超臨界機組給水和汽溫控制系統(tǒng).doc

超臨界機組給水和汽溫控制系統(tǒng)2.直流鍋爐的主要型式和調(diào)節(jié)特點2.1直流鍋爐的主要型式工程熱力學中將水的臨界狀態(tài)點參數(shù)定義為：壓力22.115MPa，溫度374.15。當水的狀態(tài)參數(shù)達到臨界點時，汽化潛熱為0，汽水密度差也為0。因此超臨界壓力下水變成蒸汽不再存在汽水兩相區(qū)。超臨界壓力火電技術由于參數(shù)本身的特點決定了超臨界壓力鍋爐只能采用直流鍋爐。 直流鍋爐出現(xiàn)的初期，水冷壁有三種相互獨立的結構型式：即本生型、蘇爾壽型和拉姆辛型。隨著鍋爐向高參數(shù)、大容量化的發(fā)展，按照采用膜式水冷壁和實現(xiàn)變壓運行的要求，現(xiàn)代直流鍋爐的水冷壁結構型式演變?yōu)橐淮未怪鄙仙芷?、多次垂直上升和下降管屏、螺旋圍繞上升管屏和垂直內(nèi)螺紋管管屏4種型式。前兩種型式的受熱面大多用于帶基本負荷的機組，實踐證明不適合滑壓運行，和我國廠網(wǎng)分開竟價上網(wǎng)的基本政策不相符，故基本不予考慮。后兩種型式的受熱面各有優(yōu)缺點。1) 螺旋管圈水冷壁是德國、瑞士等國為適應變負荷運行的需要而發(fā)展的。水冷壁管沿鍋爐內(nèi)壁四周傾斜上升。其優(yōu)點是：(1) 工作在爐膛下輻射區(qū)的水冷壁同步經(jīng)過爐膛受熱最強的區(qū)域和受熱最弱的區(qū)域；(2) 水冷壁的工質在下輻射區(qū)一次性沿著螺旋管圈上升，沒有中間聯(lián)箱，工質在比容變化最大的階段避免了再分配；(3) 不受爐膛周界的限制，可靈活選擇并聯(lián)工作的水冷壁管子根數(shù)和管徑，保證較大的質量流速。螺旋管圈的這些優(yōu)點，使得水冷壁能夠工作在熱偏差最小和流量偏差最小的良好狀態(tài)。因此，其水動力穩(wěn)定性較高，不會產(chǎn)生停滯和倒流，可以不裝節(jié)流圈，最適合變壓運行。由于螺旋管圈水冷壁需要專門的懸吊鋼架，所以，一般僅布置在爐膛折焰角下部的下輻射區(qū)，而在爐膛上輻射區(qū)使用垂直管屏。由于爐膛上部的熱負荷降低，只要維持足夠的質量流速，管內(nèi)發(fā)生傳熱惡化的可能性不大，管壁溫差也隨著減小，因而采用垂直管屏也不會造成膜式壁的破壞。當然，上輻射區(qū)水冷壁入口的流量分配不均勻或上輻射區(qū)熱偏差增大時，也會出現(xiàn)管壁超溫破壞的現(xiàn)象。螺旋管圈水冷壁的主要缺點：(1) 水冷壁及其懸吊結構復雜，制造、安裝及維修工作量大，流動阻力大；(2) 管帶寬度隨鍋爐容量提高而增大，管帶盤旋圈數(shù)減少，熱偏差增大。2) 超臨界壓力鍋爐水冷壁采用垂直內(nèi)螺紋管管屏型式是日本三菱公司和美國CE公司合作研發(fā)的一種爐型。內(nèi)螺紋管具有良好的傳熱和流動特性，內(nèi)螺紋表面的槽道可破壞蒸汽膜的形成，故直到較高含汽率也難以形成膜式沸騰，而維持核態(tài)沸騰，從而抑制金屬溫度的上升。內(nèi)螺紋管的金屬溫度在鍋爐低負荷時可抑制得很低，設計采用1500-2000kg/(s)的質量流速是安全沒有問題的。在滑壓運行時沒有汽水混合物分配不均的問題，適用于滑壓運行，能實現(xiàn)高負荷變化率和快速啟停運行。各管壁之間溫差較小，可采用膜式水冷壁，具有安全可靠的優(yōu)點且質量流速降低，阻力損失減少，可節(jié)省輸送動力。對于燃煤機組，灰渣容易脫落，使爐膛水冷壁積灰結渣減少。該爐型設計結構簡單，爐膛易于支吊，安裝工作和焊接工作量少，可靠性高，便于檢修。2.2直流鍋爐的調(diào)節(jié)特點2.2.1沒有水位調(diào)節(jié)問題，但要控制蒸發(fā)段直流鍋爐的主要特點是汽水流程中不設置汽包，給水泵強制一定流量的給水進入爐內(nèi)，一次性地通過省煤器、水冷壁、過熱器。他的循環(huán)倍率始終為1，與負荷無關。在直流鍋爐中，給水加熱成蒸汽一次完成，汽水通道可看作由加熱段、蒸發(fā)段、過熱段三部分組成。其中蒸發(fā)段是汽、水混合物，隨著管道的往后推移，工質由飽和水逐漸被加熱成飽和蒸汽。三段受熱面沒有固定的分界線，隨著給水流量、燃燒率的變化前、后移動，使三段受熱面的吸熱量分配比例及與之有關的三段受熱面面積的比例卻發(fā)生了變化。但蒸發(fā)段的前移會使過熱汽溫偏高，蒸發(fā)段后移則引起汽問偏低，甚至品質下降，這對機組運行極為不利，所以要控制蒸發(fā)段的位置。一般來說，要控制蒸發(fā)段出口的微過熱汽溫1，若1偏離規(guī)定值，則說明由于燃燒率與給水比例不當致使蒸發(fā)段發(fā)生移動，應及時調(diào)節(jié)燃燒率和給水流量。圖2-1 直流鍋爐各受熱段示意圖直流鍋爐的工質是一次地通過各受熱面的，而三段受熱面面積又不是固定不變的。所以當燃水比失調(diào)后，三段受熱面吸熱量比例發(fā)生變化，對出口汽溫影響很大，對蒸汽壓力和流量的影響方式也較為復雜。當給水流量變化破壞了原來的平衡狀態(tài)時，例如給水流量減少了，則蒸發(fā)段向鍋爐汽水流程入口方向流動，汽水流程中各點工質的焓值都有所提高。