一种电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法

1.本发明属于燃煤发电相关技术领域，更具体地，涉及一种电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法。


背景技术：

2.电站燃煤锅炉的受热面包括炉膛水冷壁、过热器、再热器、省煤器和空预器，是将燃烧释放的热能传递给工质的重要设备。其中，布置炉膛上部及水平烟道的屏式和对流式过热器、再热器受热面上会发生高温烧结性积灰，其根本原因是：炉内燃烧过程中产生的气相钠、钾等碱金属化合物，遇到温度稍低的过热器和再热器即凝结在管壁上，形成白色薄灰层，进而粘结飞灰并继续形成粘结物，使灰层增厚。尤其是燃用准东煤或掺烧生物质等高碱燃料时，在高温过热器、再热器更易发生严重的结渣沾污，从而造成出口气温下降和出口烟气温度上升，导致锅炉排烟温度升高，使机组的经济性降低。因此，准确预测电站燃煤锅炉受热面的结渣程度，有助于更好地采取措施防止严重结渣，这对于进一步提高燃煤发电机组的经济性具有非常重要的意义。
3.2021年实施的标准《gb/t 39836-2021煤的燃烧结渣指数测定方法》中，规定了煤的燃烧结渣指数的测定方法、试验装置、试验用仪表及方法、数据处理和计算方法，该标准主要是在一维炉中开展煤粉燃烧试验，通过对灰渣取样分析，获得软化温度、硅铝比、碱酸比、硅比等静态监测指标，再采用煤灰探针结渣判别指数、煤灰综合结渣判别指数、煤灰聚类结渣判别指数等对煤的燃烧结渣特性进行分级，即轻微结渣、中等结渣、严重结渣。由此可见，入炉煤的灰分特性是造成炉内结渣的内因，是静态因素，但只是决定因素之一。因为炉膛内受热面结渣还受锅炉运行参数的影响，这是外因，是动态因素。同样的煤在不同的炉型、不同的燃烧方式下，给锅炉造成的实际结渣情况也是不同的。因此，有研究者提出考虑清洁因子、热有效系数、灰污热阻、传热有效度、临界污染率等动态监测指标，建立基于上述动态监测数据的炉膛受热面结渣在线监测或评估的方法。
4.但现有的方法或标准都没有考虑煤中碱金属含量高时对结渣的影响，并不适用于碱金属总含量大于3％的煤种，包括准东煤，而如前所述，过热器、再热器受热面上发生高温烧结性积灰的根本因素是由燃烧过程产生的气态碱金属化合物造成的。另外，现有的方法或标准没有针对受热面或受热面某一区域(如水冷壁下段)的结渣倾向的分布预测，结渣预测仅仅粗略地给出整个炉膛的结渣倾向。因此，有必要提出考虑气态碱金属的电站燃煤锅炉受热面结渣倾向分布在线预报方法，以进一步提高燃煤锅炉受热面或受热面某一区域结渣监测的精准性和实时性，尤其是对燃烧高碱煤或掺烧生物质的电站燃煤锅炉。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法，解决气态碱金属的电站燃煤锅炉受热面结渣预测精度低和实时性差的问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法，该方法包括下列步骤：
7.s1对煤种进行煤质分析并采集入炉煤量，以此计算炉膛烟气流量，检测炉膛内不同位置不同时刻的实时气相钠浓度，以此计算获得炉膛内不同位置不同时刻的气相钠质量；
8.s2利用所述炉膛不同位置各个时刻的气相钠浓度，计算炉膛内不同位置一段时间内的气相氧化钠的质量分数，结合灰分中的氧化钠的质量分数，计算不同位置不同时刻段的入炉煤种氧化钠的总量；
9.s3设定结渣判断原则，根据步骤s2获得的不同位置不同时间段内的入炉煤种氧化钠总量的分布炉膛内不同位置处的结渣倾向，以此实现炉膛内的结渣倾向分布的在线预报。
10.进一步优选地，在步骤s1中，在步骤s1中，所述炉膛内不同位置不同时刻的气相钠质量按照下列关系式计算：
11.m
na,g
＝c
nav12.其中，c
na
是当前时刻的气相钠浓度，v是炉膛内实际的烟气量，m
na,g
是当前时刻实时气相钠质量。
13.进一步优选地，在步骤s2中，所述入炉煤种氧化钠总量按照下列步骤进行：
14.s21根据步骤s1获得的不同位置各个时刻的气相钠质量计算获得不同位置各个时刻燃烧氧化钠的质量；
15.s22计算一段时间内的氧化钠的质量分数。
