大型燃煤锅炉智能吹灰系统研究.pdf

东南大学 硕士学位论文 大型燃煤锅炉智能吹灰系统研究 姓名马波 申请学位级别硕士 专业动力机械及工程 指导教师向文国 20080229 摘要 摘要 国内电站锅炉主要以煤作为燃科．在锅炉运行过程中，锅炉受热面将不可避免地出现灰污现象． 燃煤电站锅炉受热面积灰结渣对机组的安全经济运行有重大影响。在锅炉运行中，准确监测炉内备 受热面的结渣、积灰程度和发展趋势，并根据积灰结渣的状况和运行需要，及时有效地采取吹灰清 渣措施。显得十分重要。电站锅炉污染监测配以合适的吹灰控制系统．建立一个数据采集、灰污状 态监测与诊断、实时闭环控制与吹灰优化运行操作指导功能于一体的智能吹灰系统．显得十分有意 义。本文针对锅炉受热面积灰、结渣污染危害严重的普遍现象，以广西北海市国投北部湾电厂3 0 0 M W 机组l 埔目炉为具体对象，进行了有关电站锅炉受热面积灰、结渣在线监测和吹灰优化控制系统的研 究工作． 为了实现锅炉智能吹灰系统，本文主要研究了电站燃煤锅炉受热面灰污状态在线实时监测和吹 灰控制系统的理论与方法．本文利用V i s u a lC ．H 软件工具，基于O M I ∞I N 可编程控制器 P L C 和 C o n l x o X2 0 0 0 组态软件构成了一种新型锅炉智能吹灰系统．讨论了控制系统的功能和特点．给出了 控制系统的硬件构成和软件设计，开发了相关的程序模块。利用C a m b o X2 0 0 0 组态现场操作画面， 操作界面简单明了，方便易用。 所开发的智能吹灰系统，经过了大量实验的验证和在线调试，已经应用于广两北海市国投北部 湾电厂3 0 0 M W 机组l 确目炉。实际使_ I } J 证明，所建模猬能止确反映备受热面的污染系数的变化，该 系统能有效反映备受热面的污染情况．能够给出吹灰优化的初步基本指令，有良好的控制效果和高 度的可靠性，能够有效解决捧烟温度偏高和管壁磨损严重的问题．提高机组运行的安全性和经济性． 关键词电站锅炉积灰结渣；在线监测；吹灰优化；控制系统 P o w e rp l a n t sm o s t l yu s ec o a l 衄f u e l ．D u r i n gt h e0 1 1 Ⅺa t i o no f l l ”b o i l e r , t h eh e a t i n gs 耐h ∞ i n 州t a b l ye l l c o u n t a “ f o u l i n gI ，r o b l c m s ．T h c8 s hd e l m i t i n ga n ds l a g g i n gO nt h eb o i l e rh e a t i n gs u r f a c A ％h a s g r e a ti n n u e n c e s0 1 1t h es a f e t y 衄dt l a ce e o u o m i e ．a lo l 脚t l i o no f t l 他e o n l f i r e db o i l e r Ji np o w e rp l a l a t s ．I ti s i m p o r t a n tt om o n i t o ra n dv i s u a l i z e 曲∞f o u l i n ga n di l a g g i n gs t a t eo f ab o i l e ra n de a n yo u te f f c 时i v e l y s o o t - b l o w i n ga n dc l e a n i n gs l a gi nt i m ei nw e l l 目l C C O l d a n c ew i t hs p e c i f i cs i t u a t i o na n do p a r a t i o l t ln ∞dT h e o n - l i n em o n i t o r i n go f f o u l i n ga n ds l a g g i n go f u t i l i t , lb o i l l th c a l 自H f 确m t l s tm t e hw i t h p ∞p 日 s o o t - b l o w i n ge o t a t r o ls y s t e m ．