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1、超临界机组给水和汽温控制系统2.直流锅炉的主要型式和调节特点2.1直流锅炉的主要型式工程热力学中将水的临界状态点参数定义为：压力22.115MPa，温度374.15。当水的状态参数达到临界点时，汽化潜热为0，汽水密度差也为0。因此超临界压力下水变成蒸汽不再存在汽水两相区。超临界压力火电技术由于参数本身的特点决定了超临界压力锅炉只能采用直流锅炉。 直流锅炉出现的初期，水冷壁有三种相互独立的结构型式：即本生型、苏尔寿型和拉姆辛型。随着锅炉向高参数、大容量化的发展，按照采用膜式水冷壁和实现变压运行的要求，现代直流锅炉的水冷壁结构型式演变为一次垂直上升管屏、多次垂直上升和下降管屏、螺旋围绕上升管屏和垂
2、直内螺纹管管屏4种型式。前两种型式的受热面大多用于带基本负荷的机组，实践证明不适合滑压运行，和我国厂网分开竟价上网的基本政策不相符，故基本不予考虑。后两种型式的受热面各有优缺点。1) 螺旋管圈水冷壁是德国、瑞士等国为适应变负荷运行的需要而发展的。水冷壁管沿锅炉内壁四周倾斜上升。其优点是：(1) 工作在炉膛下辐射区的水冷壁同步经过炉膛受热最强的区域和受热最弱的区域；(2) 水冷壁的工质在下辐射区一次性沿着螺旋管圈上升，没有中间联箱，工质在比容变化最大的阶段避免了再分配；(3) 不受炉膛周界的限制，可灵活选择并联工作的水冷壁管子根数和管径，保证较大的质量流速。螺旋管圈的这些优点，使得水冷壁能够工作
3、在热偏差最小和流量偏差最小的良好状态。因此，其水动力稳定性较高，不会产生停滞和倒流，可以不装节流圈，最适合变压运行。由于螺旋管圈水冷壁需要专门的悬吊钢架，所以，一般仅布置在炉膛折焰角下部的下辐射区，而在炉膛上辐射区使用垂直管屏。由于炉膛上部的热负荷降低，只要维持足够的质量流速，管内发生传热恶化的可能性不大，管壁温差也随着减小，因而采用垂直管屏也不会造成膜式壁的破坏。当然，上辐射区水冷壁入口的流量分配不均匀或上辐射区热偏差增大时，也会出现管壁超温破坏的现象。螺旋管圈水冷壁的主要缺点：(1) 水冷壁及其悬吊结构复杂，制造、安装及维修工作量大，流动阻力大；(2) 管带宽度随锅炉容量提高而增大，管带盘
4、旋圈数减少，热偏差增大。2) 超临界压力锅炉水冷壁采用垂直内螺纹管管屏型式是日本三菱公司和美国CE公司合作研发的一种炉型。内螺纹管具有良好的传热和流动特性，内螺纹表面的槽道可破坏蒸汽膜的形成，故直到较高含汽率也难以形成膜式沸腾，而维持核态沸腾，从而抑制金属温度的上升。内螺纹管的金属温度在锅炉低负荷时可抑制得很低，设计采用1500-2000kg/(s)的质量流速是安全没有问题的。在滑压运行时没有汽水混合物分配不均的问题，适用于滑压运行，能实现高负荷变化率和快速启停运行。各管壁之间温差较小，可采用膜式水冷壁，具有安全可靠的优点且质量流速降低，阻力损失减少，可节省输送动力。对于燃煤机组，灰渣容易脱落
5、，使炉膛水冷壁积灰结渣减少。该炉型设计结构简单，炉膛易于支吊，安装工作和焊接工作量少，可靠性高，便于检修。2.2直流锅炉的调节特点2.2.1没有水位调节问题，但要控制蒸发段直流锅炉的主要特点是汽水流程中不设置汽包，给水泵强制一定流量的给水进入炉内，一次性地通过省煤器、水冷壁、过热器。他的循环倍率始终为1，与负荷无关。在直流锅炉中，给水加热成蒸汽一次完成，汽水通道可看作由加热段、蒸发段、过热段三部分组成。其中蒸发段是汽、水混合物，随着管道的往后推移，工质由饱和水逐渐被加热成饱和蒸汽。三段受热面没有固定的分界线，随着给水流量、燃烧率的变化前、后移动，使三段受热面的吸热量分配比例及与之有关的三段受热
