声波吹灰器及监测平台在1 000 MW机组空气预热器上的应用

吕宏彪，贾建超，史恒惠，张荣初，刘宇清

(1.中电投河南电力有限公司 技术信息中心，郑州 450001；2.中电投河南电力有限公司平顶山发电分公司，河南 平顶山 467312；3.南京常荣噪声控制环保工程有限公司， 南京 210008)

0 引言

在火力发电厂锅炉系统中，其受热面和烟道系统积灰是造成锅炉热效率降低的重要因素之一。积灰带来的最直接影响是锅炉受热面及空气预热器吸热量减少、锅炉排烟温度上升，导致锅炉热效率降低、煤耗升高和能源浪费。同时，积灰严重会影响锅炉脱硝、脱硫、除尘及空气预热器系统的正常工作，造成设备损坏，增加大气污染物的排放量。有效去除锅炉积灰是保持受热面清洁、设备安全经济运行的重要问题。

1 空气预热器出现的问题

某电厂#2锅炉空气预热器采用豪顿华工程有限公司生产的33 V NT2120型容克式空气预热器，空气预热器转子内径ø17 210 mm，传热元件共分为2层，其中热段层高度1 120 mm，冷段层高度1 000 mm。每台空气预热器装有2台PS-AT伸缩式蒸汽吹灰器，分别安装在烟气侧的热端和冷端。单台蒸汽耗量各为2 500 kg/次，每天吹扫6次。从煤质使用效果可以看出，实际使用煤种灰分及硫分较高，煤燃烧后形成的灰渣较多，给风烟系统造成了较大影响。锅炉同时投运脱硝装置，不可避免地会产生氨逃逸，造成烟气中的硫酸氢氨较多，从而导致空气预热器低温腐蚀严重，由此形成的结垢难以去除(如图1所示)。机组投运3年来，空气预热器换热效果明显下降，锅炉排烟温度上升，热效率降低，烟气侧压差显著升高，甚至不得不停运机组进行高压水冲洗，严重威胁机组的安全、稳定运行。由于吹灰器吹灰频次高，消耗大量蒸汽，使能源过度浪费，蒸汽吹灰器的频繁使用造成换热元件严重吹损。

图1 空气预热器下部结垢积灰及腐蚀情况

2 加装可调频高声强声波吹灰器的可行性

可调频声波吹灰技术是一种能够彻底解决锅炉积灰结垢的有效方法，目前已在烟气换热器(GGH)设备上得到了应用。可调频声波吹灰技术旨在应用一种基于高声强发声技术理论研制的大功率、宽频、可调幅的电动调制气流扬声器、扩声号筒及智能控制系统构成的新型声波吹灰器。该吹灰器以声功率10 000～30 000 W、频率10～10 000 Hz间任意调节的高声强声波对各种锅炉的积灰形态进行有效清除，以改善受热面换热效果，提高锅炉热效率，节约能源，减少污染物排放。

为有效解决空气预热器堵灰、提高空气预热器换热效果， 2013年4月，在检修期间对该厂#2锅炉空气预热器进行水冲洗的同时实施了声波吹灰器改造，在每台空气预热器烟气侧热端加装1台声波吹灰器，在二次风侧冷端加装2台声波吹灰器，每台锅炉加装6台声波吹灰器。针对空气预热器的回转再生式特点，设计了特殊的指数型喇叭，喇叭开口径向覆盖换热元件，利用空气预热器自身的转动，使高强声波的最大能量直接对每一仓格的换热元件实现吹扫。通过倒装形式，在喇叭出口，空气预热器上部热端及下部冷端声场大于155 dB，密集蓄热元件中声场可达到150 dB，可有效去除空气预热器的积灰，保持蓄热元件洁净。

6台声波吹灰器使用1台8通道吹灰控制系统控制(两通道备用)，每台吹灰器设定依次运行，每次2 min，间隔10 min，6台吹灰器运行1周为72 min。每台吹灰器一次用气量约40 m3，在管路前安装1台20 m3(0.8 MPa)储气罐，充满后一次可供2台发生器使用。可调频高声强声波吹灰系统由控制系统、气路系统和高声强声波发生系统组成。控制系统内可编程逻辑控制器(PLC)接收到气路系统压力开关信号后，打开电磁阀给高声强发生器供气，同时单片机发出已设定好的频率、幅值信号，经功率放大器放大后输入给高声强发生器发出声波。整个吹灰器工作流程如图2所示。

