（工程熱物理專業(yè)論文）基于煙氣溫度在線監(jiān)測的鍋爐安全經濟運行的研究.pdf

華北電力大學碩士學位論文 摘要 實時準確的鍋爐熱力計算對鍋爐優(yōu)化運行非常重要，而傳統(tǒng)的鍋爐熱力計算是 通過某些參數(shù)的假設和規(guī)定來完成的，這種熱力計算存在一定的偏差。隨著科技的 進步，新型紅外輻射式高溫測量儀的出現(xiàn)能夠很好地解決煙溫的準確測量問題。目 前已有電廠安裝紅外線測溫儀并取得了良好的效果。 本文就是利用紅外線測溫儀測得的數(shù)據，結合鍋爐系統(tǒng)的實時數(shù)據，以某電廠 4 號爐為研究對象，重點介紹和分析了在線的鍋爐熱力計算，進而分析了鍋爐預防 過再熱器的超溫爆管、結渣及吹灰優(yōu)化問題，并以鍋爐高效率和低n o 。排放為目標， 利用神經網絡對鍋爐運行進行優(yōu)化，開發(fā)了基于在線數(shù)據監(jiān)測的鍋爐運行軟件，為 現(xiàn)場操作人員提供了較為全面的參考與建議。 關鍵詞：安全經濟，在線監(jiān)測，實時計算，運行軟件 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 華北電力大學碩士學位論文 目錄 中文摘要 英文摘要 目錄 第一章引言1 1 - 1 課題背景1 1 2 本課題研究的意義和價值1 1 3 本課題國內外研究現(xiàn)狀2 1 4 本課題的研究目的和研究內容3 1 4 1 本課題的主要問題3 1 4 2 本課題的研究內容3 第二章鍋爐煙溫監(jiān)測及在線熱力計算的分析5 2 1 鍋爐設備概述5 2 2 鍋爐紅外測溫位置的選擇5 2 2 1 關于鍋爐熱力計算的討論5 2 2 2 測量位置的確定6 2 3 鍋爐在線熱力計算7 2 3 1 鍋爐在線熱力計算總體框架7 2 3 2 鍋爐在線熱力計算方法9 第三章鍋爐安全運行有關問題的分析與研究1 3 3 1 鍋爐受熱面安全運行1 3 3 2 爐膛安全運行1 4 3 2 1 爐膛煙溫偏差1 4 3 2 2 爐膛負壓及汽包水位1 5 3 2 3 制粉系統(tǒng)1 5 3 3 鍋爐安全運行監(jiān)測1 6 3 3 1 金屬壁溫監(jiān)測1 6 3 3 2 煙溫偏差監(jiān)測1 6 3 3 3 爐膛負壓及汽包水位監(jiān)測1 7 3 3 4 制粉系統(tǒng)監(jiān)測1 7 第四章鍋爐經濟運行有關問題的分析與研究1 9 4 1 受熱面吸熱量的分配1 9 4 1 1 受熱面吸熱量計算1 9 4 1 2 受熱面吸熱量監(jiān)測數(shù)據2 0 4 2 鍋爐熱效率計算2 0 i l 華北電力大學碩士學位論文 4 3 鍋爐吹灰監(jiān)測及優(yōu)化2 l 4 3 1 灰污表征方法2 2 4 3 2 吹灰的在線監(jiān)測2 2 4 3 3 受熱面污染的判定2 4 4 3 4 吹灰優(yōu)化系統(tǒng)2 5 4 4 鍋爐經濟運行優(yōu)化模型2 5 4 4 1 神經網絡原理及模型 1 8 - 2 4 j 2 6 4 4 2 鍋爐運行的神經網絡預測模型2 8 4 4 3 模型的優(yōu)化2 9 4 4 4 遺傳算法的計算3 0 第五章鍋爐安全經濟運行在線監(jiān)測與優(yōu)化的軟件系統(tǒng)3 1 5 1 軟件系統(tǒng)概述3 l 5 2 軟件系統(tǒng)設計3 1 5 2 1 軟件系統(tǒng)環(huán)境3 l 5 2 2 數(shù)據庫模塊3 2 5 2 3 后臺應用程序模塊3 3 5 2 4 客戶界面模塊3 4 5 3 系統(tǒng)應用3 4 5 3 1 系統(tǒng)數(shù)據3 4 5 3 2 鍋爐安全運行監(jiān)測3 5 5 3 3 鍋爐經濟運行監(jiān)測3 8 5 3 4 鍋爐運行優(yōu)化模塊4 0 5 3 5 其它界面介紹4 1 5 4 系統(tǒng)應用分析4 4 第六章總結與展望4 5 6 1 工作總結4 5 6 2 展望4 5 參考文獻。4 7 致謝。5 0 在學期間發(fā)表的學術論文和參加科研情況5 1 華北電力大學碩士學位論文 1 1 課題背景 第一章引言 在我國的電力行業(yè)，火力發(fā)電占百分之七十左右，因此火電機組的運行狀態(tài)對 電力行業(yè)的發(fā)展效益有很大影響。提高火電機組運行的安全性和經濟性，對于整個 電力行業(yè)發(fā)展具有重要意義，鍋爐又是火電機組的重要設備之一，因此提高鍋爐運 行的安全性和經濟性，必然是電站運行優(yōu)化的重點。 鍋爐運行是在設計的規(guī)范和過程的控制下進行的，鍋爐設計中要充分考慮煙氣 側和蒸汽側的能量平衡。在火力發(fā)電廠中，鍋爐控制系統(tǒng)中包含著大量蒸汽參數(shù)的 監(jiān)測儀表，但由于檢測技術的限制，使煙氣側的監(jiān)測點寥寥無幾。