S oi ti se x t r e m e l ym , Ⅻl i n g f u lt ol m i l d Ⅻi n t e l l i g e n ts o o t - b l o w i n gs y s t e m , w h i c hi n t e g r a t e sd a t ae o l l e c d n g ，h e a t i n gB l l l r f { l c cf o u l i n gm o n i t o r i n g , s o o t - b l o w i n go l H i m i z a t i o ua n d d i a g n o m ．n n dr e a l - t i m ed o s e d - l o o pc o n t r o l l i n g ．I no r d e rt oa o i v c 山cp r o b l mo f a s hd e p o s i t i o n 叫 s l a g g i n gO Ut h eh e a t i n gs u r f a 嘲o f e o a l - f i r e db o i l e a - s , t l a i sp { I p 日f o c u s e sO nc l c v e l o p i n gaO i l - l i n ea s h d e p o s i t i o uM ds l a g g i n gm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t 蜘af o rt h ct h cu t i l i t yb o i l e rh e a t i n g 嗣Ⅱ慨．A n dm c s 螂∞，w h i e l ar c a l i z 目t h eo o t i m i z a t i ∞o f t h es o o t - b l o w i n gc o n t r o l , h 觞b e e na p p l i e dt o3 0 0 M WB o i l a “ N o ．1i nB e i l 口u w a nP o w e rP l a n ti nB e i h a i8 1 8 ∞e x a m p l e ． T or e a l i z et h ei n t e l l i g e n ts o o t - b l o w i n gs y s t e m , t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h et h e o r i e sa n dm e t l l o d so f t l a e ∞一l i n em o n i t o r i n go ff o u l i n go nu t i l i t yb o i l e rh e a tl a u f a ％n n ds o o t - b l o w i n gc o n t r o ls y s t e m ．B a s e d 蛐 O h I R o NP L Ca n dt h eC o n t r o X2 咖c o n f i g m “ a t i o t il o t t w n r c ．t h ep a p e rp r e s e n t e dan e w - t y p ec o n t r o l s y s t e mo f b o i l e rs o o t - b l o w i n go p t i m i z a t i o n , d i s e m l ∞dt h ef u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co f c o n t r o ls y s t e m , a n d d c s i g n e dr e l e v a n tc o n t r o ll ∞r o g r a mb l o c k s ．