KEY WORDS: convection heat surface; thermal calculation model; heat convection coefficient; cleaning coefficient; fault diagnosis of gray

摘要 以大容量电站锅炉机组热力计算标准为前提，在已有的基础上根据热平衡方法构建锅炉对流传热计算模型，分别计算受热面实际运行的传热系数和清洁状态下的理想传热系数，定义了能实时反映受热面污染情况的清洁因子，可以用于锅炉对流受热面积灰、结渣故障的预测诊断，从而优化锅炉吹灰模式，为优化锅炉吹灰提供指导作用。

    随着现代大型电站锅炉的容量和参数不断提高，作为锅炉重要换热部件的对流受热面的运行工况尤为被重视，而对流换热系数是反映受热面换热情况的重要参数，而清洁因子综合了工质侧和烟气侧的影响因素实时反映受热面污染情况，因此，对流受热面传热系数计算以及清洁因子的计算对于锅炉优化吹灰周期及运行工况程序的开发以及预测受热面积灰结渣故障具有一定的指导意义。

由大容量燃煤电站锅炉热力计算模型的构造过程可以看出，热力计算涉及的对象主要有传热单元、流体介质以及燃料。本文以300MW燃煤锅炉高温过热器受热面为研究对象。

  对流受热面的传热计算模型可用图1-1表示。              

对流受热面的传热计算是应用烟气侧平衡方程、工质侧平衡方程和对流传热方程三个基本方程。

烟气侧热平衡方程式:

        （1-1）

式中：——保热系数；

——入口烟气焓，；

——出口烟气焓，；

——受热面烟道漏风系数；

——理论空气量在冷空气温度下的焓，。

工质侧热平衡方程式：

         （1-2）

式中：——工质流量，；

——出口工质焓，；

——入口工质焓，；

——计算燃料消耗量，；

——受热面吸收的炉膛辐射热量，。

对流传热方程：

                  （1-3）

式中：——实际传热系数，；

——温压，用式（2-9）来计算；

——受热面积，。

在实际情况下，这三种热量必然相等。                                 

传热系数综合反映了受热面沾污、积灰状况，当受热面沾污、积灰时，传热系数值会随之下降。根据式（1-1）、式（1-2）、式（1-3）可计算传热系数：

         （2-1）

对积灰、沾污的受热面，当略去管壁金属的热阻和管内水垢的热阻之后，其传热系数即运行状态下实际传热系数计算为：

         （2-2）

式中：——灰污热阻系数；

——烟气侧表面传热系数，用式（2-5）计算；

——工质侧对流传热系数。

当管壁没有受到沾污、积灰时，传热系数假设为理想状态，即理想传热系数为：

         （2-3）

     得到该工况下受热面的实际传热系数和理想传热系数，定义两者的比值为受热面的清洁因子，用清洁因子反映受热面的洁净程度：

                       （2-4）

当的值越接近1的时候，受热面处于越理想的洁净状态，的值越小于且远离1的时候，受热面则越偏离正常允许的污染状态，越小则污染越严重，。对于不同的受热面，具体计算方法有所差异。

式中：——烟气冲刷受热面不均系数；

      ——烟气侧对流放热系数，计算时分三种情况。

（1）横流冲刷顺列管簇

式中：——烟气在管簇中的平均温度下的导热系数，；

——直径，m；

——烟气流速，按烟气在管簇中的平均温度计算，m/s;

——烟气在管簇中的平均温度下的运动黏度，；

——烟气在管簇中的平均温度下的普朗特准则；

——管簇排数的修正系数，与纵向排数有关，时取1，其余情况用式（2-7）来计算：

  (2-7)

式中：——管簇横向与纵向管节距、的修正系数，用式（2-8）来计算：

 (2-8)

式中：，；

当以及时，；

当以及时，。

式（2-6）中：——烟气温度及成份的修正系数，用式（2-9）计算：

        (2-9)