工質焓值上升是由兩個原因引起的：一是因為受熱面吸熱量不變，而工質流量減少，引起流經(jīng)本區(qū)的工質焓值上升；另一個原因是工質焓值隨工質流過的受熱面面積而增加。所以離鍋爐出口越近，工質的焓增越大，汽溫變化也越大。2.2.2直流鍋爐動態(tài)特性分析汽輪機調(diào)節(jié)汽閥的擾動，對直流鍋爐是一種典型的負荷擾動。當調(diào)節(jié)汽閥階躍開大時，蒸汽流量D和機組輸出功率NE立即增加，隨即逐漸減少，并恢復初始值，汽輪機閥前壓力PT一開始立即下降，然后逐漸下降至新的平衡壓力。由于直流鍋爐的蓄熱系數(shù)比汽包鍋爐小，所以直流鍋爐的汽壓變化比汽包鍋爐大得多。當負荷擾動時，過熱汽溫T2近似不變，這是由于給水流量和燃燒率保持不變，過熱汽溫就基本保持不變。燃燒率擾動是燃料量、送風量和引風量同時協(xié)調(diào)變化的一種擾動。當燃燒率B階躍增加時，經(jīng)過一段較短的遲延時間，蒸汽流量D會暫時向增加方向變化；過熱汽溫T2則經(jīng)過一段較長的遲延時間后單調(diào)上升，最后穩(wěn)定在較高的溫度上；汽壓PT和功率NE的變化也因汽溫的上升而最后穩(wěn)定在較高的數(shù)值。當燃燒率不變而給水流量增加時，一開始由于加熱段和蒸發(fā)段的伸長而推出一部分蒸汽，因此蒸汽流量D、汽壓PT、功率NE幾乎沒有遲延的開始增加，但由于汽溫T2的下降，最后雖然蒸汽流量D增加，而輸出功率NE卻有所減少；汽壓PT也降至略高于擾動前的汽壓，過熱汽溫T2則經(jīng)過一段較長的遲延時間后，最后穩(wěn)定在較低的溫度。給水和燃料復合擾動時的動態(tài)特性是兩者單獨擾動時的動態(tài)特性之和，由圖2-3可知，當給水和燃料按比例變化時，蒸發(fā)量D立即變化，然后穩(wěn)定在新的數(shù)值上，過熱汽溫則保持在原來的數(shù)值上（額定汽溫）。這就是說明嚴格控制煤水比是直流爐參數(shù)調(diào)節(jié)的關鍵。a b c圖2-2 直流鍋爐動態(tài)特性示意圖a汽機調(diào)節(jié)汽閥擾動 b燃料率擾動 c給水流量擾動圖23 燃料與給水比例增加時的動態(tài)特性3.超臨界機組的給水控制系統(tǒng)直流鍋爐是多變量控制系統(tǒng)，直流鍋爐的控制任務與汽包鍋爐有很大差別，對于直流鍋爐不能象汽包爐那樣，將燃料、給水、汽溫簡單地分為3個控制系統(tǒng)，而是將給水量與燃料量的控制與一次汽溫控制緊密地聯(lián)系在一起，這是直流鍋爐控制最突出的特點。3.1汽水分離器水位控制圖3-1 汽水分離器水位控制原理圖及三個閥的開度曲線超臨界機組一般采用內(nèi)置式汽水分離器，以石洞口二廠超臨界壓力直流鍋爐為例。該鍋爐啟動點火前，進入分離器的流量保持最低運行負荷37%MCR下的644t/h，參數(shù)為除氧器的參數(shù)。點火后隨燃料量投入的增加，進入分離器的公質壓力、溫度和干度不斷提高，汽水混合物在分離器內(nèi)實現(xiàn)分離。蒸汽進入過熱器系統(tǒng)，飽和水通過汽水分離器排入除氧器或疏水擴容器實現(xiàn)工質回收。分離器的正常水位由AA閥、AN閥和ANB閥來控制，此時分離器的運行為濕態(tài)運行。這時給水控制方式為分離器水位及最小給水流量控制。當水冷壁出口（進入分離器）工質的干度提高到干飽和蒸汽后，汽水分離器已無疏水，變成蒸汽聯(lián)箱用，鍋爐就切換到37%MCR下的干態(tài)運行（純直流運行）。此后進入分離器的流量隨著負荷上升而不斷增加，蒸汽溫度不斷提高，直至MCR負荷。當分離器切換到干態(tài)運行后給水控制的任務由分離器水位控制轉變?yōu)榕c燃料量控制配合控制中間點溫度及給水流量控制。分離器疏水系統(tǒng)有AA、AN與ANB三個控制閥。AA閥的最大通流面積為150cm2 ，AN閥為51.1 cm2，ANB閥為31.65 cm2。AA閥可保證工質膨脹峰值流量的排放。AN閥可輔助AA閥排放疏水。AA閥關閉，AN與ANB閥共同控制分離器水位。通過ANB閥疏水排入除氧器，可回收工質和熱量。水位1.2m時ANB閥開，4m時開足。水位3.4m時AN閥開，7.2m時開足。水位6.7m時AA閥開，11.2m時開足。三閥開度有一定的重疊度，這有利于水位穩(wěn)定。ANB閥回收工質和熱量，故首先開此閥，ANB閥開足后水位還無法控制時開AN閥，隨后再開AA閥。AA與AN閥疏水排入擴容器，造成熱損失。AN閥動作還受到除氧器壓力的限制，除氧器壓力大于1.45MPa時閥聯(lián)鎖保護自動關閉，只有當除氧器壓力降低到1.1MPa以下時才允許重新開啟。在啟動過程中分離器壓力和溫度是變化的，這對測量水位帶來誤差，使三個閥門不能正確地動作。因此，水位信號經(jīng)過一個F(X)的壓力溫度修正，然后分別去控制三個液壓控制閥。圖3-1所示為水位控制原理圖及三個閥的開度曲線。3.2給水流量的控制直流鍋爐的給水是在給水泵壓頭作用下，順序地通過加熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)和過熱區(qū)，一次性地將給水全部變?yōu)檫^熱蒸汽，其循環(huán)倍率等于1。