1 1 ”p r o e e uf l o w s h e e 但I l l r cc o n f i g u r a t e du s i n gt h cC o n t t o X2 0 0 0 ． T h ed e v e l o p e d i n t e n i g a t l ts o o t - b l o w i t l g | 恻日mi ss i m p l ea n de a s yt oI I ％． A t t e ral a r g el a m b e ro fs o o t - b l o w i n g , l e l , u g g i , l ga n ds o o t - b l o w i n ge x p e r i m e n t s ，t h ei n t e l l i g e n t s o o t - b l o w i n gs y s t o mh ∞b e e nu s e dl oN 0 ．I3 0 0 M W - b o i l e ri nB e i l m w a nP o _ t C I rP l a n t ．A p p l i e a t i ∞r e s u l t s s h o wt h a tm ef o u l ／r i g m o n i t o r i n gm o d e l se o m 捌yz t f l e e tt h et l ℃n d s o fh e n t i n gs n r f n r , es m u d g i n , n c ‘墒c i 伽c ya n d 峨f o u l i n go f 融l a e n t i n gs u r f a c e ．T h e y s t c m 啪b cu s e dt ol , e r f o m 也eb a s a l i m t n l e t i o nf o rt h es o o t - b l o w i n gO l p t i m i z n t i o n ．mc o n t r o ls y s t e mp o s s e s s e sah i g hr e l i a b i l i t , ／．I t 锄l o w e r t h ee x l l a t t s tg a st e m p e r a t u r eo fab o i l e rI , y2 ．．- 6 ℃，l 删t h ee r o s i o no ft I l b 镐∞u s e db yf o u l i n g , a n d 岫v et h e ∞危t y 柚de c o n o m yo f u t i l i t yo p e r a t i o n ． K e y w o l d s u t i l i t y b o i l e r ；, f o u l i n g a n ds l a g g i n g ；s o o t - b l o w i n g o p t i m i z a t i o n ；c o n t r o ls y s t e m n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果．尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材科。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容。论文的公布 包括刊登 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名曼垫导师签名 期二二g ．’ 第一章绪论 1 ．1 课题背景 第一章绪论 1 ．1 ．1 火电厂燃煤锅炉结渣、积灰机理概述 我国电站锅炉以燃煤为主，发电厂燃煤锅炉由于燃煤品质、成分的波动性比较大，因此其灰分 的成分也比较复杂。当软化温度较低时，锅炉各部分受热面非常弈易不同程度地伴随有矿物质的沉 积现象．发生在烟气侧的灰污现象，是由于煤中含有不可燃矿物质，以及燃烧中的衍生物，在受热 面上发生物理和化学沉积导致的I l J 。这种现象在本文中，将统分为两类结渣和积灰． 结渣发生在炉膛水冷壁，卫燃带、屏式过热器、凝渣管等辐射或半辐射受热面．以及靠近炉膛 出口的部分对流受热面，在炉膛下部冷灰斗也可能发生结渣现象。