燃煤鍋爐結渣的多層次綜合判斷模型研究

楊圣春，楊若樸

(1.安徽電氣工程職業技術學院，合肥230051;2.華北電力大學，河北 保定071003)

目前，電站燃煤鍋爐結渣嚴重影響了電廠安全與經濟運行，通常判別電站鍋爐是否結渣，主要依據煤質本身結渣特性進行判斷［1－2］。燃煤電站鍋爐在運行過程中影響其結渣因素很多，除了煤質本身的結渣特性外，還與鍋爐的燃燒工況以及鍋爐結構有關，即煤與鍋爐的耦合性問題，需要考慮煤質本身的結渣趨勢，根據不同的爐型、鍋爐結構和燃燒工況等因素，綜合預測實際運行鍋爐的結渣特性［1］。因此，本文闡述了鍋爐運行工況對結渣的影響因素及鍋爐結構對結渣的影響，建立了燃煤鍋爐結渣多層次綜合判斷模型，并利用該模型判斷運行過程中電站燃煤鍋爐的結渣狀況，以利于電廠安全與經濟運行。

1 鍋爐運行工況對結渣的影響因素

1.1 爐內空氣動力場

鍋爐內空氣動力場是影響煤粉鍋爐爐膛結渣的重要因素。在煤粉爐中，燃燒中心的灰分大多數屬于熔化或部分熔化狀態，當含灰氣流沖刷水冷壁、爐墻或過熱器管子時，若其溫度高于熔化或半熔化狀態溫度，則灰渣易粘附于水冷壁、爐壁或過熱器管子上形成結渣。鍋爐運行經驗表明，在爐內空氣動力狀況惡化造成爐內部分區域溫度過高時，即使煤灰結渣傾向小的煤種也會引起嚴重結渣;在低負荷情況下，爐內溫度偏低，煤灰結渣傾向大的煤種也會造成結渣;設計良好的鍋爐爐膛，由于運行中負荷變動、配風不當和給粉方式的變化都會引起爐內空氣動力狀況惡化，產生局部還原性氣氛，從而產生熔化溫度較低的FeO而引起結渣，含鐵量較高的煤種尤其明顯。因此，爐內的空氣動力工況，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行鍋爐結渣的重要因素。

1.2 爐膛溫度水平與鍋爐負荷

運行鍋爐實際結渣狀況與爐內溫度水平有關［2］，現場常用煤灰軟化溫度t2來判斷煤質本身結渣特性。在煤粉燃燒過程中，當爐膛煙氣溫度t大于t2時，煤灰顆粒呈現熔融狀態，在爐膛壁上粘附結渣的幾率較大。爐內溫度與鍋爐負荷有關，在鍋爐滿負荷發電及超負荷發電時，結渣幾率就大大增加。也就是說，爐內的溫度水平越高(與設計值相比)以及鍋爐負荷越大(與設計值相比)鍋爐結渣的可能性就越大。

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

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

爐膛出口煙溫增加，爐膛出口區域的爐墻、受熱面結渣趨勢就會增大，在鍋爐折焰角處尤其明顯。

1.3 火球尺寸

無論是切圓燃燒鍋爐，還是W型煤粉鍋爐，爐內空氣動力工況對結渣都產生重要的影響，即火球與爐壁及受熱面的距離越近結渣的可能性越大。對于切圓燃燒鍋爐，主要表現在熱態運動時實際切圓直徑dsj與爐膛等效寬度D的比值，即無因次實際切圓直徑的表達式為

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熔融狀態，就很容易在水冷壁上結渣。影響無因次實際切圓直徑φd的因素較多，主要有鍋爐及燃燒器的結構、布置以及空氣動力工況的組織情況等。綜合這些因素，利用射流相交時動量平衡原理計算出30余臺200 MW以上鍋爐的無因次實際切圓直徑，并將它作為結渣判斷指標，同時利用最優分割法給出該項指標的判別界限如下:

1)φd≤0.475時，為輕微結渣。

2)0.475＜φd≤0.5875時，為中等結渣。

3)φd＞0.5875時，為嚴重結渣。

用φd判別結渣的置信度在50%以上［2］。

1.4 爐膛內的燃燒氛圍

爐膛內，還原性氣氛使灰熔點大大降低，主要是還原性氣氛中熔點最高的Fe2O3還原為熔點較低的FeO造成的，從而引起結渣。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域缺氧，尤其是爐膛壁面周圍缺氧和熱負荷不均勻，造成部分區域產生還原性氣氛。

對于煤粉鍋爐，為了防止還原性氣氛形成，一、二次風充分混合尤其重要，這主要牽涉到燃燒器的類型與結構、各風管的阻力以及一次風管風量分配不均，如煤粉分配器設計不合理、分離器調節不好、給粉機轉速不均、給粉機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 鍋爐結構對結渣影響

鍋爐熱負荷是影響爐膛內溫度水平的重要因素，若熱負荷過高，則意味著爐內溫度、爐膛出口煙溫就高，爐膛及其出口部位就容易結渣。鍋爐熱負荷的選定主要根據煤種特性來確定，設計鍋爐時，對燃用易結渣的煤種時首先選擇較低的熱負荷。在實際運行過程中，如果改變煤種，就必須清楚其結渣的特性。鍋爐運行時，對于結渣傾向較大的煤種，運行時爐內熱負荷應在規定值的下限運行。

2.1 四角切圓燃燒鍋爐

在四角切圓燃燒鍋爐設計方面，防止或緩解爐內及過熱器受熱面結渣是爐膛參數選擇上首先要考慮的問題。國內大型四角切圓燃燒鍋爐制造技術多數是引進美國CE公司技術。

2.1.1 爐膛尺寸

對高結渣性能煤，通常選擇較大尺寸的爐膛，即降低爐膛容積熱負荷、截面熱負荷等參數，增加爐膛高度。美國CE公司四角切圓燃燒∏型布置鍋爐隨著煤結渣、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，采用偏置二次風，除了推遲二次風的混入、降低NOx生存率外，還可以形成風包粉，使煤粉不易貼墻，從而緩解水冷壁結渣。

2.1.3 燃燒器垂直方向布置

燃燒器垂直方向布置時，對于易結渣煤，拉開煤粉噴口間的距離，將燃燒器分為兩段或三段，可使燃燒器區域壁面熱負荷降低，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渣概率。同時，增加上爐膛高度，即保持上一次風口中心至屏式過熱器或頂棚過熱器的距離，自然就降低屏區結渣概率，并使爐膛出口煙溫下降。目前大容量四角切圓燃燒鍋爐燃燒器多數采用LNCFS燃燒器系統。該系統采用EI型一次風噴口，燃燒器兩段或三段布置，偏置二次風，上部布置燃盡風(SOFA)。這樣的設計除降低NOx排放外，也兼有防渣功能。

2.1.4 吹灰器布置

對于大型鍋爐，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量要高出20%～40%。對于600 MW機組四角切圓燃燒∏型布置鍋爐，沿寬度方向需布置6片分隔屏式吹灰器，并按照鍋爐運行的要求定時吹灰，提高吹灰效率。

2.2 W火焰鍋爐

方慶艷等人曾對 DG1025/18.2－Ⅱ14、WB 1025/17.2－M、HG 1025/17.3－WM18 3種W火焰鍋爐進行研究［3］，3種W火焰鍋爐結渣特性不同，有明顯的差異。DG1025/18.2－Ⅱ14型鍋爐的下爐膛容積為4108.5 m2，比其它兩種型號鍋爐的容積分別小了18.5%和20.4%;在相同鍋爐負荷下，DG1025/18.2－Ⅱ14型鍋爐為182.1 kW/m3，其它兩種型號鍋爐的下爐膛容積熱負荷分別為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型鍋爐的燃燒強度、爐膛溫度都高于其它兩種鍋爐，從而導致該型鍋爐結渣相對較為嚴重，表明爐膛熱負荷對W火焰鍋爐結渣影響很大。

