张永全
摘 要：文章分析了声波吹灰机理及采用低频可调频声波吹灰器运用于锅炉吹灰的可行性。结合实验研究和数值计算，针对宁海电厂二期1000MW机组尾部烟道建立了声场模型，并对声波吹灰参数进行优化分析，现场测试结果与理论分析一致，为声波吹灰在大型锅炉尾部烟道除灰的应用提供了理论和实践基础，为声波吹灰技术应用于锅爐吹灰改造提供实践指导。
关键词：锅炉；声波除灰；调频；声波吹灰器
1 引言
1.1 概述
吹灰是大型电站锅炉日常运行中的重要工作之一。吹灰不仅可以提高锅炉效率，而且有利于保证蒸汽品质，对降低锅炉污染物排放、延长锅炉受热面管道的使用寿命、降低烟道流通阻力也有一定作用。吹灰器是保持电站锅炉各种受热面清洁、设备通畅，保障锅炉安全经济运行的重要设备。目前，我国电厂多种吹灰方式并存，应用最广泛的是蒸汽吹灰。虽然蒸汽吹灰技术较为成熟，但由于能源消耗大，容易吹损设备，且结构复杂经常出现问题，导致不能很好地保证吹灰效果。
近年，国内外出现利用声波振动来除灰的新技术，可有针对性地对各种锅炉的积灰形态，进行有效的清除，目前已在国内300MW～1000MW机组空预器、GGH、水平烟道等位置得到应用，除灰效果明显，声波吹灰器在尾部烟道大空间积灰的除灰能力的研究不仅可以直接解决课题宁海电厂二期1000MW机组尾部烟道的积灰，并对国内其他电厂解决锅炉积灰问题具指导作用，推进声波吹技术的发展。
1.2 蒸汽吹灰技术
蒸汽吹灰是将一定压力和过热度的蒸汽从吹灰器喷口高速喷出，利用蒸汽射流能量对积灰受热面进行吹扫，以达到清除积灰的目的。蒸汽吹灰器虽然有一定吹灰效果，但存在着大量的缺陷和问题：
（1）吹灰用蒸汽过热度波动大，介质吹扫面积有限，沿烟气流动方向吹扫压力衰减快，对中间层积灰清除能力差。
（2）吹灰周期长，使受热面积灰过多，甚至使积灰烧结硬化，增加吹灰难度。
（3）蒸汽吹灰如果压力过高或长期使用，会加快金属管壁的磨损，造成爆管等安全事故。
虽然蒸汽吹灰器现在为锅炉吹灰的主要形式，但声波吹灰技术的不断发展和应用表明，蒸汽吹灰器将逐渐被其取代。
1.3 声波吹灰技术
针对锅炉积灰这一难题，国内外专家展开了大量理论及应用研究。研究结果表明，声波吹灰技术是一种能够彻底解决锅炉积灰的有效方法[1-3]。我国的声波吹灰研究始于20世纪80年代，进入90年代，声波吹灰技术的研究十分活跃，在这期间已有不少科研机构相继推出了各种声波吹灰器，主要有膜片与旋笛两种形式，这两种声波吹灰器受到发声技术的限制，其有效声功率低，作用范围小，且发声频率范围窄，无法适应锅炉各种复杂的积灰形态，应用于电厂后，但没有取得预期效果[4-5]。近年，国内研究出新型的大功率低频可调声波吹灰器具有可调频调幅功能，可有针对性地对各种锅炉的积灰形态，进行有效的清除，目前已在国内300MW～1000MW机组空预器、GGH、水平烟道等位置得到成功应用成为最先进的声波吹灰技术。
1.4 研究内容
本次研究课题基于宁海电厂二期1000MW机组尾部烟道的积灰情况开展理论分析、数值建模和声波吹灰器实际应用开展研究工作，主要内容如下：
（1）声波吹灰机理研究。
（2）采用有限元软件对宁海电厂二期1000MW机组尾部烟道数值建模分析。
（3）采用可调频声波吹灰器进行现场应用研究。
（4）综合对比可调频声波吹灰器的可行性和优越性。
2 声波吹灰机理研究
2.1 锅炉积灰原理
锅炉积灰、结渣是个很复杂的物理化学过程，它涉及煤的燃烧、炉内传热、传质、煤灰粒子在炉内运动以及煤灰与管壁间的粘附等复杂过程，至今还没有能定量描述积灰、结渣过程的数学模型。影响该形成过程的因素很多，而锅炉燃料中的灰分占总量的10-35 %，煤中灰分的存在是炉膛结渣、受热面积灰的根源，课题主要基于锅炉使用煤种，综合理论及采样统计分析的方法对锅炉各受热面的结渣积灰特性进行研究分析。
2.1.1 积灰结渣力学理论分析
促使飞灰在受热面上粘附的力主要有：
（1）范德华力：沉积在锅炉受热面上的颗粒与受热面之间的范德华力，可简化为球形颗粒与一平面间的范德华力，其大小可用下式来计算：
2.2 声波吹灰机理