这些部位的烟气温度较高，在燃 烧过程中。软化或者熔融状的灰颗粒粘结在受熟面上不断生长、积累．形成覆盖层。煤粉炉产生结 渣的机理是，燃烧过程中融化了灰渣．若在凝向以前冲刷到水冷壁或高温段受热面上，一且牯结上 去即产生结渣。就煤粉锅炉来说，其火焰中心区域温度很高，煤的灰粒一般毕熔化或软化状态．当 以液态或’F 液态的渣粒即熔融的灰粘结在受热面上或锅炉炉墙上．将形成一层紧密的灰渣层，这层 灰渣层就称为结渣”J ．形成结渣的基本条件是受热面罐温高、表面粗糙度人和灰熔点低。结渣的特 性是一个自动加剧的过程．受热面一且结上第一层渣之后，由于渣层热阻人，使传热过程恶化，结 果导致炉内烟温和渣层表面温度均升高，再加上渣层表面粗糙．灰渣就易于粘附上去，为结渣的继 续发展创造了有利条件。使渣越结越厚。 积灰一般发生在锅炉烟温较低的区域，如对流过燕器、再热器、省噤器和空气预热器等低温受 热面上。这些部位的烟气温度低丁煤灰的软化温度，沉积物大多由嗣态b 灰颗粒堆积形成，州态E 灰颗粒之间有清晰的界限I jJ 。外表面有时发生部分烧结，形成一个比较硬的壳．低温受热面由于酸 性结露和腐蚀导致的b 灰沉积也属于积灰。积灰的机理不同于结渣．由于在锅炉烟温 6 ∞～7 ∞℃ 区 域里的碱金属的凝结已经终结，不致在管壁上产生粘结性内灰层。飞灰含有各种不同的粒度，一般 均小于2 0 0 “m ，但大部分是t O ～2 雠蛐。其中粒度小于3 0 1 a n 的飞灰，由于分子力吸附作J 【f j ，静电感 应和管肇粗糙度等物理综合作用，沉积在管壁上，即称为积灰。在一般情况下，积灰状态是干松性 的，极易被吹走或自行脱落，但其热阻力仍较大，对锅炉的热力工作影响也很大。 1 ．1 ．2 火电厂燃煤锅炉结渣、积灰的危害及解决办法 轻度结渣和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，因而所引起的附加热阻在受热面总传热热阻中r 与主导地位，如得不 到及时清除，必将显著地影响传热。锅炉运行中的实测也表明，当炉膛积灰厚度由l 毫米增至2 毫 米时，传热效率减少2 8 ％[ 4 1 ．传热效率的降低必然导致经济性下降．为满足负荷的要求，往往还要 增加燃料量以增加吸热，从而增加了机组的煤耗。轻度的结渣和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。因此会降低锅炉水冷壁的吸热量。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 进结渣、积灰的进一步发展 结渣、积灰面积的增长 。而即使对燃_ } l j 不易产生灰沉积的煤种，可 能不具备产生严重结渣、积灰的条件。但冈时效作用，已有的沉积层会烧结、部分熔融，枯性增加 而有利于后续b 灰的吸附，灰沉积也会逐渐恶化直至平衡。国外经验表明，一台设计良好的四角切 圆燃烧锅炉，燃川灰分为6 ％～1 0 ％、挥发分为2 5 ％～3 8 ％的不结渣煤，在连续运行5 0 0 0 h 后，炉 膛也会出现轻微结渣，而炉膛出口烟温则由1 2 3 0 ℃升至1 4 0 0 ℃。我国有研究表明，长期不吹灰，灰 东南大学颀f 学位论文 沉积使中等容量锅炉 2 0 0 M W 捧烟温度升高1 5 ～1 8 ℃，相当于锅炉效率降低0 ．9 ％～1 ．2 ％[ 4 1 ．当燃刚有 结渣积灰倾向煤种时，锅炉效率则会降低更多。 锅炉受热面积灰和结渣灰还会促进受热面的腐蚀，当煤中S 、a 和碱金属元素的胄量较多时， 往往同时发生严重的灰污和高温腐蚀p J 。煤中的碱金属化台物，在高温条件卜发生升华，然J 乔冷凝 在温度较低的受热面管肇上。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。 锅炉受热面的严重结渣和积灰还可能诱发运行事故．导致设备损坏。甚至造成人员伤亡。当炉 膛水冷壁上部有大渣块形成时，在自重和炉内压力波动或气流扰动的作片{ 下，人渣块会突然掉落。 如果渣块足够大，对炉底冷灰斗的动态冲击力将非常大，有可能损坏设备。渣块掉落在冷灰斗上， 还会使水冷壁产生振动，引发更多的落渣．由于炉内结渣的温度很高，渣块的热容较大，短时间内 大量炽热渣块落入渣池，蒸发火量水蒸气，会导致炉内压力的人幅度波动。