锅炉过热器特性在电厂运行控制中的应用

5）过量空气系数。过剩空气量发生改变时，燃烧产生的烟气量也会随之改变，由此可以改变所有对流受热面的吸热量，而且对于远离炉膛出口的受热面影响更加显著。所以，过量空气系数增大，直流锅炉过热汽温下降，而汽包锅炉过热汽温上升。
6）受热面玷污或结渣。直流锅炉中，受热面玷污或结渣会导致吸热量降低，过热汽温降低；而在汽包锅炉中，玷污或结渣位置不同，过热汽温变化也会不同，例如，过热器前面的受热面上有时，进入过热器的烟气温度上升，会使过热汽温随之升高，但是如果过热器本身粘有灰尘或者污垢会导致过热汽温下降。
现在的电站锅炉可以分为汽包锅炉以及直流锅炉两大类。这两类锅炉由于在运行特性上的不尽相同，所以在过热蒸汽温度控制上也有所出入。
一．过热器运行特性
1.影响过热蒸汽温度变化的因素
在火电厂中，饱和蒸汽在过热器或者过热段中加热成为具有一定过热度的过热蒸汽，然后被送往汽轮机做功。这里的过热蒸汽温度并不是一成不变的，有许多因素能够影响汽温的变化，这其中有运行的问题，也有设计的问题。这里我们只讨论运行中对过热汽温有影响的因素。
又有 可知,负荷增加时,总辐射换热量增加幅度受限，没有负荷增加的快，所以辐射式换热器出口蒸汽温度下降。
综合来看，过热器出口蒸汽温度变化情况如图1-3所示。过热器的静态特性直接受其选择的结构和和布置方式的影响。
图1-3汽温与锅炉负荷变化特性
目前容量较大的锅炉过热器会将辐射式过热器和对流式过热器串联设置。这样的结构对减小过热器出口汽温的偏差十分有利，从而达到改善过热汽温被控对象静态特性的目的。
图2-2串级过热汽温控制系统
系统中有主副两个调节器, 主调节器接受被调量出口气温 及其给定值信号 , 主调节器PI1的输出 与喷水减温器出口气温 共同作为副调节器PI2输入, 副调节器PI2的输出控制执行机构位移, 从而控制减温水调节阀门的开度。假如有喷水量 的自发性上升造成内扰, 如果不及时加以调节,出口气温 将会下降。但因为喷水内扰引起的 下降快于 的下降, 温度测量变送器输出 降低, 副调节器PI2输出降低, 通过执行器使喷水阀开度下降, 则 降低, 使扰动引起的 波动很快消除, 从而使主气温 基本不受影响。另外副调节器还受到主调节器输出的影响, 假如负荷或烟气扰动引起主气温 提高, 测量变送器输出 增加, 对主调节器是反作用, 主调节器输出 降低, 对副调节器也是反作用, 使副调节器输出增加, 通过执行器使喷水阀开度提高, 则 提高, 从而稳定主气温 。
2．汽包锅炉过热蒸汽温度的静态特性
过热蒸汽温度随锅炉负荷变化的静态关系被称为过热汽温被控对象的静态特性。
1）对流特性
在汽包锅炉中，最为常用的是对流式过热器，它采用的是管组比较密集的蛇形管式。它通常被置于高温烟道中，烟气横向和纵向的通过此处，热量就主要通过烟气对流的方式传给管道，其中有一部分的辐射吸热量。如图1-1示。
3．直流锅炉过热蒸汽温度的静态特性
对于直流锅炉而言，热水段、蒸发段、过热段没有固定的分界线，这是直流锅炉运行特性区别于汽包锅炉的根本原因。
图1-4直流锅炉过热段物理模型
由直流锅炉物理模型可以得到：
（3）
对（3）式两边微分可以得到：
（4）
式中
m ——燃水比， ；
——再热份额， ；
——过热减温水份额， 。
2）辐射特性
屏式过热器被布置在炉膛出口处或内上部，属于辐射式或半辐射式过热器，由多片管屏组成。辐射式过热器是一种直接吸收炉膛内火焰的热量和高温烟气辐射的过热器。如图1-2所示。
图1-2汽包锅炉辐射式过热器物理模型
由上述物理模型可以得到：
式中：
——辐射换热量（kJ定压热容，烟气容积。
由以上分析可知，在扰动的作用下，过热汽温被控对象都会体现出惯性，延时，还有保持自身平衡的能力。在以上三种扰动中，通过对比 值可知，蒸汽流量扰动时的值最小，喷水量扰动时的值最大。
5. 直流锅炉的动态特性
1）燃料量扰动时的动态特性
图1-8燃料量扰动下的动态特性
图1-8为燃料量扰动下直流锅炉有关参数响应曲线。在燃料量阶跃增加的情况下，经过短暂迟延后，各受热面吸热量迅速增加，使蒸汽流量迅速增加（通常称之为附加蒸发量）。对过热段受热面来说，吸热量与蒸汽流量同时增加，而使得开始时过热汽温基本不变。由于给水流量没有改变，附加蒸发量使炉内工质储量减少，热水段与蒸发段减少，蒸汽流量经过一个峰值后逐渐减少，直至与给水流量相等。同时，过热段增加及炉膛发热量增加，过热蒸汽温度经过一端时间迟延后迅速上升，最后的明显偏差反映了燃水比例的变化。蒸汽压力首先是随着蒸汽流量增加而上升，随后虽然蒸汽流量逐步下降，但蒸汽温度升高而造成蒸汽容积流量的增大，沿程压力降的增加而使蒸汽压力保持较大的偏差。
