生产设备评价 锅炉结渣（精选4篇）
篇1：生产设备评价 锅炉结渣
生产设备评价 锅炉结渣
一、锅炉发生严重结渣
（1）引进的600MW级钢炉有多台在投产初期出现严重结渣问题，有的出现恶性事故；有一个厂3台锅炉一年因结渣问题故障停炉9次。
（2）一些燃无烟煤的125MW、200MW锅炉在炉膛卫燃带区域严重结渣，有上吨重的大渣块塌落，甚至堵塞冷灰斗排渣口，加上这个区域没有配备吹灰器，熔渣容易沉积并发展，造成停炉事故。炽热的大渣块掉太冷灰斗下部冷渣水池中，急剧放热，使冷却水汽化，瞬间使炉膛产生正压，炉膛压力保护动作停炉，甚至大量水蒸汽上升，把炉内火焰熄灭。有一个厂由于这种情况造成灭火停炉，每台炉每年有20～30次。
（3）有一些烧烟煤的300MW锅炉也有因结渣被迫停炉的。有一台炉燃烧器区开始结渣，但没有及时采取措施，结渣区域逐步扩大，几乎把燃烧器下部、冷灰斗区域堆满，停炉清理了一周时间。
结渣的原因是多方面的，从现场了解到的情况是：①炉膛选型设计欠妥，炉膛容积偏小，热负荷偏高，炉膛出口烟温比设计值高80~100℃；②对中国易结渣煤的特性认识不足，防结渣措施考虑不周；③燃烧调整做得不细，跟踪检查及热态调整不到位；④吹灰器故障多，投入率不高；⑤运行经验欠缺；③也有因炉底除渣设备故障不能正常排渣而被迫停炉的。
电厂对锅炉结渣问题都很重视，做了大量工作，结渣问题有所缓解，但遗留问题仍很突出，不能忽视：不时仍有大渣块塌落，在炉外甚至在控制室内都有振感；有些锅炉结渣坚硬，不易清除；大渣块掉落在冷发斗碰伤水冷壁管，有一台炉多达百余处；不均匀结渣，局部堵塞受热面通道，造成烟温烟速的偏斜，增加了过热器、再热器管超温爆破事件的发生。建议采取如下整改措施：
（1）煤源、煤质力求稳定。如果燃煤品质远离设计指标，应进行燃烧试验／对燃烧性能作出评估。
对常用煤及新调换的煤种，要作煤的结渣特性及灰熔点分析。根据其燃烧特性、结渣性能，及时采取应对措施，防止严重结渣现象发生。建议电厂制订《防止锅炉严重结渣安全技术措施》。
（2）入厂煤、入炉煤，特别是大型电厂宜作快速分析，把分析数据注明煤的原产地快速送到运行值班室及生产技术管理部门，做到心中有数。
（3）有几个大型电厂，煤场按煤质分类分区堆放，统一调度向锅炉上煤，让中间几台中速磨煤机用易结渣煤，让燃烧器上下磨煤机用轻度结渣煤，可以改善全炉的结渣状况，这个办法可供借鉴。
（4）有多台燃无烟煤的锅炉，炉膛在卫燃带区域没有装设吹灰器，有些锅炉在两侧墙布置热风箱，不便安装吹灰器。这个区域热负荷高，极易结渣，建议做专项研究，在这个区域配置吹灰器。
（5）大修后或燃烧设备、制粉、给粉系统改进后应进行炉膛冷态空气动力场试验，对配风方式进行调整，找出最佳运行工况。热态应跟踪检查，必要时进行热态调整，确保燃烧中心正常，燃烧效果良好，避免出现严重结渣和不均匀结渣现象。
（6）新建及已经投用的锅炉，有关燃烧问题，或遇到严重结渣问题，建议参照电力行业标准《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛轮廓选型导则》的规定和要求加以判断和处理。
（7）有电厂在锅炉冷灰斗的下部装设了积渣、掉大渣报警装置，经多年实际运行考验证明有效，可以借鉴。
（8）加强炉本体巡检，重点是炉膛燃烧器区、屏区、冷灰斗，一旦出现严重结渣应采取措施排除，如改烧轻度结渣煤，加强吹灰，减负荷等。
二、锅炉吹灰器
一些早期投产的125MW、200MW、300MW锅炉，由于当时国产吹灰器质量不过关，系统设计不够完善，调试、维护工作跟不上去，往往投产初期就不好用，甚至迟迟不能移交。能够投用的，也是故障频繁，这些吹灰器，许多厂已废置不用，甚至已拆除。近些年来，吹灰技术日趋成熟，吹灰在锅炉上的功能也被广泛接受，有一些厂重新进行吹灰器选型，并设计吹灰系统，投产效果良好。但仍有一些厂没有恢复吹灰系统。
1.一些厂吹灰器及系统缺陷及故障较多
（1）吹灰器退出不到位；
（2）吹灰器阀门漏汽吹坏受热面；
（3）吹灰管卡涩、弯曲；
（4）吹灰器漏油；
（5）吹灰控制系统故障；
（6）检修运行维护工作不到位，有个电厂已经知道吹灰器没有退回，并在运行记录本上作了记录，但仍迟迟不排除故障，直至吹坏了管子被迫停炉才去处理；