由于煙氣側為鍋 爐系統(tǒng)提供能量，因此控制煙氣的參數(shù)對確保鍋爐的可靠運行非常重要，而實際電 廠大多數(shù)鍋爐上卻缺少這樣的控制參數(shù)，導致控制邏輯缺少關鍵數(shù)據的回饋。例如， 爐膛出口溫度是設計人員考慮能量平衡時的一個重要技術參數(shù)，煙氣參數(shù)的變化， 可以反映各主要換熱面的運行工況，并據此做出相應的調整決策。對于直流燃燒器 六角布置、切圓燃燒方式的鍋爐，爐內存在煙氣殘余旋轉，運行中出現(xiàn)的主要問題 是煙道兩側煙氣偏差比較大，使得過熱器、再熱器熱氣溫偏差大，嚴重是會引起受 熱面超溫爆管，同時受熱面壁溫的升高會引起結渣，影響鍋爐的運行，而結渣會進 一步引起更嚴重地結渣，必須吹灰。因此增加部位的煙氣溫度在線監(jiān)測對鍋爐安全 經濟運行是很有意義的。 隨著科技水平的不斷提高，利用非接觸的新型遠紅外輻射式測量裝置應運而 生，利用這種非接觸式可以準確地測量出一些關鍵部位的煙氣溫度，從而為我們研 究鍋爐安全經濟運行提供了很大的方便。 1 2 本課題研究的意義和價值 鍋爐系統(tǒng)控制需要大量的監(jiān)測點，特別是關鍵部位的監(jiān)測點，如爐膛出口煙氣 溫度。爐膛出口溫度是設計、運行人員考慮能量平衡時的一個重要技術參數(shù)，煙氣 參數(shù)的變化，可以反映各主要換熱面的運行工況，并據此做出相應的調整。過去由 于技術手段的欠缺，無法連續(xù)在線監(jiān)測該點的溫度，只能依靠間接的辦法對這點的 溫度進行推算，推算出的結果失去了準確性和時效性。 新型遠紅外輻射式高溫測量儀是遠距離非接觸式測量裝置，將其可以安裝在任 何觀察孔、檢修口或穿過鍋爐和墻面安裝，對爐膛出口煙氣溫度( 英文簡稱f e g t ) 華北電力大學碩士學位論文 進行連續(xù)監(jiān)測和控制，有著很重要的實際意義。利用這一特別控制點f e g t ( 爐膛出 口溫度) 可更加準確地進行鍋爐熱力計算，進而研究鍋爐安全經濟運行技術，對鍋 爐的運行的安全性、可靠性、經濟性以及降低污染物排放，延長鍋爐使用壽命有著 重要的作用和影響。 1 3 本課題國內外研究現(xiàn)狀 運行優(yōu)化的基礎是鍋爐熱力計算，而鍋爐熱力計算的關鍵在于確定的爐膛出口 煙溫。傳統(tǒng)的計算方法是采用理論與試驗相結合的方法，利用經驗公式得出爐膛出 口煙溫，這個值與實際誤差較大。近些年，也提出了從測量準確的排煙溫度開始， 沿著煙氣流動相反的方向，主要利用熱平衡關系，反向推出各受熱面處的煙氣溫度， 直到爐膛出口煙氣溫度，這個方法由于有誤差積累及有些部分蒸汽溫度并沒有測點 需要假設，導致爐膛出口煙氣溫度計算與實際相差較大，不適用于在線計算。 對于直流燃燒器六角布置、切圓燃燒方式的鍋爐，由于六角切圓燃燒方式殘余 旋轉的影響，運行中出現(xiàn)的主要問題是煙道兩側煙氣偏差比較大，使得過熱器、再 熱器熱氣溫偏差大，嚴重是會引起受熱面超溫爆管，再一個問題燃燒低灰熔煤，爐 內結渣比較嚴重。解決前一個問題的方法就是改造燃燒器應用“正反切圓 燃燒技 術消除爐膛出口氣流的殘余旋轉，再通過燃燒器調整試驗確定最佳工況。對于結渣 問題，解決方法主要摻燒灰熔點較高的煤，然后再進行燃燒調整試驗，確定合適參 數(shù)，如氧量、一次風量、一、二次風配比等，再一個就是根據受熱面進行定期吹灰。 但是由于我國很多電廠用煤煤質較差，雖然應用上述方法能解決一些問題，但只能 保持一段時間，而且由于各受熱面的區(qū)別，所以不能從根本上解決這個問題，應用 在線溫度的監(jiān)測與控制可以根據監(jiān)測結果進行在線調制，使得鍋爐運行處于最佳工 況下運行。 鍋爐熱力系統(tǒng)的分析與計算，進而優(yōu)化其運行參數(shù)，是促進火電站節(jié)能降耗的 重要組成部分之一。2 0 世紀8 0 年代初，國外一些機構已開始研究電站性能優(yōu)化， 并有一些軟件開始在火電站應用。迄今為止，國外大部分d c s 供貨商均開發(fā)了一些 功能強大的火電廠優(yōu)化運行軟件，如德國s i e m e n s 公司的s i e n e r g y 系統(tǒng)、美國e l a g h b a i l e y 公司的p e r f o r m e r 系統(tǒng)、瑞士a b b 公司的o p t i m a x 系統(tǒng)等。 我國開展鍋爐優(yōu)化運行工作已有三十多年的歷史，取得了不少的科研成果，主 要表現(xiàn)在： ( 1 ) 開發(fā)了一些鍋爐運行優(yōu)化的軟件，同時還開發(fā)了一些電站性能分析和在線 監(jiān)測的應用軟件系統(tǒng)【1 j 浙江大學丌發(fā)出了優(yōu)化配煤專家系統(tǒng)。此系統(tǒng)基于煤燃燒的論文研究、實驗探 討和計算分析相結合，以神經網絡反傳播法來描述混煤與單煤特性之間的非線性關 2 華北電力大學碩士學位論文 系。