第一章 绪论
1.1 课题提出的背景
随着社会的发展，社会的用电量持续增加和电网建设不断加强。火力发电厂是我国电能生产的最主要力量，提供了我国总电能的80%，其能否安全稳定运行至关重要。在火电厂各种设备控制系统中的自动化水平也要求非常高。然而火力发电也占用我国大量的煤炭资源，尤其是锅炉，消耗了发电厂绝大部分的能源。我国煤炭资源丰富，其中动力煤占总储量70％以上，主要集中在北方内蒙古、陕西、陕西、新疆、宁夏、河南等地，占全国煤储量的91.74％。锅炉设备是火电厂的主要动力源设备之一，它在火电厂中发挥着重要的作用，处于重要的地位。但锅炉在运行过程中，其各部分受热面都会积灰，积灰不仅会影响受热面管壁的传热效果，严重时还会形成结焦，影响受热面的寿命，甚至损坏受热面。此外，由于积灰原因，锅炉平均运行热效率为60-70%，运行效率与鉴定效率相差10-20%，这就使燃料的消耗白白增加了15-25%。
对于煤粉锅炉而言，有一小部分灰分在高温的炉烟的作用下，形成熔融状态的灰渣黏附在水冷壁和前屏过热器上，这部分就是结焦。还有一部分烧结性的灰分沉积在对流受热面上，称为烧结性积灰[1]。这些结焦和吹灰必须需要经过吹灰系统的清理才能保证锅炉的正常运行。当今社会，倡导节能减排，因此，如何降低锅炉的能源消耗，是一个重要环节。吹灰设备的引入，使电厂锅炉的吹灰得到了有效的提高。目前市场上有各种不同的吹灰技术，如蒸汽吹灰技术，声波吹灰技术，钢珠除灰技术以及燃气脉冲吹灰技术等，但蒸汽吹灰器由于其介质廉价易得而占据了大部分份额。其它形式虽然各有优劣，但是使用不是十分广泛。
1.2 选题的目的与意义
我国是一个煤炭资源非常丰富的国家，煤炭储量巨大，但品质却参差不齐。根据国家的能源政策，目前国内的火电厂大多燃用的是煤，而且大多为低品位劣质煤。我们知道煤的品质越低，其中所含的杂质就越多。而煤燃烧时，煤中的无机矿物质及金属有机物就形成了残渣，及煤灰与灰渣，灰渣与未燃尽的焦炭粒子随着烟气在炉膛和受热面间流动，附着在受热面上就形成了积灰结渣。故当电厂的煤质越差时锅炉的积灰结渣情况就越严重。
1
在燃煤锅炉运行中，受热面的积灰和结渣是不可避免的，严重积灰和结渣对于锅炉的正常运行非常不利。灰污的热阻很大，附着在受热面上将降低受热面的吸热能力，使得传热效率降低。炉膛及后续受热面传热效率降低将导致各个受热面的吸热量减少，炉膛出口以及最终的锅炉排烟温度升高，锅炉整体效率下降。一般而言，与清洁状态时相比，受到污染后锅炉效率将降低 1%~2.5%，排烟温度升高十几度。积灰和结渣不仅使得受热面的吸热能力降低，而且会引起受热面表面温度过高，导致受热面金属超温和高温腐蚀，甚至管排爆漏。此外，较大的渣块坠落还会引发锅炉安全问题。
燃煤锅炉必须配备一套永久装设的吹灰设备作为锅炉安全经济运行的一个重要手段。吹灰器虽然是锅炉的附属设备，但其作用却不能忽视。合理地使用吹灰器不但可以减少锅炉受热面的污染，而且能降低能源消耗，提高锅炉的利用率。
一般在大容量锅炉中要安装上百台吹灰器，如果这些吹灰器需要运行人员手动操作的话，全部吹一次灰需要很长时间，耗费太多的精力、工作效率低而且又不经济。因此整个吹灰系统需要一个高技术含量的控制系统来完成，这使得吹灰过程既简单快捷，又能提高效率。鉴于PLC的各种优点及随着计算机技术的发展，对基于PLC控制的吹灰器控制也成为一种流行趋势。 1.2.1 火电厂燃煤锅炉积灰、结渣机理概述