在直流鍋爐中，給水變?yōu)檫^熱蒸汽是一次完成的。這樣，鍋爐的蒸發(fā)量不僅取決于燃燒率，同樣也決定于給水流量。因此，為了滿足負荷變化的需要，給水控制和燃燒率控制是密切相關而不能獨立的。而且當給水流量和燃燒率的比例變化時，鍋爐的各個受熱面的分界就發(fā)生移動。超臨界機組中的給水流量控制回路是控制鍋爐出口主蒸汽溫度的一個最基本的手段。由于超臨界機組采用直流鍋爐，而在直流鍋爐中，給水流量的波動將對機組負荷、主蒸汽壓力和主蒸汽溫度等機組運行重要過程參數(shù)均產(chǎn)生較大影響。由于機組負荷和主蒸汽壓力已設計有其它控制手段，而一旦給水控制回路如果工作欠佳的話，將導致煤水比動態(tài)失調(diào)。而這時鍋爐出口主蒸汽溫度僅靠噴水減溫控制是無法滿足機組運行對主蒸汽溫度的要求。因此，給水流量調(diào)節(jié)回路起到了控制鍋爐總能力平衡（保持適當?shù)拿核龋┎⒕S持汽水分離器出口蒸汽溫度在一定范圍內(nèi)變化的作用。沁北電廠鍋爐給水控制系統(tǒng)中，采用兩臺分別帶50%負荷的汽動給水泵作為正常負荷下的供水，一臺帶30%負荷的典當給水泵作為其動機帶低負荷或當兩臺汽動給水泵中有一臺故障是作為備用泵使用。給水流量指令形成回路如圖3-2所示。省煤器入口的給水流量指令由前饋信號和主調(diào)節(jié)器PID輸出的校正信號兩部分疊加而成。前饋信號主要實現(xiàn)鍋爐的煤水配比，前饋信號為鍋爐主指令信號經(jīng)動態(tài)延時塊F(t)后給出省煤器入口給水流量指令的基本值。該值先經(jīng)過一個濾波環(huán)節(jié)，目的是為了補償燃料量和給水流量對水冷壁出口連箱給誰溫度的動態(tài)特性差異（給水流量對水冷壁出口連箱給水溫度的影響比燃料量要快得多）。為了防止總燃料量信號快速波動對給水系統(tǒng)的影響（如一臺磨煤機跳閘后快速啟動另一臺磨煤機），該值應經(jīng)過一個速率限制（由模擬量延時塊DELAY來實現(xiàn)），最后加上水冷壁出口聯(lián)箱給水溫度的微分信號形成給水流量指令的前饋信號。給水流量設計值的另一部分是主調(diào)節(jié)器PID輸出，它根據(jù)水冷壁出口聯(lián)箱給水溫度和水冷壁出口聯(lián)箱給水溫度設定值之間的偏差進行PID運算后得到。圖3-2 給水流量指令形成回路通常水冷壁出口聯(lián)箱給水溫度的設定值由以下三部分組成：(1) 根據(jù)汽水分離器儲水罐壓力信號經(jīng)函數(shù)發(fā)生器后給出水冷壁出口聯(lián)箱給水溫度設定值的近似值。為了消除汽水分離器儲水罐壓力信號的高頻波動，設定了一個濾波環(huán)節(jié)。(2) 在上述近似值基礎上再加上過熱器噴水比率的修正信號，這個修正信號由過熱器噴水比率和其設定值的偏差形成。過熱器噴水比率的設定值由機組負荷給定負荷信號經(jīng)函數(shù)發(fā)生器后給出，過熱器噴水比率測量值由過熱器噴水的總量除以鍋爐總給水量求得。過熱器噴水總量為一級和二級過熱器噴水量之和。鍋爐總給水量為省煤器入口流量加上過熱器噴水總量減去分離器疏水量，各流量信號均經(jīng)過溫度校正以求得測量值的準確。為了消除機組給定負荷信號和過熱器噴水比率信號的高頻擾動，該修正信號還需要經(jīng)過一個濾波環(huán)節(jié)。同時為了防止該修正信號動態(tài)波動較大而引起分離器的干、濕態(tài)切換，過熱器噴水比率信號還需經(jīng)過速度限制和最大幅度值限制。例如在石洞口二廠，最大幅度設置在正負4度之間。加上這個修正信號的目的是為了保證機組運行的警覺性并使過熱器噴水保持在最合理流量。(3) 運行人員可根據(jù)機組的實際運行情況，在畫面上手動對水冷壁出口聯(lián)箱給水溫度進行偏置。水冷壁出口聯(lián)箱給水溫度設定值的后兩部分只有當機組負荷大于55%時才起作用。當機組負荷小于55%時，水冷壁出口聯(lián)箱給水溫度設定值僅僅是汽水分離器儲水罐壓力的函數(shù)。實際上，給水流量控制回路僅當鍋爐運行在純直流（干態(tài)分離器）工況下才能對鍋爐出口的主蒸汽溫度起到粗調(diào)的作用。為了保證鍋爐本身的安全運行，要求在任何工況下省煤器入口給水流量不低于35%MCR的值。當鍋爐在低負荷下運行（濕式分離器）時，多余的給水流量經(jīng)分離器疏水閥進行再循環(huán)控制。給水流量串級控制的主調(diào)節(jié)器控制水冷壁出口聯(lián)箱給水溫度在其設定值上，副調(diào)節(jié)器則根據(jù)鍋爐總給水量的測量值和測量設定值的偏差輸出給水泵控制指令，分別調(diào)節(jié)三臺給水泵的轉速來滿足機組負荷變化的需求。不同的鍋爐采用不同的控制策略，CE鍋爐采用控制給水流量來響應鍋爐負荷的變化，見圖3-3。