大型燃煤电站锅炉吹灰技术与应用现状

张广才，王一坤，柳宏刚，解冰

(西安热工研究院有限公司，西安 710032)

大型燃煤电站锅炉吹灰技术与应用现状

张广才，王一坤，柳宏刚，解冰

(西安热工研究院有限公司，西安 710032)

燃煤电站锅炉运行中，受热面的积灰与结渣不可避免，为了保障电站锅炉的安全运行，必须采用一定的手段将受热面的积灰与结渣控制在不影响机组安全性和经济性的范围内。描述了蒸汽吹灰、水力吹灰、燃气脉冲吹灰、气体激波吹灰和各种声波吹灰系统的工作原理，对各种吹灰系统的优缺点进行了技术比较，并给出了不同受热面的吹灰系统选择建议方案。

燃煤电站；锅炉；蒸汽吹灰；水力吹灰；燃气脉冲吹灰；气体激波吹灰；声波吹灰

0 引言

燃煤电站锅炉燃煤含有大量的灰分，这些灰分燃烧后一般有3种形态：(1)成为固体飞灰随烟气流经锅炉各个受热面；(2)在高温下熔融为液态并逐步沉积在炉膛内受热面形成结渣；(3)在高温下挥发为气态，在较冷的受热面与飞灰结合而沾污受热面。锅炉的受热面发生积灰和结渣会严重影响机组的安全运行，为了保障电站锅炉的安全运行，必须采取一定的手段，将受热面的积灰与结渣控制在不影响机组安全性和经济性的范围内。本文介绍了目前燃煤电站锅炉中常见的吹灰系统，对其原理、优缺点和工业应用现状进行了介绍，并给出了不同受热面的吹灰系统选择建议方案。

1 积灰与结渣的成因、影响因素及危害

煤粉燃烧后会产生大量的微小灰粒，这些微小灰粒随着燃烧产生的烟气流经锅炉各个受热面时，由于灰颗粒之间、灰粒与受热面之间存在的表面张力、分子吸引力、热泳力和静电吸引力等的交互作用，在受热面会出现积灰和结渣。

影响积灰的因素主要有烟气流速、飞灰粒径、换热管束直径及排列方式、烟气中的飞灰质量浓度等；此外，燃料成分、燃烧方式和温度也会不同程度影响飞灰在受热面的沉积。燃煤锅炉的结渣则与炉内气氛、温度和空气动力场的组织情况密切相关。

锅炉受热面发生积灰和结渣后，会造成锅炉热效率下降、厂用电率上升、锅炉安全性降低等严重后果。锅炉中未发生积灰和结渣的受热面表面传热系数一般为46.5～58.1 W/(m2·K)，发生积灰和结渣后，其表面传热系数迅速下降至0.058～0.116 W/(m2·K)[1]。因此，锅炉积灰严重时，可导致空气预热器出口的排烟温度升高15～20 ℃，影响煤耗2.8～3.5 g/(kW·h)。当屏式过热器或高温对流受热面发生结渣后，烟气流速增大，部分管束磨损严重，导致“爆管”；当锅炉折焰角上方发生严重积灰时，还可能因为积灰倒向炉内而发生“塌灰灭火”。

2 吹灰技术的分类及工作原理

目前，燃煤锅炉所用吹灰技术均为物理性吹灰，常见的吹灰器有蒸汽吹灰器、水力吹灰器、燃气脉冲吹灰器、气体激波吹灰器和声波吹灰器等。

2.1 蒸汽吹灰

蒸汽吹灰是让高温、高压的蒸汽通过特制的吹灰器喷嘴膨胀加速，利用高速蒸汽对灰渣层进行冲击或振动，是目前应用最为广泛的吹灰技术。蒸汽吹灰系统主要由蒸汽吹灰器、控制系统和蒸汽管路3部分组成，一般采用电动驱动，并通过调节阀门来控制蒸汽压力与流量。常见的蒸汽吹灰器主要有短伸缩式吹灰器、长伸缩式吹灰器和固定回转式吹灰器[2]。

