第四代声波清灰技术和传统蒸汽吹灰技术的比较分析.docx

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第四代声波清灰技术和传统蒸汽吹灰技术的比较分析

第四代声波清灰技术和蒸汽吹灰技术的比较分析

北京钟高琦声学技术研究所

江苏声学技术节能有限公司

1．前言

随着电力改革的逐步深入，厂网分开、竟价上网已成必然。

安全管理与节能降耗作为电力企业适应新形势、降低发电成本、提高企业竞争力的重要手段，越来越受到众多电厂领导的重视。

我国电力锅炉以燃煤为主，而动力用煤含灰量和含硫量高，容易形成锅炉受热面的结渣、积灰、腐蚀和磨损。

当水冷壁受热面结渣时,影响自然循环锅炉水循环的安全性；强制循环时,由于热偏差,将影响水动力特性；因并列管的吸热不均,造成管屏的热偏差增大,局部水冷壁管超温。

由于炉膛出口烟温升高,还将引起过热器、再热器壁温的升高甚至超温和高温腐蚀；尾部受热面积灰将影响传热工况，严重时使省煤器、空气预热器堵塞并引发低温腐蚀；积灰使排烟温度升高，降低锅炉运行经济性。

正常的燃烧工况应该是能保证锅炉达到额定参数（蒸汽压力、温度和蒸发量）、避免结渣积灰和燃烧器烧损、着火稳定和燃烧安全、炉膛温度场和热负荷分布均匀以及燃烧产生的有害气体少。

对于火电机组来说，锅炉本身的燃烧热损失每降低1%，将会使全厂的热效率提高约占0.3~0.4%，标准煤耗下降3~4g/（Kw•h）。

因此，锅炉的燃烧工况对锅炉机组以至整个电厂运行的安全性和经济性都有重大影响。

反之，引起不正常燃烧工况的诸多原因中，受热面的结渣积灰是其中的一个重要原因。

受热面的结渣积灰后，吸热量减少，为了保持锅炉的出力，就需要消耗更多的燃料和空气，从而引起引风机电耗增加，厂用电增大；这也直接关系到辅机的能耗问题。

因此，电站燃煤锅炉吹灰技术与锅炉燃烧优化、辅机节能密不可分。

清除受热面的沾污、结渣、积灰的传统方法（如蒸汽吹灰、压缩空气吹灰、高压水力清灰等），其实质是利用某种介质除灰。

但这些吹灰设备普遍存在着能耗高、可靠性差和吹灰效果差等缺点，并且对设备有副作用，如严重磨损受热面而导致锅炉运行的可靠性降低。

因此，我们研究与开发了具有国内自主产权的第四代声波清灰技术，对解决锅炉受热面普遍存在的积灰结渣问题，提高锅炉热效率，有着十分重要的意义。

1.传统蒸汽吹灰技术的弊端

当今国内外电站锅炉传统主流吹灰技术仍采用蒸汽吹灰，这是一种利用高压蒸汽吹灰的机械模式强制性手段，即利用高速蒸汽流直接作用于受热面表面的机械式冲刷作用，使积灰、结渣脱落。

该技术用于清洁锅炉受热面起到了一定的作用。

但随着电力科技的不断进步，对机组耗能和环保的要求日趋严格，解决传统吹灰技术的弊端问题已提到意识日程。

下面就传统蒸汽吹灰技术的弊端作一简要阐述。

1.1吹灰不彻底，范围有限

由于锅炉受热面结构形状复杂，蒸汽吹灰往往难以均匀地清除积灰和结渣，而只能在有效的作用范围内吹扫管排积灰，吹灰存有盲区；有时粘附在管子后面和弯管区段的积灰和结渣不易清除或者根本无法清除。

而声波清灰系统（指第四代声波清灰技术，下同）除灰彻底,不留死角。

1.2蒸汽吹灰系统投入运行的前题条件

由于蒸汽吹灰系统有严格的吹灰参数（蒸汽压力和温度）要求,因此,在锅炉启动初始阶段,装在炉膛和对流烟道部分的蒸汽吹灰器均不能投运；空预器可用辅助汽源连续吹灰,以防止启动阶段过多的沉降物堵塞空预器及因易燃油质沉甸物而引发的尾部再燃。

