊断

清华大学武彬［8］提出了通过测量水冷壁背面温差来监测炉膛内部污染的思路。研究者将带有梯形鳍片的膜式水冷壁作为研究对象，利用有限单元法求解水冷壁温度场，建立温度与热负荷的关系，在线监测出水冷壁的局部热负荷，然后通过直接测量或炉膛分区段计算出清洁热负荷。对比二者即可判断出结渣的位置和严重程度，还可以大致确定出炉膛结渣的面积。只是该方法仅限于实验室内研究，到目前为止尚未见到有关电厂应用的报道。

1.4 测量炉膛出口烟温

在锅炉负荷不变的情况下，当锅炉受热面出现积灰结渣时，灰层的热阻会提升灰层外壁面温度，增强反向辐射，从而使受热面吸收的热量减少，炉膛出口烟气温度升高。根据炉膛烟温的监测，每当采取吹灰操作后，炉膛出口烟温会显著下降。

常见的炉膛出口烟温的测量方法有2种。（1）直接测量法。由于炉膛出口烟气温度很高，常规的热电偶难以承受，所以常用光学方法，如光学高温计等。还有一些像声学高温计、红外传感器等新方法［9］；（2）热平衡计算法，即间接测量炉膛烟温法。一般是在省煤器入口或空气预热器入口测得烟气温度，然后逆烟气的各流经段对受热面的热平衡进行计算，进而推算炉膛出口的烟气温度［10］。该方法存在一定的误差，只能从整体上反映炉膛内积灰结渣的特征。

2 其他诊断方法

在德国施陶丁格电厂＃5机组上安装有一种可以保持受热面清洁的新型锅炉结渣诊断系统。该系统依靠现有数据采集系统（DAS）在线测量数据，由分段热平衡和传热计算分别得出受热面的实际换热系数和理想换热系数。比较这2种换热系数即可得出表征受热面积灰程度的专门系数，进而实现吹灰器的优化吹灰。Ecxerd等［11］也提出了一种相似的吹灰器控制系统，该系统依据DAS采集的运行数据计算出受热面的实际传热系数，以控制吹灰器运行。

国内研究者文孝强等［12］将vague集理论引入燃煤锅炉的评判中并采用距离意义下相似度量新方法对4台锅炉进行了评判，实现了对当前运行锅炉的结渣状况的诊断。阎维平教授等以能量和质量守恒原理为基础，利用在线检测和锅炉机组的运行数据，开发了针对燃煤电站锅炉积灰结渣的在线检测装置和优化吹灰系统，节约了能源，提高了机组运行的经济性与安全性。国内各科研单位如清华大学、浙江大学和东南大学等也先后开展了相关的研究［13-14］，建立了受热面积灰监测模型，也开发了一些应用软件，实现了对受热面积灰结渣状况在线监测。

3 结束语

炉膛积灰结渣的在线监测与诊断技术可以作为运行控制的依据及时、准确地判断出炉内积灰结渣的位置和程度，优化吹灰操作，提高电厂运行的安全性和经济性。国内外研究者对该课题都进行了较深入的研究，取得了一定的成绩，但同时也存在着一些不可避免的问题。常用的积灰结渣诊断方法都存在有一定的缺点与不足：直接诊断法，一般需要昂贵的诊断设备和先进的测量技术，推广和应用都受到限制；热流计法是目前用于研究和应用最多的一种诊断手段，它可以诊断出炉膛不同位置处的积灰结渣状况，但是热流计的布置却比较麻烦，而且价格较为昂贵，从而限制了热流计法的应用，尤其是对于已投入运行的电厂，要运用该诊断方法更加困难；测量炉膛出口烟温的方法只能从整体对炉膛内部结渣的状况做出判断，而不能反映炉内结渣的具体分布情况，而且烟温也难以准确测量，计算过程也存在一定误差，所以该诊断方法只能作为辅助诊断手段。还有一些设想只是处于实验研究阶段。

相对于国际上来说，我国对于炉膛积灰结渣的在线监测与诊断的研究起步较晚，虽然取得了一定的成果，也有些系统已经在电厂投入运行，但是在国内大型机组中得以普遍应用仍有很长的路要走。因此，研究者仍需致力研究出一种使监测更加简洁、可靠，精度更高适应性更强的监测系统。

［1］岑可法，樊建人，池作和，等.锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算［M］.北京：水利电力出版社，1994.

［2］阎维平，郑占国.300MW燃煤电厂锅炉积灰结渣计算机在线监测与优化吹灰［J］.中国电机工程学报，2000，20（9）：84-88.

［3］盛昌栋，黄永生.国外煤粉炉结渣诊断与监控技术的进展［J］.锅炉技术，1997（8）：28-32.

［4］Baxte L L.Ash depositon during biomass and coal combustion；amechanistic approach，Biomass and Bioenergy［J］，1993，4（2）：85-102.

［5］Vassallo A M，Finnie K S，Palmisano A J，et al.Infra-red emission analysis of coal mineral thermal transformations［C］.Australian，1992.

［6］Chambers A K，Wynnyckyj JR，Rhodes E.A furnish wall ash monitoring system for coal fired boiler［J］.ASME，J. Eng.Powe，1981（103）：532-538.

［7］Rhodes E，Wynnychyj JR，Marr R.用于褐煤锅炉沾污控制的积灰检测系统［J］.热力发电译丛：1991（5）：14-21.

［8］武彬.电站锅炉受热面污染监测［D］.北京：清华大学，2000.

［9］魏铁铮，王平川，王建军.锅炉炉膛出口烟气温度的推算［J］.华北电力技术，1999（9）：14-16.

［10］沈国清.基于声波理论的炉膛温度场在线监测技术研究［D］.北京：华北电力大学，2008.

［11］Echerd R S，Zimmerman S A.Control of soot blowing in black liquor recovery boilers［J］.ISA Transactions，1987，26（2）：253-260.

［12］文孝强，徐志明，孙媛媛，等.一种评判燃煤锅炉结渣特性的新方法［J］.动力工程，2012，29（3）：223-227.

［13］阎维平，梁秀俊.300MW燃煤电厂锅炉积灰结渣计算机在线监测与优化吹灰［J］.中国电机工程学报，2000，20（9）：84-88.

［14］王斌忠，吴占松.煤粉炉炉膛结渣诊断的一种新方法［J］.热力发电，1999（6）：78-82.

（本文责编：齐琳）

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1674-1951（2016）11-0023-03

崔恒（1989—），男，河南商丘人，助理工程师，从事电厂锅炉设备检修方面的工作（E-mail：452747130＠qq.com）。

2016-08-17；

2016-10-08