6、面面积的比例却发生了变化。但蒸发段的前移会使过热汽温偏高，蒸发段后移则引起汽问偏低，甚至品质下降，这对机组运行极为不利，所以要控制蒸发段的位置。一般来说，要控制蒸发段出口的微过热汽温1，若1偏离规定值，则说明由于燃烧率与给水比例不当致使蒸发段发生移动，应及时调节燃烧率和给水流量。图2-1 直流锅炉各受热段示意图直流锅炉的工质是一次地通过各受热面的，而三段受热面面积又不是固定不变的。所以当燃水比失调后，三段受热面吸热量比例发生变化，对出口汽温影响很大，对蒸汽压力和流量的影响方式也较为复杂。当给水流量变化破坏了原来的平衡状态时，例如给水流量减少了，则蒸发段向锅炉汽水流程入口方向流动，汽水流程中各点
7、工质的焓值都有所提高。工质焓值上升是由两个原因引起的：一是因为受热面吸热量不变，而工质流量减少，引起流经本区的工质焓值上升；另一个原因是工质焓值随工质流过的受热面面积而增加。所以离锅炉出口越近，工质的焓增越大，汽温变化也越大。2.2.2直流锅炉动态特性分析汽轮机调节汽阀的扰动，对直流锅炉是一种典型的负荷扰动。当调节汽阀阶跃开大时，蒸汽流量D和机组输出功率NE立即增加，随即逐渐减少，并恢复初始值，汽轮机阀前压力PT一开始立即下降，然后逐渐下降至新的平衡压力。由于直流锅炉的蓄热系数比汽包锅炉小，所以直流锅炉的汽压变化比汽包锅炉大得多。当负荷扰动时，过热汽温T2近似不变，这是由于给水流量和燃烧率保持
8、不变，过热汽温就基本保持不变。燃烧率扰动是燃料量、送风量和引风量同时协调变化的一种扰动。当燃烧率B阶跃增加时，经过一段较短的迟延时间，蒸汽流量D会暂时向增加方向变化；过热汽温T2则经过一段较长的迟延时间后单调上升，最后稳定在较高的温度上；汽压PT和功率NE的变化也因汽温的上升而最后稳定在较高的数值。当燃烧率不变而给水流量增加时，一开始由于加热段和蒸发段的伸长而推出一部分蒸汽，因此蒸汽流量D、汽压PT、功率NE几乎没有迟延的开始增加，但由于汽温T2的下降，最后虽然蒸汽流量D增加，而输出功率NE却有所减少；汽压PT也降至略高于扰动前的汽压，过热汽温T2则经过一段较长的迟延时间后，最后稳定在较低的温
9、度。给水和燃料复合扰动时的动态特性是两者单独扰动时的动态特性之和，由图2-3可知，当给水和燃料按比例变化时，蒸发量D立即变化，然后稳定在新的数值上，过热汽温则保持在原来的数值上（额定汽温）。这就是说明严格控制煤水比是直流炉参数调节的关键。a b c图2-2 直流锅炉动态特性示意图a汽机调节汽阀扰动 b燃料率扰动 c给水流量扰动图23 燃料与给水比例增加时的动态特性3.超临界机组的给水控制系统直流锅炉是多变量控制系统，直流锅炉的控制任务与汽包锅炉有很大差别，对于直流锅炉不能象汽包炉那样，将燃料、给水、汽温简单地分为3个控制系统，而是将给水量与燃料量的控制与一次汽温控制紧密地联系在一起，这是直流锅
10、炉控制最突出的特点。3.1汽水分离器水位控制图3-1 汽水分离器水位控制原理图及三个阀的开度曲线超临界机组一般采用内置式汽水分离器，以石洞口二厂超临界压力直流锅炉为例。该锅炉启动点火前，进入分离器的流量保持最低运行负荷37%MCR下的644t/h，参数为除氧器的参数。点火后随燃料量投入的增加，进入分离器的公质压力、温度和干度不断提高，汽水混合物在分离器内实现分离。蒸汽进入过热器系统，饱和水通过汽水分离器排入除氧器或疏水扩容器实现工质回收。分离器的正常水位由AA阀、AN阀和ANB阀来控制，此时分离器的运行为湿态运行。这时给水控制方式为分离器水位及最小给水流量控制。当水冷壁出口（进入分离器）工质的
11、干度提高到干饱和蒸汽后，汽水分离器已无疏水，变成蒸汽联箱用，锅炉就切换到37%MCR下的干态运行（纯直流运行）。此后进入分离器的流量随着负荷上升而不断增加，蒸汽温度不断提高，直至MCR负荷。当分离器切换到干态运行后给水控制的任务由分离器水位控制转变为与燃料量控制配合控制中间点温度及给水流量控制。分离器疏水系统有AA、AN与ANB三个控制阀。AA阀的最大通流面积为150cm2 ，AN阀为51.1 cm2，ANB阀为31.65 cm2。AA阀可保证工质膨胀峰值流量的排放。AN阀可辅助AA阀排放疏水。AA阀关闭，AN与ANB阀共同控制分离器水位。通过ANB阀疏水排入除氧器，可回收工质和热量。水位1.
