北海电厂#1锅炉智能吹灰优化系统技术开发报告

国投北部湾发电有限公司#1锅炉智能吹灰优化系统技术开发报告#1锅炉智能吹灰优化系统技术开发报告“锅炉智能吹灰优化系统”利用电厂已有的DAS采集系统，通过添加部分工质侧和烟气侧测点，以锅炉整体及局部能量和质量平衡原理为基础，对各主要对流受热面的积灰结渣、锅炉炉膛出口烟气温度进行在线监测和分析计算，实时计算和分析锅炉的受热面的运行状态和污染程度，实现受热面污染程度的量化和可视化，并提供实时参考画面和污染率数据。

根据临界污染洁净因子和机组运行状况，提出吹灰优化指导，改变以往的盲目的定时吹灰模式或排烟温度吹灰模式，对受热面污染严重的部位进行吹灰，实现按需吹灰，在受热面换热特性得到保证的情况下，最大限度降低吹灰频次，达到节能降耗、提高机组运行经济性和安全性的目的。

一、方案概述各受热面污染程度的计算及监测：对炉内各受热面，建立基于能量和质量平衡原理的计算模型，利用DAS系统中的工质侧参数和省煤器后烟气侧参数，并根据飞灰可燃物及排烟氧量软测量模型，首先进行锅炉各项热损失和热效率的计算，然后，从省煤器出口开始，基于所开发的计算模型，逆烟气的流程逐段进行各受热面的热平衡和传热计算，确定各受热面的实际传热系数及实时污染率。

为满足上述计算分析需要，根据现有的测点情况，通过新增一些温度测点，由前置机组成一套DAS系统，完成新增测点的数据采集。

采集的数据通过前置机的通讯卡接入机组DCS系统，数据由DCS与PI系统的接口机送入PI 系统，吹灰优化系统服务器通过PI系统取得必要的数据，经过模型计算，将结果返回到控制室的OPM显示终端上，供运行人员参考，指导吹灰过程，系统网络结构如图1所示。

吹灰优化系统提供了锅炉内部烟气温度显示功能，实现锅炉内部实时烟气温度的计算及监测。

锅炉通常只在尾部受热面布有烟温测点，其它如炉膛出口、高温对流区等处，因工作环境恶劣，布置于该区热电偶不能长时间国投北部湾发电有限公司#1锅炉智能吹灰优化系统技术开发报告2图1 吹灰优化系统网络示意图锅炉智能吹灰优化系统结构图PI ServerPlant LAN吹灰系统服务器Westation ,Solaris Engineer workstationWestnet Ⅱ Highway新建DAS 系统DAS 系统与 DCS 接口前置机传感器网关机、吹灰系统显示DCS 系统正常工作，这些部位的烟温均不能实现实时监测。

而炉膛出口烟温在相当程度上反应了炉膛内的燃烧工况及积灰结渣程度，准确监测对了解炉内燃烧状况、监测炉膛污染状况和进一步实现吹灰优化十分重要。

本系统将计算炉膛出口烟温及其它各受热面进、出口的烟气平均温度，绘制烟气温度分布图，以便运行人员了解锅炉内部的烟温分布。

系统建立了不同受热面的污染增长模型，结合不同负荷下炉内各受热面的理想传热状态，通过建立的经济性分析模型计算，权衡吹灰带来的收益和支出，判断当前状况下，锅炉是否需要进行吹灰操作，确定较优的吹灰模式，并提示吹灰顺序，指导运行人员进行吹灰操作。

基本逻辑框架如图2，3所示。

图2 受热面热阻动态变化曲线原理图图3 吹灰优化算法流程图二、测点安排根据系统要求，使用了＃1机组吹灰优化系统的服务器，完成从PI数据库读取机组实时运行数据、受热面污染监测实时计算、锅炉性能的计算分析、吹灰策略智能分析、污染面洁净因子数据库管理等功能，为客户端浏览提供数据支持。

