有关直流锅炉的一些调节分析

有关直流锅炉的一些运行分析

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、燃烧率的变化而前、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温偏低，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t，若t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。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P立即增加，随即逐渐减少，并恢复初始值，汽轮机阀前压力P T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P T和功率P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P T、功率P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P却有所减少；汽压P T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，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。

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，燃料、给水、汽温3个控制系统之间的联系没有那么紧密，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，这是直流锅炉控制最突出的特点。

(1)汽水分离器水位控制

超临界机组一般采用内置式汽水分离器，以我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10%BMCR。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NWL阀、HWL1阀和HWL2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,我厂三期的直流炉点火后的水量一般控制在300多吨左右。当水冷壁出口（进入分离器）工质的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35%BMCR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100%BMCR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NWL、HWL1与HWL2三个控制阀。NWL、HWL1与HWL2共同控制分离器水位。通过NWL阀可以将疏水排入除氧器，可回收工质和热量。三阀开度有一定的重叠度，这有利于水位稳定。NWL阀回收工质和热量，故首先开此阀，NWL阀开足后水位还无法控制时开HWL1阀，随后再开HWL2阀。HWL1与HWL2阀疏水排入扩容器，造成热损失。

NWL阀动作还受到除氧器压力的限制，除氧器压力大于0.6MPa时阀联锁保护自动关闭，只有当除氧器压力降低到0.6MPa以下时才允许重新开启。关于这一点每次启动中容易忘记监视，曾经就发生过类似的事件，启动中要时刻监视除氧器压力，以防止压力过高使的NWL阀连锁关闭，再加上HWL1与HWL2的调节有一定的延迟可能会导致分离器水位突然过高而MFT。

(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。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行重要过程参数均产生较大影响。对于机组负荷和主蒸汽压力也有其它控制手段，而一旦给水控制如果工作欠佳的话，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。在我厂的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%负荷的电动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。

4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。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10万小时的持久强度，在593℃时到3万小时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。 5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h ″ss 的表达式为： G BQ h h net ar fw ss η,+=''

式中 h ″ss 、h fw ————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h fw 、Q ar,net 和?保持不变，则h ″ss （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).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；对流过热器吸热量有所增加，由于五六号机汽温特性是对流特性因而末级过热器出口汽温有所上升。过量空气系数减少时，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。在运行中煤质变差时煤量就会增加，过量空气系数也会有相应增加导致汽温偏高。

(3).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，过热汽温略有上升；反之，过热汽温略有下降。若要保持主汽温不变，则需要重新调整燃水比。曾经发生过炉膛水封破会的事故，当时就是火焰中心上移导致汽温偏高，但是分离器出口的温度或者说中间点温度反而有下降的趋势。

(4)受热面结渣

燃水比不变的调节下，炉膛水冷壁结渣时，主汽温有所升高；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。

6超临界机组过热汽温的调节

(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。直流炉如果过热区段有喷水量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。

我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：

A 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，分离器出口温度的变化比依靠吸收对流热量的过热器快得多。

B中间点选在两级减温器之前，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。

C当锅炉负荷大于35%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。

我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。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

(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。我厂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。

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。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。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。在屏式过热器汽温调节中，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。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。

7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。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。

(1)再热蒸汽温度调节特点

A 再热蒸汽压力低于过热蒸汽，一般为过热蒸汽的1/4～1/5。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大。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。

B 再热器进口蒸汽状况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。

C 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增加过量空气系数等方法。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。

D 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。我厂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。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。

8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温方法主要是摆动燃烧器角度和分隔烟气档板，而我厂的锅炉采用摆动燃烧器角度调节再热汽温。

(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。（我厂三期不采用这种方式）

(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（我厂三期不采用这种方式）

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的调节手段。

9抵消再热蒸汽热偏差的方法

当再热蒸汽左右侧温度偏差的绝对值较大时，可以抬高燃烧器摆角，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(使再热汽温维持在额定植附近)，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。

HAO