12、2m时ANB阀开，4m时开足。水位3.4m时AN阀开，7.2m时开足。水位6.7m时AA阀开，11.2m时开足。三阀开度有一定的重叠度，这有利于水位稳定。ANB阀回收工质和热量，故首先开此阀，ANB阀开足后水位还无法控制时开AN阀，随后再开AA阀。AA与AN阀疏水排入扩容器，造成热损失。AN阀动作还受到除氧器压力的限制，除氧器压力大于1.45MPa时阀联锁保护自动关闭，只有当除氧器压力降低到1.1MPa以下时才允许重新开启。在启动过程中分离器压力和温度是变化的，这对测量水位带来误差，使三个阀门不能正确地动作。因此，水位信号经过一个F(X)的压力温度修正，然后分别去控制三个液压控制阀。图3-1所
13、示为水位控制原理图及三个阀的开度曲线。3.2给水流量的控制直流锅炉的给水是在给水泵压头作用下，顺序地通过加热区、蒸发区和过热区，一次性地将给水全部变为过热蒸汽，其循环倍率等于1。在直流锅炉中，给水变为过热蒸汽是一次完成的。这样，锅炉的蒸发量不仅取决于燃烧率，同样也决定于给水流量。因此，为了满足负荷变化的需要，给水控制和燃烧率控制是密切相关而不能独立的。而且当给水流量和燃烧率的比例变化时，锅炉的各个受热面的分界就发生移动。超临界机组中的给水流量控制回路是控制锅炉出口主蒸汽温度的一个最基本的手段。由于超临界机组采用直流锅炉，而在直流锅炉中，给水流量的波动将对机组负荷、主蒸汽压力和主蒸汽温度等机组运
14、行重要过程参数均产生较大影响。由于机组负荷和主蒸汽压力已设计有其它控制手段，而一旦给水控制回路如果工作欠佳的话，将导致煤水比动态失调。而这时锅炉出口主蒸汽温度仅靠喷水减温控制是无法满足机组运行对主蒸汽温度的要求。因此，给水流量调节回路起到了控制锅炉总能力平衡（保持适当的煤水比）并维持汽水分离器出口蒸汽温度在一定范围内变化的作用。沁北电厂锅炉给水控制系统中，采用两台分别带50%负荷的汽动给水泵作为正常负荷下的供水，一台带30%负荷的典当给水泵作为其动机带低负荷或当两台汽动给水泵中有一台故障是作为备用泵使用。给水流量指令形成回路如图3-2所示。省煤器入口的给水流量指令由前馈信号和主调节器PID输出
15、的校正信号两部分叠加而成。前馈信号主要实现锅炉的煤水配比，前馈信号为锅炉主指令信号经动态延时块F(t)后给出省煤器入口给水流量指令的基本值。该值先经过一个滤波环节，目的是为了补偿燃料量和给水流量对水冷壁出口连箱给谁温度的动态特性差异（给水流量对水冷壁出口连箱给水温度的影响比燃料量要快得多）。为了防止总燃料量信号快速波动对给水系统的影响（如一台磨煤机跳闸后快速启动另一台磨煤机），该值应经过一个速率限制（由模拟量延时块DELAY来实现），最后加上水冷壁出口联箱给水温度的微分信号形成给水流量指令的前馈信号。给水流量设计值的另一部分是主调节器PID输出，它根据水冷壁出口联箱给水温度和水冷壁出口联箱给水
16、温度设定值之间的偏差进行PID运算后得到。图3-2 给水流量指令形成回路通常水冷壁出口联箱给水温度的设定值由以下三部分组成：(1) 根据汽水分离器储水罐压力信号经函数发生器后给出水冷壁出口联箱给水温度设定值的近似值。为了消除汽水分离器储水罐压力信号的高频波动，设定了一个滤波环节。(2) 在上述近似值基础上再加上过热器喷水比率的修正信号，这个修正信号由过热器喷水比率和其设定值的偏差形成。过热器喷水比率的设定值由机组负荷给定负荷信号经函数发生器后给出，过热器喷水比率测量值由过热器喷水的总量除以锅炉总给水量求得。过热器喷水总量为一级和二级过热器喷水量之和。锅炉总给水量为省煤器入口流量加上过热器喷水总
17、量减去分离器疏水量，各流量信号均经过温度校正以求得测量值的准确。为了消除机组给定负荷信号和过热器喷水比率信号的高频扰动，该修正信号还需要经过一个滤波环节。同时为了防止该修正信号动态波动较大而引起分离器的干、湿态切换，过热器喷水比率信号还需经过速度限制和最大幅度值限制。例如在石洞口二厂，最大幅度设置在正负4度之间。加上这个修正信号的目的是为了保证机组运行的警觉性并使过热器喷水保持在最合理流量。(3) 运行人员可根据机组的实际运行情况，在画面上手动对水冷壁出口联箱给水温度进行偏置。水冷壁出口联箱给水温度设定值的后两部分只有当机组负荷大于55%时才起作用。当机组负荷小于55%时，水冷壁出口联箱给水温