根据#1机组锅炉现有测点，为满足相关受热面换热的实时监测计算，需要增设24个测点，新增测点包括：一级过热器入口蒸汽温度4个测点、一级过热器入口烟温2个测点、一级过热器出口烟温2个测点、空气预热器前烟温6个测点、低温再热器前烟温3个测点、低温再热器后烟温3个测点、省煤器后烟温2个测点、还有2个备用测点。

新增测点分布如图4所示。

来自低过图4 增设以及改造测点示意图三、炉内各受热面污染模型及优化策略系统采用污染率表征受热面的积灰污染状态。

根据锅炉整体和各局部受热面热量平衡的基本原理，利用DAS 系统中的工质侧参数和省煤器后烟气侧参数，首先进行锅炉各项热损失和热效率的计算，继而从省煤器出口开始，逆烟气的流程逐段进行各受热面的污染率的计算。

对流受热面污染模型锅炉内对流受热面的工作原理如图5所示，工质在管内流动，烟气在管外流动。

运行过程中，受热面积灰污染。

受热面传热量的计算则根据式（1）进行：t KA Q ∆=（1）式（1）中的K 为受热面的传热系数，A 为传热面积，Δt 为传热温差。

K 表征了受热面的传热性能，K 大则受热面传热良好，受热面积灰增加使K 显著减小。

系统根据热力计算标准计算得到的受热面理想K 值，根据在线监测数据计算得到受热面实际K ，受热面的实际K 是小于理想K 的，实际K 与理想K 之比可以有效表征受热面积灰状态，因此系统将受热面的污染率定义为：KKK C F 理想实际理想-=（2）F C 为污染率，无量纲，F C 大则表示受热面积灰越严重污染。

受热面理想K 根据热力计算标准计算，实际K 计算原理如图6所示：在已知受热面出口烟温，工质侧进、出口参数的基础上，分别由工质侧和烟气侧的热平衡方程式（3）（4），计算该受热面的进口烟温，再根据传热烟气 热面金属管壁图5 受热面工作原理图图6 计算原理图方程（5），计算该工况下该受热面的实际传热系数Ksj 。

Bjh h h D Q jw sj /)(∆+'-''= （3）)(0lk sj H H H Q αϕ∆+''-'=（4）BjtA Q K sj sj ∆⋅=（5）以上各式中：h '、h ''为受热面进口及出口的蒸汽焓；H '、H ''为受热面进、出口烟气焓；jwh ∆为减温水焓；ϕ为保热系数；α为漏风系数；0lk H 为理论冷空气焓；Bj 为计算燃料消耗量。

炉膛污染监测模型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。

水冷壁的污染系数用ζ表示，定义为：投射到水冷壁的热量水冷壁吸收的热量=ζ水冷壁角系数定义为：水冷壁）的热量投射到（炉墙投射到水冷壁的热量+=x水冷壁的热有效系数定义为：水冷壁）的热量投射到（炉墙水冷壁实际吸收的热量+=ψ。

因此，有：x *ζψ= （6）根据炉膛出口烟温计算公式，2731)(6.030''-+=pjj alt j p l alt VC B T F a M T ϕψσθ （7） 其中，a T 为理论燃烧温度；M 为与炉膛结构有关，代表火焰中心位置的常量；0σ为玻尔兹曼常数，810*67.5-；l a 炉膛黑度，是一个表示火焰有效辐射的假想黑度；lt F 炉膛面积；ϕ保热系数；j B 计算燃料量；pj VC 燃烧产物的平均热容因此，有：306.01'')1273(1alt l pj j lt aj p T F a VC B T M σϕθψ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+= （8） 炉膛出口烟温从省煤器出口倒推得到，代入式（8），可求得炉膛平均热有效系数pj ψ。

