楊圣春，楊若樸

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥230051;2.華北電力大學(xué)，河北 保定071003)

目前，電站燃煤鍋爐結(jié)渣嚴(yán)重影響了電廠安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，通常判別電站鍋爐是否結(jié)渣，主要依據(jù)煤質(zhì)本身結(jié)渣特性進(jìn)行判斷［1－2］。燃煤電站鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中影響其結(jié)渣因素很多，除了煤質(zhì)本身的結(jié)渣特性外，還與鍋爐的燃燒工況以及鍋爐結(jié)構(gòu)有關(guān)，即煤與鍋爐的耦合性問(wèn)題，需要考慮煤質(zhì)本身的結(jié)渣趨勢(shì)，根據(jù)不同的爐型、鍋爐結(jié)構(gòu)和燃燒工況等因素，綜合預(yù)測(cè)實(shí)際運(yùn)行鍋爐的結(jié)渣特性［1］。因此，本文闡述了鍋爐運(yùn)行工況對(duì)結(jié)渣的影響因素及鍋爐結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)渣的影響，建立了燃煤鍋爐結(jié)渣多層次綜合判斷模型，并利用該模型判斷運(yùn)行過(guò)程中電站燃煤鍋爐的結(jié)渣狀況，以利于電廠安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 鍋爐運(yùn)行工況對(duì)結(jié)渣的影響因素

1.1 爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)

鍋爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)是影響煤粉鍋爐爐膛結(jié)渣的重要因素。在煤粉爐中，燃燒中心的灰分大多數(shù)屬于熔化或部分熔化狀態(tài)，當(dāng)含灰氣流沖刷水冷壁、爐墻或過(guò)熱器管子時(shí)，若其溫度高于熔化或半熔化狀態(tài)溫度，則灰渣易粘附于水冷壁、爐壁或過(guò)熱器管子上形成結(jié)渣。鍋爐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在爐內(nèi)空氣動(dòng)力狀況惡化造成爐內(nèi)部分區(qū)域溫度過(guò)高時(shí)，即使煤灰結(jié)渣傾向小的煤種也會(huì)引起嚴(yán)重結(jié)渣;在低負(fù)荷情況下，爐內(nèi)溫度偏低，煤灰結(jié)渣傾向大的煤種也會(huì)造成結(jié)渣;設(shè)計(jì)良好的鍋爐爐膛，由于運(yùn)行中負(fù)荷變動(dòng)、配風(fēng)不當(dāng)和給粉方式的變化都會(huì)引起爐內(nèi)空氣動(dòng)力狀況惡化，產(chǎn)生局部還原性氣氛，從而產(chǎn)生熔化溫度較低的FeO而引起結(jié)渣，含鐵量較高的煤種尤其明顯。因此，爐內(nèi)的空氣動(dòng)力工況，火焰中心的高度、火焰的偏斜程度以及是否貼壁燃燒是影響運(yùn)行鍋爐結(jié)渣的重要因素。

1.2 爐膛溫度水平與鍋爐負(fù)荷

運(yùn)行鍋爐實(shí)際結(jié)渣狀況與爐內(nèi)溫度水平有關(guān)［2］，現(xiàn)場(chǎng)常用煤灰軟化溫度t2來(lái)判斷煤質(zhì)本身結(jié)渣特性。在煤粉燃燒過(guò)程中，當(dāng)爐膛煙氣溫度t大于t2時(shí)，煤灰顆粒呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，在爐膛壁上粘附結(jié)渣的幾率較大。爐內(nèi)溫度與鍋爐負(fù)荷有關(guān)，在鍋爐滿負(fù)荷發(fā)電及超負(fù)荷發(fā)電時(shí)，結(jié)渣幾率就大大增加。也就是說(shuō)，爐內(nèi)的溫度水平越高(與設(shè)計(jì)值相比)以及鍋爐負(fù)荷越大(與設(shè)計(jì)值相比)鍋爐結(jié)渣的可能性就越大。

資料表明［1－12］:爐膛出口煙溫升高越大，隨著煙氣氣流經(jīng)過(guò)屏過(guò)、再熱器、過(guò)熱器、省煤器各級(jí)的溫度上升就越大，越靠近爐膛，溫度上升幅度就越大。爐膛出口的煙溫計(jì)算公式為