按常规，炉膛及尾部对流烟道部位的蒸汽吹灰器最好在锅炉70%负荷以上时投运；吹灰时，要提高炉膛负压；负荷过低时吹灰，会降低炉膛温度，影响锅炉的正常燃烧。

特别在小型锅炉上投用吹灰器时，更要注意防止吹灰引起爆燃和炉膛爆炸的危险。

而声波清灰系统投运却不受任何条件的约束。

1.3蒸汽吹灰系复杂化

蒸汽吹灰系统较复杂，一般由蒸汽减压站、管道系统（含吹灰和疏水）、吹灰器本体和程控设备组成。

少数锅炉提供的汽源是再热器出口的蒸汽，这时就需要更为复杂的减温、减压设备。

吹灰管道系统设计时，还应考虑到疏水、热膨胀补偿、流量、压降、保温等要求。

而声波清灰系统配套设备极其简单，仅由清灰器本体和压缩空气管道系统及程控设备组成。

1.4繁琐的运行操作程序

前述蒸汽吹灰有严格的参数要求外，锅炉的吹灰操作，还应在运行工况正常，吸风机有足够的余量、燃烧及各运行参数稳定且无重大操作时方可进行。

吹灰前，应对所属系统设备进行全面检查。

主要包括：

与吹灰有关的调节控制系统各设备，均经事先校验正常并已置投运前状态；有关的热工仪表、信号和报警装置已投入运行，各吹灰器已退足位置，吹灰安全门完好且在回座位置，吹灰总门、吹灰调节门在关闭位置；吹灰管道和疏水管道等均无异常情况等。

同时，在进行吹灰操作前，应先通知有关岗位值班员，做好相应的安全措施和参数调整工作。

吹灰前应先适当增大炉膛负压，吹灰过程中应注意各段汽温的变化和加强参数调整，以免吹灰过程中由于灰渣脱落，造成局部吸热量发生较大变化而导致汽温的波动。

正常吹灰一般采用程控方式进行，但吹灰结束后，运行人员还得到现场检查各吹灰器是否在退足位置。

上述繁琐的运行操作程序不言而喻，而声波清灰系统只要揿一下程控装置启动按钮，即可按已设定的清灰程序全自动投运。

与上述繁琐的运行操作无缘。

1.5频繁的维护检修

由于蒸汽吹灰系统所配套的设备类别多,故障率又高,诸如频繁发生的吹灰器机械故障（如卡涩等）、运行中停转、自动程序中断、超时报警、调节系统失灵、阀门误动等故障大大增加了电厂维护检修人员的工作量。

而声波清灰系统基本属于免维护。

1.6清灰机制与效率、环保之间的矛盾

为了将锅炉排烟温度控制在许可的范围内以保证机组的效率达到所期望的水平，在运行中须对锅炉的受热面进行吹灰。

尤其是在燃烧高灰份的煤种时很容易发生受热面的沾污最终导致锅炉排烟温度的上升。

受热面沾污后整个炉膛的热交换会向后推移，引起燃烧工况、减温水量和辅助设备的自用电耗等将发生变化。

蒸汽吹灰时，将改变锅炉受热面吸热量分配份额，将引起蒸汽参数波动、锅炉运行安全等一系列的问题。

蒸汽吹灰需消耗大量的昂贵的吹灰介质，出于运行费用的原因，锅炉的受热面不可能随时都保持清洁，而必须以一定的周期对受热面进行吹灰，以尽可能降低吹灰操作和沾污引起的机组效率降低的总的费用。

这里必须注意一系列设备特定的边界条件如吹灰器的单位蒸汽耗量、材料的极限温度或炉膛的火焰稳定性等。

在实际运行中要利用一个整体的吹灰程序来综合考虑这种相当复杂的关系。

经常还必须承受额外的费用和一些运行限制条件，尽管采用状态吹灰是可相对避免这种情况的。

在采用蒸汽吹灰时要对蒸汽本身的成本和受热面冲蚀引起的费用与排烟损失相比较。

所确定的吹灰程序还必须得到不断的更新，以使与不断变化的燃烧和沾污情况相适应。

上述为蒸汽吹灰机制与锅炉效率关系相当复杂的一面。

传统的蒸汽吹灰模式给环保带来的负面影响不容忽视，下面将简要阐述。

传统的蒸汽吹灰模式给环保带来的负面影响不容忽视，下面简要阐述。

效率（节能）与环保在锅炉运行上的矛盾，在于吹灰的同时，亦增加了悬浮粉尘粒子的排放。

在环保与节能过程中，传统蒸汽吹灰主要考虑每天吹灰次数和吹灰时间长短的可行性与实际局限性。

传统蒸汽吹灰一般都限制在每班（8小时）一次，也有规定每天吹一次。

因此，蒸汽吹灰每天粉尘排放都有几个高峰期；除尘设备的设计一般都有充足容量处理吹灰所造成的排灰高峰量。

但随着设备在运行中的变动（如除尘效率下降、煤质变化等）或故障，电除尘处理粉尘的富裕量有限时,将引致吹灰期内的排灰高峰不能全被除去而使出口含尘量显著上升，甚至可能超标,污染环境。

