燃煤锅炉结渣的多层次综合判断模型研究

杨圣春，杨若朴

(1.安徽电气工程职业技术学院，合肥230051;2.华北电力大学，河北 保定071003)

目前，电站燃煤锅炉结渣严重影响了电厂安全与经济运行，通常判别电站锅炉是否结渣，主要依据煤质本身结渣特性进行判断［1－2］。燃煤电站锅炉在运行过程中影响其结渣因素很多，除了煤质本身的结渣特性外，还与锅炉的燃烧工况以及锅炉结构有关，即煤与锅炉的耦合性问题，需要考虑煤质本身的结渣趋势，根据不同的炉型、锅炉结构和燃烧工况等因素，综合预测实际运行锅炉的结渣特性［1］。因此，本文阐述了锅炉运行工况对结渣的影响因素及锅炉结构对结渣的影响，建立了燃煤锅炉结渣多层次综合判断模型，并利用该模型判断运行过程中电站燃煤锅炉的结渣状况，以利于电厂安全与经济运行。

1 锅炉运行工况对结渣的影响因素

1.1 炉内空气动力场

锅炉内空气动力场是影响煤粉锅炉炉膛结渣的重要因素。在煤粉炉中，燃烧中心的灰分大多数属于熔化或部分熔化状态，当含灰气流冲刷水冷壁、炉墙或过热器管子时，若其温度高于熔化或半熔化状态温度，则灰渣易粘附于水冷壁、炉壁或过热器管子上形成结渣。锅炉运行经验表明，在炉内空气动力状况恶化造成炉内部分区域温度过高时，即使煤灰结渣倾向小的煤种也会引起严重结渣;在低负荷情况下，炉内温度偏低，煤灰结渣倾向大的煤种也会造成结渣;设计良好的锅炉炉膛，由于运行中负荷变动、配风不当和给粉方式的变化都会引起炉内空气动力状况恶化，产生局部还原性气氛，从而产生熔化温度较低的FeO而引起结渣，含铁量较高的煤种尤其明显。因此，炉内的空气动力工况，火焰中心的高度、火焰的偏斜程度以及是否贴壁燃烧是影响运行锅炉结渣的重要因素。

1.2 炉膛温度水平与锅炉负荷

运行锅炉实际结渣状况与炉内温度水平有关［2］，现场常用煤灰软化温度t2来判断煤质本身结渣特性。在煤粉燃烧过程中，当炉膛烟气温度t大于t2时，煤灰颗粒呈现熔融状态，在炉膛壁上粘附结渣的几率较大。炉内温度与锅炉负荷有关，在锅炉满负荷发电及超负荷发电时，结渣几率就大大增加。也就是说，炉内的温度水平越高(与设计值相比)以及锅炉负荷越大(与设计值相比)锅炉结渣的可能性就越大。

资料表明［1－12］:炉膛出口烟温升高越大，随着烟气气流经过屏过、再热器、过热器、省煤器各级的温度上升就越大，越靠近炉膛，温度上升幅度就越大。炉膛出口的烟温计算公式为

式中:M为火焰中心对炉内传热影响的系数，若炉内沾污、结渣、火焰中心上移，则M减小(良好的炉内空气动力场炉内的沾污程度就小);Ta为理论燃烧温度;σ0为黑体辐射常数;Ψ为水冷壁的平均热有效系数;Ft为炉壁面积;αt为炉膛黑度;Φ为保热系数;Βj为计算燃料量;VCpj为1 kg燃烧的燃烧产物的平均热容量，kJ/(kg·K)。

炉膛出口烟温增加，炉膛出口区域的炉墙、受热面结渣趋势就会增大，在锅炉折焰角处尤其明显。

1.3 火球尺寸

无论是切圆燃烧锅炉，还是W型煤粉锅炉，炉内空气动力工况对结渣都产生重要的影响，即火球与炉壁及受热面的距离越近结渣的可能性越大。对于切圆燃烧锅炉，主要表现在热态运动时实际切圆直径dsj与炉膛等效宽度D的比值，即无因次实际切圆直径的表达式为

式中a、b分别为炉膛深和宽。

φd如果偏大，气流偏斜，火焰贴壁，并且气流中的煤粉颗粒呈现熔融状态，就很容易在水冷壁上结渣。影响无因次实际切圆直径φd的因素较多，主要有锅炉及燃烧器的结构、布置以及空气动力工况的组织情况等。综合这些因素，利用射流相交时动量平衡原理计算出30余台200 MW以上锅炉的无因次实际切圆直径，并将它作为结渣判断指标，同时利用最优分割法给出该项指标的判别界限如下:

