三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器積灰分段監(jiān)測(cè)模型研究

岳峻峰， 丁建良， 徐力剛， 鄒 磊， 張恩先，管詩駢， 黃亞繼， 陳 波

(1．江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102；2．東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

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三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器積灰分段監(jiān)測(cè)模型研究

岳峻峰1， 丁建良1， 徐力剛2， 鄒 磊1， 張恩先1，管詩駢1， 黃亞繼2， 陳 波2

(1．江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102；2．東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

針對(duì)三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器熱段和冷段積灰分段監(jiān)測(cè)的需求，基于空氣預(yù)熱器的傳熱模型，定義空氣預(yù)熱器利用系數(shù)作為清潔因子并建立積灰分段監(jiān)測(cè)模型.通過分析空氣預(yù)熱器實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)熱平衡原理確定了清潔因子計(jì)算步驟.以某1 000 MW超超臨界直流鍋爐的三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器為例，研究了熱段、冷段清潔因子在空氣預(yù)熱器積灰和吹灰時(shí)的變化趨勢(shì).結(jié)果表明：根據(jù)所建模型計(jì)算出的分段清潔因子變化趨勢(shì)在穩(wěn)定負(fù)荷下能夠反映此空氣預(yù)熱器的分段積灰情況，而在變負(fù)荷情況下雖有一定偏離，但由于電廠變負(fù)荷工況下很少吹灰故影響較小；該積灰監(jiān)測(cè)模型可作為三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器熱冷分段積灰監(jiān)測(cè)的有效手段.

三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器； 積灰監(jiān)測(cè)； 利用系數(shù)； 清潔因子； 穩(wěn)定負(fù)荷； 變負(fù)荷

大型電站燃煤鍋爐多采用三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器回收煙氣熱量來預(yù)熱空氣，由于三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器傳熱元件結(jié)構(gòu)緊湊且工質(zhì)通道狹窄，因此極易積灰，甚至堵塞工質(zhì)通道，導(dǎo)致煙氣側(cè)、空氣側(cè)流動(dòng)阻力增加，傳熱效率降低，從而影響其正常工作，因而必須經(jīng)常進(jìn)行吹灰清潔.三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的傳熱元件根據(jù)材料不同分為熱段(包括熱段層和熱段中間層)和冷段(包括冷段層)，目前，電廠為強(qiáng)化吹灰效果已經(jīng)在熱端、冷端(上下端)都布置有蒸汽吹灰器(如圖1所示)，可分段吹灰.但在實(shí)際運(yùn)行中，由于缺乏空氣預(yù)熱器積灰程度的直觀數(shù)據(jù)，會(huì)導(dǎo)致吹灰器開啟頻繁而蒸汽損耗過大，或?qū)е麓祷也患皶r(shí)而降低空氣預(yù)熱器傳熱效率.

圖1 空氣預(yù)熱器傳熱元件剖面圖及熱冷端吹灰器分布

Fig.1 Profile map for heat-transfer elements of air heater and distribution of soot blowers at hot and cold end

目前，三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的積灰監(jiān)測(cè)已取得了一定成果.閻維平等[1]從流動(dòng)阻力角度，用折算壓差建立了回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的積灰監(jiān)測(cè)模型；藍(lán)曉村等[2]用基于煙氣壓差的積灰程度指標(biāo)進(jìn)行積灰監(jiān)測(cè)；Teruel等[3]引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立了積灰監(jiān)測(cè)模型；張曉安等[4]基于煙氣折算壓差推導(dǎo)出了臨界清潔因子，并優(yōu)化吹灰過程.但上述文獻(xiàn)中的方法只能判斷空氣預(yù)熱器的整體積灰情況，無法進(jìn)行分段監(jiān)測(cè).因此，建立滿足要求的空氣預(yù)熱器積灰分段監(jiān)測(cè)模型顯得至關(guān)重要.

筆者基于三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器傳熱模型，定義空氣預(yù)熱器利用系數(shù)為清潔因子，建立積灰分段監(jiān)測(cè)模型.根據(jù)采集的空氣預(yù)熱器實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合熱平衡原理確定清潔因子的計(jì)算步驟，最后以某1 000 MW超超臨界直流鍋爐的三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器為研究對(duì)象，根據(jù)模型計(jì)算分析了熱段、冷段清潔因子在該空氣預(yù)熱器中積灰和吹灰時(shí)的變化趨勢(shì)，并分析監(jiān)測(cè)模型對(duì)于穩(wěn)定負(fù)荷和變負(fù)荷工況的適用性.