目前，电站锅炉蒸汽吹灰的汽源一般可以选择屏式过热器出口蒸汽、汽轮机高压缸排汽和低温再热器出口蒸汽等。对于燃煤锅炉，一般要求吹灰蒸汽的压力为1.5～3.0 MPa，蒸汽温度比相应压力下的饱和温度高80 ℃以上即可满足要求。当采用屏式过热器出口蒸汽作为吹灰汽源时，存在锅炉经济性下降、设备初投资增大和设备可靠性降低等问题，因此，为提高机组的经济性和可靠性，很多机组选择高压缸排汽或低温再热器出口蒸汽作为吹灰系统汽源。高压缸排汽温度与吹灰器工作温度相近，可以减少甚至不使用减温水；当采用低温再热器出口蒸汽时，能避免蒸汽在吹灰器中凝结，防止吹灰蒸汽带水和干扰炉内燃烧。如某630 MW超临界机组将吹灰汽源改为低温再热器出口蒸汽后，可降低煤耗0.74 g/(kW·h)，按机组负荷率60%、年运行3 500 h、标煤单价为500 t/h计算，每年可增加收益49万元[3]。邹县电厂#7机组吹灰汽源改为低温再热器出口蒸汽后，运行一年再未发生改造前的吹灰汽源减压阀焊缝漏气现象，屏式过热器区域吹灰器也未烧损，停炉检查发现受热面仅有少量积灰，运行效果良好[4]。此外，根据受热面的污染情况对吹灰方案进行优化，也能显著降低运行费用，如国网神头第二发电厂根据锅炉自身受热面的污染特性，对吹灰器的运行方式进行了优化，每年可节省吹灰蒸汽成本140万元[5-7]。

2.2 水力吹灰

水力吹灰是利用冷水的冲击力和温度变化产生的热应力来清除受热面灰渣。当水流冲击水冷壁时，水冷壁上的灰渣受温度应力作用发生龟裂松动；另一方面，由于水冷壁上的灰渣温度较高，水流进焦块缝隙后迅速蒸发导致焦块膨胀，会使沉积的灰渣松动脱落。水力吹灰系统一般由水力吹灰器、吹灰器管路、加药装置及控制系统组成。水力吹灰器特别适用于去除黏性大、质地坚硬的灰渣，一般用于燃用褐煤或结焦性强煤种的机组，目前在我国部分燃用准东煤的机组上也有应用业绩[8]。

常见的水力吹灰器有旋转伸缩式和远程喷射式。旋转伸缩式水力吹灰器行程约为1 m，有效吹扫半径为2～4 m；远程喷射式吹灰器可在水平与垂直方向上摆动，有效射程可达30 m，单次吹扫面积可达400 m2，常用于清扫吹灰器正面及两侧墙水冷壁。

2.3 燃气脉冲吹灰器

燃气脉冲吹灰器是利用燃气爆燃产生的冲击波进行清灰。燃气冲击波产生的压力脉动纵波对积灰产生一种先压后拉的作用，积灰受冲击波的冲击破碎后脱离受热面；导入积灰的冲击波会在积灰与受热面的结合处产生剪切力，使积灰与受热面发生分离[9-10]。此外，高温高压气体还能降低积灰与受热面的黏结强度，加速积灰与受热面的分离。

实际使用时，常使用乙炔作为燃料，主要是因为乙炔较易制取，生产成本低，能量较高，燃烧速度快且爆炸极限范围很宽(3%～81%)，易于掌握。燃烧所需的氧气可为空气或纯氧，由专用风机或空气分离装置提供。燃气脉冲吹灰器一般由回火防止器、过滤器、混合器、点火罐、脉冲管、控制系统和喷嘴等组成[11-12]。菏泽发电厂在再热器和管式空气预热器安装了燃气脉冲吹灰器后，排烟温度下降了10 ℃，锅炉热效率提高了0.5百分点，经济效益十分显著[13]。

2.4 气体激波吹灰器

气体激波吹灰器工作原理与燃气脉冲吹灰器相似，一定压力的气体(空气或氮气)在特殊结构的激波发生器中瞬间释放，产生持续时间大于100 ms、强度为2～5马赫的激波，通过冲击管喷口作用于受热面[14]。激波自喷口射出后，在空间内作球面扩散，扩散后的激波在被吹受热面发生反射和折射，并通过折射层导入，激波的压力脉冲波在对积灰进行压拉的同时产生一定等级的声波，最终积灰在激波和声波的共同作用下破碎并与受热面分离，被烟气带走[15]。气体激波吹灰器一般由激波发生器、流量控制系统、空压机系统、控制保护系统等几部分组成。