1)φd≤0.475时，为轻微结渣。

2)0.475＜φd≤0.5875时，为中等结渣。

3)φd＞0.5875时，为严重结渣。

用φd判别结渣的置信度在50%以上［2］。

1.4 炉膛内的燃烧氛围

炉膛内，还原性气氛使灰熔点大大降低，主要是还原性气氛中熔点最高的Fe2O3还原为熔点较低的FeO造成的，从而引起结渣。合理的燃烧气氛需要煤粉浓度均匀，如果燃烧器喷口煤粉量分配不均，就必然形成炉膛部分区域缺氧，尤其是炉膛壁面周围缺氧和热负荷不均匀，造成部分区域产生还原性气氛。

对于煤粉锅炉，为了防止还原性气氛形成，一、二次风充分混合尤其重要，这主要牵涉到燃烧器的类型与结构、各风管的阻力以及一次风管风量分配不均，如煤粉分配器设计不合理、分离器调节不好、给粉机转速不均、给粉机叶轮与壳体之间的径向、轴向间隙不合理等，都是造成还原性气氛的原因。

2 锅炉结构对结渣影响

锅炉热负荷是影响炉膛内温度水平的重要因素，若热负荷过高，则意味着炉内温度、炉膛出口烟温就高，炉膛及其出口部位就容易结渣。锅炉热负荷的选定主要根据煤种特性来确定，设计锅炉时，对燃用易结渣的煤种时首先选择较低的热负荷。在实际运行过程中，如果改变煤种，就必须清楚其结渣的特性。锅炉运行时，对于结渣倾向较大的煤种，运行时炉内热负荷应在规定值的下限运行。

2.1 四角切圆燃烧锅炉

在四角切圆燃烧锅炉设计方面，防止或缓解炉内及过热器受热面结渣是炉膛参数选择上首先要考虑的问题。国内大型四角切圆燃烧锅炉制造技术多数是引进美国CE公司技术。

2.1.1 炉膛尺寸

对高结渣性能煤，通常选择较大尺寸的炉膛，即降低炉膛容积热负荷、截面热负荷等参数，增加炉膛高度。美国CE公司四角切圆燃烧∏型布置锅炉随着煤结渣、玷污性能的加剧(煤种钠含量的增加)其炉膛尺寸的变化情况如图1所示。在图1中，H为锅炉高度，h为火焰中心与过热器的高度。

图1 炉膛尺寸随煤灰玷污性能的变化Fig.1 Variation of furnace size with coal ash polluted properties

2.1.2 燃烧器水平方向布置

燃烧器水平方向布置时，采用偏置二次风，除了推迟二次风的混入、降低NOx生存率外，还可以形成风包粉，使煤粉不易贴墙，从而缓解水冷壁结渣。

2.1.3 燃烧器垂直方向布置

燃烧器垂直方向布置时，对于易结渣煤，拉开煤粉喷口间的距离，将燃烧器分为两段或三段，可使燃烧器区域壁面热负荷降低，竖直方向火焰分布均匀，这样温度水平有所降低，自然就降低水冷壁结渣概率。同时，增加上炉膛高度，即保持上一次风口中心至屏式过热器或顶棚过热器的距离，自然就降低屏区结渣概率，并使炉膛出口烟温下降。目前大容量四角切圆燃烧锅炉燃烧器多数采用LNCFS燃烧器系统。该系统采用EI型一次风喷口，燃烧器两段或三段布置，偏置二次风，上部布置燃尽风(SOFA)。这样的设计除降低NOx排放外，也兼有防渣功能。

2.1.4 吹灰器布置

对于大型锅炉，吹灰是有效的防渣手段。一般四角切圆燃烧锅炉吹灰器的布置较前后墙燃烧方式吹灰器数量要高出20%～40%。对于600 MW机组四角切圆燃烧∏型布置锅炉，沿宽度方向需布置6片分隔屏式吹灰器，并按照锅炉运行的要求定时吹灰，提高吹灰效率。