16.进一步优选地，在步骤s21中，所述不同位置各个时刻燃烧氧化钠的质量按照下列公式计算：
[0017][0018]
其中，是当前时刻燃烧氧化钠的质量，m
na,g
是当前时刻的气相钠总量。
[0019]
进一步优选地，在步骤s22中，所述一段时间内的氧化钠的质量分数按照下列关系式计算：
[0020][0021]
其中，t1是计算开始时刻，t是当前时刻，是各个位置动态na2o含量在一段时间内的累加值，是入炉煤量在一段时间内的累加值，a
ar
是工业分析收到基的灰分含量，是一段时间内燃烧的氧化钠的总量占入煤量的百分比。
[0022]
进一步优选地，在步骤s2中，所述各个位置入炉煤氧化钠的总量按照下列关系式计算：
[0023][0024]
其中，w(na2o)表示灰分分析中na2o的质量分数，γ是各个位置入炉煤种氧化钠的总量，是一段时间内燃烧的氧化钠的总量占入煤量的百分比。
[0025]
进一步优选地，在步骤s3中，所述结渣判断原则按照下列进行：
[0026]
当γ＜m1，结渣倾向低；
[0027]
当m1≤γ＜m2，结渣倾向中等；
[0028]
当m2≤γ＜m3，结渣倾向高；
[0029]
当γ＞m3，结渣倾向严重。
[0030]
进一步优选地，所述m1、m2与m3按照下列步骤获得：
[0031]
s31在锅炉上进行至少3种煤种的燃烧实验，获得各个煤种的氧化钠总量分布与灰分分析中氧化钠质量分数，计算各个煤种的氧化钠总量的平均值，以此获得各个煤种对应的氧化钠质量分数与氧化钠总量的平均值；
[0032]
s32以氧化钠质量分数为横坐标，氧化钠总量的平均值为纵坐标构建坐标系，将s31中获得的各个煤种对应的氧化钠质量分数与氧化钠总量的平均值体现在所述坐标系中并拟合成曲线，根据预设灰分分析氧化钠阈值确定m1、m2与m3的数值。
[0033]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
[0034]
1.本发明提出了气态碱金属的电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法，考虑到煤中碱金属含量高时对结渣的影响，并适用于碱金属总含量大于3％的煤种，包括准东煤等；
[0035]
2.通过炉膛的气相钠分布检测与历史数据的处理，精准地对单个受热面或受热面区域的未来结渣程度做出在线预测，从而进一步提高燃煤锅炉受热面结渣预测的精准性和实时性，尤其是对燃烧高碱煤或掺烧生物质的电站燃煤锅炉；
[0036]
3.本发明在计算各个位置入炉煤中氧化钠的总量时考虑到一段时间内燃烧的氧化钠的总量，相比现有技术中仅仅通过利用灰分分析中氧化钠的含量代替总的氧化钠的含量，计算精度高，更符合实际情况，提高了最终预测结果的准确性；
[0037]
4本发明在获得结渣倾向预测区间时使用多煤种实验拟合曲线的方法获得，无需进行结渣实验，方法简单，易于实行。
附图说明
[0038]
图1是按照本发明的优选实施例所构建的电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法的流程图；
[0039]
图2是按照本发明的优选实施例所构建的入炉煤量的变化曲线图；
[0040]
图3是按照本发明的优选实施例所构建的19m中心位置气相钠浓度在12小时内的变化曲线图；
[0041]
图4是按照本发明的优选实施例所构建的19m中心位置入炉na2o总量的变化曲线图；
[0042]
图5是按照本发明的优选实施例所构建的获得区间阈值数值的拟合曲线图。
具体实施方式
[0043]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0044]
一种考虑燃烧过程气相碱金属释放的电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法，包括以下步骤：
[0045]
(1)对煤种进行煤质分析并采集入炉煤量，以此计算炉膛烟气流量，检测炉膛内不同位置不同时刻的实时气相钠浓度，以此计算获得炉膛内不同位置不同时刻的气相钠质量；
[0046]
(2)利用所述炉膛不同位置各个时刻的气相钠浓度，计算炉膛内不同位置一段时间内的气相氧化钠的质量分数，结合灰分中的氧化钠的质量分数，计算不同位置不同时刻段的入炉煤种氧化钠的总量；
