郭大明，蔡本安*，陈永鹏，杨力，王剑，李炳潇
东北电力大学能源与动力工程学院 吉林省吉林市
摘要：
针对电厂锅炉检测水冷壁结渣情况比较复杂和困难，提出一种利用定向换能器来周期性监测水冷壁结渣情况的系统。通过理论计算提出声波观测锅炉水冷壁结渣情况的能源利用系统，来实现监测水冷壁的结渣情况，并迅速定位以除渣。通过这套系统来监测并处理电厂锅炉水冷壁的结渣问题。
1.背景及意义
锅炉运行中有一个重要的问题需要避免，那就是结渣。结渣不仅使锅炉的效率降低，还可能造成巨大的安全隐患。
所谓“结渣”，是指熔灰在锅炉受热壁面上的积聚，其本质为锅炉中高温烟气携带处于熔融或部分熔融状态下的未燃尽煤粉颗粒，遇到低温的壁面冷却、凝固而形成沉积物的过程。
结渣的本质[1]可概括为：当温度高于灰熔点的烟气冲刷受热面时，烟气中熔融的灰渣粘附到受热面上而形成结渣。结渣是一个复杂的物理、化学、动力学过程，它除了与煤质密切相关外，还受锅炉结构、燃烧器型式及布置、炉膛温度水平、烟气气氛、炉内动力工况等因素的影响。结渣对锅炉的安全运行与经济运行会造成很大的危害,主要有以下三个方面。
(1)效率方面
降低锅炉效率。当受热面上结渣时，受热面内工质的吸热降低，以至烟温升高，排烟热损失增加。如果燃烧室出口结渣，在高负荷时会使锅炉通风受到限制，以致炉内空气量不足;如果喷燃器出口处结渣，则影响气流的正常喷射，这些都会造成化学不完全燃烧损失和机械不完，全燃烧损失的增加。由此可见，结渣会降低锅炉热效率。水冷壁上结渣会直接影响锅炉出力，另外,烟温升高会使过热汽温升高，为了保持额定汽温,往往被迫降低锅炉出力。有时结渣过重(如炉膛出口大部分封住、 冷灰斗封死等)还会造成被迫停炉。
(2)安全方面
1）水冷壁爆破。水冷壁管上结渣，使结渣部分和不结渣部分受热不匀，容易损坏管子。有时，炉膛上部大块渣落下，会砸坏管子；打渣时不慎，也会将管子打破。
2）过热器超温或爆管。炉内结渣时，炉膛出口烟温升高，导致过热汽温升高，加上结渣造，成的热偏差。很容易导致过热器管超温爆破。
(3)经济方面
结渣会缩短锅炉设备的使用寿命。结渣后炉内温度升高，耐火材料易脱落，易使炉墙松动和倒塌。炉膛负压过小时火焰向外冒，使钢架、钢梁易被烧红。当渣块掉落时，水冷壁管易被渣块砸弯和损坏，造成经济损失。
2.系统理论上可节省的能源
为估计水冷壁结渣、结灰的带来的能量损失，采用以下简化的模型。
查找某锅炉水冷壁参数如下表：
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两者的偏差已小于1%，取其平均值得结灰垢后的传热量为24.4KW/m。
得出结论锅炉：结渣会使换热的热阻增大，增大了热量的损失，并且结渣后水冷壁吸收热量较少排烟温度提高有可能损坏过热器再热器。
所以，如果利用本系统，可以节约这一部分能量，并且提高电厂的安全性。
3.基于声波观测锅炉水冷壁结渣情况的高效能源利用系统
3.1.工作原理
目前电厂使用的多为膜式水冷壁，所以管与管间的空隙不会如管式那样结渣，故不用考虑，模式水冷壁只会在面向火焰的一侧结渣。
声音以窄带声波束的形式沿指定的方向传播，即发送一束“音柱”，类似探照灯发出的光柱，这种让声音沿着一定方向进行传播的技术就是定向声技术。
定向换能器[2]是通过采用定向声波探头、旋转装置及定位装置相结合的技术，在水平断面上，定向声波换能器向垂直发射一系列的声波信号，并接收反射信号。
定向声波换能器沿平行于锅炉炉膛的方向发射声波，当碰到对面炉壁时反射射回来并接受，将所用时间返回至电脑储存；但是，当锅炉结焦的高度大于发射器与炉膛壁的距离时，声波传到结焦处就开始返回，这样声波由发射到接受的时间就会较声波由发射到对面炉膛壁反射回来所用的时间要短，电脑发出警告，这样不仅可以确定炉膛内产生了结渣，还可以用由发射到接受的时间来确定炉膛水冷壁结焦位置，再由电脑显示出来。
当此方向并未结焦时，定向声波换能器在旋转装置的驱动下，旋转一个固定角度，同上操作，这样反复后即可确定整测水冷壁是否发生里结焦。
3.2.系统介绍
根据电厂的实际运行状态来确定定向换能器的安装高度即确定定向换能器发射出的直线式声波距离膜式水冷壁的距离来监测水冷壁结渣是否超过的次厚度。
在锅炉运行之初或者水冷壁未结渣时开始运行定向换能器，定向换能器发射声波，因为此时水冷壁未结渣，故声波会到达对面的炉膛壁反射，定向换能器接受次信号，并将此时间间隔和发射角度录入电脑，然后定性换能器在旋转装置的作用下开始旋转一个角度，继续同上操作，最后声波把整侧水冷壁全面扫完。扫完后将数据传回电脑以作为判断的重要标准。
锅炉运行时，定向换能器不断发射声波、接受声波后，将此发射接受声波的时间间隔和发射角度传回电脑，对比未结渣时的数据，若水冷壁的结渣厚度超过了声波与水冷壁间的距离，那么电脑依据次时间间隔测算出的距离就会较根据未结渣时的时间间隔的数据要短。以此来判断锅炉是否结渣。
电脑收到定向换能器的数据时会先判断此时炉膛的平均烟气温度，根据次推算出此时声波的平局速度v，在乘此时间间隔来测算出反射点据发射点的距离。
4.总结
本系统运用声波可以定向传播原理，巧妙的利用了定向换能器进行锅炉内的炉膛水冷壁结渣的在线监测，达到了节约能源的目的。
本文先分析了水冷壁结渣的危害，说明解决结渣这一问题的必要性，然后根据前人的研究结果，提出这一系统，同时定量的计算了系统理论上可以挽回的能源的损失，随后提出了系统的具体设计方案并分析了各种可能会影响系统工作的因素并一一解决。
参考文献：
[1]王斌忠,等.煤粉炉水冷壁结渣故障特征提取[J].清华大学学报. 1998,38(5):64-68
[2]汪进超,王川婴,胡胜.基于定向声波扫描的钻孔围岩结构探测方法[J].水利与土木工程.2020,52(1):3-4
作者简介：郭大明（1999-10-30），男，汉族，籍贯：吉林省松原市，学历：大学本科，研究方向：能源与动力工程