（7）吹灰器装设的位置及数量有待改进，即不易结渣的部位布置了不少吹灰器，容易结渣的位置没有布置吹灰器或数量不够。
2.整改建议
（1）加强吹灰器的维修管理，提高设备完好率及投用率。吹灰器不仅是提高锅炉运行经济性的重要手段，也是防止锅炉炉膛及对流受热面积灰结渣进而减少事故发生率的有效手段。
（2）没有装设吹灰器或废置不用甚至已经拆除的，应重新设计、选型，装配吹灰器。国产吹灰器已有多年运行经验，产品质量过关，建议选用。
（3）有几个电厂在锅炉蒸汽吹灰系统中，分层分区加装截止阀，即使个别吹灰器或阀门故障也不会影响整个吹灰系统的运行。
（4）有些电厂把吹灰器的维修，分包给专业公司负责，责任明确，消缺迅速，设备完好率及投用率在98％以上，收到了较好的效果，可供借鉴。
（5）在吹灰器安装和检修组装过程中，要注意锅炉水平和垂直两个方向的膨胀问题，特别是长吹灰器要留有膨胀间隙。要确保锅炉冷态、热态吹灰管进出自如，与炉墙、受热面不出现卡涩现象。
（6）在大小修中要安排吹灰器及阀门检修，机械电气试验项目计划。要安排人员进入炉内检查炉管有无被吹损，吹灰器空载试运行是否正常。
（7）在机组正常运行时，应安排吹灰器及其系统的巡检，有多个电厂表示，正是巡检查出了缺陷，避免了事故；如吹灰器退不出来，阀门漏汽，限位开关故障，吹灰时吹灰器有抖动，有异音等。
（8）关于吹灰器布置的位置及数量，建议在锅炉订货前，到燃料相同或相近、锅炉容量、炉型相同的电厂去调研，会同锅炉厂共同商定，由锅炉厂进行总体设计和布置。
篇2：生产设备评价 锅炉结渣
[论文关键词]
电站锅炉结渣模糊数学预测
[论文摘要]
用模糊数学方法预测燃煤锅炉结渣特性的新发展，阐述了各评判方法的优缺点。
锅炉结渣是长期困扰电站锅炉设计和运行的问题，威胁着电站锅炉的安全和经济运行。准确预测锅炉的结渣倾向，为大型电站锅炉的设计及运行提供科学依据，对提高锅炉的可用率，节约能源具有重要的现实意义和实用价值。
结渣过程是极其复杂的物理化学过程，取决于许多因素的综合影响。它不仅与煤的灰分含量及其物理化学性质有关，还与燃烧器型式、炉膛结构和设计参数、炉内温度水平、空气动力工况、气氛条件以及受热面的布置等有关。国内外专家学者对结渣进行了广泛、深入的研究，提出了各类结渣预测方法并取得了一定的成果。本文主要阐述近年来采用模糊数学方法预测结渣特性的新发展。
一、结渣评判指标
目前，国内外判断电厂煤结渣的因素主要有两个方面：①根据煤的成分特性进行判断，比如煤灰中碱酸比B/A、硅比G、硅铝比SiO2/Al2O3、铁钙比等;②根据煤灰的物理特性进行判断，包括软化温度t2、灰渣粘度、煤灰烧结特性等。此外还有一些判定结渣的指标，如沾污指数Rf、煤灰粘度结渣指标、硫结渣指标RS、煤灰三元相图等。陈立军，文孝强等对结渣的评判指标做了归纳。
美国EPRI曾调研了各种结渣指数的分辨情况，调研结果表明，没有任何一项单一的指数可以完全正确预报结渣倾向，但任何一项指数又都有相当的可靠性(70%左右)。
二、模糊数学方法
单指标评判和预测煤的结渣性准确率较低，难以满足实际需要。有必要找到一种能根据具体情况确定出不同指标的不同置信度的方法，以使判别结果更符合客观实际，因而产生了综合评判方法。
煤的结渣程度由弱到强的变化是一个由量变到质变的过程，是一个模糊问题。模糊数学是用数学方法研究和处理具有“模糊性”现象的一门学科，因而能很好的评判煤的结渣倾向。
(一)模糊综合评判
单一结渣特性判别指数分辨率低的一个重要原因是分割界限太明确，人为地把复杂的模糊性现象简单地处理成了清晰现象，并且单一指标只能从某个方面因素判别其结渣程度。为了提高预报的可靠性，必须兼顾多种因素综合评判。
综合评判是一种通过考虑不同因素表现出的不同作用而得到全面、合理结论的决策手段。这方面研究的共同点是选取一些常规结渣指标作为因素集，取用结渣程度“轻微”、“中等”、“严重”三级被择集作为评语集，并确定因素集中各因素的权重，进行单因素评判，最后按某一模型加以单级模糊综合评判，得到综合评判向量。按最大隶属度原则，判定该煤种的结渣程度等级。上述方法使用方便，在实践中得到广泛应用，取得较好的效果。选择具有较高准确度的评判指标，在合理选择隶属函数和权重集的基础上，能够最大程度地减少人为因素的影响，使判别结果更准确。其关键在于从实际情况出发，建立合适的隶属函数和权重集。