2.5 声波吹灰器

声波吹灰器是以压缩空气或高压蒸汽为驱动源，在声波发生装置内产生低频高强度的声波后，利用声波立体传播和高速周期振荡的特点，使受热面上的灰垢脱落并被烟气带走。20世纪80年代，瑞典的Mats Olsson首先申请了利用声能清除积灰的专利。我国的声波吹灰器研究始于20世纪80年代，并于20世纪90年代开始了工业性应用试验[16]。

对于声波吹灰的机制有两种假设理论：一种认为整个吹灰过程主要受受热面与声波的共振影响；一种认为主要受积灰边界层在声波作用下的拉、压影响，与受热面的共振无关。目前对声波吹灰机制的认识更倾向于第2种理论[17]。根据声波吹灰器产生声波的装置，可以将其分为膜片式吹灰器[18-19]、旋笛式吹灰器[2]、可调频声波吹灰器[20-21]和腔体式声波吹灰器几种。

声波吹灰器用于燃煤机组的不同受热面已经有了良好的工程应用效果。平煤集团坑口电厂在电除尘器加装可调频声波吹灰器后，电除尘器清灰效果明显增强，除尘效率得到了提高[22]。图1为粤电集团沙角B电厂#1锅炉再热器区域加装声波吹灰器前、后的对比图，从图中可以看出，加装声波吹灰器后受热面的积灰明显减少，受热面上仅有一层很薄的积灰，原来管束间的积灰基本被吹扫干净。

国电投平山电厂#2锅炉空气预热器加装可调频高强声波吹灰器后[24]：(1)排烟温度降低了6 ℃，机组供电煤耗降低约1.128 g/(kW·h)，按单台机组年发电量50×108kW·h、标煤单价500元/t计算，可节约标煤费用282万元；(2)空气预热器烟气侧差压降低了0.8～1.0 kPa，引风机电流合计下降了30 A，按单台机组年运行4 500 h计算，预计可节电27×105kW·h，按上网电价0.35元/(kW·h)计算，全年可节约电费94.5万元；(3)预计每天节约吹灰蒸汽24 t，按照吹灰蒸汽150元/t计算，全年可节约蒸汽费用67.5万元；(4)每年节煤收益282.0万元，节电收益94.5万元，节汽收益67.5万元，每年节能收益合计444.0万元。

图1 再热器加装声波吹灰器前、后对比[23]

铜山华润电力有限公司#6锅炉在低温再热器安装阵列式声波吹灰器后，再热蒸汽温度平均提高了4.1 ℃，按2台机组年发电量120×108kW·h、标煤单价500元/t计算，年节约标煤费用113.3万元[25]。

3 不同吹灰技术的比较

不同吹灰技术对比见表1。

表1 不同吹灰技术对比

续表

4 结论及建议

锅炉燃用的煤质特性变化决定了对锅炉的不同区域需要按照具体受热面特性及灰渣特性选择适合的吹灰设备。

(1)对于锅炉炉膛和屏式受热面，蒸汽吹灰器仍然是最佳选择；燃用结渣性很强的燃煤时，可以考虑水力吹灰器；燃用结渣性和黏性不强的燃煤，可以采用声波吹灰器和蒸汽吹灰器同时使用的方案。

(2)对于尾部受热面，包括再热器、低温过热器和省煤器，如积灰呈松散状，蒸汽吹灰器、声波吹灰器、燃气脉冲吹灰器和气体激波吹灰器均可采用，在保证吹灰效果的前提下，应优先采用能耗较低的声波吹灰器；如积灰为黏性，可以考虑以声波吹灰器、燃气脉冲吹灰器和气体激波吹灰器日常吹扫为主，必要时投运蒸汽吹灰器。

(3)对于无受热面的水平烟道、灰斗等，应优先采用阵列腔体式声波吹灰器，可以避免低负荷时烟气流速降低造成的水平烟道积灰等现象。

(4)对于SCR脱硝系统，为保证催化剂的完整，应采用声波吹灰器为主、蒸汽吹灰器备用的方案。

(5)对于回转式空气预热器，积灰呈松散状时，可以采用声波吹灰器、燃气脉冲吹灰器和气体激波吹灰器；积灰呈黏性时，可以采用蒸汽吹灰器和水力吹灰器。

(6)对于低压省煤器、除尘器和GGH，可以考虑采用能耗较低的声波吹灰器。

[1]卢步林.吹灰器在大型火电厂吹灰、除垢、除焦方面的应用研究[J].华电技术，2013，35(8)：15-18.

