摘 要 受热面积灰对燃煤电站锅炉安全经济运行有着重要影响，本文基于锅炉对流烟道内飞灰颗粒的惯性碰撞沉积特征，分析了受热面积灰增长的物理机理，推导了灰污渐进值与积灰时间常数的函数表达式，建立了受热面松散性积灰增长的数学模型，揭示了沉积准则与灰污增长之间的物理关系。CFD模拟分析表明，对流受热面积灰主要受管排布置和烟气流速的影响，而受飞灰浓度的影响较小。灰污沉积渐进值随管排布置变疏、烟气流速的减小而增加，积灰时间常数随流速的减小而增大。此积灰增长模型可用于锅炉各对流受热面松散性积灰预测，为吹灰优化和锅炉设计等提供理论依据。
关键词 积灰；增长增长；对流受热面；锅炉
0 引言
在燃煤电站锅炉运行过程中，其受热面不可避免地存在着灰污现象，灰污对锅炉运行的热效率、辅机电耗、超温爆漏、腐蚀磨损、NOx排放等安全经济性指标有着重要影响，运行期间对受热面进行吹扫是解决这一问题的有效措施，经济吹灰已成为目前燃煤电站提高锅炉热效率的重要课题之一。经济吹灰的基本模型是在实时、准确监测受热面污染程度的基础上，合理预测灰污增长的基本趋势，建立优化目标函数，通过求解目标函数，找出各受热面合理的吹灰策略。在过去的十多年里，受热面污染在线监测的研究已经取得了许多重要成果[1-6]，而积灰增长预测，尤其是对流受热面积灰增长预测的研究相对较少，在一定程度上限制了优化吹灰模型的进一步发展。
目前，虽然对受热面灰污形成的基本物理和化学过程有了较深入的理解，对影响灰污进程的一些运行参数积累了一定的资料和试验数据，但由于实际灰污沉积受多种因素的耦合影响，某些灰污参数难以在线监测，使得燃煤电站锅炉受热面灰污沉积增长预测模型发展受到一定限制。目前，受热面灰污增长规律一般采用Kern-Seaton渐进模型进行描述。该模型假设灰污的沉积率为常数，剥离率与沉积量成正比，从理论定性分析的角度，推导出管子壁面灰污增长渐进模型的通用表达式[7， 8]。对于燃煤电站锅炉对流受热面的积灰增长，该通用模型显得过于粗略。陈宝康等基于Kern-Seaton模型，分析了特定煤种和运行条件下，烟气流速对灰污增长的影响，提出了灰污热阻简化模型[9]。然而，模型中的灰污渐进值、积灰时间常数等参数主要受灰污类型、沉积机理、流场特征、运行参数等因素的影响，理论研究比较少，一般通过实验测定，难以推广。本文根据颗粒惯性碰撞沉积特征，分析了锅炉对流受热面灰污增长的物理机理，发展了模型参数的理论函数表达式，建立了颗粒灰污增长的数学模型，阐明了颗粒沉积准则与灰污增长之间的物理关系。并通过CFD模拟，研究管束布置、烟气流速、飞灰浓度的因素对颗粒灰污增长渐进值和积灰时间常数的影响。
1灰污增长模型
其中mf为积灰量，为颗粒的沉积率，为灰污的剥离率，表示时间。
当飞灰颗粒与沉积表面发生惯性碰撞时，颗粒的沉积准则为：
即当颗粒的法向冲击速度小于临界反弹速度时，颗粒便沉积于受热面。因此，飞灰颗粒的惯性沉积率与冲击速度小于临界反弹速度的颗粒百分数和飞灰浓度成正比，用数学表达式可表示为：
其中为比例系数，为飞灰浓度，为颗粒的惯性碰撞速度。
沉积颗粒的法向剥离准则[14]为：
当颗粒的法向冲击速度大于临界剥离速度时，被碰撞目标颗粒被剥离积灰层。因此，颗粒的剥离率正比于冲击速度大于临界剥离速度的百分数、飞灰浓度和灰污沉积量mf，用数学表达式可表示为：