華北電力大學在煤質方面也進行了一些研究，主要是利用工程學和經濟學的研 究方法，建立了煤質工程分析關系網絡和煤質工程評價指標體系l 引。 ( 2 ) 人工神經網絡的應用 鍋爐是一個非常復雜的系統(tǒng)對象。鍋爐參數(shù)眾多，并且相互交叉影響，運行工 況有時瞬間變化，需要現(xiàn)場運行人員立即響應。運行中出現(xiàn)的問題僅僅依靠現(xiàn)場的 運行人員或者相關專家判斷、研究，常常滿足不了實時指導的需要。人工神經網絡 是一種模擬人類的推理進行分析的一門新興科學，它的發(fā)展成果被應用到電站中起 到了極其重要的作用，諸如用自適應模糊神經網絡實現(xiàn)煤的結渣預報、用反向傳播 b p 網絡實現(xiàn)再熱蒸汽溫度控制，神經網絡在電站控制系統(tǒng)的許多方面有了實質的進 展【3 】。 國內在近幾年來在引進、消化、吸收國外先進技術的基礎上，一些高校研究所 及有關科研工作者正在大力開發(fā)計算機監(jiān)測與控制系統(tǒng)人工智能專家系統(tǒng)，在諸如 故障診斷、熱效率偏差和趨勢分析以及確定吹灰策略等方面有了實質性進展，開發(fā) 研制出了如運行診斷核心系統(tǒng)、熱效率專家系統(tǒng)吹灰系統(tǒng)( 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 系列實用的專家系統(tǒng)。在煤燃燒領域，華中理工大學周懷春用自組織特性神經網絡 進行了燃燒診斷研究。 ，； 我國關于電站鍋爐運行優(yōu)化的研究尚未形成一套系統(tǒng)化的理論體系，還需要進 行大量深入的研究。 1 4 本課題的研究目的和研究內容 1 4 1 本課題的主要問題 由于目前此火電廠鍋爐不同程度的存在下列問題： ( 1 ) 鍋爐熱力計算缺少實時性與準確性； ( 2 ) 影響鍋爐安全經濟運行優(yōu)化的問題：結焦結渣問題、水平煙道受熱面熱偏差 問題、氮氧化物排放超標問題、過熱器、再熱器超溫問題、吹灰程序、次數(shù)和合理 性問題。 這些問題會引起鍋爐效率降低，甚至嚴重時會導致鍋爐滅火，因此，解決上述 問題成為當前的關鍵。 1 4 2 本課題的研究內容 ( 1 ) 鍋爐主要安全運行問題研究：電廠鍋爐由于煤種的變化和運行工況不穩(wěn)定等 等，鍋爐常常會發(fā)生過熱器再熱器超溫爆管、鍋爐受熱面結渣等現(xiàn)象，形成安全隱 3 偏差等，結合紅外 渣現(xiàn)象。 低、受熱面的吸熱 總廠甜爐為例，研 運行進行優(yōu)化。 口煙氣溫度及鍋爐 。結合在線的熱力 現(xiàn)場工作人員提供 華北電力大學碩士學位論文 第二章鍋爐煙溫監(jiān)測及在線熱力計算的分析 2 1 鍋爐設備概述 該發(fā)電總廠，總裝機容量8 4 8 萬千瓦，為東北電網骨干電廠之一。2 0 0 1 年7 月9 日，被國家電力公司命名為一流火力發(fā)電廠。該發(fā)電總廠以褐煤為主要燃料， 每年將5 0 億千瓦時的電能輸往東北電網，現(xiàn)已成為拉動蒙東地區(qū)經濟發(fā)展的強勁 動力。 該電廠鍋爐的型號為h g 6 7 0 1 4 0 h m l 2 ，采用六角切圓燃燒方式，以其爐內混 合較好、燃燒穩(wěn)定、煤種適應性強等優(yōu)點，但其爐內氣流在爐膛出口及水平煙道內 的殘余旋轉等問題，在長期運行下會出現(xiàn)蒸汽溫度偏差、超溫爆管、受熱面結渣等 現(xiàn)象，從而對鍋爐穩(wěn)定經濟運行造成一定的影響。 2 2 鍋爐紅外測溫位置的選擇 2 2 1 關于鍋爐熱力計算的討論 鍋爐熱力計算在鍋爐設計、改造等方面有重要的作用。傳統(tǒng)的鍋爐熱力計算是 預先假定鍋爐排煙溫度、熱風溫度，利用經驗公式計算出爐膛出口煙氣溫度。而由 于爐膛出口煙氣溫度公式誤差較大，對于在線計算，一般是通過在線測量的鍋爐排 煙溫度、熱風溫度逆著煙氣流向，從尾部受熱面逐次計算到爐膛出口。我國的鍋爐 熱力計算普遍采用前蘇聯(lián)1 9 5 7 年和1 9 7 3 年兩個聯(lián)合標準。這兩種爐膛出口煙氣溫 度分別規(guī)定為： 1 9 5 7 年標準規(guī)定t s l ： 口二2 i 三奔一2 7 3 ( 2 - 1 ) 式中，t a 理論燃燒溫度，k ；為輻射受熱面的假想污染系數(shù)，對于煤粉爐，當燃 用煙煤、褐煤時，毒= 0 4 5 ，當燃用無煙煤及貧煤時，毒= 0 4 ；h 為輻射受熱面積， m 2 ；a 。為鍋爐爐膛黑度；b p 為計算燃料消耗量，k g s ；v c 印為爐膛平均熱容量， k j k g 。c ；伊為保熱系數(shù)。 5 華北電力大學碩士學位論文 1 9 7 3 年標準規(guī)定【5 】： 8 二2 一一2 7 3 m l 簫卜 ( 2 2 ) 式中，妒。為平均熱有效系數(shù)；m 為修正系數(shù)，其值決定于沿爐膛高度火焰最高溫 度所處的相對位置x ，當爐內燃高反應的燃料及層燃所有的燃料時，m = 0 5 9 0 5 x ， 當爐內燃低反應的燃料及高灰分的煙煤時，m = 0 5 6 0 5 x ，m 值不超過o 5 ；驢為保 熱系數(shù)。 