锅炉飞灰取样器装置结露堵灰的原因分析及其对策 

       锅炉飞灰取样器装置常出现堵灰,影响飞灰含碳量测量装置的工作.为此,以自吸式飞灰等速飞灰取样器装置为例,对结露堵灰问题进行了分析和计算,并提出了合理进行取样管线保温.压缩空气吹扫及吹扫空气预热等解决措施,取得了良好的运行结果.
      电站锅炉尾部烟气飞灰连续飞灰取样器装置的稳定工作对实时准确监测烟气中飞灰含碳量、指导燃烧调整与优化运行有十分重要的意义.
      近年来,在部分大型燃煤电站锅炉上安装了飞灰含碳量在线监测装置,其工作原理均是在锅炉尾部烟道抽取烟气,并在分离采集灰样后,采用各种不同的监测方法对飞灰中的含碳量进行测量.飞灰连续飞灰取样器装置均采用自吸式飞灰等速飞灰取样器装置.但在实际运行中,飞灰取样器装置频繁发生堵灰,无法连续可靠运行,已成为各种飞灰含碳量监测装置正常运行的瓶颈.
      根据自行设计开发的飞灰含碳量在线检测装置，在某300MW机组投运的经验,针对锅炉尾部烟气自吸式飞灰等速飞灰取样器装置经常发生结露堵灰的问题,基于烟气中水分含量与水露点的变化,应用热量传递原理进行定量计算,分析了采样管线堵灰的原因,提出了解决措施,并在实际应用中取得了良好的效果.
1、锅炉尾部烟气飞灰连续飞灰取样器装置的结构及原理
      自吸式飞灰等速飞灰取样器装置一般均布置在锅炉尾部烟道省煤器受热面出口处,此处的炉内烟气负压较高,一般可达到1200～1400Pa,飞灰取样器装置采用自吸式的结构设计,不依赖外界动力源,利用压力平衡法调节流量,进行等速采样,使取出的灰样具有较好的真实性和代表性,从而保证了系统的整体测量可信度.
1.1飞灰连续飞灰取样器装置的组成
      该系统由伸入锅炉尾部烟道的采样嘴、布置在炉墙上的拉伐尔喷管和烟道外的旋流集尘器、静压测量管以及可调旋钮等部分组成.
图1自吸式飞灰等速采样枪仪器结构示意图
1.2工作原理
      采样枪工作时,在烟道内的负压与炉外大气压形成的压差作用下,烟道外的空气从拉伐尔喷管炉外部分与可调旋钮间的缝隙形成的喷嘴流入拉伐尔喷管,高速空气流经可调旋钮处的喷嘴时,在喷嘴处形成抽吸作用,将烟气与飞灰两相流体从采样嘴抽吸到旋流集尘器.经旋流集尘器的分离,连续捕捉采集适量的飞灰,供给飞灰可燃物监测装置.通过调节可调旋钮,可以改变喷嘴与拉伐尔喷管形成的缝隙喷嘴的流通面积,使得被抽吸的烟气流量发生变化,这样就达到了调节采样枪内烟气流速的目的,使采样枪做到等速采样.
1.3飞灰取样器装置的工作流程
      在设计的飞灰含碳量在线检测装置中,烟气飞灰取样器装置采取连续运行、断续采样的工作方式.由于自吸式飞灰采样枪是利用烟道负压产生动力的,所以整个采样过程必须在系统密封良好的情况下进行.如果采样管路里存在漏风,就会破坏抽吸动力,不能将烟气抽吸到采样枪中.采样枪连续采集烟灰混合物,经旋流集尘器将烟气与飞灰分离,分离后的烟气通过可调旋钮处的喷嘴重新回到烟道中,分离出来的灰进入旋流集尘器下部的采样筒体,以一定的采样周期,断续将累积的灰样送到测量系统.断续采样要求的分析灰量为10～20g/min,多余的灰及经分析测量过的灰通过排灰阀重新送回到烟道中.