图2 可调频高声强声波吹灰系统工作流程

3 同步开发空气预热器在线污染监测平台

评价空气预热器等换热器传热能力的主要指标是传热系数，对于回转空气预热器而言，传热系数与烟气侧的对流放热系数、空气侧对流吸热系数有关，由于后者积灰相对较轻，前者数值也很大，因此传热系数主要与烟气侧的对流放热系数有关。烟气侧的对流放热系数主要与烟气流速和受热面积灰程度有关，由于烟气流速与机组负荷呈正相关关系，因此传热系数不能直接作为评价受热面污染程度的指标。烟气热阻取传热系数的倒数，烟气热阻越大，污染越严重。据此，引入灰污染因子和清洁因子的概念。

灰污染因子定义为：设备的设计传热系数与实际传热系数的比值，即灰污染因子=设备热阻实际值/设备热阻设计值。

从图3可以看出，热阻实际值与设计值总的变化趋势是一致的，因此其比值(灰污染因子)与负荷关联度比较小，作为评价受热面污染程度的指标是科学、合理的。

图3 空预器吸热量实际值、设计值与负荷关系曲线

实际运行情况表明：灰污染因子作为判断空气预热器积灰严重程度指标是合理的，但仍与机组负荷、入炉煤量、送风量关联度比较大，作为吹灰监控操作的辅助指标。

评价空气预热器积灰程度的另一个主要指标是清洁因子，清洁因子定义为：空气预热器最小积灰程度指标与实际积灰程度指标的比值。该值越大，说明实际工况的空气预热器积灰程度越小，受热面越清洁。因此，根据清洁因子状况指导运行人员优化吹灰操作，降低排烟温度，同时应尽量减少蒸汽耗量。

图4是B空气预热器吹灰前、后灰污染因子和清洁因子的变化趋势图。运行人员能及时监测到当前运行工况下以及吹灰前、后灰污染因子和清洁因子的变化情况，当清洁因子达到限值时可以及时对受热面进行吹灰。

4 空气预热器加装声波吹灰器的效果分析

4.1 参数分析

空气预热器加装声波吹灰器后，可取代原有蒸汽吹灰器，在空气预热器中，可形成声压级155 dB以上的有效除灰声场，保持空气预热器的洁净，降低烟阻，提高空气预热器换热效果，降低排烟温度，提升锅炉热效率。同时还能节约吹灰蒸汽能源和风机电耗、消除蒸汽吹灰对空气预热器换热元件吹损所产生的安全隐患、降低设备损耗。加装声波吹灰器空气预热器前、后各项参数见表1。

#2锅炉投运声波吹灰系统后，满负荷运行时空气预热器烟气压差下降明显，稳定在1.8 kPa左右。

4.2 效益分析

(1)节煤收益。空气预热器加装声波吹灰器投运后，剔除各项因素的影响，机组锅炉排烟温度因此而降低10 ℃左右，供电煤耗率降低1.87 g/(kW·h)，锅炉热效率提升0.55%，按单台机组发电量5 500 GW·h计算，年节约标煤1.03万t，若标煤单价按600元/t计，每年节煤收益约620万元。

(2)节约风机用电。空气预热器加装声波吹灰器后，基本解决了A，B侧空气预热器结垢问题，使空气预热器烟气侧压差降低200～300 Pa，额定负荷下吸风机电流平均降低约6 A，按机组年运行6 500 h计，节电780 MW·h，用电成本按0.4元/(kW·h)计，全年节电31.2万元。

图4 B空气预热器吹灰前后灰污染因子和清洁因子的变化趋势(2013年度)

表1 加装声波吹灰器前、后空气预热器各项参数比较(2013年度)

(3)节约蒸汽运行成本。空气预热器声波吹灰器改造完成后，使原有4台PS-AT伸缩式蒸汽吹灰器由每天吹扫6次减为每天吹扫1次。其单台耗汽量为2 500 kg/次，吹灰器电功率1.5 kW。按机组年运行时间6 500 h计，4台蒸汽吹灰器年节约耗汽量13 541.7 t。蒸汽成本按140元/t，则每年节约蒸汽成本为189.6万元。

(4)投资分析。每年节约标煤收益约620.0万元，每年风机节电31.2万元，每年节约蒸汽成本189.6万元，减排收益暂不考虑，则每年节能收益总计840.8万元。

5 结论

(1)空气预热器加装声波吹灰器后，年节煤收益约620.0万元，全年节能收益合计达840.8万元。

(2)每年可减排CO22.58万t，SO210.3 t，NOx29.9 t，环保效益显著。

(3)空气预热器通过声波吹灰器改造后，延长了空气预热器蓄热元件的使用寿命，提高了空气预热器的运行可靠性，为主设备的长周期安全稳定运行打下了良好的基础。

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