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摘要：基于热平衡原理，采用DCS监测系统实时运行数据，针对具体低温受热面，进行了清洁因子算法流程的设计，并描绘出其随时间变化的曲线图。分析比较了清洁因子不同算法的优缺点，针对空气流量监测不准、低温受热面结构交錯布置、测点数量不多且分布不均等问题，提出了以烟气挡板处烟温为基础，整体处理尾部烟道受热面热平衡的计算方法。
关键词：清洁因子；在线监测；算法设计
前言
从现有研究看，目前对于炉膛受热面的积灰监测主要采用高温热流计，尾部烟道内受热面的积灰监测主要采用烟气-工质热平衡法计算，计算数据采用锅炉实时监测数据。尤其是对锅炉尾部受热面的积灰计算，要求锅炉负荷必须保持稳定，这和实际运行时有很大的差异，实际运行时锅炉负荷往往是变化的，而锅炉负荷对积灰特性的计算影响较大，根据变负荷下的实时监测数据计算的清洁因子并不能准确反映受热面的真实积灰状态。另外，现有的积灰特性计算方法研究，由于缺乏烟气侧温度数据，采用了由工质吸热量，基于烟气-工质热平衡方法，来解算烟气温度，再进行清洁因子计算的方法（如图1所示），解算流程是：空预热器-省煤器-低过-低再-高再-高过。然而，对于300MW机组的锅炉来说，省煤器、低过和低再布置在同一个尾部烟道内部，而且低过的受热面和低再受热面管束交错重叠布置，很难明确区分烟气进口和出口，以及烟气量，更不用说计算烟气侧进出口温度了。本文研究者曾经采用上面的解算顺序，进行了尾部受热面积灰特性计算，发现根本无法反映受热面的积灰特性变化规律。
图1 传统清洁因子计算流程图
1彭城电厂300MW燃煤锅炉DCS系统测点分布
本文研究的具体对象是彭城电厂一台1025t/h亚临界压力自然循环锅炉。型式是：亚临界压力、一次中间再热、单炉膛、燃烧器布置于炉膛四周、切圆燃烧、尾部双烟道结构、采用烟气挡板调节再热汽温、固态排渣、全钢架悬吊结构、平衡通风、半露天岛式布置。计算数据来自某日DCS运行参数数据库，该日锅炉负荷较为稳定，中间有一次吹灰操作，符合本文研究条件。该电站锅炉DCS数据实时监测系统，在各监测位置有两个测点，同时记录两组数据。本文数据采集的方法是：每隔30秒采集一次数据，以五分钟内的平均值为一次记录值。计算中，每个时间点的参数值，为两组数据的平均值。
该电厂DCS系统测点在尾部烟道的分布情况为：
1.烟气温度测点。中隔墙上部两侧（即前转向室和后转向室），低过出口（即省煤器入口）， 省煤器出口，低再出口，烟气挡板处，共六处烟温测点。
2.工质热工参数测点。汽包，再热器喷水减温器前（即低再出口），过热器1#喷水减温器前（即低过出口），低再事故喷水器后（即低再入口），省煤器入口，共五处工质热工参数测点。
具体分布如图2所示：
图中：●为水或蒸汽温度、压力、流量测点，共5处；▲为烟气温度测点，共6处。
图2 锅炉尾部烟道DCS系统测点分布
2基于电厂DCS系统的锅炉受热面积灰在线监测模型
现代锅炉DCS系统在锅炉尾部对流受热面中的监测点比较全面，很容易实现在线监测。首先通过物质平衡和能量平衡，先计算出烟气在中隔墙两侧的分流比例，然后再采用热平衡法，根据受热面进、出口烟气或工质的参数，以及锅炉本体的结构尺寸，就可以计算出受热面的热流密度。通过其他的软件和设备将热流密度直接展示在监测屏幕，就可以实时获取受热面灰污状况。清洁因子作为表征受热面积灰程度的参数，被广泛应用于在线监测燃煤锅炉受热面灰污状态的研究领域[1]，本文也采取CF监测形式。
式中：λ均烟温下的烟气的导热系数； 管子直径； 烟气流速，； ，q为单位时间通过的流量，； 烟气运动粘度系数； 普朗特准则数， ， 为烟气动力粘度系数， 为烟气定压比容，λ为烟气的导热系数； 管子沿烟气流程排数的修正系数； 管簇横向与纵向管节距修正系数；