1.综合评判模型的发展及评判因数集的选取
孙亦碌等人采用模糊数学的方法预测燃煤结渣性，并编制了用于综合判别的RTSQ程序，此模型为燃煤结渣特性模糊综合评判的雏形。
冯宝安等人提出了常规结馇指标的模糊综合评判方法，并将其用于8个煤种的结馇特性判，所得评判结果与实际结渣状况相符。又应用主因素决定型M(Λ，V)、主因素突出型M(·，V)、综合评判型M(Λ，)及加权平均型M(·，+)四种单级模糊综合评判模型对国内8个煤种的常规结渣指标进行评判，由评判结果比较得出单级模型M(Λ，V)的准确率最高的结论。
邱建荣等人对单一煤种及混煤的结渣特性进行了研究，以软化温度t2、硅铝比SiO2/Al2O3、硅比G、碱酸比B/A为评判因素集对煤的结渣特性进行了评判。该方法不仅能够全面考虑各种煤质因素在具体情况下对结渣程度的综合影响，而且考虑了不同指标在不同情况下的重要程度，因而与常规指标相比，其评价更为全面客观。
杨圣春提出了分别适合于预测单一煤种和混煤的模糊评判模型CSM1和CSM2。刘伯谦等人针对元宝山褐煤的结渣特性预报不准确的问题，提出了将改进了的常规指标及锅炉运行参数等多种单一判别准则运用于模糊数学，对褐煤结渣状况进行了有效判别。
浙江大学曹欣玉、兰泽全等人在分析单一结渣判别指标的缺陷及其原因的基础上，针对常规指标评判水煤浆结渣倾向准确率普遍不高的问题，有针对性地提取了分辨率较高的结渣综合指数R以及4个常规指标构成评判因素集。该方法较传统的`方法有更高的准确性。
2.隶属函数的确定
关于隶属函数的确定人们一直都是采用线性函数，杨圣春提出的混煤结渣模型CBM2的隶属度函数采用正态分布，函数变化较慢，评判结果表明该模型具有较高的分辨率和可信度，可为锅炉燃用混煤进行优化配煤提供参考。但该模型是否适用任何煤种，还有待于进一步通过实践来验证。
浙江大学舒红宁、黄镇宇尝试性地提出由正态分布函数演化而来非线性隶属函数，函数变化较慢，并与实际结渣情况进行了对比，发现评判结果和实际结渣情况取得了很好的吻合。这些说明了用正态分布函数建立其隶属函数比线性隶属函数更准确、更合理，更加符合实际情况。
3.权系数的确定
在模糊综合评判方法中，权系数反映各个评价指标在综合评判中的可信度，直接影响综合评判的效果。因此，权系数的确定是综合评价方法的关键.通常采用专家咨询法来解决.而专家咨询法的致命弱点是过分依赖专家的主观判断和经验，其结果有时难以令人信服。
赵显桥等利用粗糙集理论来确定综合评判模型中的权系数，将权系数确定问题转化为粗糙集中属性重要性评价问题，利用粗糙集理论中的知识支持度和属性重要性评价方法，给出了模糊综合评判模型权系数的计算方法。该方法不需要建立解析式的数学模型，完全是由数据驱动来确定各个预测方法的权系数，克服了传统权系数确定方法的主观性，使得综合评判方法更客观、更科学。
(二)聚类分析
灰色聚类方法是基于模糊数学的方法之一，是以灰色统计为基础，将聚类对象对不同聚类指标所拥有的白化数按几个灰类进行归纳整理，从而判断聚类对象属于哪一类的灰色统计方法。
浙江大学曹欣玉等人在分析单一结渣判别指标的缺陷及其原因的基础上，提出将分辨率较高的Rs与另外5个结渣指数(t2、B/A、G、SiO2/A12O3、R)一起作为评判因素集，采用灰色聚类方法对新汶黑液水煤浆及普通水煤浆结渣特性进行预测评估。结果表明，该模型较传统单一评价方法有更高的准确度。
许志华针对有关模糊判别法和灰色聚类法中所出现的缺欠，对其进行了补正，并讨论了补正后引起的计算量增大的问题。
邱建荣等人将邓聚龙的灰色聚类理论应用于燃煤结渣特性的评判中。灰色聚类理论继承了模糊数学法的优点，注意到分级界限不确定性问题，并在此基础上给出了属于某一等级的可能性分布。用此理论来判别煤的结渣性其结果无疑更符合客观实际。王桂明.谢竣林等人应用灰色理论对煤结渣性能进行评判，并对煤的结渣机理进行了分析，其结论与邱建荣等人相同，为煤的结渣评判提供了新思路。
华中理工大学郭嘉、曾汉才运用模糊聚类分析法分析预测混煤的结渣趋势，此方法不仅适合混煤的特点，而且考虑了模糊因素的影响方便易行。
(三)模糊模式识别