1 積灰監(jiān)測(cè)模型的建立

進(jìn)行空氣預(yù)熱器積灰分段監(jiān)測(cè)即能夠獲得熱段、冷段的實(shí)時(shí)積灰變化，基于熱平衡原理建立監(jiān)測(cè)模型，通過三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器(以下簡稱三分倉空預(yù)器)傳熱模型分析實(shí)時(shí)運(yùn)行中空氣預(yù)熱器的分段積灰情況，并定義能夠反映積灰情況的清潔因子.

1.1 三分倉空預(yù)器傳熱模型

三分倉空預(yù)器采用裝有蓄熱板的轉(zhuǎn)子依次旋轉(zhuǎn)通過煙氣區(qū)和空氣區(qū)的換熱方式，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)1周就完成一個(gè)熱交換過程，換熱為非穩(wěn)態(tài)周期過程，傳熱模型復(fù)雜.為了簡化計(jì)算，可以認(rèn)為此空氣預(yù)熱器傳熱過程為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)對(duì)流傳熱過程[5-6]，即煙氣以對(duì)流方式將熱量傳遞給空氣，且煙氣側(cè)放熱與空氣側(cè)吸熱平衡.

1.1.1 煙氣-空氣傳熱計(jì)算模型

空氣預(yù)熱器煙氣-空氣傳熱模型如式(1)和式(2)所示[7]，式(1)表示煙氣側(cè)放熱，式(2)表示空氣側(cè)吸熱.

(1)

(2)

計(jì)算時(shí)可將一、二次風(fēng)側(cè)吸熱看成一個(gè)整體考慮，因此空氣側(cè)進(jìn)、出口焓用一、二次風(fēng)的流量份額加權(quán)平均，即

(3)

(4)

空氣預(yù)熱器傳熱系數(shù)K的計(jì)算式如式(5)所示；式(6)為吸放熱系數(shù)計(jì)算公式，由于煙氣側(cè)和空氣側(cè)傳熱元件相同，公式相同；式(7)為傳熱方程.

(5)

(6)

(7)

式中：ξ為能夠表征受熱面清潔程度的利用系數(shù)；αy為煙氣側(cè)對(duì)流放熱系數(shù)，kW/(m2·K)；αk1、αk2分別為一、二次風(fēng)對(duì)流吸熱系數(shù)，kW/(m2·K)；xy、xk1、xk2分別為煙氣、一次風(fēng)和二次風(fēng)通道受熱面面積占總受熱面積的百分比；deq為蓄熱板當(dāng)量直徑，m；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；λ為工質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，kW/(m·K)；Z為蓄熱板型系數(shù)；Ct、CL為計(jì)算中涉及的修正系數(shù)，對(duì)三分倉空預(yù)器換熱來說都可取1；H為空氣預(yù)熱器受熱面積，m2；ΔT為對(duì)數(shù)平均溫差，K；Bj為計(jì)算燃煤量，kg/s；下標(biāo)y(k)表示煙氣側(cè)和空氣側(cè)的公式相同.

式(1)～式(7)構(gòu)成了三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的煙氣-空氣傳熱計(jì)算模型，既適用于整體計(jì)算也適用于熱冷分段計(jì)算.值得注意的是，由于熱段與冷段的傳熱元件材料不同，式(6)只適用于分段計(jì)算，在空氣預(yù)熱器整體計(jì)算時(shí)吸放熱系數(shù)是通過分段計(jì)算并根據(jù)受熱面面積份額加權(quán)平均獲得的.

1.1.2 蓄熱板傳熱計(jì)算模型

在三分倉空預(yù)器傳熱模型中，除了煙氣與空氣間的傳熱外，還有煙氣、空氣與蓄熱板間的傳熱[8].假設(shè)在流動(dòng)方向和蓄熱板隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向上，煙氣、空氣和蓄熱板溫度(煙氣、空氣進(jìn)口溫度除外)呈線性變化[9]，則可用式(8)～式(10)表示煙氣、空氣與蓄熱板之間的傳熱過程(蓄熱板傳熱方程與空氣預(yù)熱器的風(fēng)道布置有關(guān)，此處空氣預(yù)熱器旋轉(zhuǎn)方向?yàn)闊煔獾揭淮物L(fēng)，再到二次風(fēng)，最后轉(zhuǎn)回?zé)煔?.