式中:M為火焰中心對(duì)爐內(nèi)傳熱影響的系數(shù)，若爐內(nèi)沾污、結(jié)渣、火焰中心上移，則M減小(良好的爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)爐內(nèi)的沾污程度就小);Ta為理論燃燒溫度;σ0為黑體輻射常數(shù);Ψ為水冷壁的平均熱有效系數(shù);Ft為爐壁面積;αt為爐膛黑度;Φ為保熱系數(shù);Βj為計(jì)算燃料量;VCpj為1 kg燃燒的燃燒產(chǎn)物的平均熱容量，kJ/(kg·K)。

爐膛出口煙溫增加，爐膛出口區(qū)域的爐墻、受熱面結(jié)渣趨勢(shì)就會(huì)增大，在鍋爐折焰角處尤其明顯。

1.3 火球尺寸

無(wú)論是切圓燃燒鍋爐，還是W型煤粉鍋爐，爐內(nèi)空氣動(dòng)力工況對(duì)結(jié)渣都產(chǎn)生重要的影響，即火球與爐壁及受熱面的距離越近結(jié)渣的可能性越大。對(duì)于切圓燃燒鍋爐，主要表現(xiàn)在熱態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)際切圓直徑dsj與爐膛等效寬度D的比值，即無(wú)因次實(shí)際切圓直徑的表達(dá)式為

式中a、b分別為爐膛深和寬。

φd如果偏大，氣流偏斜，火焰貼壁，并且氣流中的煤粉顆粒呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，就很容易在水冷壁上結(jié)渣。影響無(wú)因次實(shí)際切圓直徑φd的因素較多，主要有鍋爐及燃燒器的結(jié)構(gòu)、布置以及空氣動(dòng)力工況的組織情況等。綜合這些因素，利用射流相交時(shí)動(dòng)量平衡原理計(jì)算出30余臺(tái)200 MW以上鍋爐的無(wú)因次實(shí)際切圓直徑，并將它作為結(jié)渣判斷指標(biāo)，同時(shí)利用最優(yōu)分割法給出該項(xiàng)指標(biāo)的判別界限如下:

1)φd≤0.475時(shí)，為輕微結(jié)渣。

2)0.475＜φd≤0.5875時(shí)，為中等結(jié)渣。

3)φd＞0.5875時(shí)，為嚴(yán)重結(jié)渣。

用φd判別結(jié)渣的置信度在50%以上［2］。

1.4 爐膛內(nèi)的燃燒氛圍

爐膛內(nèi)，還原性氣氛使灰熔點(diǎn)大大降低，主要是還原性氣氛中熔點(diǎn)最高的Fe2O3還原為熔點(diǎn)較低的FeO造成的，從而引起結(jié)渣。合理的燃燒氣氛需要煤粉濃度均勻，如果燃燒器噴口煤粉量分配不均，就必然形成爐膛部分區(qū)域缺氧，尤其是爐膛壁面周圍缺氧和熱負(fù)荷不均勻，造成部分區(qū)域產(chǎn)生還原性氣氛。

對(duì)于煤粉鍋爐，為了防止還原性氣氛形成，一、二次風(fēng)充分混合尤其重要，這主要牽涉到燃燒器的類型與結(jié)構(gòu)、各風(fēng)管的阻力以及一次風(fēng)管風(fēng)量分配不均，如煤粉分配器設(shè)計(jì)不合理、分離器調(diào)節(jié)不好、給粉機(jī)轉(zhuǎn)速不均、給粉機(jī)葉輪與殼體之間的徑向、軸向間隙不合理等，都是造成還原性氣氛的原因。

2 鍋爐結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)渣影響

鍋爐熱負(fù)荷是影響爐膛內(nèi)溫度水平的重要因素，若熱負(fù)荷過(guò)高，則意味著爐內(nèi)溫度、爐膛出口煙溫就高，爐膛及其出口部位就容易結(jié)渣。鍋爐熱負(fù)荷的選定主要根據(jù)煤種特性來(lái)確定，設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)，對(duì)燃用易結(jié)渣的煤種時(shí)首先選擇較低的熱負(fù)荷。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，如果改變煤種，就必須清楚其結(jié)渣的特性。鍋爐運(yùn)行時(shí)，對(duì)于結(jié)渣傾向較大的煤種，運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)熱負(fù)荷應(yīng)在規(guī)定值的下限運(yùn)行。

2.1 四角切圓燃燒鍋爐

在四角切圓燃燒鍋爐設(shè)計(jì)方面，防止或緩解爐內(nèi)及過(guò)熱器受熱面結(jié)渣是爐膛參數(shù)選擇上首先要考慮的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)大型四角切圓燃燒鍋爐制造技術(shù)多數(shù)是引進(jìn)美國(guó)CE公司技術(shù)。