[2]李世军.锅炉吹灰器选型和布置原则探讨[J].电站辅机，2015，36(3)：22-25.

[3]姜雪，李业强.关于锅炉吹灰汽源改造的探讨研究[J].锅炉制造，2012(4)：21-22.

[4]刘海鹏，孔令忠，杜承德.超超临界机组锅炉吹灰汽源安全性研究与优化[J].山东工业技术，2015(23)：57.

[5]阎维平，董建聪，高正阳，等.500 MW机组塔式锅炉受热面污染特性分析与吹灰系统优化改造[J].热力发电，2011，40(8)：51-56.

[6]郑建华.蒸汽吹灰器对锅炉的影响及解决对策[J].电气技术，2011(11)：57-59，95.

[7]赵晓强，任恒昌，聂常贵.伸缩式蒸汽吹灰器的故障分析及对策[J].中国设备 工程，2014(11)：47-49.

[8]邹海峰.远程水力吹灰器在大型燃煤电站锅炉中的应用[J].热力发电，2014，43(4)：141-144.

[9]黄文斌.燃气激波吹灰技术[J].石油和化工节能，2007(4)：16-18.

[10]张国平.燃气脉冲吹灰在燃煤锅炉尾部烟道吹灰中的应用[J].电力学报，2011，26(5)：425-427，431.

[11]董立新，胡兰天.新型锅炉清灰装置——燃气脉冲吹灰器的应用[J].黑龙江石油化工，1998(4)：40-41.

[12]刘乃明，王长征，王富楼，等.气脉冲吹灰器在锅炉空气预热器上的应用[J].发电设备，2000,14(4)：37-42.

[13]陈士星，夏崇军，陈乃江，等.LBR激波吹灰器在菏泽发电厂#2炉上的应用[J].热力发电，2004,33(12)：33-34.

[14]张亚.AKW气体激波吹灰器在我厂锅炉系统的应用[J].纯碱工业，2014(3)：39-42.

[15]何鹏.锅炉吹灰器技术比较与选型[J].安徽电气工程职业技术学院学报，2012，17(1)：59-62.

[16]田静，阎贵富.声波除灰技术的应用研究[J].声学学报，1997，22(5)：469-473.

[17]佟小朋，安连锁，胡海燕.锅炉声波吹灰技术的应用探讨与展望[J].电力科学与工程，2002,18(4)：58-61.

[18]刘汉强，张为强，卢勇，等.声波吹灰器工作原理与应用[J].中国环保产业，2009(6)：34-36.

[19]牟效民，魏星，赵晓强.新型膜片式声波吹灰器在锅炉SCR的应用[J].中国设备工程，2015(11)：54-56.

[20]范国强，孙卫国，朱君举.可调频高声强声波吹灰器在600 MW机组空气预热器的应用[J].华电技术，2015,37(10)：47-50.

[21]许庆.高速变频吹灰技术在电厂中的应用分析[J].华电技术，2015，37(2)：52-53.

[22]师中新，宋光辉，熊全举，等.变音频声波吹灰器在静电除尘器上的应用[J].热力发电，2007，36(3)：88-89.

[23]李凌阳，曹定强，匡真平.第4代声波清灰技术及其在广深沙角B电厂锅炉上的应用[C]// 中国电力企业联合会.全国火电大机组(300 MW级)竞赛第36届年会论文集，2007.

[24]李彦民，王俊杰.高强声波吹灰器在1 000 MW机组空预器中的应用[J].电力科技与环保，2016，32(2)：37-38.

[25]王国红，董务明，陈慧.声波吹灰器在1 000 MW机组塔式炉上的应用[J].电站系统工程，2015,31(4)：23-25.

(本文责编：刘芳)

2016-12-06；

2017-02-14

TK 229.6

B

1674-1951(2017)03-0012-04

张广才(1963—)，男，陕西渭南人，研究员，从事锅炉优化运行、低氮燃烧器改造、烟气余热利用等方面的研究工作(E-mail:zhangguangcai@tpri.com.cn)。