煙氣與蓄熱板表面?zhèn)鳠岱匠蹋?/p>

(8)

一次風(fēng)與蓄熱板表面?zhèn)鳠岱匠蹋?/p>

(9)

二次風(fēng)與蓄熱板表面?zhèn)鳠岱匠蹋?/p>

(10)

邊界條件：

(11)

蓄熱板自身熱平衡(煙氣區(qū))方程：

(12)

式(8)～式(12)構(gòu)成了三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器蓄熱板傳熱計(jì)算模型，由于傳熱元件的不同，通常適用于熱冷分段計(jì)算.

1.2 清潔因子定義

鍋爐受熱面現(xiàn)有的積灰監(jiān)測(cè)模型多采用可以表征受熱面清潔程度的清潔因子[10]作為監(jiān)測(cè)指標(biāo).在上述空氣預(yù)熱器傳熱模型中，利用系數(shù)ξ是考慮空氣預(yù)熱器積灰影響的參數(shù)[9]，在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中能夠反映空氣預(yù)熱器積灰的變化情況，利用系數(shù)越大，則空氣預(yù)熱器越清潔；利用系數(shù)越小，則空氣預(yù)熱器積灰越嚴(yán)重.因此，采用空氣預(yù)熱器的利用系數(shù)ξ作為清潔因子CF進(jìn)行建模：

CF=ξ

(13)

由上式定義可知，當(dāng)空氣預(yù)熱器較為清潔時(shí)，CF較大，趨近于1；當(dāng)空氣預(yù)熱器積灰愈加嚴(yán)重時(shí)，則CF不斷減小直至趨近于0.

綜上所述，三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的積灰分段監(jiān)測(cè)模型是通過傳熱模型計(jì)算出實(shí)時(shí)清潔因子來進(jìn)行積灰實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的.

2 參數(shù)分析

2.1 已知與未知運(yùn)行參數(shù)

2.2 漏風(fēng)系數(shù)和過量空氣系數(shù)

在三分倉空預(yù)器實(shí)際運(yùn)行中，漏風(fēng)通常分為直接漏風(fēng)和攜帶漏風(fēng)，而直接漏風(fēng)又分為周向漏風(fēng)和軸向漏風(fēng)[11-12]，計(jì)算模型較為復(fù)雜.筆者認(rèn)為可以忽略漏風(fēng)的具體過程，假設(shè)煙氣側(cè)漏風(fēng)全來自于空氣側(cè)，并將一、二次漏風(fēng)看成整體，在整體計(jì)算時(shí)用整體漏風(fēng)系數(shù)Δα表示，在分段計(jì)算時(shí)熱段、冷段漏風(fēng)系數(shù)關(guān)系式見式(14)，在實(shí)際計(jì)算中具體由煙氣和空氣的熱平衡確定.

Δαh+Δαc=Δα

(14)

空氣側(cè)整體過量空氣系數(shù)其實(shí)是質(zhì)量流量的體

圖2 已知與未知運(yùn)行參數(shù)

現(xiàn)，可用式(15)表示，在計(jì)算熱、冷分段空氣側(cè)過量空氣系數(shù)時(shí)，認(rèn)為質(zhì)量流量的變化僅與空氣側(cè)向煙氣側(cè)漏風(fēng)有關(guān)，可用式(16)和式(17)表示：

(15)

(16)

(17)

3 計(jì)算步驟

計(jì)算清潔因子的步驟流程見圖3，具體步驟如下：

(2) 假設(shè)熱段出口煙溫ty,m(冷段進(jìn)口煙溫)，分別列出熱段和冷段的熱平衡方程式(18)和式(19)，計(jì)算熱段、冷段漏風(fēng)系數(shù)Δαh和Δαc，以及熱段進(jìn)口空氣平均溫度tk,m(即冷段出口空氣平均溫度).

(18)

(19)

圖3 計(jì)算步驟流程圖

(3) 假設(shè)熱段進(jìn)口一次風(fēng)溫度tk1,m(即冷段出口一次風(fēng)溫度)，從而由求得的tk,m，可知熱段進(jìn)口二次風(fēng)溫度tk2,m，根據(jù)式(6)分別計(jì)算熱段、冷段煙氣、一次風(fēng)和二次風(fēng)與蓄熱板的傳熱系數(shù)，再由式(5)和式(7)分別計(jì)算熱段、冷段的受熱面利用系數(shù).