模糊模式识别法大致可分为直接法和间接法(又称群体模式识别方法)。直接法是根据最大隶属原则来归类，间接法则是按照择近原则来对被识别对象进行识别。
郭嘉，曾汉才采用间接法，将已知结渣状况的6个煤种作为模型，采用煤灰软化温度、硅铝比、碱酸比和硅比4个评判指标，对受检煤种进行识别。通过计算与前6个已知模型的贴近度，来判别受检者的归属类型。但此模型比较粗糙，识别范围狭窄，且只考虑了煤灰的特性，仅适用于燃烧工况比较接近的不同煤灰的评判。
兰泽全，曹欣玉采用间接法对待识别对象进行结渣特性判别。选用了7个已知结渣程度的燃煤作为标准模型，以4个常规指标和综合指数R为评判因素集，对同一台锅炉不同部位的3个样品(炉渣，转向室灰，除尘灰)以及某燃料水煤浆灰进行识别，以判断属于何种结渣程度，结果表明该模型较以前的四因素法具有更高的准确性。同时指出应用模糊模式识别法来评价其沾污结渣特性时，在因素集的选取方面应更多地考虑锅炉设计参数及运行工况的影响。
赵利敏，路丕思综合考虑灰熔点、碱酸比、硅铝比、硅比及炉膛平均温度和无因次实际切圆直径6个因素，利用模糊模式识别的方法判断锅炉结渣。以实际运行中已知结渣程度的9台锅炉作为样本，对7台受检锅炉进行评判，评判结果与实际情况相符。此新方法可预示大容量锅炉的设计及运行时的结渣程度。
随着模式识别样本库的不断丰富和完善，此方法将会得到更广泛的应用。
三、结论
目前的采用的预测方法大多以煤指特性为指标，对锅炉的运行情况考虑较少。由于炉内结渣的多种因素影响，用某种固定的预测方法得到的结果，往往达不到要求的精度，难以找到通用的预测模型，而且数据本身也具有局限性。要想提高结渣预测的精确度，需要不断改进计算方法，建立和完善煤质特性、锅炉运行参数的数据库，寻找普遍使用的模型。
参考文献：
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篇3：锅炉结渣过程研究与结渣数值模拟
锅炉结渣是个复杂的物理、化学过程,它对锅炉的运行效率和运行安全都有重要的影响。至今,没有完全成熟的理论能够解释锅炉的结渣过程,但是经过国内外学者的不断研究,已经大体上把结渣的形成分成了三个阶段,建立了初步的结渣理论。在此结渣理论的基础之上,采用数值模拟的方法,通过建立结渣模型,对结渣过程进行数值模拟,可以很好的预测结渣发生的位置、结渣量、结渣量随时间的变化、结渣对换热的影响等。进而,提出有效的措施避免或减轻结渣。
1 锅炉结渣过程研究
结渣过程受多种因素影响,和煤质特性、炉膛结构、燃烧器布置、炉内空气动力场、温度水平和热负荷以及运行工况等都密切相关,其中煤质特性即煤灰中的矿物组分在炉膛环境下发生复杂的物理化学变化是决定锅炉结渣特性的主要因素。煤灰是由各种矿物质在高温作用下组成的混合物,其变化过程较复杂。除各矿物组分熔融外,各组分之间还会发生反应生成新的矿物,并且各矿物之间也会发生共熔现象,结渣特性在很大程度上取决于煤中矿物质在炉内高温热力环境中的行为。通常,结渣的形成包括以下三个过程[1,2,3,4,5]。
1.1 初始沉积层的形成
炉管上灰沉积物迅速聚结的基本条件是存在一个粘性表面,粘性表面一般由硫酸钠、硫酸钙或钠、钙与硫酸盐的共晶体等基本物质组成。粘性沉积物处于熔融或半熔融态,对金属或耐火材料具有润湿作用,并且灰成分一般也能相互润湿,这样由于粘附作用而形成初始沉积层。
1.2 一次沉积层的形成
随着初始沉积层的加厚,烟温升高,沉积速率加快,沉积物与沉积物之间以及沉积物与受热面之间粘接强度增加,沉积层表面温度升高,直至沉积到沉积层的熔融或半熔融颗粒基本不再发生凝固而形成粘性流体层,即捕捉表面。
1.3 二次沉积层的形成
捕捉表面形成后,无论灰粒的粘度、速度及碰撞角度如何,只要接触到沉积层的颗粒一般均会被捕捉,使沉积层快速增加,被捕捉的固体颗粒溶解在沉积面上,使熔点或粘度升高,从而发生凝固而又形成新的捕捉表面,直到沉积表面温度达到重力作用下的极限粘度值时的温度,使沉积层的形成不再加厚而使撞击上的灰粒沿管壁表面向下流动。
结渣速度取决于一次沉积层的形成过程,各沉积层的形成均以惯性沉积为主,是否结渣以及结渣的程度与煤种、炉温、空气动力场等有关。
2 结渣模型研究
2.1 结渣模型的选择