2.3 衛燃帶的鍋爐對結渣影響

中國電站燃煤鍋爐通常燃用灰分高、熱值和揮發分低的劣質煤，為了提高煤的著火、穩燃和燃盡能力，有些電站燃煤鍋爐采用了衛燃帶技術。

衛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。衛燃帶一般敷設在爐內燃燒器區域附近，其導熱系數低，可以大大降低燃燒器區域附近的水冷壁吸熱量。在爐內燃料放熱量保持不變的情況下，吸熱量減少，爐內溫度自然就會上升，可以確保煤質變差或鍋爐低負荷運行時穩定燃燒。

爐內衛燃帶的加入，能夠改善劣質煤的著火和穩燃，提高燃燒效率，但衛燃帶耐火材料自身的物理化學特性也將使其與煤燃燒過程中的熔融煤灰產生復雜的物理化學作用，導致結渣現象的發生［4］。因此，衛燃帶在改善劣質煤燃燒性能時要特別關注其結渣性質。

3 運行鍋爐結渣綜合對層次判斷模型

資料顯示［1－2］，沒有單一結渣指標可以完全正確地預報燃煤鍋爐的結渣傾向，由于對結渣等級(不結渣、輕微結渣、中等結渣、嚴重結渣)的分割界限過于明確，忽略了結渣特性在不同等級之間的中間過渡性，沒有考慮各類參數對某一級別的置信度［1－2，5］。

模糊判斷法是利用模糊數學原理，對各類結渣指標進行綜合考慮時，注意分級界限的模糊性。基于此，筆者采用分辨率較高、具有一定代表性的三大類結渣指標(靜態結渣特性，鍋爐結構，動態結渣特性)對鍋爐結渣趨勢進行模糊綜合判斷。

3.1 運行鍋爐結渣的模糊綜合判斷模型

運行鍋爐結渣的模糊綜合判斷模型如下:

1)模糊因素集U={靜態結渣特性，鍋爐結構，動態結渣特性}。

2)評語集V={不結渣，輕微結渣，中等結渣，嚴重結渣}。

3)權重集A=(a1，a2，a3，a4)，其各級權重值(如表1所示)。

4)隸屬度函數 γ(X)的確定［1］，按線性確定，得隸屬函數矩正R。

5)綜合評判向量B=A·R。6)對評判行向量進行歸一化。

多層次模糊綜合判斷中最低層次評判結果，作為上一層評判矩陣的一個行向量，逐級進行計算便可得出最終結果。

3.2 運行鍋爐結渣的模糊綜合判斷模型結構及權重

鍋爐結渣綜合模糊判斷模型結構如圖2所示，各層次權重值如表1所示。

圖2 模型的綜合評判的結構圖Fig.2 Structure diagram of comprehensive evaluation model

3.3 結渣模型的分級標準的界限值

動態結渣指標分級標準界值如表2所示。

已知運行中送入鍋爐的煤質結渣特性(即煤質的結渣靜態特性)，以及鍋爐運行過程中的負荷、實際減溫水量、送入鍋爐的空氣量、爐內燃燒工況，根據靜態煤質本身的結渣數據、鍋爐結構以及鍋爐運行過程中的相關參數(數據)，利用該模型就可判斷運行過程中電站燃煤鍋爐的結渣狀況，即實際運行鍋爐是處在不結渣狀態、輕微結渣狀態、中等結渣狀態，還是嚴重結渣狀態。

4 結論

1)多層次模糊綜合判斷模型在判斷電站鍋爐結渣時，既考慮了煤質本身的結渣趨勢，又考慮了鍋爐的結構以及鍋爐的運行狀態，是一個較全面的判斷鍋爐結渣的模型。

表1 運行鍋爐結渣的模糊綜合判斷模型權重值Tab.1 Weight value of fuzzy comprehensive judgment model for running boiler slag

表2 動態結渣指標分級標準界值Tab.2 Value of dynamic slag index grading standards

2)動態指標的分級標準界值(表2)是否恰當，是否符合各種爐型及不同的鍋爐變工況運行狀態，還需要進一步在實踐中進行驗證和不斷修正。

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