2飞灰取样器装置堵灰原因的理论分析
      飞灰取样器装置设计成免维护系统,但在实际运行中常会发生堵灰现象,并且在锅炉受热面蒸汽吹灰后更容易发生.现场实验发现:堵灰的部位大多在旋流集尘器下部,灰粘结在旋流集尘器下部落灰管的内壁面,呈潮湿状.
      实验表明,由于采样枪所处烟道内烟气温度在300℃以上,所以该处烟气中的水分均以水蒸汽形式存在,烟气中水分的体积份额约为10%,飞灰取样器装置的内壁与烟气直接接触.由于采样枪部分管路位于烟道外,当采样枪抽取的烟气经过炉外采样管线时,烟气的温度会急剧下降.烟气中的水蒸汽可能会由于温度低于水露点而发生凝结.当采样分析系统工作时,由于灰样与外界隔绝,所以凝结的水分累积在系统中,使得灰样受潮,形成堵灰现象.其主要影响因素为烟气中水分的含量和炉外采样金属管线的壁面温度等.
3系统堵灰的计算分析
3.1烟气水露点的计算
      烟气进入低温受热面后,其中的水蒸汽可能由于烟温降低或在接触温度较低的受热面时发生凝结.烟气中水蒸汽开始凝结的温度称为水露点.当气体中的含湿量达到饱和状态时,其水蒸汽分压力便是相应烟气温度条件下的水蒸汽饱和压力,而烟气温度也就是饱和温度水蒸汽结露温度,即水蒸汽的露点决定它在烟气中的分压力,所以可通过计算烟气中水蒸汽的分压力,通过查阅饱和水蒸汽表得到烟气的水露点温度.
      烟气中的水蒸汽包括燃料中的氢燃烧生成的水蒸汽为11.1×,燃料中的水汽化生成的水蒸汽为1.24×,空气带入的水蒸汽为1.61×dkαV0,锅炉受热面吹灰带入的水蒸汽为1.24×Wch.所以,烟气中水蒸汽容积为:VH2O=11.1×+1.24×+1.61×dkαV0+1.24×Wch(1)式中,Har为燃料中H的收到基含量;Mar为燃料中水分的收到基含量;dk为湿空气的绝对湿度,通常取0.01kg/kg;α为过量空气系数;V0为理论空量,m3/kg;Wch为吹灰用蒸汽消耗率,kg/kg.
      计算所用煤质数据及烟气水露点温度计算结果示于表1.
      烟气中水露点温度随烟气中水分含量的变化示于图2.
      从图2可知:随着烟气中水分含量的增加,即烟气中水蒸汽分压的增加,烟气中水露点的温度是随之增加的.
      当锅炉受热面有蒸汽吹灰时,会增加烟气中的水分含量.该锅炉配备64台RW-6E型墙式吹灰器,吹灰压力为1.0～1.2MPa,每台吹灰器蒸汽耗量为30kg,吹灰时间为65min;32台T30-IE型长吹灰器,吹灰压力为0.8～1.0MPa,每台吹灰器蒸汽耗量为420kg,吹灰时间为7min.据此,计算得到的锅炉受热面吹灰带入的水蒸汽量为0.12m3/kg(标准状态下).所以,烟气中水露点要比没有考虑吹灰时升高2～4℃,即蒸汽吹灰对烟气中水露点的影响比较大.当受热面蒸汽吹灰投入时,飞灰取样器装置更容易出现堵灰现象.
3.2炉外采样金属管线的低壁温计算
      由于采样枪炉外金属管线的换热过程不仅存在沿采样枪长度方向上的导热,同时还有周界对流换热的作用,因此其散热量及沿采样枪长度方向上的温度分布计算可简化为通过肋片的换热问题进行计算.
      假定采样枪金属材料的导热系数λ和采样枪炉外金属管线表面的对流换热系数α在采样枪的整个长度上都是常量,则肋片导热微分方程式为=m2θ(2)(3)为采样枪单位长度式(2)的通解为θ=C1emx+C2e-mx.在x=0处的边界条件为x=0,θ=θ0;在x=L处的边界条件为x=L,x=L;其温度分布为θL=ch(L);其热量为Q=θ0th(mL).