該給水控制系統(tǒng)的主控部分為給水流量與鍋爐負荷指令之間偏差的PID調(diào)節(jié)加上前饋控制，該前饋信號由三部分相加組成：鍋爐負荷指令的比例、微分（PD），給水泵再循環(huán)閥門位置信號的函數(shù)，給水旁路閥門位置信號的函數(shù)，由兩臺汽動給水泵的轉速控制來實現(xiàn)流量的控制。在啟、停和低負荷時用給水旁路閥來控制給水流量，為給水流量和鍋爐負荷指令之間偏差的PID調(diào)節(jié)加上鍋爐負荷指令的前饋信號（PD）；當給水流量增加到某一定值后，主給水閥開啟，給水旁路閥關閉，系統(tǒng)切換到汽泵轉速控制的正常運行方式。汽壓調(diào)節(jié)的任務是調(diào)節(jié)鍋爐出力使之與負荷相適應。對于汽包鍋爐，鍋爐出力的變更是依靠對燃料的燃燒調(diào)節(jié)（改變?nèi)剂狭浚﹣磉_到的，由于汽包有一定的儲水容積，而與給水量無直接關系，而給水量按水位進行調(diào)節(jié)。但對于直流鍋爐，其產(chǎn)汽量直接由給水量來定，G=D，因而燃料量變化，不能直接引起鍋爐出力的變化，只有變動給水量才會引起鍋爐蒸發(fā)量的變化。顯然，當調(diào)節(jié)給水量以保持壓力穩(wěn)定時，必然引起過熱汽溫的變化，必須校正過熱汽溫，也即給水調(diào)壓，燃料配合給水調(diào)溫，抓住中間點，噴水微調(diào)，這是直流鍋爐運行調(diào)節(jié)的基本原則。3.3給水泵最小流量控制系統(tǒng)當汽動給水泵A、汽動給水泵B或電動給水泵C運行時，為了保證給水泵的安全，在任何工況下都不允許通過給水泵的流量低于最小允許流量。因此，當鍋爐負荷很低時，為了保證給水泵出口有足夠的流量（應大于泵的最小流量），給水泵應該保證在最低轉速下運行。這時，給水泵出口多余的水則經(jīng)過與給水泵并聯(lián)的再循環(huán)控制閥又流回到給水泵入口。如圖3-4為給水泵最小流量控制回路。給水泵最小流量控制回路為一單回路控制系統(tǒng)。汽動給水泵A、汽動給水泵B和電動給水泵C的再循環(huán)流量控制系統(tǒng)互相獨立，結構完全相同，下面以汽動給水泵A再循環(huán)流量控制系統(tǒng)為例加以說明。汽動給水泵A最小允許流量可由運行人員在操作畫面上手動設定。為了防止設定值的階躍突變對控制系統(tǒng)的沖擊和運行人員誤將設定值操作到合理范圍之外，該設定值應經(jīng)過速率限制和上、下限限制。系統(tǒng)自動時，汽動給水泵A最小允許流量設定值和汽泵A入口流量測定值的偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)器進行比例積分運算，其輸出作為汽泵A再循環(huán)閥門的開度控制指令。汽泵A入口流量測量值還需經(jīng)過汽泵A入口給水溫度的修正。給水泵最小流量控制系統(tǒng)僅工作在給水泵汽動和低負荷階段；鍋爐給水流量只要大于最小流量定值，給水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥門就關閉。最小流量給水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥門常設計為反方向動作，即控制系統(tǒng)輸出為0時，閥門全開；輸出為100%時，閥門全關。這樣在失電或失去氣源時，閥門全開，可保證設備的安全。圖3-3 CE直流鍋爐給水控制系統(tǒng)原理圖圖3-4 給水泵最小流量控制回路4.超臨界機組主汽溫控制4.1汽溫控制的重要性在大型火電機組控制中，主汽溫是一個很重要的被控參數(shù)，對鍋爐都有明確規(guī)定的額定汽溫值，并要求在運行中不能有過大的偏差，一般誤差范圍在+5-10。這是因為：(1) 汽溫過高，會使鍋爐受熱面及蒸汽管道金屬材料的蠕變速度加快，影響使用壽命。例如12Cr1MoV鋼在585時考慮約10萬h的持久強度，在593時到3萬h就喪失其應有的強度。若受熱面嚴重超溫，將會因材料強度的急劇下降而導致管子發(fā)生爆破。同時，當汽溫過高超過允許值時，還會使汽輪機的汽缸、主汽門、調(diào)節(jié)汽門、前幾級噴嘴和葉片等部件的機械強度降低，部件溫差熱應力、熱變形增大，將導致設備的損壞或使用壽命的縮短。(2) 汽溫過低將會使機組熱效率降低，使汽耗率增大。汽溫過低還會使汽輪機末幾級葉片的蒸汽濕度增大，這不僅使汽輪機內(nèi)效率降低，而且造成汽輪機末幾級的浸蝕加劇。由于汽溫偏低，使機組的理想焓降減少和內(nèi)效率的降低，機組的功率會隨著汽溫的下降而自行降低。如要維持機組功率不變，隨著汽溫的降低，蒸汽流量會自行增大，調(diào)節(jié)級理想焓降會減少，末級的理想焓降會增大。這樣，末級葉片的彎應力由于流量和理想焓降的增大而明顯的增大。如汽溫下降幅度越大，調(diào)門開度增加越多，蒸汽流量增大，從而使末級葉片彎應力可能超過允許值。因此，汽溫下降超過規(guī)定值時，不允許機組繼續(xù)帶額定負荷，而需要限制機組的出力。汽溫的大幅度的快速下降會使汽機金屬部件產(chǎn)生過大的熱應力、熱變形，甚至會發(fā)生動靜部件的摩擦，更為嚴重時會導致汽輪機水擊事故的發(fā)生，造成通六部分、推力軸承嚴重損壞（汽溫降低過大會使汽機的軸向推力增大），對機組的安全運行十分不利的。