18、度设定值仅仅是汽水分离器储水罐压力的函数。实际上，给水流量控制回路仅当锅炉运行在纯直流（干态分离器）工况下才能对锅炉出口的主蒸汽温度起到粗调的作用。为了保证锅炉本身的安全运行，要求在任何工况下省煤器入口给水流量不低于35%MCR的值。当锅炉在低负荷下运行（湿式分离器）时，多余的给水流量经分离器疏水阀进行再循环控制。给水流量串级控制的主调节器控制水冷壁出口联箱给水温度在其设定值上，副调节器则根据锅炉总给水量的测量值和测量设定值的偏差输出给水泵控制指令，分别调节三台给水泵的转速来满足机组负荷变化的需求。不同的锅炉采用不同的控制策略，CE锅炉采用控制给水流量来响应锅炉负荷的变化，见图3-3。该给水控
19、制系统的主控部分为给水流量与锅炉负荷指令之间偏差的PID调节加上前馈控制，该前馈信号由三部分相加组成：锅炉负荷指令的比例、微分（PD），给水泵再循环阀门位置信号的函数，给水旁路阀门位置信号的函数，由两台汽动给水泵的转速控制来实现流量的控制。在启、停和低负荷时用给水旁路阀来控制给水流量，为给水流量和锅炉负荷指令之间偏差的PID调节加上锅炉负荷指令的前馈信号（PD）；当给水流量增加到某一定值后，主给水阀开启，给水旁路阀关闭，系统切换到汽泵转速控制的正常运行方式。汽压调节的任务是调节锅炉出力使之与负荷相适应。对于汽包锅炉，锅炉出力的变更是依靠对燃料的燃烧调节（改变燃料量）来达到的，由于汽包有一定的储
20、水容积，而与给水量无直接关系，而给水量按水位进行调节。但对于直流锅炉，其产汽量直接由给水量来定，G=D，因而燃料量变化，不能直接引起锅炉出力的变化，只有变动给水量才会引起锅炉蒸发量的变化。显然，当调节给水量以保持压力稳定时，必然引起过热汽温的变化，必须校正过热汽温，也即给水调压，燃料配合给水调温，抓住中间点，喷水微调，这是直流锅炉运行调节的基本原则。3.3给水泵最小流量控制系统当汽动给水泵A、汽动给水泵B或电动给水泵C运行时，为了保证给水泵的安全，在任何工况下都不允许通过给水泵的流量低于最小允许流量。因此，当锅炉负荷很低时，为了保证给水泵出口有足够的流量（应大于泵的最小流量），给水泵应该保证在
21、最低转速下运行。这时，给水泵出口多余的水则经过与给水泵并联的再循环控制阀又流回到给水泵入口。如图3-4为给水泵最小流量控制回路。给水泵最小流量控制回路为一单回路控制系统。汽动给水泵A、汽动给水泵B和电动给水泵C的再循环流量控制系统互相独立，结构完全相同，下面以汽动给水泵A再循环流量控制系统为例加以说明。汽动给水泵A最小允许流量可由运行人员在操作画面上手动设定。为了防止设定值的阶跃突变对控制系统的冲击和运行人员误将设定值操作到合理范围之外，该设定值应经过速率限制和上、下限限制。系统自动时，汽动给水泵A最小允许流量设定值和汽泵A入口流量测定值的偏差经PID调节器进行比例积分运算，其输出作为汽泵A再
22、循环阀门的开度控制指令。汽泵A入口流量测量值还需经过汽泵A入口给水温度的修正。给水泵最小流量控制系统仅工作在给水泵汽动和低负荷阶段；锅炉给水流量只要大于最小流量定值，给水再循环调节阀门就关闭。最小流量给水再循环调节阀门常设计为反方向动作，即控制系统输出为0时，阀门全开；输出为100%时，阀门全关。这样在失电或失去气源时，阀门全开，可保证设备的安全。图3-3 CE直流锅炉给水控制系统原理图图3-4 给水泵最小流量控制回路4.超临界机组主汽温控制4.1汽温控制的重要性在大型火电机组控制中，主汽温是一个很重要的被控参数，对锅炉都有明确规定的额定汽温值，并要求在运行中不能有过大的偏差，一般误差范围在+
23、5-10。这是因为：(1) 汽温过高，会使锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕变速度加快，影响使用寿命。例如12Cr1MoV钢在585时考虑约10万h的持久强度，在593时到3万h就丧失其应有的强度。若受热面严重超温，将会因材料强度的急剧下降而导致管子发生爆破。同时，当汽温过高超过允许值时，还会使汽轮机的汽缸、主汽门、调节汽门、前几级喷嘴和叶片等部件的机械强度降低，部件温差热应力、热变形增大，将导致设备的损坏或使用寿命的缩短。(2) 汽温过低将会使机组热效率降低，使汽耗率增大。汽温过低还会使汽轮机末几级叶片的蒸汽湿度增大，这不仅使汽轮机内效率降低，而且造成汽轮机末几级的浸蚀加剧。由于汽温偏低，使机