式中： 蒸汽的流量； 受热面积； 、 蒸汽进入受热面的出、进口焓；
3各对流受热面清洁因子计算流程及变化曲线
各对流受热面清洁因子计算中，理想传热系数的计算基本不变，但实际传热系数的计算流程因各受热面测点位置不同而有较大差异，上述传统清洁因子计算流程已不适用。本文根据不同受热面已知参数，分别设计了实际传热系数计算流程。
3.1省煤器
省煤器清洁因子计算中，首先要确定中隔墙两侧烟气流量。本文采用低温再热器出口、省煤器出口以及烟气挡板处烟温分布确定中隔墙两侧烟气流量，即：
式中： 、 低温再热器、省煤器处烟气流量比例； 、 、 低温再热器、省煤器出口、烟气挡板处烟气焓值。
有相关论文采用省煤器出口、低温再热器出口以及空气预热器进口的烟焓，计算中隔墙两侧烟气流量，这两种方法的比较在下面篇章将做具体分析。
根据DCS测点分布，本文的已知条件是进出、口烟温，进口水温为给水温度，出口水温未知，因此，必须根据热平衡原理先计算出出口水焓，才能得到出口水温，进而完成下面的计算。具体流程见下图：
图3 省煤器实际传热系数计算流程图 图4 省煤器清洁因子变化曲线
计算中，省煤器侧烟道内烟气流量较小，清洁因子计算受其他因素变化较大，因此在锅炉有吹灰动作时，清洁因子变化较为剧烈，个别数据失真。但总体来看，清洁因子的变化趋势能正确反映出省煤器受热面积灰状况，清洁因子随时间增长而逐渐减小，在锅炉吹灰完成时，又有较大增加，完全符合实际情况。
3.2低温过热器
蒸汽在低过进口处没有温度、压力测点，采用汽包出口时蒸汽参数。出口蒸汽温度为1号喷水减温器前的温度，出口烟温为省煤器进口烟温。计算中，不采用低过进口烟温测点数据（后转向室烟温），具体流程如下图： 图5 低过实际传热系数计算流程 图6 低过清洁因子变化曲线
省煤器和低温过热器同位于中隔墙后部，烟气流量和积灰状况应相差不大，因此，两者的清洁因子变化规律也相同。由于缺少进口蒸汽参数，低过进口蒸汽采取汽包压力下的饱和蒸汽温度，计算出的进口烟气温度比实际值要大。但是，这种整体计算方法能正确反映清洁因子变化趋势，在锅炉灰污监测计算中，此方法是可取的。
3.3低温再热器
低温再热器位于中隔墙前部烟道中，此处布置有很多其他受热面，如前墙过热器、侧包墙过热器等等，结构较为复杂，在采用热平衡计算时，低温再热器管道内侧工质吸热并不等于管外烟气放热，因此，在计算低温再热器进口烟温时必须采用尾部烟道整体焓降法。进口蒸汽温度为低再事故喷水减温器后温度；出口蒸汽温度为1#再热喷水减温器前的蒸汽温度；出口烟温已知，具体流程如下图：
图7 低再清洁因子计算流程图
图8 低再清潔因子变化曲线
低温再热器位于中隔墙的前部，积灰状况与前两者稍有不同。低温再热器处烟气流量较大，对吹灰动作造成的温度变化的反应程度没有前两者剧烈。低温再热器清洁因子变化较为平和，这是由于其受热面积较大，工质和烟气流动较稳定，受其他因素干扰较小，计算结果较为理想。
4与其它算法的比较
4.1烟气流量计算
在计算中隔墙两侧烟气流量时，本文采用省煤器出口、低温再热器出口以及烟气挡板处，三者的烟温大小进行计算。有人认为采用烟气挡板温度不太准确，原因是，中隔墙两侧烟气在流经烟气挡板时，并没用完全充分混合，其温度不能当作混合后的烟温，应该改用空气预热器进口烟温进行计算，如图10：
图9 空预器进口烟温计算流程图
图10 省煤器清洁因子变化曲线图
明显，此方法不适于受热面积灰特性研究。原因：锅炉DCS系统监测空预器进出口一、二次风流量偏差较大，漏风系数又进一步增大进口温度偏差。本来三者温度相差不大，计算中，即使某一参数有较小偏差，也会结果造成较大影响。
4.2前转向室烟温计算法