2.1.1 爐膛尺寸

對(duì)高結(jié)渣性能煤，通常選擇較大尺寸的爐膛，即降低爐膛容積熱負(fù)荷、截面熱負(fù)荷等參數(shù)，增加爐膛高度。美國(guó)CE公司四角切圓燃燒∏型布置鍋爐隨著煤結(jié)渣、玷污性能的加劇(煤種鈉含量的增加)其爐膛尺寸的變化情況如圖1所示。在圖1中，H為鍋爐高度，h為火焰中心與過(guò)熱器的高度。

圖1 爐膛尺寸隨煤灰玷污性能的變化Fig.1 Variation of furnace size with coal ash polluted properties

2.1.2 燃燒器水平方向布置

燃燒器水平方向布置時(shí)，采用偏置二次風(fēng)，除了推遲二次風(fēng)的混入、降低NOx生存率外，還可以形成風(fēng)包粉，使煤粉不易貼墻，從而緩解水冷壁結(jié)渣。

2.1.3 燃燒器垂直方向布置

燃燒器垂直方向布置時(shí)，對(duì)于易結(jié)渣煤，拉開(kāi)煤粉噴口間的距離，將燃燒器分為兩段或三段，可使燃燒器區(qū)域壁面熱負(fù)荷降低，豎直方向火焰分布均勻，這樣溫度水平有所降低，自然就降低水冷壁結(jié)渣概率。同時(shí)，增加上爐膛高度，即保持上一次風(fēng)口中心至屏式過(guò)熱器或頂棚過(guò)熱器的距離，自然就降低屏區(qū)結(jié)渣概率，并使?fàn)t膛出口煙溫下降。目前大容量四角切圓燃燒鍋爐燃燒器多數(shù)采用LNCFS燃燒器系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用EI型一次風(fēng)噴口，燃燒器兩段或三段布置，偏置二次風(fēng)，上部布置燃盡風(fēng)(SOFA)。這樣的設(shè)計(jì)除降低NOx排放外，也兼有防渣功能。

2.1.4 吹灰器布置

對(duì)于大型鍋爐，吹灰是有效的防渣手段。一般四角切圓燃燒鍋爐吹灰器的布置較前后墻燃燒方式吹灰器數(shù)量要高出20%～40%。對(duì)于600 MW機(jī)組四角切圓燃燒∏型布置鍋爐，沿寬度方向需布置6片分隔屏式吹灰器，并按照鍋爐運(yùn)行的要求定時(shí)吹灰，提高吹灰效率。

2.2 W火焰鍋爐

方慶艷等人曾對(duì) DG1025/18.2－Ⅱ14、WB 1025/17.2－M、HG 1025/17.3－WM18 3種W火焰鍋爐進(jìn)行研究［3］，3種W火焰鍋爐結(jié)渣特性不同，有明顯的差異。DG1025/18.2－Ⅱ14型鍋爐的下?tīng)t膛容積為4108.5 m2，比其它兩種型號(hào)鍋爐的容積分別小了18.5%和20.4%;在相同鍋爐負(fù)荷下，DG1025/18.2－Ⅱ14型鍋爐為182.1 kW/m3，其它兩種型號(hào)鍋爐的下?tīng)t膛容積熱負(fù)荷分別為157.3 kW/m3和158.8 kW/m3，相比高出了13.8%和12.8%，這兩方面因素使 DG1025/18.2－Ⅱ14型鍋爐的燃燒強(qiáng)度、爐膛溫度都高于其它兩種鍋爐，從而導(dǎo)致該型鍋爐結(jié)渣相對(duì)較為嚴(yán)重，表明爐膛熱負(fù)荷對(duì)W火焰鍋爐結(jié)渣影響很大。

2.3 衛(wèi)燃帶的鍋爐對(duì)結(jié)渣影響

中國(guó)電站燃煤鍋爐通常燃用灰分高、熱值和揮發(fā)分低的劣質(zhì)煤，為了提高煤的著火、穩(wěn)燃和燃盡能力，有些電站燃煤鍋爐采用了衛(wèi)燃帶技術(shù)。