(3) 過熱汽溫和再熱汽溫變化過大，除使管材及有關部件產(chǎn)生蠕變和疲勞損壞外，還將引起汽機差脹的變化，甚至產(chǎn)生機組的振動，危及機組的安全運行。4.2影響過熱汽溫的主要因素1.燃料、給水比（煤水比）直流鍋爐過熱蒸汽出口焓hss的表達式為： （41）式中 hss、hfw過熱蒸汽出口焓、給水焓，kj/kg B、G燃料量、給水量，kg/h 鍋爐效率。可以看出，若公式中hfw、Qar,net和保持不變，則hss（即過熱汽溫）的值就取決于B/G的比值；若B/G的值不變，過熱汽溫就保持不變。所以，只要保持適當?shù)娜妓龋谌魏呜摵珊凸r下，直流鍋爐都能維持一定的主汽溫。2.給水溫度正常情況下，給水溫度一般不會有大的變動；但當高壓加熱器因故障退出運行時，給水溫度就會降低。對于直流鍋爐，若燃料量不變，由于給水溫度降低，加熱段加長且過熱段縮短，主汽溫會隨之降低，負荷也會降低。因此，當給水溫度降低時，必須改變原來設定的燃水比，即適當提高煤水比，以使過熱汽溫維持在額定值。3.過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù)的變化直接影響鍋爐的排煙損失，同時影響到對流受熱面與輻射受熱面的吸熱比例。當過量空氣系數(shù)增大時，除排煙損失增加、鍋爐效率降低外，爐膛水冷壁吸熱減少，造成過熱器進口溫度降低、屏式過熱器出口溫度降低；雖然對流過熱器吸熱量有所增加，但在煤水比不變的情況下，末級過熱器出口汽溫有所下降。過量空氣系數(shù)減少時，結果與增加時相反。若要保持主汽溫不變，則需要重新調(diào)整燃水比。4.火焰中心高度火焰中心高度變化的影響與過量空氣系數(shù)變化的影響相似。在煤水比不變的情況下，火焰中心上移類似過量空氣系數(shù)增加，過熱汽溫略有下降；反之，過熱汽溫略有上升。若要保持主汽溫不變，則需要重新調(diào)整燃水比。5.受熱面結渣燃水比不變的調(diào)節(jié)下，爐膛水冷壁結渣時，主汽溫有所降低；過熱器結渣或積灰時，主汽溫下降明顯。前者發(fā)生時，調(diào)整煤水比就可；后者發(fā)生時，不可隨便調(diào)整煤水比，必須在保證水冷壁溫度不超限的前提下調(diào)整煤水比。4.3超臨界機組過熱汽溫的調(diào)節(jié)4.3.1過熱汽溫的粗調(diào)（即煤水比的調(diào)節(jié)）對于直流鍋爐，控制主蒸汽溫度的關鍵在于控制鍋爐的煤水比，而煤水比合適與否則需要通過中間點溫度來鑒定。在直流鍋爐運行中，為了維持鍋爐過熱蒸汽溫度的穩(wěn)定，通常在過熱區(qū)段中取一溫度測點，將它固定在相應的數(shù)值上，這就是通常所謂的中間點溫度。實際上把中間點至過熱汽出口之間的過熱區(qū)段固定，相當于汽包爐固定過熱器區(qū)段情況類似。在過熱汽溫調(diào)節(jié)中，中間點溫度實際是與鍋爐負荷有關，中間點溫度與鍋爐負荷存在一定的函數(shù)關系，那么鍋爐的煤水比B/G按中間點溫度來調(diào)整，中間點至過熱器出口區(qū)段的過熱汽溫變化主要依靠噴水減溫調(diào)節(jié)。對于直流鍋爐，其噴水減溫只是一個暫時措施，要保持穩(wěn)定汽溫的關鍵是要保持固定的煤水比。其原因是：從圖4-1可以看出直流爐G=D，如果過熱區(qū)段有噴水量d，那么直流爐進口水量為(G-d)。如果燃料量B增加、熱負荷增加，而給水量G未變，這樣過熱汽溫就要升高，噴水量d必然增加，使進口水量(G-d)的數(shù)值就要減少，這樣變化又會使過熱汽溫上升。因此噴水量變化只是維持過熱汽溫的暫時穩(wěn)定（或暫時維持過熱汽溫為額定值），但最終使其過熱汽溫穩(wěn)定，主要還是通過煤水比的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。而中間點的狀態(tài)一般要求在各種工況下為微過熱蒸汽。圖4-1 超臨界壓力鍋爐工作示意圖石洞口二廠超臨界壓力直流鍋爐中間點溫度選擇為內(nèi)置式分離器的出口溫度，以該點作為中間點有以下幾方面的好處：(1) 能快速反應出燃料量的變化。當燃料量增加時，水冷壁最先吸收燃燒釋放出的輻射熱，分離器出口溫度的變化比依靠吸收對流熱量的過熱器快得多。(2) 中間點選在兩極減溫器之前，基本上不受減溫水流量變化的影響，即使發(fā)生減溫水量大幅度變化，按鍋爐給水量=給水泵入口流量-減溫水量，中間點溫度送出的調(diào)節(jié)信號仍保證正確的調(diào)節(jié)方向。(3) 當鍋爐負荷大于37%MCR時,分離器呈干態(tài)，分離器出口處于過熱狀態(tài)，這樣在分離器干態(tài)運行的整個負荷范圍內(nèi)，中間點具有一定的過熱度，而且該點靠近開始過熱的點。從直流鍋爐汽溫控制的動態(tài)特性可知：過熱汽溫控制點離開工質開始過熱點越近，汽溫控制時滯越小，即汽溫控制的反應明顯。根據(jù)中間點溫度可以控制燃料給水之間的比例。在運行中，當負荷變化時，如煤水比維持或控制得不準確，中間點溫度就會偏離設定值。