低热器清洁因子计算中，要采用前转向室温度计算，则低过进口蒸汽温度未知。虽然进口蒸汽焓很容易算出，但是，过热蒸汽焓是关于温度和压力的高次方程，不适用于计算机进行大批量数据的计算。因此，要采用前转向室烟温计算法，只能对进口蒸汽温度进行估算，或者直接采用汽包压力下的饱和温度。下面是采用这种方法计算出的低温过热器清洁因子变化曲线：
图11 低温过热器清洁因子变化曲线图
此变化曲线明显不符合实际情况。前面提到，锅炉低温受热面结构比较复杂过热蒸汽从汽包出来后经过多个包墙过热器和中隔墙，流程较长。在热平衡计算中，烟气焓降并不能简单地等于单个设备中工质的焓增，蒸汽温度较实际情况有很大差异，单独计算各个设备清洁因子肯定会有很大误差，甚至不能正确反映真实受热面灰污状况。在尾部低温受热面清洁因子计算中，必须要采用整体法，全局把握受热面传热情况，最大可能地减小计算误差。
4.3低温再热器进口烟温计算
和低温过热器一样，低温再热器也处于传热较为复杂的尾部烟道，它的清洁因子的计算也要采取整体法，其计算方法的差别是在于进口烟温的确定。本文在计算低温再热器进口烟温时，采用尾部烟道整体焓降法间接计算。
另一种方法是，以前转向室烟温为低温再热器进口烟温，按照低温再热器垂直和水平受热面的大小估算低温再热器水平段出口蒸汽温度。下图为该方法的清洁因子计算结果：
图12 低温再热器清洁因子变化曲线图
从图12可以看出清洁因子逐渐降低，但显示不出中间吹灰过程，显然不是实际灰污状况的真实反映，该方法不能作为尾部受热面灰污特性研究的计算方法。这也同时证明了在研究锅炉低温受热面积灰特性研究中采用整体法计算清洁因子的必要性。
5总结
本文提出的以烟气挡板处烟温为基础，采用整体法处理尾部烟道热平衡的解算思路，能准确地反映出清洁因子的变化情况，与其它方法相比较，该解算设计摒弃了尾部受热面结构复杂、气流紊乱、传热对象不单一等情况，避免了系统测点数量不多、分布不均的问题，使计算简单、实用，结果稳定可靠、更贴近实际情况。
参考文献
[1] 阎维平，陈宝康 电站锅炉回转式空气预热器积灰监测模型的研究，《动力工程》，2002-04-15
[2] 张逸祥，基于实时数据库的生产优化管理实现策略，《电力技术》，2010
作者简介：
王国红（1972.12），男，河北井陉人，工程师，长期从事火电机组运营以及节能管理
关键词：清洁因子；在线监测；算法设计
前言
从现有研究看，目前对于炉膛受热面的积灰监测主要采用高温热流计，尾部烟道内受热面的积灰监测主要采用烟气-工质热平衡法计算，计算数据采用锅炉实时监测数据。尤其是对锅炉尾部受热面的积灰计算，要求锅炉负荷必须保持稳定，这和实际运行时有很大的差异，实际运行时锅炉负荷往往是变化的，而锅炉负荷对积灰特性的计算影响较大，根据变负荷下的实时监测数据计算的清洁因子并不能准确反映受热面的真实积灰状态。另外，现有的积灰特性计算方法研究，由于缺乏烟气侧温度数据，采用了由工质吸热量，基于烟气-工质热平衡方法，来解算烟气温度，再进行清洁因子计算的方法（如图1所示），解算流程是：空预热器-省煤器-低过-低再-高再-高过。然而，对于300MW机组的锅炉来说，省煤器、低过和低再布置在同一个尾部烟道内部，而且低过的受热面和低再受热面管束交错重叠布置，很难明确区分烟气进口和出口，以及烟气量，更不用说计算烟气侧进出口温度了。本文研究者曾经采用上面的解算顺序，进行了尾部受热面积灰特性计算，发现根本无法反映受热面的积灰特性变化规律。
图1 传统清洁因子计算流程图
1彭城电厂300MW燃煤锅炉DCS系统测点分布
本文研究的具体对象是彭城电厂一台1025t/h亚临界压力自然循环锅炉。型式是：亚临界压力、一次中间再热、单炉膛、燃烧器布置于炉膛四周、切圆燃烧、尾部双烟道结构、采用烟气挡板调节再热汽温、固态排渣、全钢架悬吊结构、平衡通风、半露天岛式布置。计算数据来自某日DCS运行参数数据库，该日锅炉负荷较为稳定，中间有一次吹灰操作，符合本文研究条件。该电站锅炉DCS数据实时监测系统，在各监测位置有两个测点，同时记录两组数据。本文数据采集的方法是：每隔30秒采集一次数据，以五分钟内的平均值为一次记录值。计算中，每个时间点的参数值，为两组数据的平均值。