24、组的理想焓降减少和内效率的降低，机组的功率会随着汽温的下降而自行降低。如要维持机组功率不变，随着汽温的降低，蒸汽流量会自行增大，调节级理想焓降会减少，末级的理想焓降会增大。这样，末级叶片的弯应力由于流量和理想焓降的增大而明显的增大。如汽温下降幅度越大，调门开度增加越多，蒸汽流量增大，从而使末级叶片弯应力可能超过允许值。因此，汽温下降超过规定值时，不允许机组继续带额定负荷，而需要限制机组的出力。汽温的大幅度的快速下降会使汽机金属部件产生过大的热应力、热变形，甚至会发生动静部件的摩擦，更为严重时会导致汽轮机水击事故的发生，造成通六部分、推力轴承严重损坏（汽温降低过大会使汽机的轴向推力增大），对机组
25、的安全运行十分不利的。(3) 过热汽温和再热汽温变化过大，除使管材及有关部件产生蠕变和疲劳损坏外，还将引起汽机差胀的变化，甚至产生机组的振动，危及机组的安全运行。4.2影响过热汽温的主要因素1.燃料、给水比（煤水比）直流锅炉过热蒸汽出口焓hss的表达式为： （41）式中 hss、hfw过热蒸汽出口焓、给水焓，kj/kg B、G燃料量、给水量，kg/h 锅炉效率。可以看出，若公式中hfw、Qar,net和保持不变，则hss（即过热汽温）的值就取决于B/G的比值；若B/G的值不变，过热汽温就保持不变。所以，只要保持适当的燃水比，在任何负荷和工况下，直流锅炉都能维持一定的主汽温。2.给水温度正常情况
26、下，给水温度一般不会有大的变动；但当高压加热器因故障退出运行时，给水温度就会降低。对于直流锅炉，若燃料量不变，由于给水温度降低，加热段加长且过热段缩短，主汽温会随之降低，负荷也会降低。因此，当给水温度降低时，必须改变原来设定的燃水比，即适当提高煤水比，以使过热汽温维持在额定值。3.过量空气系数过量空气系数的变化直接影响锅炉的排烟损失，同时影响到对流受热面与辐射受热面的吸热比例。当过量空气系数增大时，除排烟损失增加、锅炉效率降低外，炉膛水冷壁吸热减少，造成过热器进口温度降低、屏式过热器出口温度降低；虽然对流过热器吸热量有所增加，但在煤水比不变的情况下，末级过热器出口汽温有所下降。过量空气系数减少
27、时，结果与增加时相反。若要保持主汽温不变，则需要重新调整燃水比。4.火焰中心高度火焰中心高度变化的影响与过量空气系数变化的影响相似。在煤水比不变的情况下，火焰中心上移类似过量空气系数增加，过热汽温略有下降；反之，过热汽温略有上升。若要保持主汽温不变，则需要重新调整燃水比。5.受热面结渣燃水比不变的调节下，炉膛水冷壁结渣时，主汽温有所降低；过热器结渣或积灰时，主汽温下降明显。前者发生时，调整煤水比就可；后者发生时，不可随便调整煤水比，必须在保证水冷壁温度不超限的前提下调整煤水比。4.3超临界机组过热汽温的调节4.3.1过热汽温的粗调（即煤水比的调节）对于直流锅炉，控制主蒸汽温度的关键在于控制锅炉
28、的煤水比，而煤水比合适与否则需要通过中间点温度来鉴定。在直流锅炉运行中，为了维持锅炉过热蒸汽温度的稳定，通常在过热区段中取一温度测点，将它固定在相应的数值上，这就是通常所谓的中间点温度。实际上把中间点至过热汽出口之间的过热区段固定，相当于汽包炉固定过热器区段情况类似。在过热汽温调节中，中间点温度实际是与锅炉负荷有关，中间点温度与锅炉负荷存在一定的函数关系，那么锅炉的煤水比B/G按中间点温度来调整，中间点至过热器出口区段的过热汽温变化主要依靠喷水减温调节。对于直流锅炉，其喷水减温只是一个暂时措施，要保持稳定汽温的关键是要保持固定的煤水比。其原因是：从图4-1可以看出直流炉G=D，如果过热区段有喷
29、水量d，那么直流炉进口水量为(G-d)。如果燃料量B增加、热负荷增加，而给水量G未变，这样过热汽温就要升高，喷水量d必然增加，使进口水量(G-d)的数值就要减少，这样变化又会使过热汽温上升。因此喷水量变化只是维持过热汽温的暂时稳定（或暂时维持过热汽温为额定值），但最终使其过热汽温稳定，主要还是通过煤水比的调节来实现的。而中间点的状态一般要求在各种工况下为微过热蒸汽。图4-1 超临界压力锅炉工作示意图石洞口二厂超临界压力直流锅炉中间点温度选择为内置式分离器的出口温度，以该点作为中间点有以下几方面的好处：(1) 能快速反应出燃料量的变化。当燃料量增加时，水冷壁最先吸收燃烧释放出的辐射热，分离器出口
30、温度的变化比依靠吸收对流热量的过热器快得多。(2) 中间点选在两极减温器之前，基本上不受减温水流量变化的影响，即使发生减温水量大幅度变化，按锅炉给水量=给水泵入口流量-减温水量，中间点温度送出的调节信号仍保证正确的调节方向。(3) 当锅炉负荷大于37%MCR时,分离器呈干态，分离器出口处于过热状态，这样在分离器干态运行的整个负荷范围内，中间点具有一定的过热度，而且该点靠近开始过热的点。从直流锅炉汽温控制的动态特性可知：过热汽温控制点离开工质开始过热点越近，汽温控制时滞越小，即汽温控制的反应明显。根据中间点温度可以控制燃料给水之间的比例。在运行中，当负荷变化时，如煤水比维持或控制得不准确，中间点