结渣模型一般包括以下一些过程的模拟,这些过程的模拟是结渣模型的基础。这些模拟包括:(1)飞灰形成模拟;(2)飞灰输送模拟;(3)飞灰与壁面的碰撞和粘附模拟;(4)渣层生长模拟;(5)渣层特性和强度模拟;(6)通过渣层的传热模拟;(7)渣层对运行条件影响的模拟;(8)结渣对流动影响的模拟。各结渣模型的不同主要区别在于对上述各过程的模拟不同。其中飞灰的输送模拟和颗粒与壁面的粘附模拟是结渣模拟中的重点[6,7]。
2.2 飞灰的输送模型
飞灰颗粒主要是沿着气流的主流方向流动,导致颗粒与壁面碰撞的主要因素是气相湍流引起的气相速度波动对颗粒的作用,使颗粒脱离主流方向,通过边界层到达壁面发生碰撞。因此,引入了随机轨道模型(SSF)来模拟飞灰输送[8],SSF模型的核心是气相速度波动对颗粒轨道的影响通过颗粒——漩涡的随机相互作用表示,假定速度脉动是等方性的,通过对高斯提出的含有标准的偏差方程(2 k/3)0.5的PDF进行取样,计算速度脉动,通过求解颗粒相瞬态动量方程,精确模拟颗粒在漩涡中的运动,在模拟颗粒-漩涡的相互作用时,假设速度波动保持不变[9]。由于该模型考虑了气相与颗粒相之间的滑移以及湍流脉动对颗粒轨迹的影响,用它计算得到的颗粒相平均速度、脉动速度与实验值符合的较好[10,11,12]。但是,由于SSF模型需要计算大量的颗粒轨道才能准确的计算颗粒碰撞,所以它耗时巨大。因此,对于复杂的问题,可以采用统计颗粒云模型,提高计算效率[13,14]。
2.3 飞灰的粘附模型
2.3.1 飞灰的粘度计算模型
煤中的矿物质以粘土矿物如高岭土、伊利石等硅酸盐和铝硅酸盐为主。因此,煤灰熔体主要成分也应为硅酸盐/铝硅酸盐。硅酸盐/铝硅酸盐的粘度主要由两个因素决定:温度和化学组成[16,17]。
(1)温度因素
Urbain and co-workers已经发现温度对于硅酸盐和铝硅酸盐的粘度的决定作用非常重要,温度和粘度的关系可以用下式表示
式中 T—颗粒温度,K;
η—颗粒在温度T下达到平衡态的粘度;
A、B—常数,由颗粒的化学组成决定。
(2)化学组成因素
当前流行、比较公认的硅酸盐熔体结构模式是由众多学者发展的聚合作用模式。实验证明:硅酸盐熔体同其晶体一样,其基本结构单元为Si-O四面体。Si-O四面体通过桥氧联结成各种形状、大小、复杂程度不同的阴离子结构团,这种聚合阴离子团构成了硅酸盐熔体的基本结构单位。从局部看,熔体结构类似于晶体结构,但总体上熔体中原子不成空间连续规则排列。原子没有固定晶格位置,阴离子团的位置随原子的热运动而不断改变。但是在一定温度、压力、组成下,熔体的平衡结构是一固定可重现函数。在硅酸盐熔体中,氧有三种结构状态:
(1)桥氧:是指联结两个Si-O四面体的氧,与两个Si4+或取代Si4+的四次配位阳离子(Ti4+,A13+,Fe3+等)相联,表示为Si-O-Si,或O0。
(2)非桥氧:是联结一个硅和一个非四次配位阳离子的氧,表示为Si-O-Me+或O-。
(3)自由氧:表示为Me+-O-Me+,或O2-。
它们的含量比及分布是熔体聚合程度的标志。
在研究铝硅酸盐结构中,每个四面体中的非桥氧数,即NBO/T是衡量熔体聚合程度的重要尺度,NBO/T定义为
NBO/T值愈低,聚合程度就越高。如单四面体(岛状)硅酸盐,NBO/T=4;链状结构,NBO/T=2;席状结构,NBO/T=1;三维网络结构,NBO/T=0。
利用多重衰退分析和试验观测可以得出公式(1)中参数B,由参数B和NBO/T可以计算出公式(1)中参数A,最后把参数A和B代入公式(1)计算出飞灰颗粒的粘度。
2.3.2 飞灰的粘附判定模型
决定碰撞颗粒粘附的因素包括:颗粒和壁面温度、入射速度和角度、组分和粘度等,其中,颗粒的粘度是最重要的因素。目前,所有的研究都采用临界粘度(μref)的概念作为计算颗粒粘附概率的准则。当飞灰颗粒的粘度低于临界粘度,认为飞灰颗粒能够粘附在壁面上的概率为1,当高于临界粘度,认为粘附概率为临界粘度与颗粒实际粘度之比,具体模型为
pi(Tps)=1 (μ<μref)(4)
式中,pi为具有平均粘度μ的颗粒群i粘附于壁面的概率,Tps为颗粒群i的温度。该方法最大的优点是模型简单,易于工程计算。但该模型未考虑气流入射速度和入射角度对结渣率的影响,并且也未给出颗粒粘附数目的绝对数目。目前,所有研究都采用这一模型来计算颗粒粘附率,所得结果与实验符合很好。