该电厂DCS系统测点在尾部烟道的分布情况为：
1.烟气温度测点。中隔墙上部两侧（即前转向室和后转向室），低过出口（即省煤器入口）， 省煤器出口，低再出口，烟气挡板处，共六处烟温测点。
2.工质热工参数测点。汽包，再热器喷水减温器前（即低再出口），过热器1#喷水减温器前（即低过出口），低再事故喷水器后（即低再入口），省煤器入口，共五处工质热工参数测点。
具体分布如图2所示：
图中：●为水或蒸汽温度、压力、流量测点，共5处；▲为烟气温度测点，共6处。
图2 锅炉尾部烟道DCS系统测点分布
2基于电厂DCS系统的锅炉受热面积灰在线监测模型
现代锅炉DCS系统在锅炉尾部对流受热面中的监测点比较全面，很容易实现在线监测。首先通过物质平衡和能量平衡，先计算出烟气在中隔墙两侧的分流比例，然后再采用热平衡法，根据受热面进、出口烟气或工质的参数，以及锅炉本体的结构尺寸，就可以计算出受热面的热流密度。通过其他的软件和设备将热流密度直接展示在监测屏幕，就可以实时获取受热面灰污状况。清洁因子作为表征受热面积灰程度的参数，被广泛应用于在线监测燃煤锅炉受热面灰污状态的研究领域[1]，本文也采取CF监测形式。
式中：λ均烟温下的烟气的导热系数； 管子直径； 烟气流速，； ，q为单位时间通过的流量，； 烟气运动粘度系数； 普朗特准则数， ， 为烟气动力粘度系数， 为烟气定压比容，λ为烟气的导热系数； 管子沿烟气流程排数的修正系数； 管簇横向与纵向管节距修正系数；
式中： 蒸汽的流量； 受热面积； 、 蒸汽进入受热面的出、进口焓；
3各对流受热面清洁因子计算流程及变化曲线
各对流受热面清洁因子计算中，理想传热系数的计算基本不变，但实际传热系数的计算流程因各受热面测点位置不同而有较大差异，上述传统清洁因子计算流程已不适用。本文根据不同受热面已知参数，分别设计了实际传热系数计算流程。
3.1省煤器
省煤器清洁因子计算中，首先要确定中隔墙两侧烟气流量。本文采用低温再热器出口、省煤器出口以及烟气挡板处烟温分布确定中隔墙两侧烟气流量，即：
式中： 、 低温再热器、省煤器处烟气流量比例； 、 、 低温再热器、省煤器出口、烟气挡板处烟气焓值。
有相关论文采用省煤器出口、低温再热器出口以及空气预热器进口的烟焓，计算中隔墙两侧烟气流量，这两种方法的比较在下面篇章将做具体分析。
根据DCS测点分布，本文的已知条件是进出、口烟温，进口水温为给水温度，出口水温未知，因此，必须根据热平衡原理先计算出出口水焓，才能得到出口水温，进而完成下面的计算。具体流程见下图：
图3 省煤器实际传热系数计算流程图 图4 省煤器清洁因子变化曲线
计算中，省煤器侧烟道内烟气流量较小，清洁因子计算受其他因素变化较大，因此在锅炉有吹灰动作时，清洁因子变化较为剧烈，个别数据失真。但总体来看，清洁因子的变化趋势能正确反映出省煤器受热面积灰状况，清洁因子随时间增长而逐渐减小，在锅炉吹灰完成时，又有较大增加，完全符合实际情况。
3.2低温过热器
蒸汽在低过进口处没有温度、压力测点，采用汽包出口时蒸汽参数。出口蒸汽温度为1号喷水减温器前的温度，出口烟温为省煤器进口烟温。计算中，不采用低过进口烟温测点数据（后转向室烟温），具体流程如下图： 图5 低过实际传热系数计算流程 图6 低过清洁因子变化曲线
省煤器和低温过热器同位于中隔墙后部，烟气流量和积灰状况应相差不大，因此，两者的清洁因子变化规律也相同。由于缺少进口蒸汽参数，低过进口蒸汽采取汽包压力下的饱和蒸汽温度，计算出的进口烟气温度比实际值要大。但是，这种整体计算方法能正确反映清洁因子变化趋势，在锅炉灰污监测计算中，此方法是可取的。
3.3低温再热器