声波是一种机械波，空气中的声波使空气分子产生振动，在边界层振动的空气分子必然带动相邻的介质分子振动，并产生两种效果，一种是声能透射到相邻介质中使介质中形成固体声波；另一种由于空气分子与相邻介质分子之间的粘滞力，声波相当于施加给相邻介质一个作用力，使表面介质分子被声波来回推拉[8]。声波对积灰的作用见图1。
结垢所受到的声波作用力、声波的能量以及结垢的振动位移、速度、加速度相关。振动位移、速度、加速度越大结垢所受到的力就越大，积灰，结垢就容易断裂，松散和除去。声波频率对振动加速度影响比较复杂，不同的结垢颗粒粒径有不同的频率敏感区域。随结垢颗粒粒径减小，其受频率影响的敏感区扩大，且敏感区域的临界频率向较高频率点推移；相反随结垢颗粒粒径增大，其受频率影响的敏感区变窄，且敏感区域的临界频率向较低频率点推移；当频率小于临界频率时，结垢颗粒最大振动加速度随频率增高而增大的程度较显著，反之则增大程度较缓慢。
总的来说，声波频率和声压级对除垢效果有明显的影响，声压级越高，作用于介质和结垢颗粒的交变声压绝对值越大，有利于介质质点及结垢颗粒的振动位移和振动加速度的提高。另一方面，频率增高，有利于提高介质质点和振动加速度，同时频率的提高直接增大了声场中声压的交变次数，有利于结垢疲劳效应的增强。
只有在声波作用下灰垢的剥离力大于灰垢的黏附力才能取得吹灰效果，根据计算得宁海电厂尾部烟道主要除灰参数要求到达155dB以上，频率40～300Hz左右。
2.3 可调频声波吹灰技术
2.3.1 可调频声波吹灰器结构
可调频声波吹灰器有别于传统的膜片式、板哨式、旋笛式吹灰器，其发声设备采用新型的电动调制气流扬声器[9]，主要由磁钢、驱动线圈、动静环组件、喇叭等组成。工作时气流经过滤后到达由动静环组件构成的工作单元，控制系统通過给驱动线圈特定的电信号，控制动圈有规律的运动，改变动圈和静圈之间的缝隙，从而切割通过的气流，产生所需的除灰声波，最后经喇叭传播辐射出去。气流扬声器气声转化效率高于90%，声功率达到30000声瓦，实现了调频调幅，声波频率可在10-10KHz间任意调节。
2.3.2 可调频声波吹灰器工作原理及特点
可调频声波吹灰器主要由气流扬声器、控制系统、管路组成。吹灰控制系统基于PLC及网络技术开发，使用触摸屏操作，可便捷的设定吹灰频率，组合设置多种除尘模式。通过组态软件及网络，实现远程控制、网络监控等功能，设备操作简单，维护便捷。
吹灰器控制系统内的PLC接收到气路系统压力开关的信号后，打开电磁阀给声波发生器供气，同时，单片机针对不同设备、受热面积灰、结垢特点发出针对性的频率、幅值信号，经功率放大器放大后输入给声波发生器发出有效地除灰声波。
3 模型分析
利用有限元软件建立国华宁海电厂二期2×1000MW超超临界燃煤机组尾部烟道积灰空间，利用边界元法用来求解内部声场和外部辐射声场，为方便建立声压随时间、空间变化的声波方程，对介质及声传播作如下假设：
（1）介质为理想流体，不存在粘滞性，声波传播过程中没有能量损耗。
（2）没有声扰动时，媒质在宏观上是静止、均匀的，静态压力、密度为常数。
（3）声波传播过程中，媒质中稠密和稀疏的过程是绝热的。
3.1 尾部烟道内部空间声场特性分析
尾部烟道内部空间声场特性分析见图2
由图2左图可以看出，整个声场最强的部分在锅炉前墙声源周围，声场分布以声源为中心呈圆环状向其周围逐渐减弱；由右面的视图可以看出，在后墙分布有3个声场较强的区域，其中最强的区域在该平面的几何中心，次强的声场对称分布在该区域的两侧，同时也是点声源所在的投影区。
几何中心处的声场比周围强，是由于两个点声源发出的球面声波在传播过程中有叠加现象，叠加后形成的驻波有强有弱，到达后墙时正好是声场加强的地方。
在声源所在的锅炉前墙和后墙的墙角上，分布有几处蓝色的低声压区，有必要确定出具体在积灰哪些位置上达不到除灰所要求的声压值，更改吹灰声源点的位置从而能够做到有针对性地进行除灰。
从图3中可以看出，在此平面上声压分布也很不均匀。图形的底部边界代表声源所在的前墙，声波从点声源发出，透射过管阵列之后，到达后墙，即图形的上边界，在壁面发生反射，反射声波与入射声波相叠加发生干涉，使得距离点声源较远的后墙附近的声压总体上高于其他各处的声压值，声场强度与声源附近相差无几，分析证明声波除灰可有效清除离除灰器较远的后排管子的积灰。