2.4 结渣的生长模型
结渣生长模型是描述结渣从开始到稳定的动态过程,主要包括结渣层厚度的增长、结渣量随时间的变化、渣层物性的变化和通过渣层的传热。
2.4.1 渣层各物性参数变化模型
实际的结渣过程必然引起渣层物性的变化,很多研究通过选取尽可能符合实际物理化学反应的物性参数函数来模拟实际的复杂过程。物性参数主要包括:渣层的导热系数、多孔率、吸收率、发射率等。其中,影响结渣生成、结渣特性和传热显著的参数必须要考虑,灰渣的多孔率和导热系数是最重要的两个参数。
多孔率的求解有3种方法:(1)人为地将渣层化分为三层,每一层内的多孔率的值不同但保持常数,不随结渣的生成而改变[18];(2)认为多孔率与渣层达到平衡时的固相体积分数和液相体积分数有关[11];(3)基于渣层之间发生烧结反应来计算多孔率[17]。
导热系数也是影响渣层生长的重要物性参数。对应多孔率的三种求法,导热系数也有三种求法,可以参考与之相应的求解多孔率的文献。
2.4.2 结渣停止生长模型
由于结渣的不断生长,渣层热阻逐渐增大,传热恶化,导致渣层表面温度急剧升高。同时,碰撞到已经结渣壁面的飞灰颗粒度的粘度逐渐降低,当碰撞到壁面的飞灰颗粒的粘度小于一定值时,飞灰颗粒碰撞到壁面上被已形成的渣层捕获而不结渣,这主要是由于渣层的粘附力不足以承受飞灰颗粒的重力导致的。此时,结渣过程停止,碰撞到壁面的飞灰颗粒在自身重力作用下沿重力方向流动。
3 结渣模拟实例
3.1 模型介绍
以某厂某台余热锅炉为例,该锅炉用于回收燃煤产生的高温烟气余热。余热锅炉为水管式,高温烟气走管外,水和蒸汽走管内。炉膛横截面的宽度为2.3 m,高度为2.5 m,长度为7 m。选定换热管的规格是,外径51 mm,壁厚3 mm,采用错排方式。这种方案的中心思想是在炉膛的前部设横向管节距170 mm,纵向125 mm的管排,作为凝渣管排,防止结渣搭桥,中间留有三条检修通道,便于工人进入炉内清灰。其余管排横向管节距100 mm,纵向125 mm,增大传热面积,加强换热,减小余热锅炉体积。换热管布置方式如图1所示。炉膛整体结构如图2所示。
该余热锅炉入口高温烟气温度1 200 K,用于产生1.0 MPa蒸汽,烟气中的气相物质简化成空气;烟气中含有颗粒相,即飞灰颗粒(以下简称粒子),粒子粘度的氧化物组成如表1所示。炉膛和结渣层的特性参数如表2所示。
取炉膛结构的二维截面作为数值模拟的模型。入口条件为速度入口,出口条件为压力出口,将换热管划分为5个区域(分别为HR1、HR2、HR3、HR4、HR5),通过UDF编程建立结渣模型,在这5个区域同时模拟结渣和结渣对换热的影响,进而分别得出不同换热区域的结渣情况。模型如图3所示。
3.2 模拟结果
(1)结渣稳定后粒子运动情况
经过4 785个时间阶的模拟之后,余热锅炉结渣过程稳定。绝大部分的粒子都在炉膛内被受热面捕获,其中一部分粘附在受热表面上形成渣层,另一部分被受热表面捕获并沿受热表面流动,总之,这些粒子都没能够通过余热锅炉出口。只有一少部分粒子通过了出口界面排向了大气。
图4和图5分别显示了id=15和id=0两股粒子流中包含的粒子的运动轨迹,图6显示了余热锅炉所有粒子的运动轨迹。
图4为id=15的一股粒子流的轨迹,从图中可以看出,当余热锅炉结渣稳定后,此股粒子流包含的全部粒子都结渣在换热管上,没有粒子流出余热锅炉。
图5为id=0的一股粒子流轨迹,该股粒子流一共包含10个粒子。从图中可以看出,当余热锅炉结渣稳定后,此股粒子流全部粒子轨迹中的4条粒子轨迹因结渣中断在换热管上,其余6条粒子轨迹通过了余热锅炉的出口界面。也就是说,该股粒子流中的40%粒子在换热管发生结渣,其余60%粒子流出余热锅炉。
从图6中可以看出,被跟踪粒子轨道数为840,经过4 785个时间阶的模拟,余热锅炉结渣过程达到稳定状态,最终有739个粒子轨道因粒子结渣而没有到达余热锅炉出口截面,101个粒子轨道通过余热锅炉出口界面,结渣率为88%。
(2)结渣过程换热管外表面温度变化
以换热区域1(HR1)为例,其他换热区域换热管外表面温度变化的总体趋势和换热区域1类似,但是具体的时间节点和稳定后换热管外表面温度有所不同。换热区域1(HR1)换热管外表面温度变化如图7所示。