衛(wèi)燃帶是指在鍋爐爐膛水冷壁向火面上涂敷或安裝高溫耐火材料而形成的覆蓋層。衛(wèi)燃帶一般敷設(shè)在爐內(nèi)燃燒器區(qū)域附近，其導(dǎo)熱系數(shù)低，可以大大降低燃燒器區(qū)域附近的水冷壁吸熱量。在爐內(nèi)燃料放熱量保持不變的情況下，吸熱量減少，爐內(nèi)溫度自然就會(huì)上升，可以確保煤質(zhì)變差或鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定燃燒。

爐內(nèi)衛(wèi)燃帶的加入，能夠改善劣質(zhì)煤的著火和穩(wěn)燃，提高燃燒效率，但衛(wèi)燃帶耐火材料自身的物理化學(xué)特性也將使其與煤燃燒過(guò)程中的熔融煤灰產(chǎn)生復(fù)雜的物理化學(xué)作用，導(dǎo)致結(jié)渣現(xiàn)象的發(fā)生［4］。因此，衛(wèi)燃帶在改善劣質(zhì)煤燃燒性能時(shí)要特別關(guān)注其結(jié)渣性質(zhì)。

3 運(yùn)行鍋爐結(jié)渣綜合對(duì)層次判斷模型

資料顯示［1－2］，沒(méi)有單一結(jié)渣指標(biāo)可以完全正確地預(yù)報(bào)燃煤鍋爐的結(jié)渣傾向，由于對(duì)結(jié)渣等級(jí)(不結(jié)渣、輕微結(jié)渣、中等結(jié)渣、嚴(yán)重結(jié)渣)的分割界限過(guò)于明確，忽略了結(jié)渣特性在不同等級(jí)之間的中間過(guò)渡性，沒(méi)有考慮各類參數(shù)對(duì)某一級(jí)別的置信度［1－2，5］。

模糊判斷法是利用模糊數(shù)學(xué)原理，對(duì)各類結(jié)渣指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮時(shí)，注意分級(jí)界限的模糊性?；诖?，筆者采用分辨率較高、具有一定代表性的三大類結(jié)渣指標(biāo)(靜態(tài)結(jié)渣特性，鍋爐結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)結(jié)渣特性)對(duì)鍋爐結(jié)渣趨勢(shì)進(jìn)行模糊綜合判斷。

3.1 運(yùn)行鍋爐結(jié)渣的模糊綜合判斷模型

運(yùn)行鍋爐結(jié)渣的模糊綜合判斷模型如下:

1)模糊因素集U={靜態(tài)結(jié)渣特性，鍋爐結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)結(jié)渣特性}。

2)評(píng)語(yǔ)集V={不結(jié)渣，輕微結(jié)渣，中等結(jié)渣，嚴(yán)重結(jié)渣}。

3)權(quán)重集A=(a1，a2，a3，a4)，其各級(jí)權(quán)重值(如表1所示)。

4)隸屬度函數(shù) γ(X)的確定［1］，按線性確定，得隸屬函數(shù)矩正R。

5)綜合評(píng)判向量B=A·R。6)對(duì)評(píng)判行向量進(jìn)行歸一化。

多層次模糊綜合判斷中最低層次評(píng)判結(jié)果，作為上一層評(píng)判矩陣的一個(gè)行向量，逐級(jí)進(jìn)行計(jì)算便可得出最終結(jié)果。

3.2 運(yùn)行鍋爐結(jié)渣的模糊綜合判斷模型結(jié)構(gòu)及權(quán)重

鍋爐結(jié)渣綜合模糊判斷模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，各層次權(quán)重值如表1所示。

圖2 模型的綜合評(píng)判的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of comprehensive evaluation model

3.3 結(jié)渣模型的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的界限值

動(dòng)態(tài)結(jié)渣指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)界值如表2所示。

已知運(yùn)行中送入鍋爐的煤質(zhì)結(jié)渣特性(即煤質(zhì)的結(jié)渣靜態(tài)特性)，以及鍋爐運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)荷、實(shí)際減溫水量、送入鍋爐的空氣量、爐內(nèi)燃燒工況，根據(jù)靜態(tài)煤質(zhì)本身的結(jié)渣數(shù)據(jù)、鍋爐結(jié)構(gòu)以及鍋爐運(yùn)行過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)(數(shù)據(jù))，利用該模型就可判斷運(yùn)行過(guò)程中電站燃煤鍋爐的結(jié)渣狀況，即實(shí)際運(yùn)行鍋爐是處在不結(jié)渣狀態(tài)、輕微結(jié)渣狀態(tài)、中等結(jié)渣狀態(tài)，還是嚴(yán)重結(jié)渣狀態(tài)。