我国电厂锅炉主要以燃煤作为燃料，虽然我国煤炭资源丰富，然而在动力用煤中，燃用灰熔点低的煤及高灰分、低热值的劣质煤较多，无疑这将加剧受热面污染和结焦过程。炉内的结焦积灰特性决定了结焦积灰是一种自加剧的恶性循环，如不能对炉内的结焦积灰进行及时有效的清理，将直接危及到机组的安全、经济、稳定运行。
在实际的工程应用中，各种换热器都存在着各种各样受污染的情况，主要是与不清洁流体相接触，表面上逐渐积聚起来的固态混合物，电站锅炉受热面的污染问题尤其突出。在锅炉受热面上，污染的发生主要是因为受热面与高温烟气的接触，烟气中的固体颗粒物沉积在壁面上，从而在炉膛部位引起结渣，在后面的对流受热器引发积灰。结渣主要是由烟气中夹带的熔化或部分熔化的颗粒碰撞在受热面上被冷却凝固而形成。结渣的形态主要是以粘稠或溶解的沉淀物形式出现，多发生在辐射受热面上，如炉膛等处。玷污也叫沾灰或积灰，是指温度低于
2
灰熔点的灰粒在受热面上沉积。玷污分为高温灰沉积和低温灰沉积。前者的形成温度处于灰粒的变形温度下的某一范围内，这类沉积多发生在屏式过热器、对流过热器等对流受热面上；后者则主要出现在温度可能低于酸露点的管壁表面上，如低温省煤器和空气预热器，它是由酸液与飞灰凝聚而成。结渣通常与烟气所携带的融化或粘性灰粒的物理迁移有关；高温粘性积灰的积灰程度与煤种有很大关系；低温积灰与冷却表面上发生的酸或水蒸气凝结有关。它们三者都会给锅炉运行引起一些经济和安全问题。
1.2.2 火电厂燃煤锅炉积灰、结渣的危害及解决办法
我国电厂锅炉主要是以燃煤作为燃料，发电厂燃煤锅炉由于燃煤品质、成分的波动性比较大，因此其灰分的成分也比较复杂。水冷壁、卫燃带和屏式过热器以及炉膛底部的冷灰斗距离火焰中心最近，烟气温度都较高，所以这些部位最容易发生结渣。熔融状态的灰粒在接触到这些受热面的管壁之前还未来的及凝固，或者由于烟气温度仍高于软化温度，灰粒仍处于熔融状态，一旦这种状态的灰粒冲刷到管壁上时，由于管壁的温度低于灰粒的温度，熔融状的灰粒便在这些管壁上凝结，形成结渣。
水冷壁上积灰或结渣，使炉膛受热面吸热量减少。而且，由于炉膛出口烟温的升高，引起过热汽温与再热汽温的升高，过热器及再热器管壁温度也升高；水冷壁严重结渣，影响锅炉工作安全；此外，当水冷壁管屏各管或各管屏的吸热严重不均时，还会导致水冷壁超温爆管。
对流受热面积灰，不但会降低传热效果，使过热汽温、再热汽温降低，并使排烟温度升高、排烟热损失增大。如果产生局部积灰，会使过热器、再热器的热偏差增大，影响过、再热器的安全。积灰还会增加管束的通风阻力，使引风机电耗增加，严重时还会限制锅炉的出力。
锅炉受热面的结渣与严重玷污会改变锅炉的对流辐射特性，使运行偏离设计状况，对锅炉正常运行影响很大。玷污和结渣会降低炉内受热面的传热能力，一般玷污数小时后水冷壁的传热能力会降低50%-60%，使炉膛出口烟温升高。炉膛出口烟温升高，会造成其后布置的对流过热器超温、结焦，加剧对流受热面的积灰和腐蚀。积灰和结渣不仅使得受热面的吸热能力降低，在表面附着之后，会引起受热面的表面温度过高，由此导致受热面金属超温以及高温腐蚀，加快管子寿
3
命的耗损甚至导致管排爆漏。同时受热面结渣积灰，会减少烟气流通面积，严重时形成“烟气走廊”，一方面加速了受热面的磨损，另一方面增加了通风阻力和风机电耗。传热的恶化使排烟温度升高，锅炉热效率降低，还可能引起无法满负荷运行，一般而言，与清洁状况相比，受到污染后锅炉效率将降低1%-2.5%，排烟温度升高十几度。积灰和结渣不仅影响电厂的经济运行，还威胁着电厂的安全运行。此外，较大的渣块坠落同样也会引发安全问题，严重时会形成恶性循环，发生锅炉恶性事故，降低锅炉可用率[2]。