从图中可以看出,在高温烟气开始进入余热锅炉的阶段,换热区域1(HR1)换热管外表面温度发生了几次波动,这是由于模拟是以不发生结渣条件下换热稳定时的情况为初始条件。当经过了约550个时间阶的模拟之后,换热管外表面温度开始持续增长,这是由于结渣量的不断增加,渣层热阻逐渐增大造成的。当模拟到4 500个时间阶的时候,换热管外表面的温度几乎不再增长,此时换热管外表面的温度大约为1 175 K,这是由结渣停止生长模型决定的,此时,撞击在换热管上的粒子被换热管上已形成的渣层捕获,但粒子粘度足够小,不能粘附在已形成的渣层上,而是在自身重力的作用下沿着换热管流动到换热管底端。
(3)结渣稳定后不同换热区域换热管的半径。
从图8中可以看出,经过4 785个时间阶后,余热锅炉结渣过程达到稳定状态,不同换热区域换热管外径(包含渣层厚度)都有不同程度的增长。其中,换热区域4(HR4)换热管外径增长最大,达到28.83 mm,增长了3.33 mm;换热区域5(HR5)换热管外径增长最小,增长到26.14 mm,增长了0.64 mm。换热区域1、2、3(HR1、HR2、 HR3)分别增长了2.57 mm、2.56 mm和1.32 mm。
结渣最严重的区域,换热区域4(HR4),没有结渣时换热管中心间距最小值为100 mm,换热管外壁之间最小距离为49 mm,结渣后换热管外壁之间最小距离为42.34 mm,和没有结渣的情况相比,换热管外壁之间最小距离减少了6.66 mm,减少了13.6%。
结渣最不严重的区域,换热区域5(HR5),没有结渣时,换热管的空间结构和换热区域4(HR4)一样,结渣后换热管外壁之间最小距离为47.72 mm,和没有结渣的情况相比,换热管外壁之间最小距离减少了1.28 mm,减少了2.6%。可以看出,在换热区域5(HR5)结渣程度非常轻,可以考虑使用翅片管代替光管强化换热,同时也缩小了余热锅炉的体积。
(4)未发生结渣和结渣稳定后总换热量的变化
图9和图10分别显示了未发生结渣和结渣稳定后,炉膛内温度的分布水平。从两幅图的比较中可以看出,未发生结渣时,余热锅炉入口烟气温度1 200 K,烟气流速10 m/s,代入热量为23 349 280 J/s,经过换热后,产生1.0 MPa蒸汽,有效利用热量为13 119 785 J/s,占全部热量的56.2%;其余热量10 229 495 J/s经余热锅炉出口排出。发生结渣并且稳定后,有效利用的热量为314 026 J/s,仅占全部热量的1.3%;而通过余热锅炉出口排出的热量为23 035 254 J/s,占全部热量的98.7%。
由此可见,锅炉结渣对换热的影响非常大,高温烟气中的热量几乎全部从出口排出,仅仅回收了极小的一部分热量,所以,一定要采取有效措施避免锅炉结渣。
4 结 论
运用本文建立的锅炉结渣模型可以清晰的模拟出飞灰颗粒结渣的位置和时间,进而掌握结渣过程中换热管外表面的温度变化,掌握结渣稳定后不同换热区域换热管半径的改变情况,可以预测结渣稳定时间和结渣对换热的影响。
摘要：探讨了锅炉的结渣过程。采用数值模拟的方法,建立了结渣模型,特别是建立了结渣停止生长模型,模拟了锅炉结渣的过程和影响,得出结渣的位置、结渣时间、结渣量和结渣对换热的影响等。
篇4：锅炉结渣模糊识别方法的研究
关键词：锅炉；结渣；综合因素；模糊识别
1 引言
电站锅炉的结渣一直是危及锅炉安全经济运行和机组可用率的一个重要问题。锅炉受热面结渣是一个极其复杂的物理化学过程，影响因素很多。结渣严重程度不仅取决于燃煤中灰分的成分和含量，还与锅炉的设计、煤的燃烧方法和运行条件等有关。目前，对锅炉结渣的模糊识别方法多从煤的特性考虑，本文提出了一种基于综合因素考虑的锅炉结渣模糊识别的简单研究方法。
2 影响结渣过程的主要因素
影响结渣过程的因素主要有煤的灰分特性、锅炉内空气动力特性、炉膛的设计特性以及锅炉运行负荷等。
2.1 煤的灰分特性
通常将灰的软化温度t2作为衡量是否结渣的主要指标。如果灰熔点很高（如t2>1350℃），管壁上积灰层和附近烟气的温度很难超过灰的软化温度，一般认为此时不会发生结渣。