压力波动超过一定限制 时，会引发燃烧保护系统误动作，切断燃料投放，导致锅炉灭火或停炉． 可见。结渣和积灰无论是在炉膛还是对流受热面．都将对锅炉产生不利的影响，而欧灰是一个 有效的解决办法。吹灰器是利J } I 一定的吹灰介质 水，蒸汽、声波、燃气等 消扫受热面，清除受热面 表面的污垢，使得其表面恢复清洁状态． 1 ．1 3 吹灰器目前现状及吹灰优化的必要性⋯1 1 一般来说，吹灰与不吹灰相比较．可以降低择烟温度1 5 ℃左右．锅炉效率提高l ％～2 ％。美国 和两欧一些国家均将吹灰器作为确保机组安全经济运行的重要手段，其吹灰器的投川率普遍较高． 而我国的欧灰器投运率则较低。据1 9 9 2 年电力部州安热J 研究所的调卉，国产吹灰器的平均投H J 率 仅为2 7 ％．进口吹灰器除前苏联生产的投H 】率不到4 ％，平均投H J 率为4 I ％。2 0 0M w 机组锅炉的吹 灰器投J } j 率还不到2 2 ％．6 0 0M W 及以F 机组吹灰器平均投H j 率3 6 ％，几乎没有锅炉吹灰系统全套 正常投J 【f j 的机组。 吹灰器的运作是用一定量的介质消耗来换取受热面的清洁。因而其运作本身要消耗一定成本． 蒸汽吹灰的耗汽量一般占蒸汽总产量的l ％，消耗锚炉热效率的0 ．7 ％．电厂效率的0 ．1 ％。如果不及时 吹灰，虽然降低了吹灰器消耗热量．但是由丁受热面受到污染将导致锅炉效率降低；如果过丁频繁 吹灰，虽然保证了受热面的清洁．提高了锅炉的热效率．但是吹灰器消耗热域也将犬人增加。此外． 还要有安全性的考虑。吹灰不及时将使碍受热面表面温度升高。导致高温腐蚀；过丁频繁将破坏管 壁外的氧化膜保护层．使得磨损加大．据报道国外某2 2 0t ／h 页岩炉，平均每昼夜吹灰1 8 ～2 0 次，吹 灰器附近管子磨损2 毫米，年。在安全性的前提下，吹灰器的运作必定有一个经济性平衡点。目前在 许多电厂中，吹灰器的运作大多是由运行人员根据经验，定时将全部受热面吹扫一遍，这样很难找 到经济平衡点。故从安全性和经济性角度考虑，应该对吹灰器的运作加以优化。H j 计算机代替运行 人员的经验判断，在安全性的前提之‘F ，根据经济性的原则，_ I { j 不定时的动态调度代替定时吹灰． 由计算机根据实时参数进行判断．并给出吹灰运行的费绶比。何时吹灰、吹扫哪块受热面、投运几 个吹灰器就成了吹灰优化的核心内容。 在锚炉蒸汽吹灰方案的制订方面，大多电厂是根据锅炉制造单位所提供的设计说明书中的要求 或根据其它己投运电厂类似设备的运行经验制订．这些做法实际上可能都带有盲目性，人为冈素起 了相当大的作用。这将有可能导致锅炉中积灰严重的受热面得不到及时吹扫，使得过热器或再热器 汽温升高．撵熘温度升高。也有可能致使积灰轻微的受热面频繁吹扫，容易导致锚炉爆管． 随着火力发电厂计算机控制和数据管理系统的不断完善，对人型现代化发电机组安全经济运行 的要求越来越高．迫切需要在机组实时监测数据的基础上，对机组运行的安全经济性进行可靠的在 线分析，为机组的运行提供直接在线的或间接的运行指导，提高机组的安全与经济性和现代化计算 2 第一牵绪论 机管理的水平，同时，对进一步发挥现有控制监测装置和计算机系统的潜在作用具有重要的意义． 因此开发一套大獭火电机组吹灰优化控制系统对提高企业的生产效率和经济效益有着重要意 义，适合企业未来发展的需要． 1 ．2 选题背景及国内外研究现状 近年来。国内外许多研究机构对燃煤电厂的锅炉结渣积灰在线监测、计算和优化技术做了一定 的研究，部分还进入了实H j 阶段． 国外对锅炉欧灰优化的研究起步较早。纽约州电力燃气公司和通用物理公司联合开发的s O O t - b l o w e r A d v i s o r 专家系统，已应用于哥伦比弧l 台6 4 3 M W 机组。此系统使用锅炉和汽轮机循环中的关 键参数测龋值来确定锅炉不同部位的清洁因子，帮助运行人员确定吹灰策略。S R 4 是德国一个运行 优化管理系统S i e n e r g y q b 的机组效率分析优化模块。S R 4 系统对锅炉受熟面的沾污计算如下对锅炉 中不同区域的受热面进行传热效率计算．如果炉膛区域受热面沾污，会使炉膛的热交换后移，引起 减温水量、捧烟温度等发生变化。通过计算以指导吹灰器进行区域性的不定期吹灰．