结渣是一个自动加剧的过程，如果得不到及时清理，它可以不断的积累、生长。一旦结上第一层渣之后，将增加烟气和蒸汽的传热热阻，使受热面对流传热恶化，造成的结果就是导致炉膛内烟气温度进一步升高，从而造成渣层表面温度也升高，同时渣层表面粗糙度大，熔融状的灰粒就更容易于粘附上去，形成恶性循环，使渣越结越厚。
为了抑制和减轻玷污和结渣的影响，电站常常采用一定的措施如燃用一定的煤种、停炉时清洗受热面、运行时打渣等等。然而最有效、通用的是采用各种形式的吹灰器在锅炉运行时吹扫受热面使其保持一定的清洁程度。实践证明，采用足够数量的吹灰器经常吹扫，可以使受热面保持一定的清洁度，保障锅炉正常运行，提高机组可用率和锅炉效率，降低辅机电耗，具有显著经济效益。
吹灰最主要的作用是对排烟温度(即锅炉效率)的影响，吹灰可以清除附着在受热面上的灰渣，减少烟气侧到蒸汽侧的换热热阻，改善锅炉的换热能力，从而降低排烟温度，提高机组热效率。此外，吹灰还会给锅炉运行带来其他方面的好处。吹灰可以清除掉受热面上的灰渣，可以破坏受热面管子上的灰渣搭桥，保证烟气流通通道畅通，减少烟气流通阻力，降低引风机电耗，并可以防止受热面堵塞事故发生。
锅炉吹灰系统是对目前国内外大容量燃煤工业锅炉及电站锅炉积灰进行吹扫的主导产品，随着电力工业的发展，锅炉容量的增大，劣质煤的利用，导致锅炉受热面严重积灰，直接影响了锅炉的经济运行及安全运行，从而使锅炉吹灰系统的有效使用显得越来越重要，成为保证锅炉经济运行及安全运行不可缺少的重要辅助设备。电站锅炉全部是燃煤锅炉，由于煤质原因及锅炉吹灰系统不能正常投入运行，导致各厂的锅炉受热面都有不同程度的积灰和结焦情况，热阻增大，
4
降低了锅炉的热效率，直接影响了锅炉的出力，有时由于锅炉受热面积灰不均匀，引起局部过热，造成锅炉爆管事故，有的厂由于锅炉受热面积灰严重，必须非计划地停炉清灰，降低了发电机组的可用系数。
1.2.3选择合理吹灰系统的必要性
在传统的老设备控制系统中，要完成一项控制任务是由导线将电气元件连
接起来，通过中间环节(继电器控制线路)来实现的，这样的系统我们称之为“继电器控制系统”。
传统的火电厂锅炉吹灰程控装置多采用继电器--接触器控制，不仅技术落后、有触点、寿命短、可靠性差、体积大、程序不可变，而且对于结构复杂、吹灰器数量多的大中型锅炉来说，需用的继电器——接触器数量庞大，接点繁乱，要想用其硬接线实现较复杂的程控非常困难。
随着电气设备日新月异的发展，尤其是电子计算机的迅速发展，工业生产自动化控制系统中所有设备发生了深刻的变化，PLC(可编程序控制器)就是这种变革中的产物。它是取代传统继电器控制系统的新型工业控制系统，并且有着不可比拟的优点。它具有可靠性高、适用性广、编程简单、安装和维护方便等特点。它是基于温度和压力传感器和可编程逻辑控制器（PLC）为基础，控制各吹灰器及阀门。与传统的强电控制组相比，它拥有编程简单，控制功能强大，方便的过程联锁，可在线修改等功能。PLC将不仅能够完成复杂的继电器控制逻辑，还可以实现模拟量控制和智能控制，远程通信和PC监控，能够对全厂实现计算机控制和管理。
因此，电厂锅炉吹灰装置采用微机PLC程控，技术先进，功能齐全，使用安全可靠，显示出这种新型工业控制器的明显优越性和应用价值。此外，用PLC来控制火电厂的吹灰系统对提高生产效率和经济效益有非常重要的意义。
1.3 吹灰系统程控装置的发展
从20世纪80年代以来，吹灰程控装置先后经历了继电器逻辑，步进器逻辑，单板机、单片机逻辑，到了21世纪，电子技术快速发展，可编程逻辑控制器（PLC）逐渐走上工业控制的舞台。
5