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摘 要：本文以电厂DCS系统中的相关监测参数为基础，建立了空气预热器积灰在线监测的模型，利用该模型计算了空气预热器理论换热量和实际换热量，并以此给出了某电厂在一段时间内整体传热系数的实时变化趋势，电厂运行人员可以根据监测结果及时采取相应措施以减轻空气预热器的积灰堵塞，进而提高空气预热器的换热效率，增加电厂运行的经济性。
关键词：空气预热器；在线监测；换热量；传热系数
中图分类号：TK16 文献标识码：A
1 绪论
回转式空气预热器位于锅炉尾部烟道，是燃煤电站锅炉设备中工作环境最为恶劣的受热面之一，表面积灰堵塞频繁发生。[1]目前人们对空气预热器积灰堵塞的原因及维护方法已经有了比较深入的了解，但是人们在分析空气预热器的运行状态和故障时，只是将其看作一个单独的设备去研究，并没有将其在放在整个锅炉范围内进行研究。
电厂的DCS系统中，针对空气预热器设置了很多监测参数，如进出口风温、进出口烟温、氧量、压差、转子电动机电流等，但是这些都只是独立的参数，在DCS系统中并没有将这些参数有机的结合在一起，用于分析空气预热器的性能。[2]电厂的运行工作人员也只是根据几个简单容易监测的参数凭借运行经验对空气预热器是否出现积灰进行判断。因此，将空气预热器的各个监测参数结合在一起，通过计算和分析程序，使用可视化的显示方式把空气预热器的实时换热性能、运行状态直观的反映出来，是机组运行人员的迫切要求，也是电厂节能的一个重要环节。[3]根据运行状态和实时性能监测，采取正确的维护措施，可以有效的提高空气预热器的性能和寿命，并且减少不必要的浪费。完成这样一套实时分析系统对指导空气预热器运行人员进行操作、提高空气预热器的可靠性和经济性以及提高锅炉效率、最终实现火电厂的节能有着十分重要的意义。
本文基于以上思路，根据目前电厂DCS系统中的相关监测参数，详细介绍了积灰在线监测的模型和实际应用结果。
2 在线监测模型
本文的在线监测计算主要分为两类：（1）基于空气预热器的结构参数以及煤质参数等来计算清洁状态下空气预热器的换热量；（2）根据流过空气预热器的烟气参数实时计算运行状态下空气预热器的换热量。空气预热器积灰监测的实现途径是：计算空气预热器实际换热量和理论换热量，通过比较换热量，并根据不同故障出现时各个监测参数的变化情况，确定问题所在。[4]
2.1 工质焓值
在锅炉运行过程中，计算空气预热器的实际换热量，需要知道烟气的焓值。在己知烟气温度及各气体容积的条件下，确定烟气焓值。烟气是多种气体的混合物，其焓值等于理论烟气焓、过量空气焓和飞灰焓之和，即
2.2 工质换热量
通过前面的计算可以得知烟气、一次风和二次风的进出口焓值，结合烟气和空气的流量，可以确定空气预热器的换热量。
2.2.1 烟气侧换热量
Qy=Dy/Vy（Iyin-Iyout）
式中：Qy为烟气侧换热量，W；Dy为烟气的流量，kg/s；Vy为实际烟气体积，m3/kg；Iyin、Iyout为单位质量燃料燃烧后所得烟气的进口和出口焓值，kJ/m3。
2.2.2 空气侧换热量
Qk=Dk1（Ik1out-Ik1in）+Dk2（Ik2out-Ik2in）
式中：Qk为烟气侧换热量，W；Dk1、Dk2为一次风和二次风的流量，kg/s；Ikin、Ikout为空气的进口和出口焓值，kJ/kg。
一般来说，烟气侧换热量和空气侧换热量是相等的，但是考虑到空气预热器的实际工作过程，Qy和Qk并不是完全相等的。因此，当两者误差在5%以内时，即可认为满足工程计算的精度。
2.3 洁净因子
根据空气预热器整体洁净因子的变化即可初步判断是积灰堵塞的程度，[5]其中洁净因子为
ζ=1-ktk0
式中：k=QΔt·A，表征空气预热器整体的换热系数，W/（m2·℃）；Q为空气预热器的换热量；Δt为空气预热器进出口的对数平均温度，℃；A为空气预热器蓄热元件的面积，m2。