瑞士A B B 公司 的O v 6 m a x 是在线的电厂效率计算软f l 包，其锅炉清洁模块可在线计算换热面的清洁度和每个换热面 的烟气入口温度．结果H j 于优化锅炉吹灰器的运行程序。邦德里达姆3 埔* 炉采用脏、清洁热流计监 测炉膛沾污．对流区划根据烟温、I 质温度计算沾污系数．来监测受热面的清洁状态。 油i g h 人学也从2 0 世纪7 0 年代就开始致力于锚炉智能优化吹灰的研究，通过数据挖掘方法以发 现锅炉灰污和吹灰对蒸汽温度，机组热耗，N O x 币l 烟尘柞放域的影响，对各吹灰器的特性进行描述[ t 2 1 。 利_ I I j 热平衡、烟气灞度测肇、管肇温度和热流越测域、视频幽象和对流烟道压降等方法对灰污情况 进行监测．并提山以满足N O x } q l 烟尘摊放标准、最小发电费H j 和避免不可控灰污为不同优化目标的 吹灰策略优化方案，还对吹灰控制的离线指导羽l 在线专家系统闭环控制两种方式分别进行了理论研 究。目前．包含以上功能的实川软件还处丁研发过程中。 2 0 世纪7 0 年代．1 亓期以米，随着计算机技术和控制技术的发展，美国电力科学研究院 E P R I 联合相关电力公司和屯站麸同开始对锚炉受热面灰污在线监测问题进行全面研究。八十年代末，人 工智能在电站锅炉受热面灰污监测中得剑戍刚．此后E P R I 陆续组织召开了多次智能吹灰专题研讨 会，1 9 9 3 年美国国家科学基金会和E P R I 联合召开的专题会议已把吹灰投用时间优化安排作为一项 改善电站机组性能的重要研究内容。第四届智能吹灰专题年会丁2 0 0 2 年3 月在美国休斯顿召开，会 议交流了智能吹灰最新的研究动态与进展。目前E P R I 已研究开发出I S B 智能吹灰系统 ，并已在 多家电厂投入试用””。 西屋公司提供了一套全新过程优化和高级控制产品，致力于通过减少电厂运行成本来提高电站 竞争实力。这套产晶被称为S m a r tP r o c e s s T M ，它是一套由优化器和顾问器模块组成的智能软件。其 中包括吹灰优化和指导功能。吹灰优化器使用神经网络’I 具确定欧灰频率和位置。以实现最小的热 效率和过科损失．并延长机组设备的寿命。吹灰顾问器利_ } } 】神经网络计算得到锅炉各吹灰器区域的 实际传热量，据此信息求出清洁系数并与理想值作比较，形成吹灰指导建议【I ”。优化的结果可并入 现有的D c s 形成f t J 环控制，也可供运行人员参考．西屋公司还提出基于模糊逻辑的吹灰投用策略， 使蒸汽温度和锅炉效率同时得到改善【I ”． 美国H o n e y w e l l 公司于2 0 世纪9 0 年代开始进行燃煤电站吹灰影响的数据分析，主要利用神经 网络对炉膛结渣和对流受热面灰污建模，描述灰污动态特性以优化吹灰周期，并利用P C A 等数学分 析方法发现影响电站性能的主要因素。为了更好理解灰污与相关因素之间的关系，决定需监视的重 要参数，目前该公司正致力r 灰污程度和吹灰过程中热力参数可视化工作的研究I l ”。 国内关于吹灰优化的研究则起步相对较晚I l ””。白2 0 世纪8 0 年代以来．我国也开展锅炉受热 面灰污监测和吹灰优化问题的研究，并取得了一定的研究成果。有一些系统已投入使用。清华大学、 华北电力人学、东南人学和浙江人学等科研单位开展了这方面的研究工作，建立了基于热平衡、烟 东南大学硕f 学位论文 气压著法等新帮方法的受热面灰污监测模型。并开发了一些应用软件．如华北电力大学同维平教授 自1 9 9 7 年开始承担国家电力公司重点科技项目，在国内率先进行了燃煤电站锅炉受熟面污染监测理 论与实践的研究I 作，开发的燃煤电站锅炉结渣积灰计算机在线分析监测装置和吹灰优化软件，已 经成功戍川丁．国内数十台锅炉，产生了良好的经济和社会效益，技术水平国内领先【l “ 。此外，清华 大学开发的锅炉对流受热面积灰状态的在线监铡系统l ”1 ．东南大学开发的电站锚炉对流受热面吹灰 优化系统嗍，这些系统提供了受热面的在线监测功能，并给出吹灰优化初步的基本指导功能。 席该看到，国内电站锅炉受热面灰污在线监测和优化吹灰研究的范甩与功能还有待进一步扩大， 在灰污和吹灰的损失定量计算、吹灰周期确定准则和吹灰优化操作指导方面，还缺少深入系统地研 究，仍有许多I 作要做“”。 