在電廠實際中，常用熱電偶測得爐膛出口煙氣溫度，而熱電偶的熱交換主要依 靠空氣對流，是接觸式的，由于周圍環(huán)境的熱輻射，熱電偶元件的熱平衡也會受到 影響。因此，熱電偶不能長時間測量【6 7 j 。而紅外線測溫儀是通過測量火焰在燃燒過 程中發(fā)出的輻射能，從而確定火焰中介質的溫度，具有非接觸測溫法的響應快、不 受外部條件影響的特點。所以，本課題采用可長期在線運行的紅外測溫儀作為溫度 的輸入元件，對所測結果以熱電偶測溫結果為基準進行評價。本項目采用的紅外測 溫儀為德國h e i t r o n i c s 公司的k t l 5l i 型紅外測溫儀，該測溫儀已經被多家電廠 ( 如華能日照電廠) 用于爐膛煙道溫度測量，測量數(shù)據精確。 2 2 2 測量位置的確定 準確的爐膛出口煙溫對鍋爐整個熱力計算有重要的影響，同時爐膛出口煙氣跟 鍋爐運行的安全性和經濟性也密切相關，因此本研究選擇爐膛出口煙氣為紅外線測 溫儀的測點，安裝位置在爐膛與后屏的交接處即靠近后屏的開封孔。 爐膛出口煙溫一般指由爐膛出口進入對流受熱面( 對流管束、凝渣管束) 之前的 煙氣溫度。在鍋爐運行中，選擇和控制好爐膛出口煙溫是關系到鍋爐經濟性和可靠 性的重要問題： 關于熱力計算：確定爐膛出口煙氣溫度是鍋爐熱力計算的關鍵，準確的爐膛出 口煙溫能夠使鍋爐熱力計算更加準確。 關于超溫爆管：準確地爐膛出口煙溫能夠確保爐膛吸熱量的準確計算，從而能 夠較為準確地分配預熱段、蒸發(fā)段、過熱段、再熱段的吸熱熱量，進而判斷是否可 能超溫。 關于受熱面結渣：煙溫過高會使飛灰仍處于融融狀態(tài)，粘結到受熱面管子壁面 上。結渣常常出現(xiàn)在爐膛出口，監(jiān)測爐膛出口煙氣溫度對結渣問題的解決有了實時 重要的依據。 關于技術經濟：爐膛出口煙溫是一個分界點，將鍋爐受熱面分成以輻射吸熱為 華北電力大學碩士學位論文 主的受熱面和以對流吸熱為主的受熱面。從單位受熱面吸熱量來比較，爐內輻射受 熱面要比對流受熱面大，也就是在同樣吸熱量的情況下，爐內輻射受熱面及金屬消 耗量要比對流受熱面的少。故而，對鍋爐輻射受熱面和對流受熱面的金屬耗量及總 成本進行技術經濟比較，存在一個最佳的爐膛出口煙氣溫度值。 2 3 鍋爐在線熱力計算 2 3 1 鍋爐在線熱力計算總體框架 鍋爐熱力計算是在燃料燃燒計算和熱平衡計算之后進行的，主要是確定鍋爐受 熱面與燃燒產物和工質參數(shù)之間的關系。按計算任務的不同，可分為設計計算和校 核計算，本系統(tǒng)的熱力計算即屬于校核計算，整體結構的控制如圖2 - 1 。 首先從數(shù)據庫中調用計算所需的數(shù)據，其中包括燃料特性參數(shù)、鍋爐的蒸發(fā)量、 蒸汽參數(shù)、給水參數(shù)、受熱面的結構數(shù)據、過量空氣系數(shù)、各受熱面漏風量、煙氣 參數(shù)等。j ：? 然后進行熱力計算的輔助計算，輔助計算主要包括燃料的燃燒計算、煙氣、空 氣的性質計算( 如理論空氣量、煙氣份額、容積、容積份額和焓值等) 、對流放熱系 數(shù)、輻射放熱系數(shù)和傳熱系數(shù)等。 下一步依次進行鍋爐熱平衡計算、爐膛傳熱計算和受熱面的計算。先假設排煙 溫度，計算鍋爐的熱效率和燃料消耗量。以爐膛出口煙氣溫度為分界點，分別進行 爐膛熱力計算和沿著煙氣的流動方向依次進行各受熱面的熱力計算。完成受熱面的 計算后，進行鍋爐熱平衡的校核計算。若排煙溫度不能滿足精度要求或者燃料帶入 爐膛的總熱量與各受熱面的吸熱量之和的偏差不能滿足要求，則應該返回重新假定 排煙溫度，直到滿意為止。完成熱力計算后，輸出各部分的計算結果并保存至數(shù)據 庫中。結果數(shù)據信息主要有：燃料消耗量、鍋爐熱效率、各項熱損失、各受熱面進 出口煙氣和工質溫度、各受熱面的潔凈因子、受熱面的壁溫、吸熱量等。 7 華北電力大學碩士學位論文 圖2 1 鍋爐熱力計算的結構圖 8 華北電力大學碩士學位論文 2 3 2 鍋爐在線熱力計算方法 鍋爐熱力計算的任務就是確定鍋爐受熱面與燃燒產物和工質參數(shù)之間的關系。 通常按照鍋爐受熱面的傳熱特點進行計算，受熱面可分為輻射受熱面，半輻射受熱 面和對流受熱面三部分。 2 3 2 1 爐膛熱力計算 鍋爐熱力計算首先根據燃料的特性數(shù)據進行燃料的燃燒計算，包括沿著煙道內 的三原子氣體容積、水蒸汽容積及燃料消耗量。主要計算公式如下： 理論空氣量v o 為： 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 ) 理論三原子氣體容積v r 0 ，為： v r 。，；1 8 6 6 ( c 9 0 3 7 5 s h l o o ( 2 4 ) 理論氮氣容積v o 為： v 礦o 0 7 9 v + 0 8 嵩) a 5 ， 理論水蒸汽容積v 乏為： 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 、 ， 燃料帶入的熱量q ：為： q ：= q ：+ i 。 ( 2 7 ) 鍋爐機組的吸熱量q h 為： 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 為： 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 分別為煤中碳、硫、氫、氧、氮、水分的收 到基；a 為修正系數(shù)，其值為a = 1 + r ，r 為煙氣再循環(huán)率；q ：為燃料的地位發(fā)熱 值，圳k g ；i 。為燃料的物理顯熱，k j k g ；d l 、d 、a d u 分別為過熱蒸汽流量、 再熱蒸汽流量和再熱蒸汽噴水量，k g s ；i n j 、i ：。u 、t u 、i 印分別為給水焓、再熱 9 華北電力大學碩士學位論文 蒸汽進口焓、出口焓、再熱蒸汽噴水焓，k j k g ；r b 為鍋爐效率。 接下來就是鍋爐主要部件的熱力計算了。爐膛熱力計算根據結構參數(shù)和已知的 熱力學參數(shù)計算理論燃燒焓( 溫度) ，結合所測的爐膛出1 3 煙氣溫度，即可計算煙氣 的平均熱熔、火焰黑度、爐膛黑度，最后計算爐膛的輻射吸熱量、輻射熱負荷。主 要計算公式如下： 理論燃燒焓i t 為： i t | q p ( 等) + q q + r f i ，+ r x i 。 ( 2 - l o ) 式中，q ；為燃料帶入的熱量，k j k g ；q ，為化學未完全燃燒損失，；q 。為空氣帶 入爐膛的熱量，k j k g ；r e 為熱爐煙抽取份額，；i 。為熱爐煙焓，k j k g ；r x 為冷 爐煙抽取份額，；i ，為冷爐煙焓，k j k g 。 煙氣平均熱容量v c 為： ；業(yè) ( 2 1 1 ) v i t 。i ； 式中，i t 為理論燃燒焓，k j k g ；b 為理論燃燒溫度，。c ；i 療為爐膛出口煙焓，k j k g ； l 為爐膛出口煙溫，。c 。 火焰有效黑度a 。為： a 妒一m a 曲+ ( 1 一m ) a 。 ( 2 1 2 ) 式中，m 為火焰黑度修正系數(shù)，本文取值為1 ；a 。為發(fā)光火焰黑度，本文取值為0 8 ； a ，為修正系數(shù)，取值為0 。 爐膛黑度a 。為： a m2 j ：i _ 靠 2 一1 3 ) a m2 j 云_ ：_ 1 巨i ：商 z l3 式中，a 。為火焰有效黑度；妒為修正系數(shù)；當為玷污系數(shù)。 2 3 2 2 對流與半輻射受熱面的熱力計算 對流受熱面主要指鍋爐蒸發(fā)管束、對流過熱器和再熱器、省煤器、空氣預熱器 以及以受熱面方式為主體的傳熱受熱面。對流受熱面的熱力計算主要有三大部分， 分別為煙氣的對流放熱、工質的對流吸熱和對流傳熱。 對流受熱面的傳熱量q 。為： q 血：墅墮( 2 - 1 4 )q d c2 亍 式中，k 為傳熱系數(shù)，w m 2 k ；a t 為傳熱溫差，k ；v j 為受熱面面積，m 2 ；b ：為 1 0 華北電力大學碩士學位論文 計算燃料消耗量，k g s 。 傳熱系數(shù)k 為： k ： 竺! ! 竺壘 “卜凈一訓 ( 2 - 1 5 ) 式中，口d l 、分別為對流放熱、輻射放熱系數(shù)，w m 2 k ；考為受熱面的污染系 數(shù)，m 2 k w ；口2 為蒸汽至管壁放熱系數(shù)，w m 2 k 。 煙氣的對流放熱量q 越為： q 。，= ( h j h ；+ a a i o ) ( 2 1 5 ) 式中，妒為保熱系數(shù)，w m 2 k ；h ：、h ；分別為受熱面的進口、出口焓，k j k g ； a a 為受熱面的漏風系數(shù)；i ? 為冷空氣的焓，k j k g 。 對流受熱面的工質吸熱量q 。為： q 以；萼掣如 防1 6 ) 一j 式中，d 為對流受熱面內工質的流量，k g s ；h ：、h ：為受熱面內工質的進口及出 e l 焓，k j 蠅；b ；為鍋爐計算燃料量，k g s ；q 6 為對流受熱面所在區(qū)域內附加受熱 面的吸熱量，k j k g 。 對于帶有減溫水的過熱器，要先計算減溫器后的高溫級過熱器，求得高溫級過 熱器出口煙氣溫度和入口工質溫度，再按照減溫器的熱平衡和工質平衡即可求出低 溫級過熱器的出口溫度、焓，然后按照正常的傳熱計算方法進行計算。減溫器的熱 平衡和工質平衡如下： 熱平衡： 工質平衡： d l i 1 + a d i 。= d 2 h 2 d l4 - a d = d 2 ( 2 一1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 由上述兩式，司得 h ：；墮蔓坐 ( 2 1 9 ) d 2 一a d 式中，d 1 、d ：、a d 分別為低溫級、高溫級及減溫器的工質流量，k g s ；h ：、h ：、 玩分別為低溫級、高溫級及減溫器的焰，k j k g 。 