烟气侧进、出口温度都设有测点，可以通过DCS系统对烟气进、出口温度进行实时监测，进而可以实时求出不同时刻空气预热器整体的换热系数k。对比清洁状态和发生积灰后的空气预热器整体的换热系数k0和kt，即可实时提供措施防止积灰堵塞的进一步恶化。
3 算例分析
3.1 研究对象
本文以大唐华银株洲电厂#3机组的三分仓回转式空气预热器作为研究对象，其燃料参数和结构参数的设计值如表1和表2所示。
3.2 监测结果
针对株洲电厂#3机组的空气预热器，时间范围为2017年12月1日[06：50：00～ 17：50：00]，监测每隔5分钟共133个时刻的各项参数值。运用积灰在线监测软件初步得到空气预热器整体换热系数k随时间的变化趋势，如图所示。
机组运行期间锅炉负荷稳定，空气预热器整体实际传热系数kt起伏变化较大，并且偏离理论工况较大，这说明株洲电厂#3机组的空气预热器在实际运行过程中工作条件恶劣，蓄热元件表面的积灰生成导致蓄热元件传热效果恶化。因此，根据空气预热器整体传热系数的实时变化曲线，可以指导电厂运行人员采取相关措施以避免空气预热器表面严重的积灰堵塞。
4 结论
本文以电厂DCS系统中的相关监测参数为基础，利用编制的计算程序在线监测了空气预热器表面积灰情况所导致的整体传热系数的变化，并给出了传热系数的实时变化趋势，电厂运行人员可以根据监测结果及时采取相应措施以减轻空气预热器的积灰堵塞，进而提高空气预热器的换热效率，增加电厂运行的经济性。
参考文献：
[1]王建国，徐志明，杨善让.“空气预热器积灰在线监测模型”.中国电机工程学报，vol.20，pp.3739，2000.
[2]宁芳青，赵明，马明前.“燃煤锅炉的空气预热器积灰在线监测”.节能技术，vol.28，pp.6060，2010.
[3]曹瑞光.“基于DCS的火電厂电气设备状态监测与故障诊断”.华北电力大学，2013.
[4]马悦.“基于火电厂DCS数据的回转式空气预热器运行性能评价及其预测”.山东大学，2007.
[5]董泽，韩璞，李瑞欣，张建生.“基于DCS的锅炉过热器和再热器金属诊断方法的研究”.河北电力技术，vol.20，pp.911，2001.
基金项目：国家重点研发计划资助项目（2017YFB0602102）
作者简介：王飞（1973），男，高级工程师。
*通讯作者：邓磊，男，博士，副教授。
关键词：空气预热器；在线监测；换热量；传热系数
中图分类号：TK16 文献标识码：A
1 绪论
回转式空气预热器位于锅炉尾部烟道，是燃煤电站锅炉设备中工作环境最为恶劣的受热面之一，表面积灰堵塞频繁发生。[1]目前人们对空气预热器积灰堵塞的原因及维护方法已经有了比较深入的了解，但是人们在分析空气预热器的运行状态和故障时，只是将其看作一个单独的设备去研究，并没有将其在放在整个锅炉范围内进行研究。
电厂的DCS系统中，针对空气预热器设置了很多监测参数，如进出口风温、进出口烟温、氧量、压差、转子电动机电流等，但是这些都只是独立的参数，在DCS系统中并没有将这些参数有机的结合在一起，用于分析空气预热器的性能。[2]电厂的运行工作人员也只是根据几个简单容易监测的参数凭借运行经验对空气预热器是否出现积灰进行判断。因此，将空气预热器的各个监测参数结合在一起，通过计算和分析程序，使用可视化的显示方式把空气预热器的实时换热性能、运行状态直观的反映出来，是机组运行人员的迫切要求，也是电厂节能的一个重要环节。[3]根据运行状态和实时性能监测，采取正确的维护措施，可以有效的提高空气预热器的性能和寿命，并且减少不必要的浪费。完成这样一套实时分析系统对指导空气预热器运行人员进行操作、提高空气预热器的可靠性和经济性以及提高锅炉效率、最终实现火电厂的节能有着十分重要的意义。
本文基于以上思路，根据目前电厂DCS系统中的相关监测参数，详细介绍了积灰在线监测的模型和实际应用结果。
2 在线监测模型
本文的在线监测计算主要分为两类：（1）基于空气预热器的结构参数以及煤质参数等来计算清洁状态下空气预热器的换热量；（2）根据流过空气预热器的烟气参数实时计算运行状态下空气预热器的换热量。空气预热器积灰监测的实现途径是：计算空气预热器实际换热量和理论换热量，通过比较换热量，并根据不同故障出现时各个监测参数的变化情况，确定问题所在。[4]