31、温度就会偏离设定值。中间点温度的偏差信号指示运行人员或计算机及时调节煤水比，消除中间点温度的偏差。如能控制好中间点温度（相当于固定过热器区段），就能较方便地控制其后各点的汽温值。但需要强调的是，中间点温度的设定值与锅炉特性和负荷有关，如变压运行，饱和温度随压力下降而降低，中间点温度也随之下降（保证有一定的过热度），而不是一个固定值。石洞口二厂超临界压力直流锅炉是以锅炉给煤量与总燃料量为基础的函数作为基本的需求信号，再加上燃烧器摆角修正、分离器出口温度修正、分离器出口温度微分信号就产生了给水需求信号。在机组启动状态中，或机组自动启停系统(UAM)在自动方式下，则给水需求信号由自动启停系统发生，其
32、原理如图4-2所示。图42 给水需求信号原理图分离器出口温度修正，即为中间点温度修正，其作用就是修正煤水比，其修正原理是：对给定的锅炉负荷，其允许的喷水量与分离器出口温度有一定关系。或者说，当喷水量与给水量的比例增加时，说明煤与水的比例中煤多一些，而煤量一多，反应最快的是分离器出口温度。正常的分离器出口温度与分离器压力有一定的函数关系，喷水量与给水量的比例又是锅炉负荷的函数。分离器出口温度修正原理与图4-3所示。图43分离器出口温度修正原理4.3.2过热汽温的细调考虑到实际运行中锅炉负荷的变化，给水温度、燃料品质、炉膛过量空气系数以及受热面结渣等因素的变化，对过热汽温变化均有影响，因此在实际运
33、行中要保证比值B/G的精确值也是不容易的。特别是燃煤锅炉，控制燃料量是比较粗糙的，这就迫使除了采用B/G作为粗调的调节手段外，还必须采用在蒸汽管道设置喷水减温器作为细调的调节手段。石洞口二厂1900t/h超临界锅炉的过热汽温调节方法是采用水煤比进行粗调，二级喷水减温进行细调。其中第一级喷水减温器装置在前屏过热器与后屏过热器之间，消除前屏过热器中产生偏差；第二级喷水减温器装置在后屏过热器与高温过热器之间，维持过热器出口汽温在额定值。4.3.2.1超临界机组屏式过热器汽温调节以屏式（后屏）过热器入口汽温与锅炉负荷作为基本调节回路，再加上修正信号，通过改变喷水调节器（一级喷水减温）的开度来调节汽温。
34、图4-4为屏式过热器汽温调节的基本回路。在机组自启停装置（UAM）投自动时，喷水调节阀开度决定于UAM指令。当UAM指令不在自动时则由锅炉负荷的函数得到屏式过热器入口汽温的设定值。当燃烧器倾角变化、屏式过热器入口汽温变化或其它运行工况变化时，则在该入口汽温的设定值上再加上修正信号，实际的屏式过热器入口汽温与设定值的偏差决定喷水减温器的开度。这一屏式过热器汽温调节的修正信号综合了煤水比修正与屏式过热器出口汽温偏差的修正，其中屏式过热器出口汽温的设定值由锅炉负荷函数与高温过热器的喷水函数的差值得到。这样设计的目的是当高温过热器的喷水量大于或小于一定范围后，通过改变屏式过热器的出口汽温，以使高温过热
35、器的喷水量恢复到前述范围内，保证高温过热器有一定的可调范围。而煤水比修正信号是通过前馈方式送到过热器入口汽温设定值修正回路，如图4-5所示。图44 屏式过热器汽温调节的基本回路图45 屏式过热器入口汽温设定值修正在屏式过热器汽温调节回路中，屏式过热器汽温有一个切换点，它是由于分离器由湿态到干态的切换影响。在启动过程中，分离器由湿态转向干态运行时，用增加燃料量的方法。当炉内燃料量增加时，炉膛出口烟温也增加，使炉膛内单位公斤燃料的放热量反而减少，就是说对于前、后屏过热器，单位公斤燃料的吸热量反而减少。另外，在湿态转换到干态运行过程中，通过前屏过热器的蒸汽流量是增加的，这样屏式过热器的汽温是随着负荷
36、的增加反而减少（相当于辐射过热器的汽温特性），因此屏式过热器入口（后屏入口）汽温有一个下降的过程。当分离器转入干态运行后，也即锅炉转入直流运行，其汽温变化是随着锅炉负荷（燃料量）的增加而增加的。因此分离器由湿态转入干态运行过程中屏式过热器入口汽温有一个明显切换点。4.3.2.2超临界机组高温过热器汽温调节 从控制原理来看，高温（末级）过热器的汽温控制回路与屏式过热器的汽温控制回路基本相同，它也是一个基本回路和一个修正回路所组成。在机组自动启停装置(UAM )投自动时，喷水调节阀开度决定于UAM指令。当UAM指令不在自动时则由锅炉负荷的函数得到基本的高温过热器入口汽温的设定值。同样在其它工况变化