(4) 根據(jù)式(8)～式(11)，分別計(jì)算熱段煙氣通道分界面上的蓄熱板壁溫，根據(jù)式(12)列出熱段校核條件式(20)，校核熱段進(jìn)口一次風(fēng)溫度tk1,m假設(shè)值，若滿足條件則假設(shè)正確，進(jìn)行步驟(5)；若不能滿足條件則假設(shè)錯(cuò)誤，重復(fù)步驟(3)～步驟(4).

(20)

(5) 根據(jù)式(8)～式(11)，分別計(jì)算冷段煙氣通道分界面上的蓄熱板壁溫，根據(jù)式(12)列出冷段校核條件式(21)，校核熱段出口煙溫ty,m(冷段進(jìn)口煙溫)假設(shè)值，若滿足條件，則輸出步驟(3)中計(jì)算出的熱段、冷段利用系數(shù)作為清潔因子；若不能滿足條件，則假設(shè)錯(cuò)誤，重復(fù)步驟(2)～步驟(5).

(21)

4 計(jì)算實(shí)例及結(jié)果分析

4.1 計(jì)算實(shí)例

以某1 000 MW超超臨界直流鍋爐的容克式三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器為研究對(duì)象.該空氣預(yù)熱器型號(hào)為34VI(T)-2300M，反轉(zhuǎn)運(yùn)行(煙氣到一次風(fēng)，再到二次風(fēng)，最后轉(zhuǎn)回?zé)煔?，熱段傳熱元件為DU型波紋蓄熱板，冷段傳熱元件為NF型蓄熱板(涂搪瓷)，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

為研究此空氣預(yù)熱器的積灰變化，從鍋爐集散控制系統(tǒng)(DCS)采集離線歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行清潔因子計(jì)算分析，采樣間隔為1 min.由于鍋爐運(yùn)行中存在各種擾動(dòng)且熱工參數(shù)變化時(shí)間較長，對(duì)采集數(shù)據(jù)已進(jìn)行算術(shù)平均預(yù)處理.

4.2 積灰和吹灰段監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述積灰分段監(jiān)測(cè)模型的可行性，選取一段穩(wěn)定負(fù)荷并且包含熱段、冷段吹灰的時(shí)間進(jìn)行分析對(duì)比.

圖4為穩(wěn)定負(fù)荷下(925 MW左右)熱段和冷段清潔因子的變化曲線.先分析吹灰段，根據(jù)電廠實(shí)際考察結(jié)果，冷端吹灰器開啟頻率較高，通常其連續(xù)吹灰2次熱端吹灰器開啟一次.從圖4(b)可以看出，熱段和冷段清潔因子在實(shí)際記錄的吹灰段(熱段為4:50-5:20，冷段為4:00-4:30和4:50-5:20)內(nèi)雖有所波動(dòng)但都有明顯上升，表明空氣預(yù)熱器在吹灰時(shí)積灰減少，清潔程度增加，清潔因子的變化與空氣預(yù)熱器實(shí)際清潔程度相符.

(a) 負(fù)荷變化

(b) 熱段、冷段清潔因子的變化

而在積灰段，熱段、冷段清潔因子在沒有進(jìn)行吹灰的積灰時(shí)間里(熱段為1:14-4:50，冷段為1:14-4:05)，清潔因子雖有所波動(dòng)但整體趨勢(shì)下降，表明空氣預(yù)熱器的積灰不斷增加，清潔程度下降.同時(shí)，冷段的清潔因子整體小于熱段的清潔因子，且下降幅度、速率均較大，表明空氣預(yù)熱器的冷段比熱段積灰嚴(yán)重且積灰較快，與電廠實(shí)際考察情況相符.

綜上所述，清潔因子曲線能夠反映空氣預(yù)熱器熱段、冷段的積灰和吹灰情況，建立的積灰分段監(jiān)測(cè)模型可滿足要求.

4.3 變負(fù)荷工況下監(jiān)測(cè)模型的適用性

在鍋爐運(yùn)行中常有負(fù)荷變化率大于3%/min的變負(fù)荷工況[13]，選取一段變負(fù)荷工況且無吹灰的時(shí)間段進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5.