而声波清灰系统有利提高锅炉效率和改善环境。

1.7蒸汽吹灰与锅炉设备安全之间的矛盾

燃煤锅炉上最常见的两种磨损现象是飞灰磨损和吹灰器（指以蒸汽或压缩空气为介质）吹灰磨损，吹灰造成的磨损随着下列条件而有不同：

吹灰器种类、管子与吹灰器距离、吹灰器的操作方式及其周期、吹灰器维修状况等。

蒸汽吹灰器吹损吹爆受热面原因分析：

从诸多电厂受热面被吹损的情况分析，吹灰器枪管进入炉内，吹灰喷嘴长时间对着受热面某一部位吹，是导致该部位管壁减薄直至泄漏的直接原因；而吹灰过程中吹灰器故障卡涩和退出不及时，吹灰器在不投运时蒸汽泄漏，未及时发现而吹损受热面管子等造成锅炉爆管也屡见不鲜。

有些电厂省煤器吹灰器由于其吹灰枪管有一半在不投运时也处在炉内，也就是其喷嘴始终对着周围的省煤器，吹灰器的提升阀内漏可直接造成省煤器吹损、爆管。

如果蒸汽吹灰器的投入与否不是根据受热面的沾污程度，或吹灰的频率太多，不但不利于受热面的保护，相反可能会造成受热面的损坏。

尤其是已经有磨损的受热面在吹灰器的作用下磨损的过程会得到加速。

另外还需要考虑的是，蒸汽吹灰时，烟气中的颗粒会大大加强对清扫过程的效果，同时也加强了磨损的负面作用。

但如吹灰时间间隔太长，会严重影响吹灰效果，降低锅炉热效率。

由此可见，根据锅炉运行情况存在一个最佳的吹扫周期。

最佳吹扫周期可由吹扫后排烟热损失的下降与吹扫介质损耗之间的比较来确定。

此外,蒸汽吹灰过程中,烟气中的水蒸汽分压力提高,从而提高了烟气露点温度,加剧空预器低温受热面堵灰和腐蚀。

当燃用高硫煤时，此问题更为严重。

而声波清灰系统无上述现象，本质安全。

2．高效能大功率宽频带免维护声波清灰技术（即称为第四代技术）

的主要技术优势

鉴于上述传统吹灰技术所存在的诸多弊端,寻找一种行之有效的、安全可靠的、节能降耗的吹灰技术势在必行。

2.1声波清灰机理

声波清灰的原理是将一定强度和能量的声波送入运行中的锅炉炉内各种可能积灰结渣的空间区域，通过声能量的作用使这些区域中的空气分子与粉尘颗粒产生振荡，并破坏或阻止粉尘粒子在受热面管子表面沉积，使之始终处于悬浮流化状态，被烟气带走。

对于受热面上原已结成片（块）状灰渣和硬灰垢将在声波的作用下，尤其是在极高的加速度的外力策动下，从受热面断裂、剥离,落入灰斗或被烟气带出烟道。

简而言之，声波清灰的基本原理在于声波对积灰结渣产生振荡悬浮流化作用、高加速度剥离作用和振动疲劳破碎作用。

2．2该类型声波清灰器的主要技术特性

在功能效果方面：

声波清灰器所发出的声波是一种交变的、快速的、急剧的、反复的作用力，其能量作用要比蒸汽的冲击强烈得多，清灰的实效要高得多。

声波又是可传播的，声波清灰的范围能够扩及到数米以外，包括管道背后及狭缝、边旁角落。

声波的交变声压按传播距离的一次方成反比衰减，声强大小按传播距离的平方反比衰减；而蒸汽吹灰的蒸汽射流动压却按喷射距离的平方反比成衰减；射流动能按喷射距离的立方成反比衰减；从声波能量的功能和传播特性显然可见，它必然有很多本质俱来的功能效果优越性。