      考虑到季节、锅炉房是否封闭等因素后,取冬季、开式锅炉房时取样枪所处的环境温度为10℃;夏季、开式锅炉房时取样枪所处的环境温度为20℃;夏季、闭式锅炉房时取样枪所处环境温度为30℃.当取样枪炉外管线的外壁温度为50℃时,该点距离炉墙的距离示于图3和图4.
      从以上计算结果可知,要保证采样枪不会因烟气中水蒸汽结露堵灰,必须保证采样枪炉外金属管路的壁面温度不低于水露点,本文参照《锅炉机组热力计算标准方法》中“金属低壁温应比烟气露点温度高10℃”的标准,在计算出烟气露点的同时,估算
图3与炉墙的距离/m出低金属壁温.
      金属管路增加保温后,其传热过程的热阻增加了δ/λ,计算条件为取烟气温度为300℃,考虑保证距离炉墙L米处的金属壁温不低于50℃,此时所要求的保温层小厚度示于表2.
      由表3可知,采用超细玻璃棉毡进行采样枪炉外金属保温时,要想满足金属壁温不低于水露点,则需要的保温层厚度随距离炉墙长度的增加而增厚.增加保温层后可以有效防止炉外采样枪的金属壁温低于水露点温度,基本可以杜绝由于烟气中水蒸气结露而造成的堵灰现象,并满足生产现场安全稳定运行的需要.但在保温的同时,要注意过度保温也会带来不良影响,局部温度过高会造成飞灰连续飞灰取样器装置中电磁阀门和橡胶密封垫片的加速老化等现象.综合考虑各种因素后,保温层的厚度推荐值为15mm.
4消除堵灰的措施
      (1)对收灰管进行局部加热(不能对整个管路加热).该方法需要在现场收灰管缠绕加热带进行伴热.这就要求增加加热设备.但这会影响到飞灰含碳量的测量精度,同时由于加热带使用寿命的限制,会导致系统需要维护;
      (2)采用周期性的电磁或机械振打.采用该方法会使设备工作环境恶化,缩短电子元件和阀门等的寿命,同时电磁开关的频繁动作也会影响测量的精度.
      综合考虑以上消除堵灰措施的优缺点,提出在降低落灰管路粗糙度,增加落灰管局部保温的同时,采用适当加热升温后的压缩空气对落灰管路进行周期性吹扫的措施.这一措施可以较好地解决堵灰问题,并且不会对系统正常工作造成影响.空气吹扫系统简图示于图5.
      1-过滤器,V-2-减压阀,V-3-电动球阀,V-4-电动球阀,V-5-电动球阀
      从仪用空气系统来的压缩空气经过滤器过滤后、通过减压阀V-2降低到合适气压,PLC控制电动球阀V-3对采样系统进行周期性吹扫.吹扫时电动球阀V-5关闭,电动球阀V-4打开,压缩空气通过采样枪落灰管,反吹到烟道中去.在某300MW燃煤机组飞灰连续飞灰取样器装置上应用该防堵灰措施后,在正常运行工况下系统没再发生堵灰,飞灰取样器装置能够长期稳定地连续运行.
      通过以上理论分析和计算,表明飞灰取样器装置发生堵灰的主要原因是烟气中水蒸汽的结露造成的.为了防止采样枪由于结露而堵灰,应保证管线金属的壁面温度比水露点温度高10℃以上,在确定保温层厚度的时候,需要考虑在不同季节,不同锅炉散热条件下的水露点温度的不同.同时,要防止由于保温层太厚造成飞灰连续飞灰取样器装置的阀门、橡胶部件的高温老化现象的发生.
      综上所述,加强采样管的保温,确保与烟气接触的采样管线壁温高于所计算的水露点温度,同时降低落灰管路的粗糙度,采用压缩空气进行周期性吹扫,是解决系统堵灰问题的有效措施.