中間點溫度的偏差信號指示運行人員或計算機及時調(diào)節(jié)煤水比，消除中間點溫度的偏差。如能控制好中間點溫度（相當于固定過熱器區(qū)段），就能較方便地控制其后各點的汽溫值。但需要強調(diào)的是，中間點溫度的設定值與鍋爐特性和負荷有關，如變壓運行，飽和溫度隨壓力下降而降低，中間點溫度也隨之下降（保證有一定的過熱度），而不是一個固定值。石洞口二廠超臨界壓力直流鍋爐是以鍋爐給煤量與總燃料量為基礎的函數(shù)作為基本的需求信號，再加上燃燒器擺角修正、分離器出口溫度修正、分離器出口溫度微分信號就產(chǎn)生了給水需求信號。在機組啟動狀態(tài)中，或機組自動啟停系統(tǒng)(UAM)在自動方式下，則給水需求信號由自動啟停系統(tǒng)發(fā)生，其原理如圖4-2所示。圖42 給水需求信號原理圖分離器出口溫度修正，即為中間點溫度修正，其作用就是修正煤水比，其修正原理是：對給定的鍋爐負荷，其允許的噴水量與分離器出口溫度有一定關系?；蛘哒f，當噴水量與給水量的比例增加時，說明煤與水的比例中煤多一些，而煤量一多，反應最快的是分離器出口溫度。正常的分離器出口溫度與分離器壓力有一定的函數(shù)關系，噴水量與給水量的比例又是鍋爐負荷的函數(shù)。分離器出口溫度修正原理與圖4-3所示。圖43分離器出口溫度修正原理4.3.2過熱汽溫的細調(diào)考慮到實際運行中鍋爐負荷的變化，給水溫度、燃料品質、爐膛過量空氣系數(shù)以及受熱面結渣等因素的變化，對過熱汽溫變化均有影響，因此在實際運行中要保證比值B/G的精確值也是不容易的。特別是燃煤鍋爐，控制燃料量是比較粗糙的，這就迫使除了采用B/G作為粗調(diào)的調(diào)節(jié)手段外，還必須采用在蒸汽管道設置噴水減溫器作為細調(diào)的調(diào)節(jié)手段。石洞口二廠1900t/h超臨界鍋爐的過熱汽溫調(diào)節(jié)方法是采用水煤比進行粗調(diào)，二級噴水減溫進行細調(diào)。其中第一級噴水減溫器裝置在前屏過熱器與后屏過熱器之間，消除前屏過熱器中產(chǎn)生偏差；第二級噴水減溫器裝置在后屏過熱器與高溫過熱器之間，維持過熱器出口汽溫在額定值。4.3.2.1超臨界機組屏式過熱器汽溫調(diào)節(jié)以屏式（后屏）過熱器入口汽溫與鍋爐負荷作為基本調(diào)節(jié)回路，再加上修正信號，通過改變噴水調(diào)節(jié)器（一級噴水減溫）的開度來調(diào)節(jié)汽溫。圖4-4為屏式過熱器汽溫調(diào)節(jié)的基本回路。在機組自啟停裝置（UAM）投自動時，噴水調(diào)節(jié)閥開度決定于UAM指令。當UAM指令不在自動時則由鍋爐負荷的函數(shù)得到屏式過熱器入口汽溫的設定值。當燃燒器傾角變化、屏式過熱器入口汽溫變化或其它運行工況變化時，則在該入口汽溫的設定值上再加上修正信號，實際的屏式過熱器入口汽溫與設定值的偏差決定噴水減溫器的開度。這一屏式過熱器汽溫調(diào)節(jié)的修正信號綜合了煤水比修正與屏式過熱器出口汽溫偏差的修正，其中屏式過熱器出口汽溫的設定值由鍋爐負荷函數(shù)與高溫過熱器的噴水函數(shù)的差值得到。這樣設計的目的是當高溫過熱器的噴水量大于或小于一定范圍后，通過改變屏式過熱器的出口汽溫，以使高溫過熱器的噴水量恢復到前述范圍內(nèi)，保證高溫過熱器有一定的可調(diào)范圍。而煤水比修正信號是通過前饋方式送到過熱器入口汽溫設定值修正回路，如圖4-5所示。圖44 屏式過熱器汽溫調(diào)節(jié)的基本回路圖45 屏式過熱器入口汽溫設定值修正在屏式過熱器汽溫調(diào)節(jié)回路中，屏式過熱器汽溫有一個切換點，它是由于分離器由濕態(tài)到干態(tài)的切換影響。在啟動過程中，分離器由濕態(tài)轉向干態(tài)運行時，用增加燃料量的方法。當爐內(nèi)燃料量增加時，爐膛出口煙溫也增加，使爐膛內(nèi)單位公斤燃料的放熱量反而減少，就是說對于前、后屏過熱器，單位公斤燃料的吸熱量反而減少。另外，在濕態(tài)轉換到干態(tài)運行過程中，通過前屏過熱器的蒸汽流量是增加的，這樣屏式過熱器的汽溫是隨著負荷的增加反而減少（相當于輻射過熱器的汽溫特性），因此屏式過熱器入口（后屏入口）汽溫有一個下降的過程。當分離器轉入干態(tài)運行后，也即鍋爐轉入直流運行，其汽溫變化是隨著鍋爐負荷（燃料量）的增加而增加的。因此分離器由濕態(tài)轉入干態(tài)運行過程中屏式過熱器入口汽溫有一個明顯切換點。4.3.2.2超臨界機組高溫過熱器汽溫調(diào)節(jié) 從控制原理來看，高溫（末級）過熱器的汽溫控制回路與屏式過熱器的汽溫控制回路基本相同，它也是一個基本回路和一個修正回路所組成。在機組自動啟停裝置(UAM )投自動時，噴水調(diào)節(jié)閥開度決定于UAM指令。當UAM指令不在自動時則由鍋爐負荷的函數(shù)得到基本的高溫過熱器入口汽溫的設定值。同樣在其它工況變化時，則在這一基本設定值上再加上修正信號。