评价煤灰结渣性还有其他指标，如硅比SR、灰的酸碱比B/A、结渣指数RS等。硅比SR越大，灰渣的粘度越小，就越不易结渣；灰的酸碱比B/A越低，灰的流动性越差，越不易结渣；结渣指数RS越小，灰渣的粘度越小，越不易结渣。
2.2 炉内空气动力特性
炉内空气动力特性影响结渣主要是与高温火焰中心位置和熔渣粒子周围气氛两方面有关。
2.2.1火焰中心
正常运行情况下，高温的火焰中心应在炉膛端面的几何中心。而实际上，由于炉内气流组织不当，火焰中心会发生偏移，使得灰粒子未足够冷却就粘附于水冷壁；或水冷壁局部温度过高，从而引起水冷壁局部结渣。
灰粒在向水冷壁扩散的过程中慢慢冷却，如果火焰高温区范围过大，灰粒在扩散过程中冷却不够，也易引起水冷壁结渣。
2.2.2熔渣粒子周围气氛
在还原气氛中，灰中熔点较高的氧化物会被还原为熔点较低的氧化物，再与SiO2等形成熔点更低的共熔体，使灰熔点下降，增大了结渣的可能性。
2.3 炉膛的设计特性
炉膛的容积热强度ql、断面热强度qa及燃烧器区域壁面热强度qr对结渣都会产生影响。ql过大，炉膛容积小，炉膛内受热面布置少，炉内温度增高，易在燃烧器附近形成结渣；qa过高，燃烧器局部温度过高，易在燃烧器附近形成水冷壁结渣。反之，qa过低，炉膛高度不够，烟气到达炉膛出口却未足够冷却，易在炉膛出口受热面结渣；qr过高，易在燃烧器局部引起温度过高，在其附近形成水冷壁结渣。
2.4 锅炉运行负荷
锅炉负荷升高时，炉膛内温度也升高，就增大了结渣的可能性。
3 模式识别基本原理及模型分析
3.1 模糊识别基本原理
模糊模式识别法可分为直接法和间接法。直接法是根据最大隶属原则来归类，一般用于个体的识别；间接法又称为群体模式识别法，则是按照择近原则来对被识别对象进行识别，一般用于群体模型的识别。本文采用间接法对待识别对象进行结渣特性判别。
择近原则：设A1、A2、…、An∈U，是论域U上的n个模糊子集，B也是U上的模糊子集（待识别对象），若（B，A）=max（B，Ai），则认为B相对归属于Ai。其中（B，Ai）表示B与Ai两个模糊集的贴近度，其表达式为：
而
分别称为两模糊集B和Ai的内积与外积。式中，∨、∧分别表示取大和取小运算。
3.2 模型分析
为保证模糊识别的准确性，取结渣程度分别为重、中重、中、中轻和轻的各2个，共10个已知结渣情况的实例作为标准模型，以影响结渣的各因素作为评判标准。对于影响结渣的火焰中心位置以火焰中心偏移度β为衡量依据，其中：
式中：d为火焰中心偏移炉膛断面几何中心距离，R为炉膛断面的当量半径。对于影响结渣的火焰高温区范围以火焰中心大小A为衡量依据，其中：
式中：r为火焰高温区域当量半径，R为炉膛断面的当量半径。对于影响结渣的熔渣粒子周围气氛以炉膛出口的过量空气系数为衡量依据。
因此评判标准共有软化温度作t2、硅比SR、灰的酸碱比B/A、结渣指数RS、火焰中心偏移度β、火焰中心大小P、炉膛出口的过量空气系数α、容积热强度ql、断面热强度qa、燃烧器区域壁面热强度qr和锅炉负荷D等11个指标。
4 模糊模式识别
4.1 计算模型各指标的均值和标准差
4.2 求隶属度矩阵
4.2.1数据进行标准化处理
4.2.2归一化处理
4.2.3计算贴近度
计算待识别对象与标准模糊子集的贴近度。先按公式（2）、（3）求出模糊子集的内积与外积，然后再按公式（1）求出贴近度。表1给出了各模型的数据、均值及标准差。
4.3 判断结渣程度
比较贴近度，按照择近原则，可判别待识别对象属于哪一种结渣程度。
5 结论
由于锅炉结渣不仅与所用煤本身有关，还与锅炉本身及锅炉运行状况等有关，因此本文提出了一种基于综合因素考虑的锅炉结渣模糊识别研究方法。通过对各方面因素的综合考虑，将各因素纳入评价因素集，提出新的判断结渣严重程度的模糊数学方法。希望以后通过不断地收集资料，完善评价因素集，不断提高预测精度。并且可进一步将影响结渣位置的因素纳入评价因素集，判断结渣严重程度的同时，判断结渣的位置。
影响锅炉结渣的因素是多方面的，在预防和减轻结渣时要扩大注意范围，不仅对于燃煤，还要在锅炉设计和实际操作过程中采取适当的措施以消除或减小结渣的情况。
参考文献
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