近年来人j l 智能领域研究空前活跃．国内外科研院所都开展了基于模糊系统、神经网络以及专 家系统等智能技术的灰污监测和智能吹灰系统的研究，涌现了一些研究成果，这些成果的应用对于 优化并完善锅炉吹灰方案将提供重要的帮助p 硎． 1 3 本文内容安排 本课题将针对电站燃煤锅炉现有吹灰应用中存在的不足，围绕燃煤锅炉受热面的灰污监测和优 化欧灰展开研究。在综合分析锅炉运行效率、欧灰能甜损失以及锅炉运行安全性的基础上，通过实 时的积灰监测与吹灰控制实现吹灰榉控系统构成闭环控制的智能吹灰优化系统。该系统主要由两部 分纽成，即吹灰优化和吹灰稃控。吹灰优化部分对受热面的积灰程度进行越化处理，定义了积灰污 染冈子，实现了对电站锅炉受热面积灰状况的可视化监视，并向吹灰程控部分发出需要吹灰信号． 吹灰张控部分利川可编程控制器 P L c 接受吹灰优化给出的吹灰指令，自动控制吹灰器动作，从 而实现对受热面的“按需吹灰”。因此本文的研究主线是吹灰优化和吹灰控制，最终目标是将其两者 有机的结合起来。全文共分六章，除第一章绪论外，内容安捧如 卜． 第一二章讨论H J 丁．监测锅炉不同部位受热面污染的模型，即炉膛污染监测模型、对流受热面监测 模型、空气预热器的监测模型。通过对各部位受热面污染程度的监测．从安全性和经济性角度米给 出最终的吹灰优化策略，向P I ．C 发出吹灰信号．此章还介绍了P L C 的基础知识．概述其定义、特点、 一般构成、基本I 作原理． 第二章土要研究智能吹灰系统的支撑系统硬件平台和软件构成。以广两北海市国投北部湾 电厂3 0 0 M W 机组l 黼* 炉新安装的激波吹灰器为研究对象，讲述智能吹灰优化系统硬件、软件方面 的构成。 第四章主要讲述智能吹灰系统的集成和现场应用。重点介绍了智能吹灰系统从开始资料收集到 晟后系统投入使川的集成步骤。智能吹灰系统通过可视化界面，可根据运行的要求提供报警，实现 自动吹灰。通过现场运行观察，该系统现场测点安装正确，数据采集可靠、软件运行稳定、与檄波 畋灰功能协调合理，人机交互界面友好，最大程度上降低了机组的捧烟温度和减少了吹灰对管壁的 磨损． 第五章建立系统过程必须进行三个方面的试验，即锅炉受热面吹灰敏感性试验、锅炉受热面积 灰增长特性对吹灰性能的影响试验和验证性试验。建立了吹灰时间与受热面污染因子之间关系数据 库、锅炉受热面积灰特性数据库、畎灰器吹灰特性数据库、吹灰模式智能分析数据库，为计算和优 化分析相关的模块提供了大量的数据和验证。 第六章总结了本文的研究成果．并提出了需要进一步研究的问题。 4 第二章智能欧灰优化系统建盘的理论肇础 第二章智能吹灰优化系统建立的理论基础 系统分别对炉艟、对流受热面和空气预热器建立污染监测模型。监测模型采用污染率表征受热 面的积灰污染状态。利用D C S 系统中的工质侧参数和烟气侧参数，根据锅炉整体和备局部受热面热 量平衡的基本原理，在整体热平衡的基础上。首先进行锅炉各项热损火和热效率的计算，继而从空 气预热器开始．逆烟气的流程逐段进行各受热面的污染率的计算． 污染率的定义为 ．．实际换热系数 。，刮一面丽瓣 c _ 为污染率，无量纲- C ，越大则表示受热面积灰越严重． 2 ．1 系统分别从经济性和安全性考虑优化吹灰方案的确定，实现换热面的“按需吹灰一。吹灰捍控部 分利用可编程控制器 P L C 接受吹灰优化给出的吹灰信号，从而臼动控制吹灰器动作，实现智能 吹灰．这样在保证电厂运行的安全性的基础上．通过合理吹灰最人限度地提高了机组的经济性，降 低了捧烟温度高所造成的热损失，还犀人程度地降低了欧灰对管壁的磨损，也大人降低化在受热面 吹灰上的人力投入． 本章将对建立智能吹灰优化系统所需要的理论基础剐户受热面污染监测模型，优化吹灰方 案的确定和用于吹灰控制的可编程控制器分别进行讲述． 2 ．1 建立锅炉受热面污染监测的模型 够．1 ．1 炉膛污染监测模型口‘捌 炉膛水冷壁吸收的热量主要是来自炉内火焰的辐射热，对流热只占大约5 ％左右，可以忽略不计。 水冷壁的污染系数心f 表示，定义为 f 亲缝罂尝墨 2 ．2 ’ 投射到水冷壁的热量 ⋯～ 水冷壁角系数定义为； x 丽篙鬻器 旺，， “ 投射到 炉墙 水冷壁 的热量 ⋯～ 水冷壁的热有效系数定义为 水冷壁实际吸收的热量 ，、 ∥2 丽藕兀万百砑丽匿订丽画 ‘2 4 ’ 因此．