在安全可靠方面：

安全可靠性对于电力企业至关重要。

由于蒸汽吹灰器易吹损受热面而导致爆管停炉是长久没有解决的问题。

但是，该类型声波清灰器则不然。

因为声波清灰器已经将动力气体的动量和冲量转换为幅射声波的波动能量，所以不存在对设备管束的冲刷磨损。

此外，由于声波清灰器所采用的声波频率范围，避开了锅炉本体设备和管束的本征频率，因此，不会引发设备和管束的振动（共振），仅对灰垢作用强烈而无损锅炉本体。

可以说，该类声波清灰器是属于本质安全型的设备，从根本上解决了因吹灰而爆管的隐患。

在检修维护方面:

没有需要调整的机构，也没有运动或不稳定的结构，不存在发生运行机械故障的可能性。

声波清灰器的材料都是耐高温、耐腐蚀、耐磨损的优质材料，只要安装时按规程将管线吹扫干净，将气源中的固体杂物经过过滤，声波清灰器的运行是长期可靠的，通称为免维护型设备。

在运行管理方面:

该类型声波清灰器，运行时不需要维护和检修。

只是在长时间停炉后再重新启动锅炉时，须要进行检查，将管线吹扫干净，清洗过滤器。

不需要设置专门运行人员进行日常的使用和管理。

这对于企业全系统的自动化程度和管理，具有十分重要的意义。

2．3与传统蒸汽吹灰相比，该类型声波清灰器的主要技术优势

A．在声波有效范围内彻底除灰。

该类型声波清灰器的作用范围取决于其发声功率和强度，由于声波具有反射、衍射、绕射的特性,无论受热面管排如何布置,只要在声波有效作用范围内,声波总可以清除管排间及管排背后的积灰,除灰彻底,不留死角,这是蒸汽吹灰器不能实现的。

B．短间隔巡回投用,连续保持受热面清洁。

一般单台声波清灰器1次工作时间为15~30s,停运30~120min,如此循环反复,可连续保持受热面清洁、有效保持甚至提高锅炉热效率、降低排烟温度。

C．无受热面机械损伤。

声波依托高温烟气为介质来传播,使烟气中的灰粒在声波能量作用下发生质点位移,从而使灰粒难于附着在管壁上,达到除灰的目的.这不同于蒸汽吹灰的直接冲刷,不存在对受热面管壁的机械损伤。

D．声波清灰装置体积小巧,结构紧凑,安装方便,操作便利,设备简单,无复杂的伸缩、旋转机构；因此，它故障率极低，基本属于免维修。

E．无潮湿介质进入炉内,不会加剧低温受热面腐蚀及空气预热器堵灰。

F．发声介质为压缩空气,节约水资源,运行成本低.

G．不受锅炉启、停限制,启炉即可投入运行,停炉后仍可继续运行。

H．适用范围广。

可适用于工业锅炉、电站锅炉、静电及袋式除尘器、空气预热器及全烟气脱硝装置反应器本体清灰；还适用于煤粉仓、储灰仓等设备的防粘结.

3．对于各类大型电站锅炉的适应性

根据上述几点分析结果，第四代共振腔类大功率声波清灰技术完全能适用于各类大型电站锅炉，由于其独特的设计参数与技术特性决定其清扫的复盖面较其它类别的声波清灰器宽广；以上海锅炉厂设计制造的锅炉为例，30万机组配套锅炉，其尾部竖井深、宽尺寸为：

8550*14022mm；60万机组配套锅炉，其尾部竖井深、宽尺寸为：

13908*19558mm；只要在其二側优化设计、对称布置足够数量的大功率声波清灰器，其清灰有效空间延锅炉的宽度、深度方向均能复盖；如对程控设置加以优化，即可达到满意的清灰效果。

因此，对在役锅炉，研究、试验逐步用声波清灰技术来取代现有蒸汽吹灰方式，达到减少能耗、降低运行成本和提高环保效益的目的势在必行。

4．结论和建议

4．1高效能大功率宽频带免维护声波清灰装器（即第四代声波清灰技术）的成功开发研制，为解决大型电站锅炉采用传统吹灰技术所存在的、难以解决的弊端，提供一种有效的、安全的、经济的可推广的技术措施；

4．2第四代声波清灰技术的推广应用，将会给锅炉运行带来较大的安全、节能降耗、和环保效益；

4．3第四代声波清灰技术是替代传统吹灰技术的有效途经；

4．4第四代声波清灰技术适应能力强，可在现役锅炉及新、扩、改建的锅炉上推广应用。