代入式（6），有pjpjpj x ψζ=（9）用pj ζ代表炉膛的污染率（污染洁净因子）。

空气预热器污染数学模型积灰是对流受热面主要的灰污现象。

锅炉对流受热面沾污、积灰后，沿各受热面的烟温有所提高，烟气流通截面变窄，烟速增加，受热面管壁粗糙度增加，引起烟气流动阻力增大。

因此，可以利用这些受热面烟气流动阻力（进出口烟气压差）的变化来反映锅炉运行中对流受热面的积灰严重程度。

锅炉机组的烟气侧阻力一般可以分为三类：摩擦阻力（气流在等截面的直通道中流动时的阻力，其中包括纵向冲刷管束在内）、局部阻力（由于改变通道的形状或方向而引起的阻力）和横向冲刷管束的阻力。

对于水平烟道和对流竖井中过热器，再热器和省煤器及管式空预器等受热面，其烟气阻力主要考虑横向冲刷管束阻力。

不论有无换热，横向冲刷光管及肋片管管束的阻力，用通式表示如下：ρξ221w P =∆ （10） 式中，P ∆为该段受热面压降；ζ为阻力系数，其值与管束中管子的排数和布置以及Re 数有关；w ,ρ分别为烟气密度及流速。

气流速度按与烟气流向垂直的管子轴线平面内的烟道截面来确定。

进入或离开管束各排的阻力已包括在管束阻力系数ζ，所以可不单独计算。

对于回转再生式空气预热器的阻力主要是摩擦阻力，对于一般的烟气动力计算，可以不考虑热交换的修正，按下式进行受热面的摩擦阻力计算，即：ρλ221w P d l =∆ （11） 式中,P ∆和w ,ρ的含义同前；d l ,分别为烟道的长度和当量直径；λ是摩擦阻力系数，λ由管壁的相对粗糙度及雷诺数Re 确定。

将上面表达式用通用表达式表示，即：ρ221w z P =∆ （12） 式中,Z 为通用阻力系数，当计算摩擦阻力和横向冲刷阻力时，分别取为dl λ和ξ。

设F 为受热面有效烟气流通截面积，有：222)(F wF z P ρ=∆ （13）由上式可知，当烟气流量不变而受热面积灰增多时，烟道截面F 变窄，烟道当量直径d 变小，烟速w 增加，受热面压降P ∆会变大。

而烟气流量增加时，流速变大，受热面压降P ∆也会变大。

此外，烟气密度对压降P ∆也有影响。

压差只能反映流动阻力的大小，而不能代表灰污的变化。

因此，不能直接根据压差的变化来判断受热面的积灰程度。

为了消除烟气流量和密度的变化引起烟气差压变化的影响，对上式进行变换，导出如下只与受热面灰污程度有关的指标sj η：ρη22)(2wF PF z sj ∆==（14） 当锅炉灰污程度加重时，通用阻力系数Z 会变大，烟道截面积F 会变小，灰污程度指标sj η变大，指标sj η消除了烟气流量和密度的变化对烟气差压的影响，故而可以近似认为该指标仅是灰污程度的函数，即sj η＝f(灰污程度)，因而它能间接代表受热面灰污状态。

机组实际运行中，负荷和过量空气系数会经常发生变化，从而烟气流量也会改变。

流经受热面的烟气流量和密度可分别用以下两式表示：273)273(+=T V B wF Y j （15）TV G yy +⨯=273273ρ （16）式中,j B 为计算燃料量，y G 和y V 为烟气质量和烟气容积。

利用式(14)和(15)对式(16)进行变换可得： )273()273(2273)(2222+∆=+⋅∆=∆=T G V B PC T G V B g P wF P y y j y y j j s ρη （17） 式中，00)1(016.1V V V y y -+=α,0036.1100/1V A G y y α+-=,并将常系数合并表示为C 。

利用机组实时采集的参数，过量空气系数α可以由在线检测的烟气含氧量2O 来计算：22121O -=α （18）由于指标sj η没有明确的物理含义，为了便于对受热面灰污统一进行监测与比较，所以采用清洁因子来衡量受热面的清洁程度，其定义为：lxlxsj F C ηηη-=（19） 其中sj η为实际计算值，lx η为理想情况下数值。