37、时，则在这一基本设定值上再加上修正信号。在高温过热器入口汽温曲线上同样有一个切换点，它也是由于分离器由湿态转换到干态运行的影响。主汽温度控制的修正信号，其原理如图4-6所示，主汽温度设定值的修正参考了锅炉热应力裕度、汽机热应力裕度与汽机需求温度。其中汽机需求温度是在暖机、初负荷阶段使用。正常后，这一信号用主蒸汽温度设定值代替，见图4-6。主汽温度设定值，高温过热器入口汽温设定值均为锅炉负荷的函数，其曲线见图4-7。图46主汽温度修正信号图47 高温过热器入口、出口温度与锅炉负荷关系5.超临界机组再热汽温控制为了提高发电机组的热效率，高参数大容量机组广泛采用中间再热器，以提高进入中压缸的蒸汽温度
38、。保持再热器出口汽温，除了为保障机组有设计的热效率外，还与保持主汽温的目的一样，是为了确保机组的安全运行。影响再热器出口汽温的因素很多，如：机组负荷的大小；火焰中心位置的高低；各受热面的积灰的多少；燃料、送风和给水的配比情况等。5.1再热蒸汽温度调节特点1) 再热蒸汽压力低于过热蒸汽，一般为过热蒸汽的1/41/5。由于蒸汽压力低，再热蒸汽的定压比热较过热蒸汽小，这样在等量的蒸汽和改变相同的吸热量的条件下，再热汽温的变化就比过热汽温变化。因此当工况变化时，再热汽温的变化就比较敏感，且变化幅度也较过热蒸汽为大。反过来在调节再热汽温时，其调节也较灵敏，调节幅度也较过热汽温大。2) 再热器进口蒸汽状况
39、决定于汽轮机高压缸的排汽参数，而高压缸排汽参数随汽轮机的运行方式、负荷大小及工况变化而变化。当汽轮机负荷降低时，再热器入口汽温也相应降低，要维持再热器的额定出口汽温，则其调温幅度大。由于再热汽温调节机构的调节幅度受到限制，则维持再热汽温的负荷范围受到限制。3) 再热汽温调节不宜采用喷水减温方法，否则机组运行经济性下降。再热器置于汽轮机的高压缸与中压缸之间。因此在再热器喷水减温，使喷入的水蒸发加热成中压蒸汽，使汽轮机的中、低压缸的蒸汽流量增加，即增加了中、低压缸的输出功率。如果机组总功率不变，则势必要减少高压缸的功率。由于中压蒸汽做功的热效率低，因而使整个机组的循环热效率降低。从实际计算表明，在
40、再热器中每喷入1% MCR的减温水，将使机组循环热效率降低0.1%0.2%。因此再热汽温调节方法采用烟气侧调节，即采用摆动燃烧器或分隔烟道等方法。但考虑为保护再热器，在事故状态下，使再热器不被过热烧坏，在再热器进口处设置事故喷水减温装置，当再热器进口汽温采用烟气侧调节无法使汽温降低，则要用事故喷水来保护再热器管壁不超温，以保证再热器的安全。4) 采用再热器目的是降低汽轮机末几级叶片的湿度和提高机组的热经济性，在超高压和亚临界压力机组中，再热汽温与过热汽温采用相同的温度。而在超临界压力机组，如果再热汽温采用与过热汽温相同值，则汽轮机末几级叶片的湿度仍比较大，则需要采用较高的再热汽温，以减少其末几
41、级叶片的湿度。石洞口二厂超临界压力的1900t/h的直流锅炉，其再热汽温采用569，管材质采用X8CrNiNb1613.5) 再热蒸汽压力低，再热蒸汽放热系数低于过热蒸汽，在同样蒸汽流量和吸热条件下，再热器管壁温度高于过热器壁温。特别CE技术制造600MW的锅炉机组，再热器采用高温布置，均布置于炉膛出口（折焰角上部），其壁温比较高。超临界压力直流锅炉的再热蒸汽温度要求569，这一方面要求采用材质要满足，另一方面在运行中严格控制再热器的壁温。5.2再热汽温调节再热汽温调节采用烟气侧调节，再热器进口设置事故喷水减温器作为事故状态下保护再热器，不使其超温破坏。对于600MW机组锅炉的烟气侧调节再热汽
42、温方法主要是摆动燃烧器角度和分隔烟气档板，CE型式的锅炉采用摆动燃烧器角度调节再热汽温，而Babcock和FW公司的锅炉多数采用分隔烟气挡板调节再热汽温。1) 烟气再循环法烟气再循环法，是用烟气再循环风机把部分烟气从省煤器后抽出，再从炉膛冷灰斗处进入炉膛。2) 改变燃烧器喷嘴倾角法改变燃烧器喷嘴倾角就改变了火焰中心的位置和炉膛出口的烟气温度，各受热面的吸热比例也相应变化，因此实现了再热汽温的调节。3) 分隔烟气挡板调节法分隔烟气挡板调节就是通过改变流过一、二次蒸汽受热面的烟气分配比例调节再热汽温的。4) 喷水减温法再热器的喷水减温调节系统与主蒸汽喷水减温的汽温调节系统相似。不过一般作为事故情况