4 結(jié)論

1)多層次模糊綜合判斷模型在判斷電站鍋爐結(jié)渣時(shí)，既考慮了煤質(zhì)本身的結(jié)渣趨勢(shì)，又考慮了鍋爐的結(jié)構(gòu)以及鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，是一個(gè)較全面的判斷鍋爐結(jié)渣的模型。

表1 運(yùn)行鍋爐結(jié)渣的模糊綜合判斷模型權(quán)重值Tab.1 Weight value of fuzzy comprehensive judgment model for running boiler slag

表2 動(dòng)態(tài)結(jié)渣指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)界值Tab.2 Value of dynamic slag index grading standards

2)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)界值(表2)是否恰當(dāng)，是否符合各種爐型及不同的鍋爐變工況運(yùn)行狀態(tài)，還需要進(jìn)一步在實(shí)踐中進(jìn)行驗(yàn)證和不斷修正。

［1］ 楊圣春.電站鍋爐燃煤結(jié)渣預(yù)測(cè)模型及診斷軟件的研究［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2011:89－108.YANG Shengchun.Research on coal－fired utility boiler slagging prediction models and diagnostic software［M］.Beijing:China Water Power Press，2011:89 －108.

［2］ 岑可法.鍋爐和熱交換器的積灰、磨損和腐蝕的防止原理與計(jì)算［M］.北京:科學(xué)出版社，1994.CEN Kefa.Prevention theory and calculation of ash deposition，abrasion and corrosion of boiler and heat exchanger［M］.Beijing:Science Press，1994.

［3］ 方慶艷.3種型號(hào)W火焰鍋爐結(jié)渣特性的數(shù)值模擬［J］.動(dòng)力工程，2008，28(5):682 －689.FANG Qingyan.Numerical simulations of the slagging characteristics in 3 types of W －flame boiler［J］.Journal of Power Engineering，2008，28(5):682 －689.

［4］ 劉唐慶.燃煤鍋爐衛(wèi)燃帶結(jié)渣機(jī)理及結(jié)渣臨界溫度的實(shí)驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2009.LIU Tangqing.Research on the mechanism of coal－ fired boier heat－insulting refractory and the critical slagging temperature［D］.Changsha:Changsha University of Science and Technology，2009.

［5］ 楊圣春.電站燃煤鍋爐結(jié)渣預(yù)測(cè)的研究［J］.熱力發(fā)電，2003(1):31－32.YANG Shengchun.Research on slagging prediction for power station coal－fired boiler［J］.Thermal Power Generation，2003(1):31－32.

［6］ 文孝強(qiáng).評(píng)判燃煤鍋爐結(jié)渣特性的兩種模式識(shí)別方法的對(duì)比［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(2):24－28.WEN Xiaoqiang.Comparision of two identification methods for coal－ fired boiler slagging judgment［J］.Journal of Northeast China Institute of Electric Power Engineering，2009(2):24－28.

［7］ 徐志明.基于退火支持向量的燃煤鍋爐結(jié)渣特性預(yù)測(cè)［J］.熱能動(dòng)力工程，2011，26(4):440 －444.XU Zhiming.Slagging characteristic predition for coal－fired boiler based on annealing support vector［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2011，26(4):440 －444.

［8］ 徐乾.模糊綜合評(píng)判模型預(yù)測(cè)電站燃煤結(jié)渣特性的研究［J］.鍋爐技術(shù)，2006，37(2):55 －58.XU Qian.Prediction effect of different fuzzy set model for boiler slagging properties in power plant［J］.Boiler Technology，2006，37(2):55－58.

［9］ 符慧林.四角切圓煤粉鍋爐結(jié)渣原因分析及預(yù)防［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(4):91 －95.FU Huilin.Analysis and prevention of tangentially pulverized coal－fired boiler slagging reason［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2012，27(4):91 －95.

［10］ 黃文鋒.湛江電廠GD－1025/18.2－Ⅱ型鍋爐嚴(yán)重結(jié)焦的原因及防止措施［J］.黑龍江電力，2008，30(1):59 －61.HUANG Wenfeng.Reasons of serious foul and preventing measures for GD－1025/18.2－Ⅱtype boiler in Zhanjiang power plant［J］.Heilongjiang Electric Power，2008.

［11］ 何映光.300 MW循環(huán)流化床鍋爐結(jié)焦分析［J］.黑龍江電力，2009，31(4):301 －303.HE Yangguang.Analysi of 300MW CFB boiler slagging［J］.Heilongjiang Electric Power，2009，31(4):301 －303.