在高溫過熱器入口汽溫曲線上同樣有一個切換點，它也是由于分離器由濕態(tài)轉換到干態(tài)運行的影響。主汽溫度控制的修正信號，其原理如圖4-6所示，主汽溫度設定值的修正參考了鍋爐熱應力裕度、汽機熱應力裕度與汽機需求溫度。其中汽機需求溫度是在暖機、初負荷階段使用。正常后，這一信號用主蒸汽溫度設定值代替，見圖4-6。主汽溫度設定值，高溫過熱器入口汽溫設定值均為鍋爐負荷的函數(shù)，其曲線見圖4-7。圖46主汽溫度修正信號圖47 高溫過熱器入口、出口溫度與鍋爐負荷關系5.超臨界機組再熱汽溫控制為了提高發(fā)電機組的熱效率，高參數(shù)大容量機組廣泛采用中間再熱器，以提高進入中壓缸的蒸汽溫度。保持再熱器出口汽溫，除了為保障機組有設計的熱效率外，還與保持主汽溫的目的一樣，是為了確保機組的安全運行。影響再熱器出口汽溫的因素很多，如：機組負荷的大??；火焰中心位置的高低；各受熱面的積灰的多少；燃料、送風和給水的配比情況等。5.1再熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)特點1) 再熱蒸汽壓力低于過熱蒸汽，一般為過熱蒸汽的1/41/5。由于蒸汽壓力低，再熱蒸汽的定壓比熱較過熱蒸汽小，這樣在等量的蒸汽和改變相同的吸熱量的條件下，再熱汽溫的變化就比過熱汽溫變化。因此當工況變化時，再熱汽溫的變化就比較敏感，且變化幅度也較過熱蒸汽為大。反過來在調(diào)節(jié)再熱汽溫時，其調(diào)節(jié)也較靈敏，調(diào)節(jié)幅度也較過熱汽溫大。2) 再熱器進口蒸汽狀況決定于汽輪機高壓缸的排汽參數(shù)，而高壓缸排汽參數(shù)隨汽輪機的運行方式、負荷大小及工況變化而變化。當汽輪機負荷降低時，再熱器入口汽溫也相應降低，要維持再熱器的額定出口汽溫，則其調(diào)溫幅度大。由于再熱汽溫調(diào)節(jié)機構的調(diào)節(jié)幅度受到限制，則維持再熱汽溫的負荷范圍受到限制。3) 再熱汽溫調(diào)節(jié)不宜采用噴水減溫方法，否則機組運行經(jīng)濟性下降。再熱器置于汽輪機的高壓缸與中壓缸之間。因此在再熱器噴水減溫，使噴入的水蒸發(fā)加熱成中壓蒸汽，使汽輪機的中、低壓缸的蒸汽流量增加，即增加了中、低壓缸的輸出功率。如果機組總功率不變，則勢必要減少高壓缸的功率。由于中壓蒸汽做功的熱效率低，因而使整個機組的循環(huán)熱效率降低。從實際計算表明，在再熱器中每噴入1% MCR的減溫水，將使機組循環(huán)熱效率降低0.1%0.2%。因此再熱汽溫調(diào)節(jié)方法采用煙氣側調(diào)節(jié)，即采用擺動燃燒器或分隔煙道等方法。但考慮為保護再熱器，在事故狀態(tài)下，使再熱器不被過熱燒壞，在再熱器進口處設置事故噴水減溫裝置，當再熱器進口汽溫采用煙氣側調(diào)節(jié)無法使汽溫降低，則要用事故噴水來保護再熱器管壁不超溫，以保證再熱器的安全。4) 采用再熱器目的是降低汽輪機末幾級葉片的濕度和提高機組的熱經(jīng)濟性，在超高壓和亞臨界壓力機組中，再熱汽溫與過熱汽溫采用相同的溫度。而在超臨界壓力機組，如果再熱汽溫采用與過熱汽溫相同值，則汽輪機末幾級葉片的濕度仍比較大，則需要采用較高的再熱汽溫，以減少其末幾級葉片的濕度。石洞口二廠超臨界壓力的1900t/h的直流鍋爐，其再熱汽溫采用569，管材質采用X8CrNiNb1613.5) 再熱蒸汽壓力低，再熱蒸汽放熱系數(shù)低于過熱蒸汽，在同樣蒸汽流量和吸熱條件下，再熱器管壁溫度高于過熱器壁溫。特別CE技術制造600MW的鍋爐機組，再熱器采用高溫布置，均布置于爐膛出口（折焰角上部），其壁溫比較高。超臨界壓力直流鍋爐的再熱蒸汽溫度要求569，這一方面要求采用材質要滿足，另一方面在運行中嚴格控制再熱器的壁溫。5.2再熱汽溫調(diào)節(jié)再熱汽溫調(diào)節(jié)采用煙氣側調(diào)節(jié)，再熱器進口設置事故噴水減溫器作為事故狀態(tài)下保護再熱器，不使其超溫破壞。對于600MW機組鍋爐的煙氣側調(diào)節(jié)再熱汽溫方法主要是擺動燃燒器角度和分隔煙氣檔板，CE型式的鍋爐采用擺動燃燒器角度調(diào)節(jié)再熱汽溫，而Babcock和FW公司的鍋爐多數(shù)采用分隔煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫。1) 煙氣再循環(huán)法煙氣再循環(huán)法，是用煙氣再循環(huán)風機把部分煙氣從省煤器后抽出，再從爐膛冷灰斗處進入爐膛。2) 改變?nèi)紵鲊娮靸A角法改變?nèi)紵鲊娮靸A角就改變了火焰中心的位置和爐膛出口的煙氣溫度，各受熱面的吸熱比例也相應變化，因此實現(xiàn)了再熱汽溫的調(diào)節(jié)。3) 分隔煙氣擋板調(diào)節(jié)法分隔煙氣擋板調(diào)節(jié)就是通過改變流過一、二次蒸汽受熱面的煙氣分配比例調(diào)節(jié)再熱汽溫的。