[0047]
(3)设定结渣判断原则，根据步骤s2获得的不同位置不同时间段内的入炉煤种氧化钠总量的分布炉膛内不同位置处的结渣倾向，以此实现炉膛内的结渣倾向分布的在线预报。
[0048]
优选的，步骤(1)包括如下子步骤：
[0049]
s1：对煤种进行煤质分析(收到基)，包括：工业分析、元素分析与灰分分析，根据煤质分析计算炉膛烟气流量v，采集入炉煤量m1，记录相关结果；
[0050]
s2：检测炉膛内不同位置不同时刻的气相钠浓度c
na
变化，相邻两次检测的时间间隔记为δt，用各个位置各个时刻气相钠浓度c
na
乘以炉膛内实际烟气流量v，从而得到各个位置各个时刻气相钠质量m
na,g
(单位：mg)：
[0051]mna,g
＝c
nav[0052]
优选的，步骤(2)包括如下子步骤：
[0053]
s1：根据下式将炉内各个位置各个时刻气相钠质量折合为炉膛内各个位置各个时刻na2o质量
[0054][0055]
公式中，2代表1个na2o分子中含有2个na原子，23为na的原子质量分数，62为na2o的分子质量分数，单位为mg。
[0056]
s2：根据下式计算一段时间内的氧化钠的质量分数
[0057][0058]
公式中，t1代表计算开始时刻；t代表当前时刻；代表各个位置动态na2o
含量在过去一段时间内的累加值分布，单位为mg；代表入炉煤量在过去一段时间内的累加值，单位为kg；102的目的是将的单位换算为％；a
ar
代表工业分析收到基的灰分含量，单位为％；以灰质量为基准，单位为％。
[0059]
s3：根据下式反推入炉煤各个位置不同时刻段的氧化钠总量γ：
[0060][0061]
公式中，w(na2o)表示灰分分析中na2o的质量分数(％)；
[0062]
优选的，步骤(3)包括如下子步骤：
[0063]
s1：考虑结渣是长时间过程，提出结渣的预测区间如下：
[0064]
当γ＜m1，结渣倾向低；当m1≤γ＜m2，结渣倾向中等；当m2≤γ＜m3，结渣倾向高；当γ＞m3，结渣倾向严重。
[0065]
通过如下过程确定m1、m2与m3的数值：在锅炉上进行至少3种煤种的燃烧实验，获得各个煤种的氧化钠总量分布与灰分分析氧化钠质量分数，计算各个煤种的氧化钠总量的平均值，以煤种的灰分氧化钠质量分数为横坐标，以煤种的氧化钠总量的平均值为纵坐标构建坐标系，将各个煤种对应的氧化钠质量分数与氧化钠总量的平均值体现在坐标系中并做拟合曲线，根据预设的灰分分析氧化钠阈值确定m1、m2与m3的数值。
[0066]
s2：根据各个区域的na2o总量分布γ预测当前时刻t到未来时刻t2的各个换热面的结渣倾向分布，判断结果实时显示，达到在线预报入炉煤燃烧过程中的受热面结渣倾向分布的目标。
[0067]
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
[0068]
图1为本发明的流程框图，下面结合流程框图，通过一个实施例来具体解释本发明。
[0069]
本实例以某660mw燃用准东煤前后墙对冲锅炉为例，一种电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法包括以下步骤：
[0070]
(1)煤质分析计算与检测：对结渣判断煤种收到基进行煤质分析，获得收到基工业分析、元素分析与灰分分析，记录相关结果如表一。
[0071]
表一
[0072][0073]
根据煤种元素分析与公式(1)计算单位质量该煤种完全燃烧干空气用量v0(单位：m3)：
[0074]v0
＝0.0889(c
ar
+0.375s
ar
)+0.265h
ar-0.0333o
ar
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0075]
其中，c
ar
、s
ar
、h
ar
与o
ar
为步骤(1)得到的煤种收到基碳、硫、氢与氧元素的占比。将表一中的数据带入公式(1)，得到1kg准东煤完全燃烧所需的干空气体积用量v0＝7.06m3/kg。随后，根据下面的公式分别计算出当量比为1条件下，燃烧1kg煤产生烟气中氮气、二氧化碳与水蒸气的体积：
[0076][0077]