其中为比例系数。将上述沉积率和剥离率的表达式、代入等式，并进行积分，可获得积灰量随时间的变化规律，如等式：
此即为灰污增长理论模型，该模型表示受热面灰污量随时间呈渐进型增长，其中为灰污沉积渐进值，可表示为：
为积灰时间常数，它反映了灰污沉积量达到渐进值所需要的时间，其表达式为：
由于锅炉受热面的积灰机理复杂多样，吹灰操作一般不能彻底清除受热面的积灰，因此，可用初始积灰量对灰污增长模型进行修正，如等式：
2影响因素分析
在锅炉对流烟道内，换热管表面积灰受管排布置、烟气流速、飞灰浓度、飞灰颗粒粒度等因素的影响，本文采用计算流体模拟软件Fluent，模拟锅炉对流烟道内飞灰颗粒的惯性碰撞沉积过程，分析这些因素对受热面松散性积灰增长的影响。
2.1管排结构的影响
管排布置疏密不同时，其灰污增长亦不同。对上述疏密两种布管方式，分别采用不同的烟气流速进行模拟，受热面平均积灰量随时间的变化如图3所示。 由图3可知，对于相同的烟气流速，紧密布置的换热管表面积灰渐进值比稀疏布置的换热管表面积灰渐进值小，尤其是当烟气流速较小时，两者相差悬殊。这是由于颗粒惯性碰撞沉积主要发生在管子的迎风面，紧密布管时，管间距较小，即颗粒绕过前排管子而碰撞后排管子迎风面的几率相对稀疏布管时要小。
2.2烟气流速的影响
由图3可知，当管排布置相同时，灰污沉积渐进值随着烟气流速的增加而减小，这是由于灰污的沉积率随着烟气流速的增加而减小，而沉积剥离率却随着烟气流速的增加而增加。同时，积灰时间常数随烟气流速的增加而减小，这是由灰污沉积机理所决定的。在积灰初始阶段，灰污沉积率远大于剥离率，随着积灰的进行，沉积率逐渐减小，而剥离率逐渐增大，直至沉积率最终等于剥离率，灰污沉积量趋于稳定。当烟气流速增加时，沉积率减小，剥离率增加，从而灰污沉积率与剥离率更快趋于平衡。这一现象也可通过灰污沉积量随时间变化的数学模型进行解释，由等式和可知，随着烟气流速的增加，积灰渐进值减小，时间常数减小，即灰污沉积达到渐进值所需的时间减小。对积灰量随时间的变化进行曲线拟合，可得出图3中各曲线的拟合系数，如表1所示，表中系数、随流速的变化规律与前述分析结果相符。
2.3飞灰浓度的影响
不同飞灰浓度下，CFD模拟结果表明，飞灰浓度对惯性碰撞沉积的影响不大，这是由于飞灰颗粒的浓度对灰污沉积率和剥离率的影响是同等程度的，表2是不同飞灰浓度下，CFD模拟灰污增长的拟合结果。由表2可知，飞灰浓度对灰污渐进值基本无影响，对积灰时间系数的影响也很小，这与徐森荣[12]研究发现飞灰浓度基本不影响松散性积灰的灰层强度和积灰量，而只影响初始积灰速度的结论相一致。
3结论
本文根据燃煤电站锅炉对流受热面飞灰颗粒惯性碰撞积灰特征，分析了受热面松散性积灰增长的物理机理，推导了灰污增长渐进值与积灰时间常数的函数表达式，建立了颗粒灰污增长的数学模型，该模型反映了颗粒沉积准则与灰污增长之间的物理关系。
CFD模拟结果显示对流受热面的松散性积灰主要受管排布置和烟气流速的影响，而飞灰浓度的影响较小。灰污沉积渐进值随管排布置变疏、烟气流速的减小而增加，积灰时间常数随流速的减小而增大。此颗粒灰污增长模型可用于锅炉各对流受热面松散性积灰预测，为燃煤锅炉结构设计、吹灰优化、安全经济运行等提供理论依据。
参考文献
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