有 ∥ f J 2 ．5 根据炉膛出口烟温计算公式艘3 ‘】 5 东南人学硬} 学位论文 弘鬲蠡埘3 Q 石’ 呻i y C 口j 其中．L 为理论燃烧温度 K ‘肘7 为与炉臆结构有关，代表火焰中心位置的常量O “ o 为玻 尔兹曼常数。5 ．6 7 “ 1 0 “ - * k w ， m 7 ．1 c ． ；4 ，炉艟黑度，是一个表示火焰有效辐射的假想黑度；兀炉 艟面积 m 2 ；尹保热系数口，计算燃料量 t g ，s lK 0 燃烧产物的平均寨I 容 k 矶嗜K ． “ 陆c 南q ] 志籍 晓，， 炉腱出口烟温从省煤器出口倒推得到．代入式 2 ．7 ，可求得炉瞳平均热有效系数吵一． 厶 孚 ㈣ 用知代表炉瞳的污染睾． 2 ．1 ．2 对流换热面污染监测模型 对流受热面所处温度较低，这些受熟面上嗣定测点也较多．冈而监测也较易实现。与一般的炉 膛结渣状态的监测不同，对流受热面的灰污状态不能通过测昔局部热流来确定，这是因为对流受热 面上的热流相对炉膛辐射受热面上的热流要小很多，在对热流进行测姑时会产生较人误差。虽然可 以通过改进测堵技术消除误筹，但是经济上不可行，而且对流受热段的高{ | l ；l 、烟气膳蚀也妨碍了测 量装置的安装p “．同时．对流受热面与炉膛辐射受热面相比。不需要对对流受热面的局部积灰有具 体了船。只需有一个反映对流受热面积灰状况的总体参数即可，这个参数可以通过锚炉系统完备的 烟气侧和蒸汽侧参数获得。 本文采用了热平衡计算原理，在锅炉整体热平衡的基础上，从省煤器出口开始，逆烟气的流程 逐段进行备受热面的热平衡和传熟计算。即。在已知受热面出口烟温，_ [ 质侧进出口等参数的基础 上，分别由烟气侧和。I 质侧的热平衡方程式，计算该受热面的进口烟温。 1 实际传热系数的计算p ’圳 在进行受热面计算时，工质的吸热量为 玩2 半 2 ．9 式中 Q k 工质的吸热量 k J ／k g 口各对流受热面中，T 质的流量 k g ／s f ’、，各对流受热面进、出口处二l 质焓 k J ／k g 6 2 ．9 第一二章智能欧荻优化系统建铂纷理论媾础 口，计算燃料量 k g ／5 ． 烟气的放热量为 岛 9 U ’一I ’ A a F 2 ．I o 2 ．1 0 式中 p 保热系数 ，’、J 。对流受热面前后的烟气焓 k J ／k g F 狰空气焓 k ．I A g } A a i 漏风系数； 根据热平衡原理 ■ 0 由式 2 ．9 和 2 ．1 0 可以计算出该段受热面进口处烟气j 者值，，． 再由该段受热面进口处烟气温度和式 2 ．1 1 乙 夕 J ’ 2 ．1 I 式中f l 是已知烟气焓值求烟气温度的晒数； 乙烟气进口温度 ℃ ； 可得该段受热面烟气进口温度。接下来由j I 质进、出口温度和烟气进、出口温度按式 2 ．1 2 求出温差 A t 些二竺 l I l 虬 △l ‘ 2 ．1 2 式中 A t 对数平均温差 ℃ △乞受热面中具有较人温著的那一端的介质温度差 ℃ ； △乞爱热面中具有较小温差的那一端的介质温度差 ℃ ； 如果最大温度差虬与最小温度差M 满足兰引．7 时，其温差可按正式慨 址 三 钙 扯 求出传热温差，按式 2 ．1 4 可以得到受热面的实际换热系数‘ ～ 器 2 ．1 4 式中 ；L 对流传热量 I d ／k g ； 7 2 ．1 2 2 ．1 3 2 ．1 4 东南大学硕。I 学位论文 b 实际传热系致 k W ／ m 2 ’K ； △f 传热温差 “ 1 2 l Ⅳ受热面积 m 2 ； 对于靠近炉膛的高温段受热面，如屏式过热嚣、高温过热器，高温段辐射换热也占有相当的份 颓，因此要扣除来自炉麈的辐射热量Q ’ 如 笔产一Q ， 口． 。 屏式过热器来自炉膛的辐射吸热量Q 为 g Q ；一研 屏式过热器进口处截面所吸收的炉膛辐射热量为Q 为 2 ．1 5 2 ．1 6 L 屏问烟气的平均温度 K ； 鼻考虑燃料种类的修正系数，对于煤皇 o ．5 ； 屏进口截面对出口截面的角系数； S 第二章智能吹灰优化系统建最的理论箍础 2 理论传热系数的计算嗍 要推算受热面在没有结渣积灰的理想状况下的传热系数可以先分析热量是如何分步从烟气传递 给管内上质的，如幽2 ．1 ． 工质 烟气 圈2 一I 烟气捌工质的传热过