3.2 声源布置方式的分析
不同声源布置下炉内声场分布见图4-图7：
可见，并列声源个数的增加，会使炉内整个空间的声场强度提高，四个点声源两两对冲布置除灰对于炉内声场的影响效果，不如单侧并列布置二个点声源时炉内声场产生的驻波现象明显，所以，声源应错列布置，避免对冲布置。
3.3 吹灰频率分析
不同除灰频率声场分布见图8-图10：
可以看到，当两个声波除灰器在100Hz频率下工作时，整个管阵列空间声场分布比较均匀，当除灰器频率提高到200Hz后，可以看到明显的驻波，除灰器频率达到300Hz时，炉内声场的波动性更加明显，可以在空间表面看到很明显的驻波分布，通过以上分析可以总结出，炉内空间声场的波动性随声波除灰器工作频率的增加而增大，这是由于，随着频率的增大，声波波长反而减小，在固定的一段距离内，散射声波与入射声波叠加而产生的驻波，也随之增多的缘故，从而出现声场分布强弱不均的现象，因此吹灰声波应选用高低频变频声波。
4 现场试验分析
根据理论和建模分析，要有效去除尾部烟道积灰，需要大功率的声波吹灰器，研究采用可调频声波吹灰器进行现场应用研究。
4.1 试验平台搭建
测试软硬件包括：声波吹灰器、喇叭、信号发生器、传声器（数量2个）、振动传感器（数量2个）及声谱、振动数据测量分析系统。
声波吹灰器通过人孔安装，喇叭长1.4m；伸进炉膛，见图12。
1#传声器布置在喇叭出口1.5m，2#传声器布置在喇叭出口13m处。1#振动传感器安装喇叭在出口10m竖直换热管束上，2#振动传感器安装喇叭在出口10m竖直换热管束支撑板上，见图13、图14。
主要测试设备见表3。
4.2 试验过程及结果
测试使用40～500Hz正弦扫频信号，根据传声器和振动传感器数据进行筛选。（选取声压级高的频率并避免振动强烈的频率）1#、2#传声器测量数据见图15、图16。
从测试数据分析可知；吹灰频率在90Hz、170Hz、280Hz时，1#传声器分别获得最高声压级159dB、153dB、153dB；2#传声器分别获得最高声压级156dB、150dB、151dB，对比两传声器数据可知在喇叭出口13m处低频衰减3dB左右，声波反而没有明显衰减；（分析原因是因为由于驻波叠加，抵消了本身的传播衰减。）在该声场载荷下1#、2#振动传感器测量数据见图17、图18。
从数据分析可知；在90Hz、170Hz、280Hz时，1#振动量级为38dB、16dB、30dB；2#振动量级为39dB、17dB、32dB；表明在该声场强度下，换热管束及炉内结构的振动不会对其造成任何不良影响。同时声波振动量级基本没有衰减，也表明声波的驻波叠加效果。现场吹灰效果见图19。
声波吹灰器作用后，可以看到吹灰后，水平换热管道表面积灰明显增多，并有不同大小的结垢掉落在上面；竖直换热管道表面的积灰大面积掉落，管道表面部分结垢掉落，并露底，效果明显。
5 结论及展望
5.1 结论
以宁海电厂二期1000MW机组尾部烟道，建立了声场模型，和声波吹灰参数的优化分析，对比现场测试结果，表明模型建立准确，低频可调频声波吹灰器运用于该机组尾部烟道除灰方案可行。研究的主要结论如下：
要有效去除尾部烟道内大空间的积灰，采用的声源在该积灰空间内声压级应达到155dB以上；
（1）除灰声源的安装方式应根据积灰空间结构进行优化，避免对冲布置。
（2）要彻底去除整个除灰空间内的积灰，在保证声源功率的前提下应采用不同频率的声波。
（3）相比蒸汽吹灰器，可调频声波吹灰器技术先进、能耗低、可靠性高，可应用于该机组尾部烟道的除灰。
5.2 展望
由于机组停炉时间的限制，现场试验只在锅炉冷态状态下进行，后续仍有许多方面有待进行研究，只要表现为：
（1）锅炉实际工作时，吹灰参数的优化需要开展进一步的研究工作。
（2）使用不同煤种下，烟气中灰粒成分对声波参数选取的影响需要开展进一步的研究工作。
（3）根据锅炉运行工况进行吹灰参数智能优化的研究工作。
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