1 1 華北電力大學碩十學位論文 q = y h q t _ h 蠡 ( 2 2 。) 式中，q t 為爐膛輻射吸熱量，k j k g ；h t 、h 蠡分別為爐膛、半輻射受熱面的面積， m 2 ；妒為修正系數(shù)。 扯藹 q - 2 1 ) h 一 式中，a t 。為受熱面具有較大溫差端的介質溫差，。c ；a t 。為受熱面令一端的介質溫 差，。c 。 管壁玷污溫度t 耋為： p ”卜去) 竿 ( 2 - 2 2 ) t o p 為蒸汽平均溫度，o c ；為受熱面的污染系數(shù)，m 2 k w ；口：為蒸汽至 熱系數(shù)，w m 2 k 。b p 為鍋爐計算燃料消耗量，k g s ；q 為受熱面的傳熱量， h 為受熱面的面積，m 2 。 1 2 華北電力大學碩士學位論文 第三章鍋爐安全運行有關問題的分析與研究 鍋爐運行過程中必須確保安全、穩(wěn)定，否則一旦發(fā)生故障，將可能會造成無可 挽回的安全事故和經濟損失。爐膛結渣、過熱器和再熱器的超溫是鍋爐運行常見的 安全問題。爐膛結渣是處于熔化狀態(tài)的煤灰粒子接近爐膛出口或水冷壁附近時粘附 在受熱面上形成的。過熱器和再熱器的超溫主要是由于煙氣偏差或管內工質換熱較 差，金屬壁溫長期高于其最高允許高度，從而發(fā)生爆管現(xiàn)象。爐膛結渣、過熱器和 再熱器的超溫主要是由于爐膛煙氣速度場與溫度場偏差導致傳熱不均引起的，而煙 溫偏差是由爐膛出口的煙氣殘余旋轉引起的。本研究主要從鍋爐受熱面爆破、爐內 結渣、爐膛負壓及汽包水位、爐內煤粉燃燒方面分析鍋爐的安全運行。 3 1 鍋爐受熱面安全運行 鍋爐受熱面是熱量傳遞的載體，一側接觸的是火焰或煙氣，另一側接觸的是水 或蒸汽。受熱面主要有水冷壁、過熱器、再熱器和省煤器，各受熱面爆破的原因不 同，水冷壁、過熱器和再熱器爆破主要是由于受熱面壁溫超過金屬允許溫度引起的， 其中水冷壁主要由于受熱面結渣引起的，過熱器、再熱器是由于煙溫偏差引起的。 而省煤器爆破主要是由于飛灰磨損引起的。本鍋爐的主要問題是過熱器和再熱器的 爆管現(xiàn)象和爐膛結渣。對于過熱器和再熱器的爆管問題，本研究主要從受熱面壁溫 分析。 若略去沾灰和積垢的熱阻，過熱器( 再熱器) 的壁溫t 。i s ： t 6 = t g + q h ( 3 1 ) 式中，q 為壁面熱負荷，w m 2 ；h 為管壁對蒸汽的對流放熱系數(shù)，w m 2 。c ；t 。為 工質溫度，。c 。 從上式可得，金屬壁溫隨著工質溫度和熱負荷的升高而升高的，隨著蒸汽流速 的增大而減小的，而熱負荷主要取決于煙氣溫度和煙氣流速，煙溫越高，受熱面?zhèn)?熱溫差越大，熱負荷就越大。煙氣側是傳熱的起由，煙氣側的傳熱不均會引起管壁 的受熱不均，進而導致管內蒸汽的汽溫不均。工質在管內蒸發(fā)流動時，由于汽包的 趨中效應，在管壁四周會產生連續(xù)流動的水膜使得管壁溫度在不超過工質溫度2 5 0 c 的范圍內，這時受熱面可以安全的工作。當蒸汽受熱不均時，管壁四周的水膜就會 被撕破，管壁會超溫，嚴重時導致爆管。 鍋爐受熱面都是平行管束，平行管束的熱偏差主要受熱不均和工質流量不均引 1 3 華北電力大學碩士學位論文 起的。平行管束實際工作一般不是管束整體壁溫很高，而是由于個別管道偏離平均 工況造成局部壁溫升高，嚴重時即發(fā)生超溫爆管，因此，防止超溫爆管主要是防止 局部高溫管道的壁溫，即那些傳熱最強( 仉最大) 同時流動又最弱( r g 最小) 的管子 【1 1 】 在線壁溫計算方法： 叭( r w r + 1 口2 弘( 3 6 a ) ( 3 - 2 ) 式中，t 為管件在計算截面上管內介質的平均溫度，。c ；r 。為計算管污染系數(shù)；a ： 為管內蒸汽換熱系數(shù)，w m 2 k ；b ；為計算燃料量，蠔s ；a 為管道受熱面面積， m 2 ；q 為管子外壁熱負荷，w ； 從上述分析可知，過熱器和再熱器的爆管主要是由于管壁局部壁溫超過金屬最 大允許溫度引起的，因此，為了防止過熱器、再熱器超溫而產生爆管，須加強對過 熱器、再熱器管壁溫度的監(jiān)測。在線監(jiān)測過熱器和再熱器受熱面的壁溫，使其低于 金屬的最大允許溫度。如運行中發(fā)現(xiàn)超溫，應及時地調整并分析原因。 對于爐膛結渣問題，由于爐膛結渣發(fā)生在爐膛出口折焰角處，而紅外測溫儀所 測得溫度正好是爐膛出口煙氣溫度，所以本研究根據在線監(jiān)測各段受熱面熱量的分 配情況和爐膛出口溫度相結合，控制過、再熱蒸汽溫度維持在額定值( 或在一定范 圍) ，并保持爐膛出1 2 1 溫度低于煤灰的軟化溫度以不至于結渣。 3 2 爐膛安全運行 5 # 爐內強烈旋轉，有利于 華北電力大學碩士學位論文 煤粉燃燒。爐膛中心區(qū)是速度很低的微風區(qū)，而外圍則是速度較高的螺旋上升氣流。 試驗表明：若只有一股氣流射入爐膛內，射流的軸心線與燃燒器噴嘴的中心重合 9 1 。 