43、的调节手段。5.3外高桥电厂再热汽温控制系统分析该炉型再热器采用二级布置，均位于锅炉烟道对流区域。受热面呈水平状，其中，一级再热器逆流布置，二级再热器顺流布置。再热蒸汽温度控制采用燃烧器喷嘴摆动调节和喷水调节相结合的方法。燃烧器喷嘴摆动调节范围为30，喷水调节采用二级6路，即一级再热器前2路喷水减温器。二级再热器前4路喷水减温器。喷水源来自于给泵抽头，喷水压力为160.4bar。再热蒸汽温度控制策略如图5-1所示。减温器1.1和1.2用于一级再热器前2路冷再事故喷水，减温器2.1、2.2、2.3和2.4用于二级再热器前4路再热蒸汽超温喷水。图中虚框1为第1路冷再喷水控制示意图，虚框2为第1路再
44、热喷水控制示意图，虚框3为燃烧器摆角控制示意图。锅炉再热蒸汽温度调节采用改变燃烧器的摆角和调节减温器喷水量相结合的方法来进行。由于两级再热器均布置在烟气对流区域，燃烧器摆角的位置对再热蒸汽温度产生很大的影响，所以改变燃烧器摆角作为再热蒸汽温度调节主要手段，二级再热器前4路喷水减温器作为启动或变工况运行时的辅助调温手段，一级再热器前2路喷水减温器作为事故喷水。5.3.1燃烧器的摆角控制5.3.1.1负荷对燃烧器摆角的影响在虚框1中，稳态时燃烧器摆角位置主要由燃烧率决定，燃烧率经过函数f1(x)计算后作为燃烧器摆角位置的设定值，一定的燃烧率对应一定的摆角位置，根据ALSTOM提供的数据，50%负荷
45、以下为10，70%负荷时为1，90%负荷时为2，100%负荷时为0(即水平位置)。f2(x)为燃烧率的一阶微分(其中系数Kp取负值)，作为负荷大于50%时燃烧率变化时燃烧器摆角位置指令的前馈信号。由于f2(x)函数中乘了一个负的系数，故在升负荷时f2(x)为负数；而负荷越高，经过f1(x)计算后燃烧器摆角的位置越低，如果再加上负的前馈信号f2(x)，燃烧器摆角的位置更加低，这样，抵消了由于燃烧率的增加引起的烟气温度的上升，可以防止负荷增加瞬间再热蒸汽超温。反之，在减负荷瞬间可以防止再热蒸汽降温。一阶微分函数f2(x)中的时间T是一个与负荷有关的函数，负荷越高，时间T越小。稳态时由于给水跟随燃烧
46、率作了相应变化，过热汽温和再热汽温均趋于稳定，f2(x)为0，不再起前馈作用。5.3.1.2燃烧器摆角对再热蒸汽温度的影响由于燃烧器摆角对再热汽温产生显著的影响，故在50%以上负荷时，引入二级再热器出口平均温度与设定值的偏差，作为PI调节器的输入，以便在实际再热蒸汽温度偏离设定值时修正燃烧器摆角位置。从图中可以得出，实际再热蒸汽温度大于568时将摆角向下倾斜，用降低烟温的方法使再热汽温下降；当再热汽温小于568时抬高摆角，提高烟温。图5-1 再热蒸汽温度控制回路图5.3.1.3抵消热偏差的方法虚框1中有一个比较特殊的功能，即对再热汽温热偏差的控制。如图5-1所示，当再热蒸汽左右侧温度偏差的绝对
47、值T1/3-T2/4（热偏差)大于10K时，PI调节器输出正值，抬高燃烧器摆角，将左右侧再热蒸汽温度都提高，依靠喷水调节使温度较高的一侧多喷点水(使再热汽温维持在573附近)，温度较低的一侧少喷点水甚至不喷水，将两侧热偏差缩小至限值10K以内。但如果此时引起热偏差的原因未消除，摆角仍将保持较高的位置，仅仅依靠增加温度较高侧的喷水量来抵消热偏差。只有当热偏差原因消除后，温度稍高的一侧由于热量的减少和喷水量的减少互相抵消，仍将维持在再热蒸汽喷水设定值573附近；而汽温稍低的一侧由于热量的增加而使再热汽温上升，提高了再热蒸汽两侧的平均温度，使PI调节器的入口偏差出现负值，从而使再热器摆角向下倾斜回复
48、至原位置。5.3.2再热汽温喷水控制 (1) 锅炉正常运行时，再热蒸汽温度主要由燃烧器摆角调节。但再热汽温超限时依靠喷水调节。图5-2为产生再热蒸汽喷水温度设定值的详细逻辑。从图5-2可以看出，在汽机接受全部蒸汽且旁路全关时(由于本汽机采用高中压缸联合冲转方式，旁路参与压力调节，故冷态启动时本工况点发生在28%机组负荷以后，极热态启动时发生在33%机组负荷以后)，或在主蒸汽流量大于10%且二级再热器出口联箱应力超限时，再热蒸汽喷水温度设定值受一定的升温率或降温率限制。而在主蒸汽流量10%以下，或在10%28%(或33%)负荷但二级再热器出口联箱应力不超限的工况时，再热蒸汽喷水温度设定值不受升温率或降温率限制，即速率限制器的输出跟踪输入。(2) 再热蒸汽喷水温度设定值由图5-2中标有符号、的信号取小值得到。信号的含义是在汽机接受全部蒸汽且旁路全关(28%或33%负荷