将表1中的数据带入公式(2)中，得到1kg准东煤在当量比为1条件下，燃烧1kg煤产生烟气中氮气体积二氧化碳体积二氧化碳体积与水蒸气体积在实际的燃烧过程中，助燃的空气往往超出燃烧反应所需量，干烟气与水蒸气的体积计算中需引入过量空气系数进行修正：
[0078][0079]
公式中，v
gy
为干烟气体积，为水蒸气体积，α为过量空气系数，容易通过电厂的氧量监测设备得到。在该锅炉炉膛中，α＝1.15。将计算数据带入公式(3)中，计算得到干烟气体积v
gy
＝7.97mg3/kg，水蒸气体积mg3/kg。按照下面的公式计算1kg煤完全燃烧产生的烟气体积：
[0080]vy
＝v
gy
+v
h2o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0081]
计算得到1kg煤完全燃烧产生的烟气体积vy，vy＝8.77m3/kg。通过锅炉dcs系统数据，12小时内入炉煤量的变化如图2所示，入煤量乘1kg煤完全燃烧产生的烟气体积vy即可获得炉膛烟气流量v，单位为m3。
[0082]
通过光谱探头获得炉膛内各个位置气相钠浓度随时间的变化c
na
，测量的时间间隔δt＝1s，在标高为19m中心位置的气相钠浓度在12小时内的变化曲线如图3所示。本实施例中，仅考虑在锅炉中轴线上气相钠沿高度方向的分布。按照下式计算炉膛内不同位置不同时刻的气相钠质量m
na,g
(单位：mg)：
[0083]mna,g
＝c
navꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0084]
(2)按照下式计算不同位置各个时刻燃烧氧化钠的质量
[0085][0086]
公式中，2代表1个na2o分子中含有2个na原子，23为na的原子质量分数，62为na2o的分子质量分数，单位为mg。根据下式计算一段时间内的氧化钠的质量分数
[0087][0088]
公式中，代表各个位置动态na2o含量在过去一段时间内的累加值，单位为mg；代表入炉煤量在过去一段时间内的累加值，单位为kg；a
ar
代表工业分析收到基的灰分含量，单位为％；102的目的是将的单位换算为％；t1代表计算初始时刻；t代表当前时刻，取t-t1＝3600s。根据下式反推入炉煤不同位置不同时刻段的氧化钠总量γ：
[0089][0090]
公式中，w(na2o)表示灰分分析中na2o的质量分数(％)，19m高度处的γ变化结果如图4所示。
[0091]
(3)考虑结渣是长时间过程，燃烧过程中气相碱金属释放对结渣的影响要通过较长的时间尺度体现，在锅炉上进行三种不同煤的燃烧实验，煤种分别为高灰熔点神华煤、低灰熔点神华煤与准东煤。获得三个煤种的氧化钠总量分布与灰分分析中氧化钠质量分数，计算三个煤种的氧化钠总量的平均值，以煤种的灰分分析中氧化钠质量分数为横坐标，以煤种的氧化钠总量的平均值为纵坐标构建坐标系，将三个煤种的氧化钠质量分数与氧化钠总量的平均值绘制在坐标系中并做拟合曲线，曲线如图5所示，选择2mg/m3、6mg/m3与8mg/m3作为判断的3个阈值计算m1、m2与m3的数值分别为4.25，8.82与11.52。
[0092]
最终的判断原则为：当γ＜4.25，结渣倾向低；当4.25≤γ＜8.82，结渣倾向中等；当8.82≤γ＜11.52，结渣倾向高；当γ＞11.52，结渣倾向严重。
[0093]
根据步骤(2)计算的各个位置结果预测当前时刻t到未来时刻t2的各个受热面的结渣倾向，取t
2-t＝3600s。
[0094]
经过判别在12小时内19m位置水冷壁的结渣预测结果为：在第26750s至29420s时间段内未来1小时的结渣倾向低，在其他时间段内未来1小时的结渣倾向中等。同理可以获得结渣预测在高度方向上的分布。
[0095]
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：s1对煤种进行煤质分析并采集入炉煤量，以此计算炉膛烟气流量，检测炉膛内不同位置不同时刻的实时气相钠浓度，以此计算获得炉膛内不同位置不同时刻的气相钠质量；s2利用所述炉膛不同位置各个时刻的气相钠浓度，计算炉膛内不同位置一段时间内的气相氧化钠的质量分数，结合灰分中的氧化钠的质量分数，计算不同位置不同时刻段的入炉煤氧化钠的总量；s3设定结渣判断原则，根据步骤s2获得的不同位置不同时间段内的入炉煤种氧化钠总量的分布炉膛内不同位置处的结渣倾向，以此实现炉膛内的结渣倾向分布的在线预报。2.如权利要求1所述的一种电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法，其特征在于，在步骤s1中，所述炉膛内不同位置不同时刻的气相钠质量按照下列关系式计算：m