4) 噴水減溫法再熱器的噴水減溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)與主蒸汽噴水減溫的汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)相似。不過一般作為事故情況的調(diào)節(jié)手段。5.3外高橋電廠再熱汽溫控制系統(tǒng)分析該爐型再熱器采用二級布置，均位于鍋爐煙道對流區(qū)域。受熱面呈水平狀，其中，一級再熱器逆流布置，二級再熱器順流布置。再熱蒸汽溫度控制采用燃燒器噴嘴擺動調(diào)節(jié)和噴水調(diào)節(jié)相結合的方法。燃燒器噴嘴擺動調(diào)節(jié)范圍為30，噴水調(diào)節(jié)采用二級6路，即一級再熱器前2路噴水減溫器。二級再熱器前4路噴水減溫器。噴水源來自于給泵抽頭，噴水壓力為160.4bar。再熱蒸汽溫度控制策略如圖5-1所示。減溫器1.1和1.2用于一級再熱器前2路冷再事故噴水，減溫器2.1、2.2、2.3和2.4用于二級再熱器前4路再熱蒸汽超溫噴水。圖中虛框1為第1路冷再噴水控制示意圖，虛框2為第1路再熱噴水控制示意圖，虛框3為燃燒器擺角控制示意圖。鍋爐再熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)采用改變?nèi)紵鞯臄[角和調(diào)節(jié)減溫器噴水量相結合的方法來進行。由于兩級再熱器均布置在煙氣對流區(qū)域，燃燒器擺角的位置對再熱蒸汽溫度產(chǎn)生很大的影響，所以改變?nèi)紵鲾[角作為再熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)主要手段，二級再熱器前4路噴水減溫器作為啟動或變工況運行時的輔助調(diào)溫手段，一級再熱器前2路噴水減溫器作為事故噴水。5.3.1燃燒器的擺角控制5.3.1.1負荷對燃燒器擺角的影響在虛框1中，穩(wěn)態(tài)時燃燒器擺角位置主要由燃燒率決定，燃燒率經(jīng)過函數(shù)f1(x)計算后作為燃燒器擺角位置的設定值，一定的燃燒率對應一定的擺角位置，根據(jù)ALSTOM提供的數(shù)據(jù)，50%負荷以下為10，70%負荷時為1，90%負荷時為2，100%負荷時為0(即水平位置)。f2(x)為燃燒率的一階微分(其中系數(shù)Kp取負值)，作為負荷大于50%時燃燒率變化時燃燒器擺角位置指令的前饋信號。由于f2(x)函數(shù)中乘了一個負的系數(shù)，故在升負荷時f2(x)為負數(shù)；而負荷越高，經(jīng)過f1(x)計算后燃燒器擺角的位置越低，如果再加上負的前饋信號f2(x)，燃燒器擺角的位置更加低，這樣，抵消了由于燃燒率的增加引起的煙氣溫度的上升，可以防止負荷增加瞬間再熱蒸汽超溫。反之，在減負荷瞬間可以防止再熱蒸汽降溫。一階微分函數(shù)f2(x)中的時間T是一個與負荷有關的函數(shù)，負荷越高，時間T越小。穩(wěn)態(tài)時由于給水跟隨燃燒率作了相應變化，過熱汽溫和再熱汽溫均趨于穩(wěn)定，f2(x)為0，不再起前饋作用。5.3.1.2燃燒器擺角對再熱蒸汽溫度的影響由于燃燒器擺角對再熱汽溫產(chǎn)生顯著的影響，故在50%以上負荷時，引入二級再熱器出口平均溫度與設定值的偏差，作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，以便在實際再熱蒸汽溫度偏離設定值時修正燃燒器擺角位置。從圖中可以得出，實際再熱蒸汽溫度大于568時將擺角向下傾斜，用降低煙溫的方法使再熱汽溫下降；當再熱汽溫小于568時抬高擺角，提高煙溫。圖5-1 再熱蒸汽溫度控制回路圖5.3.1.3抵消熱偏差的方法虛框1中有一個比較特殊的功能，即對再熱汽溫熱偏差的控制。如圖5-1所示，當再熱蒸汽左右側溫度偏差的絕對值T1/3-T2/4（熱偏差)大于10K時，PI調(diào)節(jié)器輸出正值，抬高燃燒器擺角，將左右側再熱蒸汽溫度都提高，依靠噴水調(diào)節(jié)使溫度較高的一側多噴點水(使再熱汽溫維持在573附近)，溫度較低的一側少噴點水甚至不噴水，將兩側熱偏差縮小至限值10K以內(nèi)。但如果此時引起熱偏差的原因未消除，擺角仍將保持較高的位置，僅僅依靠增加溫度較高側的噴水量來抵消熱偏差。只有當熱偏差原因消除后，溫度稍高的一側由于熱量的減少和噴水量的減少互相抵消，仍將維持在再熱蒸汽噴水設定值573附近；而汽溫稍低的一側由于熱量的增加而使再熱汽溫上升，提高了再熱蒸汽兩側的平均溫度，使PI調(diào)節(jié)器的入口偏差出現(xiàn)負值，從而使再熱器擺角向下傾斜回復至原位置。5.3.2再熱汽溫噴水控制 (1) 鍋爐正常運行時，再熱蒸汽溫度主要由燃燒器擺角調(diào)節(jié)。但再熱汽溫超限時依靠噴水調(diào)節(jié)。圖5-2為產(chǎn)生再熱蒸汽噴水溫度設定值的詳細邏輯。從圖5-2可以看出，在汽機接受全部蒸汽且旁路全關時(由于本汽機采用高中壓缸聯(lián)合沖轉方式，旁路參與壓力調(diào)節(jié)，故冷態(tài)啟動時本工況點發(fā)生在28%機組負荷以后，極熱