2.2 W火焰锅炉

方庆艳等人曾对 DG1025/18.2－Ⅱ14、WB 1025/17.2－M、HG 1025/17.3－WM18 3种W火焰锅炉进行研究［3］，3种W火焰锅炉结渣特性不同，有明显的差异。DG1025/18.2－Ⅱ14型锅炉的下炉膛容积为4108.5 m2，比其它两种型号锅炉的容积分别小了18.5%和20.4%;在相同锅炉负荷下，DG1025/18.2－Ⅱ14型锅炉为182.1 kW/m3，其它两种型号锅炉的下炉膛容积热负荷分别为157.3 kW/m3和158.8 kW/m3，相比高出了13.8%和12.8%，这两方面因素使 DG1025/18.2－Ⅱ14型锅炉的燃烧强度、炉膛温度都高于其它两种锅炉，从而导致该型锅炉结渣相对较为严重，表明炉膛热负荷对W火焰锅炉结渣影响很大。

2.3 卫燃带的锅炉对结渣影响

中国电站燃煤锅炉通常燃用灰分高、热值和挥发分低的劣质煤，为了提高煤的着火、稳燃和燃尽能力，有些电站燃煤锅炉采用了卫燃带技术。

卫燃带是指在锅炉炉膛水冷壁向火面上涂敷或安装高温耐火材料而形成的覆盖层。卫燃带一般敷设在炉内燃烧器区域附近，其导热系数低，可以大大降低燃烧器区域附近的水冷壁吸热量。在炉内燃料放热量保持不变的情况下，吸热量减少，炉内温度自然就会上升，可以确保煤质变差或锅炉低负荷运行时稳定燃烧。

炉内卫燃带的加入，能够改善劣质煤的着火和稳燃，提高燃烧效率，但卫燃带耐火材料自身的物理化学特性也将使其与煤燃烧过程中的熔融煤灰产生复杂的物理化学作用，导致结渣现象的发生［4］。因此，卫燃带在改善劣质煤燃烧性能时要特别关注其结渣性质。

3 运行锅炉结渣综合对层次判断模型

资料显示［1－2］，没有单一结渣指标可以完全正确地预报燃煤锅炉的结渣倾向，由于对结渣等级(不结渣、轻微结渣、中等结渣、严重结渣)的分割界限过于明确，忽略了结渣特性在不同等级之间的中间过渡性，没有考虑各类参数对某一级别的置信度［1－2，5］。

模糊判断法是利用模糊数学原理，对各类结渣指标进行综合考虑时，注意分级界限的模糊性。基于此，笔者采用分辨率较高、具有一定代表性的三大类结渣指标(静态结渣特性，锅炉结构，动态结渣特性)对锅炉结渣趋势进行模糊综合判断。

3.1 运行锅炉结渣的模糊综合判断模型

运行锅炉结渣的模糊综合判断模型如下:

1)模糊因素集U={静态结渣特性，锅炉结构，动态结渣特性}。

2)评语集V={不结渣，轻微结渣，中等结渣，严重结渣}。

3)权重集A=(a1，a2，a3，a4)，其各级权重值(如表1所示)。

4)隶属度函数 γ(X)的确定［1］，按线性确定，得隶属函数矩正R。

5)综合评判向量B=A·R。6)对评判行向量进行归一化。

多层次模糊综合判断中最低层次评判结果，作为上一层评判矩阵的一个行向量，逐级进行计算便可得出最终结果。

3.2 运行锅炉结渣的模糊综合判断模型结构及权重

锅炉结渣综合模糊判断模型结构如图2所示，各层次权重值如表1所示。

图2 模型的综合评判的结构图Fig.2 Structure diagram of comprehensive evaluation model

3.3 结渣模型的分级标准的界限值

动态结渣指标分级标准界值如表2所示。

已知运行中送入锅炉的煤质结渣特性(即煤质的结渣静态特性)，以及锅炉运行过程中的负荷、实际减温水量、送入锅炉的空气量、炉内燃烧工况，根据静态煤质本身的结渣数据、锅炉结构以及锅炉运行过程中的相关参数(数据)，利用该模型就可判断运行过程中电站燃煤锅炉的结渣状况，即实际运行锅炉是处在不结渣状态、轻微结渣状态、中等结渣状态，还是严重结渣状态。

4 结论

1)多层次模糊综合判断模型在判断电站锅炉结渣时，既考虑了煤质本身的结渣趋势，又考虑了锅炉的结构以及锅炉的运行状态，是一个较全面的判断锅炉结渣的模型。

表1 运行锅炉结渣的模糊综合判断模型权重值Tab.1 Weight value of fuzzy comprehensive judgment model for running boiler slag

表2 动态结渣指标分级标准界值Tab.2 Value of dynamic slag index grading standards

2)动态指标的分级标准界值(表2)是否恰当，是否符合各种炉型及不同的锅炉变工况运行状态，还需要进一步在实践中进行验证和不断修正。

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