na,g
＝c
na
v其中，c
na
是当前时刻的气相钠浓度，v是炉膛内实际的烟气流量，m
na,g
是当前时刻实时气相钠质量。3.如权利要求1所述的一种电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法，其特征在于，在步骤s2中，所述入炉煤种氧化钠总量按照下列步骤进行：s21根据步骤s1获得的不同位置各个时刻的气相钠质量计算获得不同位置各个时刻燃烧氧化钠的质量；s22计算一段时间内的氧化钠的质量分数。4.如权利要求3所述的一种电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法，其特征在于，在步骤s21中，所述不同位置各个时刻燃烧氧化钠的质量按照下列公式计算：其中，是当前时刻燃烧氧化钠的质量，m
na,g
是当前时刻的气相钠质量。5.如权利要求3或4所述的一种电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法，其特征在于，在步骤s22中，所述一段时间内的氧化钠的质量分数按照下列关系式计算：其中，t1是计算开始时刻，t是当前时刻，是各个位置动态na2o含量在一段时间内的累加值，是入炉煤量在一段时间内的累加值，a
ar
是工业分析收到基的灰分含量，是一段时间内燃烧的氧化钠的总量占入煤量的百分比。6.如权利要求1所述的一种电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法，其特征在于，在步骤s2中，所述入炉煤不同位置不同时刻段的氧化钠总量按照下列关系式计算：
其中，w(na2o)表示灰分分析中na2o的质量分数，γ是各个位置入炉煤种氧化钠的总量，是一段时间内燃烧的氧化钠的总量占入煤量的百分比。7.如权利要求1所述的一种电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法，其特征在于，在步骤s3中，所述结渣判断原则按照下列进行：当γ＜m1，结渣倾向低；当m1≤γ＜m2，结渣倾向中等；当m2≤γ＜m3，结渣倾向高；当γ＞m3，结渣倾向严重。8.如权利要求1所述的一种电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法，其特征在于，所述m1、m2与m3按照下列步骤获得：s31在锅炉上进行至少3种煤种的燃烧实验，获得各个煤种的氧化钠总量分布与灰分分析中氧化钠质量分数，计算各个煤种的氧化钠总量的平均值，以此获得各个煤种对应的氧化钠质量分数与氧化钠总量的平均值；s32以氧化钠质量分数为横坐标，氧化钠总量的平均值为纵坐标构建坐标系，将s31中获得的各个煤种对应的氧化钠质量分数与氧化钠总量的平均值体现在所述坐标系中并拟合成曲线，根据预设灰分分析氧化钠阈值确定m1、m2与m3的数值。

技术总结
本发明属于燃煤发电相关技术领域，并公开了一种电站燃煤锅炉受热面结渣在线预报方法。该方法包括下列步骤：S1检测炉膛内不同位置不同时刻的实时气相钠浓度，以此计算获得炉膛内不同位置不同时刻的气相钠质量；S2利用所述炉膛不同位置各个时刻的气相钠浓度，计算炉膛内不同位置一段时间内的气相氧化钠的质量分数，结合灰分中的氧化钠的质量分数，计算不同位置不同时刻段的入炉煤种氧化钠的总量；S3设定结渣判断原则，根据步骤S2获得的不同位置不同时间段内的入炉煤氧化钠总量的分布炉膛内不同位置处的结渣倾向，以此实现炉膛内的结渣倾向分布的在线预报。通过本发明，提高燃煤锅炉受热面结渣预测的精准性和实时性。热面结渣预测的精准性和实时性。热面结渣预测的精准性和实时性。


技术研发人员：姚斌 娄春 王浩帆 张雄 陈端
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/9/14