（2）横流冲刷错列管簇

式中：、、、、、的确定同横流冲刷顺列管簇；

——管簇排数的修正系数，与纵向排数有关及横向相对节距有关，

当及时，；

当及时，；

当时，；

——管簇横向与纵向管节距、的修正系数，，；；

当时，；

当时，；

当时，。

（3）纵流冲刷受热面

 （2-11）

式中：、、、、、的确定同横流冲刷顺列管簇；

——烟气温度与受热面壁温的修正系数；

——受热面的相对长度修正系数；

——受热面通道的当量直径，m；

——烟气温度及成分的修正系数：

时，

时，

式（2-4）中：——烟气侧辐射传热系数    (2-12)

式中：——烟气黑度；

——管壁灰污黑度；

——烟气的平均绝对温度，K

——管壁灰污层的绝对温度,K。

工质侧对流传热系数的计算，当空气和蒸汽在管中纵流时都可以用式（2-11）来计算，只要把相应的蒸汽或空气的物性值代入即可。

传热温压用式（2-13）计算：

式中：  （逆流）

（逆流）（顺流）

    （顺流）

、、、分别为烟气和蒸汽进出口温度。

以某电厂300MW机组的1025t/h锅炉为研究对象，主要对高温过热器的实际传热系数和清洁因子进行计算，反映了锅炉受热面的换热情况。其中，实际传热系数根据式（2-1）计算，清洁因子根据式（2-4）计算。

影响受热面换热的热工参数绝大部分为工质侧进出口温度和压力，以及烟气侧的热工参数，工质侧的参数测量准确度较高，可以直接用于计算，烟气侧一般因为布置测量点较为困难故烟气温度采用省煤器处测量数据逆烟气流程计算得到，用于计算的氧量是省煤器后的测量值，误差相对较小，本文采用的烟气侧数据有高温过热器进出口烟气温度和氧量，分别在高过进口和低再进口有测点，氧量也是省煤器后的测量值。

如图3-1和图3-2为8号机组上从某天00:00开始连续将近45个小时在线运行中对高温过热器的积灰结渣监测的实时监测结果，每20s采样一次计算和显示实际传热系数和清洁因子的实时计算值。从图3-2中可以清晰的看出，清洁因子的值随着运行工况的变化有一定的起伏波动。这是因为当清洁因子低于某一个值的的时候进行吹灰，在吹灰过程结束之后，过热器的清洁状况变好，清洁因子随之增大，而随着沾污、积灰情况加重，清洁因子又随着减小，直至到某个下限值再次进行吹灰。由此可见，根据清洁因子的变化能很好的指导吹灰动作，从而优化吹灰模式，提高锅炉经济效益。

从图3-2中的清洁因子的变化范围可以看出，其每个波峰波谷之间的大小差距并不是一个固定的数值，这是因为，锅炉负荷在运行中不一定是平稳不变的，受负荷影响清洁因子的大小也会发生变化，所以在计算过程中还要考虑到锅炉负荷这个因素。此外，受热面换热计算与锅炉的实际燃煤量密切相关，在一定的机组出力下，燃煤量会随着锅炉热效率和煤质的变化发生改变，而在调用热工参数进行模型计算之前，必须对热工参数进行合理的表述和过滤处理，并考虑可能出现的与锅炉故障有关的参数畸变，因此，在根据情节因子判断灰污情况时必须考到这些因素，才能确保系统的精确度。

如图3-3是在锅炉负荷平稳的情况下对高温过热器运行参数每一分钟采样，进行了一次吹灰的清洁因子变化趋势。从图3-3中可以看出在吹灰投入前后清洁因子的显著变化，初步结果说明，该方法能够对受热面的污染程度进行在线计算和监测，且监测结果是合理的。

 

由上文分析可知，受热面污染情况与实际传热系数以及清洁因子变化有关，因此这两个参数可以表征受热面的传热性能，可以实时反映受热面污染状态，所以能根据参数变化进一步优化吹灰模式。而本文以清洁因子变化规律为基础的吹灰模式的优化，还需要进一步的改进：考虑各台给煤机的给煤量变化对炉膛内立体温场的影响，从而影响炉膛尾部烟道内烟气的温度及速度等；氧量计算时，考虑送风量及引风量信号对烟气侧的影响等，从而建立新的优化理论，设计完整的系统，这也是本文下一步的研究工作。此外，对受热面吹灰加强或减少在实际运行中如何实现及确定新的吹灰周期也需要积累必要的工程运行经验。