低温再热器位于中隔墙前部烟道中，此处布置有很多其他受热面，如前墙过热器、侧包墙过热器等等，结构较为复杂，在采用热平衡计算时，低温再热器管道内侧工质吸热并不等于管外烟气放热，因此，在计算低温再热器进口烟温时必须采用尾部烟道整体焓降法。进口蒸汽温度为低再事故喷水减温器后温度；出口蒸汽温度为1#再热喷水减温器前的蒸汽温度；出口烟温已知，具体流程如下图：
图7 低再清洁因子计算流程图
图8 低再清潔因子变化曲线
低温再热器位于中隔墙的前部，积灰状况与前两者稍有不同。低温再热器处烟气流量较大，对吹灰动作造成的温度变化的反应程度没有前两者剧烈。低温再热器清洁因子变化较为平和，这是由于其受热面积较大，工质和烟气流动较稳定，受其他因素干扰较小，计算结果较为理想。
4与其它算法的比较
4.1烟气流量计算
在计算中隔墙两侧烟气流量时，本文采用省煤器出口、低温再热器出口以及烟气挡板处，三者的烟温大小进行计算。有人认为采用烟气挡板温度不太准确，原因是，中隔墙两侧烟气在流经烟气挡板时，并没用完全充分混合，其温度不能当作混合后的烟温，应该改用空气预热器进口烟温进行计算，如图10：
图9 空预器进口烟温计算流程图
图10 省煤器清洁因子变化曲线图
明显，此方法不适于受热面积灰特性研究。原因：锅炉DCS系统监测空预器进出口一、二次风流量偏差较大，漏风系数又进一步增大进口温度偏差。本来三者温度相差不大，计算中，即使某一参数有较小偏差，也会结果造成较大影响。
4.2前转向室烟温计算法
低热器清洁因子计算中，要采用前转向室温度计算，则低过进口蒸汽温度未知。虽然进口蒸汽焓很容易算出，但是，过热蒸汽焓是关于温度和压力的高次方程，不适用于计算机进行大批量数据的计算。因此，要采用前转向室烟温计算法，只能对进口蒸汽温度进行估算，或者直接采用汽包压力下的饱和温度。下面是采用这种方法计算出的低温过热器清洁因子变化曲线：
图11 低温过热器清洁因子变化曲线图
此变化曲线明显不符合实际情况。前面提到，锅炉低温受热面结构比较复杂过热蒸汽从汽包出来后经过多个包墙过热器和中隔墙，流程较长。在热平衡计算中，烟气焓降并不能简单地等于单个设备中工质的焓增，蒸汽温度较实际情况有很大差异，单独计算各个设备清洁因子肯定会有很大误差，甚至不能正确反映真实受热面灰污状况。在尾部低温受热面清洁因子计算中，必须要采用整体法，全局把握受热面传热情况，最大可能地减小计算误差。
4.3低温再热器进口烟温计算
和低温过热器一样，低温再热器也处于传热较为复杂的尾部烟道，它的清洁因子的计算也要采取整体法，其计算方法的差别是在于进口烟温的确定。本文在计算低温再热器进口烟温时，采用尾部烟道整体焓降法间接计算。
另一种方法是，以前转向室烟温为低温再热器进口烟温，按照低温再热器垂直和水平受热面的大小估算低温再热器水平段出口蒸汽温度。下图为该方法的清洁因子计算结果：
图12 低温再热器清洁因子变化曲线图
从图12可以看出清洁因子逐渐降低，但显示不出中间吹灰过程，显然不是实际灰污状况的真实反映，该方法不能作为尾部受热面灰污特性研究的计算方法。这也同时证明了在研究锅炉低温受热面积灰特性研究中采用整体法计算清洁因子的必要性。
5总结
本文提出的以烟气挡板处烟温为基础，采用整体法处理尾部烟道热平衡的解算思路，能准确地反映出清洁因子的变化情况，与其它方法相比较，该解算设计摒弃了尾部受热面结构复杂、气流紊乱、传热对象不单一等情况，避免了系统测点数量不多、分布不均的问题，使计算简单、实用，结果稳定可靠、更贴近实际情况。
参考文献
[1] 阎维平，陈宝康 电站锅炉回转式空气预热器积灰监测模型的研究，《动力工程》，2002-04-15
[2] 张逸祥，基于实时数据库的生产优化管理实现策略，《电力技术》，2010
作者简介：
王国红（1972.12），男，河北井陉人，工程师，长期从事火电机组运营以及节能管理