2.1 工质焓值
在锅炉运行过程中，计算空气预热器的实际换热量，需要知道烟气的焓值。在己知烟气温度及各气体容积的条件下，确定烟气焓值。烟气是多种气体的混合物，其焓值等于理论烟气焓、过量空气焓和飞灰焓之和，即
2.2 工质换热量
通过前面的计算可以得知烟气、一次风和二次风的进出口焓值，结合烟气和空气的流量，可以确定空气预热器的换热量。
2.2.1 烟气侧换热量
Qy=Dy/Vy（Iyin-Iyout）
式中：Qy为烟气侧换热量，W；Dy为烟气的流量，kg/s；Vy为实际烟气体积，m3/kg；Iyin、Iyout为单位质量燃料燃烧后所得烟气的进口和出口焓值，kJ/m3。
2.2.2 空气侧换热量
Qk=Dk1（Ik1out-Ik1in）+Dk2（Ik2out-Ik2in）
式中：Qk为烟气侧换热量，W；Dk1、Dk2为一次风和二次风的流量，kg/s；Ikin、Ikout为空气的进口和出口焓值，kJ/kg。
一般来说，烟气侧换热量和空气侧换热量是相等的，但是考虑到空气预热器的实际工作过程，Qy和Qk并不是完全相等的。因此，当两者误差在5%以内时，即可认为满足工程计算的精度。
2.3 洁净因子
根据空气预热器整体洁净因子的变化即可初步判断是积灰堵塞的程度，[5]其中洁净因子为
ζ=1-ktk0
式中：k=QΔt·A，表征空气预热器整体的换热系数，W/（m2·℃）；Q为空气预热器的换热量；Δt为空气预热器进出口的对数平均温度，℃；A为空气预热器蓄热元件的面积，m2。
烟气侧进、出口温度都设有测点，可以通过DCS系统对烟气进、出口温度进行实时监测，进而可以实时求出不同时刻空气预热器整体的换热系数k。对比清洁状态和发生积灰后的空气预热器整体的换热系数k0和kt，即可实时提供措施防止积灰堵塞的进一步恶化。
3 算例分析
3.1 研究对象
本文以大唐华银株洲电厂#3机组的三分仓回转式空气预热器作为研究对象，其燃料参数和结构参数的设计值如表1和表2所示。
3.2 监测结果
针对株洲电厂#3机组的空气预热器，时间范围为2017年12月1日[06：50：00～ 17：50：00]，监测每隔5分钟共133个时刻的各项参数值。运用积灰在线监测软件初步得到空气预热器整体换热系数k随时间的变化趋势，如图所示。
机组运行期间锅炉负荷稳定，空气预热器整体实际传热系数kt起伏变化较大，并且偏离理论工况较大，这说明株洲电厂#3机组的空气预热器在实际运行过程中工作条件恶劣，蓄热元件表面的积灰生成导致蓄热元件传热效果恶化。因此，根据空气预热器整体传热系数的实时变化曲线，可以指导电厂运行人员采取相关措施以避免空气预热器表面严重的积灰堵塞。
4 结论
本文以电厂DCS系统中的相关监测参数为基础，利用编制的计算程序在线监测了空气预热器表面积灰情况所导致的整体传热系数的变化，并给出了传热系数的实时变化趋势，电厂运行人员可以根据监测结果及时采取相应措施以减轻空气预热器的积灰堵塞，进而提高空气预热器的换热效率，增加电厂运行的经济性。
参考文献：
[1]王建国，徐志明，杨善让.“空气预热器积灰在线监测模型”.中国电机工程学报，vol.20，pp.3739，2000.
[2]宁芳青，赵明，马明前.“燃煤锅炉的空气预热器积灰在线监测”.节能技术，vol.28，pp.6060，2010.
[3]曹瑞光.“基于DCS的火電厂电气设备状态监测与故障诊断”.华北电力大学，2013.
[4]马悦.“基于火电厂DCS数据的回转式空气预热器运行性能评价及其预测”.山东大学，2007.
[5]董泽，韩璞，李瑞欣，张建生.“基于DCS的锅炉过热器和再热器金属诊断方法的研究”.河北电力技术，vol.20，pp.911，2001.
基金项目：国家重点研发计划资助项目（2017YFB0602102）
作者简介：王飞（1973），男，高级工程师。
*通讯作者：邓磊，男，博士，副教授。