從圖5可以看出，在穩(wěn)定負(fù)荷段(6:30-7:45和9:00-10:00)，熱段、冷段的清潔因子變化較為正常，略有波動(dòng)但幅度不大；而在變負(fù)荷段(7:45-9:00)，熱段、冷段的清潔因子變化較大，偏離正常范圍.這是由于所建立的積灰分段監(jiān)測(cè)模型是基于空氣預(yù)熱器傳熱平衡的前提建立的，在變負(fù)荷工況下，由于燃煤量改變導(dǎo)致煙氣溫度和流速突變，以及壓力突變導(dǎo)致工質(zhì)物性變化等原因，傳熱為不平衡過程[14]，則熱平衡原理并不適用，即所建立的積灰分段監(jiān)測(cè)模型不適用于變負(fù)荷工況.

一般情況下，電廠為保證機(jī)組運(yùn)行安全，不會(huì)在負(fù)荷變化劇烈階段進(jìn)行吹灰，所以盡管所建立的積灰分段監(jiān)測(cè)模型不適用于變負(fù)荷工況，但仍可以作為空氣預(yù)熱器積灰分段監(jiān)測(cè)的較好手段，進(jìn)行熱冷分段積灰監(jiān)測(cè).

(a) 負(fù)荷變化

(b) 熱段、冷段清潔因子的變化

5 結(jié) 論

(1) 基于熱冷分段積灰監(jiān)測(cè)的思想，所建立的三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器積灰分段監(jiān)測(cè)模型能夠滿足當(dāng)今電廠空氣預(yù)熱器分段吹灰的要求.

(2) 在清潔因子的計(jì)算步驟中提出的漏風(fēng)系數(shù)計(jì)算模型基于熱平衡原理，忽略了具體的漏風(fēng)過程，簡化了漏風(fēng)系數(shù)計(jì)算過程.

(3) 穩(wěn)定負(fù)荷下的三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器分段清潔因子計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的積灰程度相符，能夠反映空氣預(yù)熱器熱段和冷段積灰的變化趨勢(shì)，所建立的積灰分段監(jiān)測(cè)模型在穩(wěn)定負(fù)荷下能夠滿足積灰分段監(jiān)測(cè)的要求.

(4) 變負(fù)荷下的清潔因子計(jì)算結(jié)果誤差過大，這是由于變負(fù)荷下空氣預(yù)熱器傳熱不平衡，熱平衡原理不適用，所建立的積灰分段監(jiān)測(cè)不適用于變負(fù)荷工況.但由于電廠在負(fù)荷變化較為劇烈的階段很少進(jìn)行吹灰，因此該積灰監(jiān)測(cè)模型可作為熱、冷分段積灰監(jiān)測(cè)的有效手段.

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Study on Segmented Model for Fouling Monitoring of Tri-sectional Rotary Air Heaters

YUEJunfeng1,DINGJianliang1,XULigang2,ZOULei1,ZHANGEnxian1,
GUANShipian1,HUANGYaji2,CHENBo2

(1. Jiangsu Frontier Electric Technology Co., Ltd., Nanjing 211102, China; 2. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control, Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To realize the segmented monitoring of ash fouling respectively in hot and cold section of a tri-sectional rotary air heater, a segmented model was set up based on the heat transfer model of air heater and by defining the utilization coefficient as the cleanliness factor, of which the calculation steps were determined according to the heat balance principle and the real-time operating data. Taking the tri-sectional rotary air heater in a 1 000 MW ultra supercritical once-through boiler as an example, variation trends of cleanliness factor in both the hot and cold section were analyzed during soot formation and blowing period. Results show that the variation trends of segmented cleanliness factor calculated by the model can reflect actual fouling situation in hot and cold section during stable load operation of the air heater; however, in variable load operation, the data may have some deviations, which would hardly bring problems, since soot-blowing is rarely performed under varying load conditions. The segmented model may therefore serve as a reference for ash fouling monitoring in hot and cold section of tri-sectional rotary air heaters.

tri-sectional rotary air heater; ash fouling monitoring; utilization coefficient; cleanliness factor; stable load operation; variable load operation

2015-09-29

2015-12-10

岳峻峰(1976-)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事電站鍋爐燃燒優(yōu)化及性能試驗(yàn)方面的研究. 電話(Tel.)：15905166908；E-mail：jfyue_jsepri@163.com.

1674-7607(2016)10-0795-06

TK227.3

A 學(xué)科分類號(hào)：470.30