若六股氣流同時射入爐內，六股射流之間相互影響，會導致實際的切圓直徑增大， 在不同的爐膛截面上，氣流切向速度和徑向速度的合速度會隨著爐膛高度不斷衰 減，對于本鍋爐而言，爐膛的高度不足以切向速度完全消失，因此存在一定的煙氣 殘余旋轉。 采用逆時針旋轉的切圓燃燒氣流會在爐內產生逆時針的旋轉上升氣流，產生較 大的旋轉動量矩，同時高溫火焰的粘度很大，到達爐膛出口處會產生很大的殘余旋 轉，致使爐膛出口處右側的煙溫明顯高于左側，此時右側很容易出現(xiàn)結渣現(xiàn)象。煙 氣流在爐膛出口轉向后進入水平煙道，由于歷經的行程不同，下部近，上部遠；過 熱器、再熱器下部與折焰角上邊形成的煙氣走廊則是直接的煙氣短路，故產生下面 高上面低的煙溫偏差，煙溫偏差會引起較大的熱偏差，致使過熱器再熱器超溫、結 渣。爐膛出口煙氣的殘余旋轉是造成受熱面結渣和超溫的主要原因，可以利用“正 反切圓”燃燒技術削弱煙氣的殘余旋轉來減少煙溫偏差，技術已經在某電廠成功應 用 1 0 1 1 1 2 。 本研究采用紅外線測溫儀對爐膛出口煙溫進行實時測量，并將監(jiān)測所得的溫度 數(shù)據通過界面顯示出來，現(xiàn)場操作人員可根據數(shù)據進行有效地調節(jié)。減少煙溫偏差 的措施主要有：爐內送風量的調整，即通過減少爐膛的過量空氣使煙氣流量減少。 還有一次風速的調節(jié)，當一次風速超過一定的數(shù)值后，隨著一次風速的提高，爐膛 出口煙溫偏流和煙溫偏差明顯增大，因此燃燒調整時應對一次風速加以控制 1 3 j 。 3 2 2 爐膛負壓及汽包水位 鍋爐負壓及汽包水位直接關系著鍋爐系統(tǒng)運行的安全，爐膛負壓是反映燃燒工 況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)，爐內燃燒工況一旦發(fā)生變化，爐膛負壓隨即發(fā)生變化，而 維持汽包水位在一定范圍是保證鍋爐安全運行的必要條件，汽包水位過高，直接影 響汽水分離，嚴重是會導致過熱器爆管。汽包水位過低，則破壞了鍋爐的汽水自然 循環(huán)系統(tǒng)，致使水冷壁燒壞。 3 。2 3 制粉系統(tǒng) 本鍋爐采用直吹式制粉系統(tǒng)，直吹式制粉系統(tǒng)中個一次風管內風粉的均勻性及 煤粉濃度分布是影響爐膛內穩(wěn)定燃燒及鍋爐燃燒效率的重要因素。對于六角切圓燃 燒的鍋爐，同層各一次風流速和煤粉濃度不一致會引起爐內燃燒不穩(wěn)定，造成爐內 燃燒切圓偏斜，引起煙溫偏差、傳熱不均等一系列問題。因此，加強對直吹式制粉 系統(tǒng)的運行監(jiān)測對爐內燃燒具有重要意義。 1 5 華北電力大學碩士學位論文 直吹式制粉系統(tǒng)采用每臺磨煤機向同層的六角燃燒器并聯(lián)供煤粉方式運行，系 統(tǒng)將磨煤機磨出的粉直接送入爐膛燃燒。磨煤機的輸出量是由供給磨煤機的風量和 煤量確定的，而磨煤機的風量和煤量取決于給煤機運行情況和轉速。因此，本系統(tǒng) 主要監(jiān)測給煤機運行情況和轉速、磨煤機運行情況和電流、磨煤機的入口和出口溫 度。 3 3 鍋爐安全運行監(jiān)測 3 3 1 金屬壁溫監(jiān)測 鍋爐受熱面的超溫，都是由于管壁溫度引起來的。因此監(jiān)測管壁溫度是非常重 要的，只需保證實時監(jiān)測的壁溫低于相應管壁材質的高限溫度即可。如果管壁超過 高限溫度，需要工作人員做出相應的調整，以使壁溫控制在一定的范圍。監(jiān)測數(shù)據 如表3 - 1 。 表3 - 1 金屬壁溫監(jiān)測表 3 3 2 煙溫偏差監(jiān)測 煙溫偏差是致使受熱面超溫及結渣最主要的原因，監(jiān)測各部件的東西側煙溫及 爐膛出口煙溫使其保持在一定的范圍，是減少受熱面和結渣問題的有效措施。監(jiān)測 1 6 華北電力大學碩士學位論文 ， 數(shù)據如表3 - 2 。 表3 - 2 煙溫監(jiān)測表 監(jiān)測編號監(jiān)測部位監(jiān)測編號監(jiān)測部位 7 8 2 東再熱冷段前煙溫 7 8 5 西省煤器入口煙溫 7 8 3 西再熱冷段前煙溫 7 8 6 東預熱器入口煙溫 7 8 4 東省煤器入口煙溫 7 8 7 西預熱器入口煙溫 3 3 3 爐膛負壓及汽包水位監(jiān)測 鍋爐負壓及汽包水位直接關系著鍋爐系統(tǒng)運行的安全，爐膛負壓是反映燃燒工 況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)，而維持汽包水位在一定范圍是保證鍋爐安全運行的必要條 件。爐膛負壓及汽包水位監(jiān)測數(shù)據如表3 3 。 表3 - 3 爐膛監(jiān)測表 檢測編號監(jiān)測部位檢測編號監(jiān)測部位 2 6 2 東爐膛負壓 9 3 4 西引風機擋板開度 2 6 3 西爐膛負壓 9 3 1 東送風機擋板開度 9 4 舞1 引風機電流 9 3 2 西送風機擋板開度 9 5 撐2 引風機電流 1 7 2 調節(jié)用汽包水位 9 6 舟1 送風機電流 1 7 3 汽包水位一 9 7 樣2 送風機電流， 1 7 4 汽包水位二 9 3 3 東引風機擋板開度 1 7 5 汽匍7 i ( 倍= 3 3 4 制粉系統(tǒng)監(jiān)測 制粉系統(tǒng)是鍋爐燃料的來源，直接影響鍋爐的燃燒工況。因此監(jiān)測制粉系統(tǒng)的 相關參數(shù)，使其保持在合理的范圍，才能保證合格的煤粉，并能以一定的速度和數(shù) 量供給鍋爐燃燒。制粉系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據如表3 4 。 1 7 華北電力大學碩士學位論文 表3 4 制粉系統(tǒng)監(jiān)測表 監(jiān)測編號監(jiān)測部位監(jiān)測編號監(jiān)測部位 1 8 8 掙1 給煤機轉速 8 8 稃1 磨電流 1 8 9 舞2 給煤機轉速 8 9 # 2 磨電流 1 9 0 撐3 給煤機轉速 9 0 群3 磨電流 1 9 1 舟4 給煤機轉速 9 1 # 4 磨電流 1 9 2 群5 給煤機轉速 9 2 撐5 磨電流 1 9 3 掙6 給煤機轉速 9 3 舟6 磨電流 6 7 2 撐1 磨出口溫度 7 9 0 樣1 磨煤機入口風溫 6 7 3 撐2 磨出口溫度 7 9 1 撐2 磨煤機入口風溫 6 7 4 勞3 磨出口溫度 7 9 2 拱3 磨煤機入口風溫 6 7 5 舞4 磨出口溫度 7 9 3 勞4 磨煤機入口風溫 6 7 6 撐5 磨出口溫度 7 9 4 掙5 磨煤機入口風溫 6 7 7 撐6 磨出口溫度 7 9 5 帶6 磨煤機入口風溫 7 8 8 東溫風溫度 9 1 3 靜1 磨溫風門閥位 7 8 9 兩溫風溫度 9 1 4 勞2 磨溫風門閥位 8 1 4 東空氣預熱器出口風溫 9 1 5 靜3 磨溫風門閥位 8 1 5 西空氣預熱器出口風溫 9 1 6 靜4 磨溫風門閥位 8 2 1 撐1 送風機入口風溫 9 1 7 襻5 磨溫風門閥位 8 2 2 舟2 送風機入口風溫 9 1 8 撐6 磨溫風門閥位 9 1 9 # 1 磨熱風門閥位 9 2 5 孝1 磨二次風門閥位 9 2 0 # 2 磨熱風門閥位 9 2 6 群2 磨二次風門閥位 9 2 1 # 3 磨熱風門閥位 9 2 7 參3 磨二次風門閥位 9 2 2 # 4 磨熱風門閥位 9 2 8 撐4 磨二次風門閥位 9 2 3 # 5 磨熱風門閥位 9 2 9 撐5 磨二次風門閥位 9 2 4 # 6 磨熱風門閥位 9 3 0 掙6 磨二次風門閥位 1 8 華北電力大學碩士學位論文 第四章鍋爐經濟運行有關問題的分析與研究 傳統(tǒng)方法采用鍋爐熱效率作為鍋爐經濟運行的評價指標，而現(xiàn)在電廠對環(huán)保的 重視使得鍋爐環(huán)保成本成為經濟性評價的指標之一。鍋爐經濟運行所涉及的內容十 分復雜和廣泛，針對該鍋爐的運行情況，本章主要分析了蒸汽的分配、鍋爐熱效率 和吹灰優(yōu)化問題。 4 1 受熱面吸熱量的分配 4 1 1 受熱面吸熱量計算 蒸汽溫度是鍋爐特性的指標之一，每臺鍋爐都有規(guī)定的額定蒸汽值，并且要求 運行中不能有過大的偏差。合理地分配吸熱量使蒸汽溫度保持在允許的范圍對鍋爐 經濟運行有重要意義。鍋爐水冷壁作為主要的蒸發(fā)受熱面，吸收爐內輻射熱量，使 水冷壁管內的水汽化，產生全部或大部分飽和水蒸氣。過熱器和再熱器作為主要的 對流受熱面，將飽和蒸汽或低溫蒸汽加熱成為達到合格溫度的過熱蒸汽。鍋爐受熱 面的吸熱量與鍋爐負荷密切相關，當鍋爐負荷變化時，受熱面管外煙氣流速和管內 工質流速都發(fā)生變化，管內外傳熱系數(shù)隨之發(fā)生變化，導致管內蒸汽的吸熱量發(fā)生 變化，因此應該隨著鍋爐負荷工況的變化，合理地調整鍋爐受熱面的吸熱量。受熱 面的吸熱量依據煙氣側和蒸汽側的熱平衡來調節(jié)。 煙氣側的對流放熱量公式： q 珊= 【h ：一h ；+ a a 0j ( 4 1 ) 式中，為考慮散熱損失影響的保熱系數(shù)，w m 2 k ；h ：、h l j 為煙氣在該受熱面入 口及出口焓k j k g ；h ? 為口= 1 時漏入冷空氣的焓，k j k g ；a a 為受熱面的漏風 系數(shù)。 工質側的吸熱量公式： q d x ：掣峨 q 。；。a 昏h ；) b j 式中，d 為對流受熱面內工質的流量，k g s ； 口及出口焓，k j k g ；b j 為計算燃料消耗量， 1 9 ( 4 2 ) ( 4 - 3 ) h ：、h ：分別為對流受熱面內工質的入 k g s ；q 日為對流受熱面所在區(qū)域內附 華北電力大學碩士學位論文 加受熱面的吸熱量，k j k g ；d 目為對流受熱面內工質的流量，k g s ；h ；、h ；分別為 對流受熱面內工質的出