二．汽包锅炉过热蒸汽温度控制
汽包锅炉过热汽温对象的延迟和惯性较大，目前电厂广泛的采用喷水减温来调节过热汽温。图2-1为某电厂300MW燃煤凝气式机组的过热蒸汽流程。
图2-1过热蒸汽流程示意
针对过热汽温调节对象调节通道惯性延迟大、被调量出口气温反馈慢的特点, 从对象的调节通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号（喷水减温器出口气温）作为调节器的补充反馈信号, 以改善对象调节通道的动态特性, 提高调节质量。构成的串级过热汽温调节系统见图2-2。
图1-1汽包锅炉对流式过热器物理模型
由上述的物理模型可以得到：
(1)
式中：
——对流换热量（kJ/kg）；
——保热系数；
、 ——烟气平均比定压热容，烟气容积。
对(1)式两边微分可得
(2)
由于负荷增加时，炉膛出口出温度变化要比排烟温度剧烈，则有 ，所以可以得出对流换热量增加。
又有 可知，燃料量与负荷变化幅度相同，所以过热蒸汽的温度变化与对流换热量有关，所以负荷增加时，对流换热量增加，出口蒸汽温度上升。
4）燃烧器角度。在炉膛中置入不同高度的燃烧器或者把燃烧器倾角改动，炉膛内部的温度分布会发生变化，炉膛出口处的烟气温度会受到影响，从而在一定程度上也会影响过热汽温。同样，燃烧器角度对直流炉与汽包炉的影响不尽相同。对于直流炉，火焰中心位置上移，过热汽温下降，这是由于热水段增长，过热段相应减少的缘故；对于汽包炉，火焰中心位置上移，过热汽温上升，这是由于炉膛出口烟气温度上升，造成对流烟道换热增强。
用减温水控制蒸汽的温度是至今为止应用最多的一种方法。在过热器温度最高处的前段放置喷水式减温器有很多优点。此种安装方法不但可以改进系统的控制效果，还可以为过热器的高温区域提供保护。在此种方法中，以减温喷水量扰动作为干扰量。过热器的控制对象含有分布参数，就是可以把管内的蒸汽和金属管壁的多容对象看成是由无数个单容对象串联得来的。当减温喷水量有所改变时，主汽温度需要这些多容对象才能引起变化。所以，主汽温的响应延迟的时间很长。如图1-7所示，为过热汽温在喷水量扰动下的响应曲线。由该曲线可知，喷水扰动比上文中的两种扰动有更大的惯性和延时。
由上式可以看出，直流锅炉过热蒸汽温度会受到给水温度、燃水比、燃料低位发热量、锅炉效率、再热份额以及减温水份额的影响。
4.汽包锅炉过热蒸汽温度的动态特性
过热汽温与引起汽温变化的扰动之间的动态关系，被称为过热汽温被控对象的动态特性。如前所述，蒸汽流量变化、流经过热器的烟气温度及流速变化、锅炉受热面结垢、锅炉给水温度变化、燃烧工况变化、进入过热器的蒸汽焓值变化等等，很多因素都会对过热器出口蒸汽温度造成影响。在它们的作用下汽温被控对象的动态特性都有一定的惯性和延时。其中主要有以下三种扰动
锅炉运行特性在电厂运行控制中的应用
—电站锅炉过热汽温控制
过热蒸汽温度是锅炉运行的重要指标之一，维持过热蒸汽温度在规定的范围内，是电厂安全经济运行的重要保证。电站锅炉过热汽温控制的主要任务就是维持过热蒸汽温度稳定、控制过热蒸汽温度在允许的范围内、保证整个过热器不要超温。之所以控制过热蒸汽温度在允许的范围内，是由于过高的蒸汽温度会造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属材料损坏，降低使用寿命；而过低的蒸汽温度又会降低电厂的循环热效率，影响汽轮机的安全经济运行；并且如果过热蒸汽温度变化过大，会导致锅炉和汽轮机金属管材及部件的疲劳，危及机组的安全。
从图2-2中可看到, 串级系统和单级系统有一个显著的区别, 即在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面, 被称为内回路或副回路, 包括副对象（其输入为调节量 , 输出为 ）、副参数 测量变送器、副调节器PI2、执行器、喷水阀。内回路任务是尽快消除减温水量的自发性扰动和其他进入内回路的各种扰动（喷水减温器入口蒸汽温度、流量变化）, 在调节过程中起着粗调的作用；副调节器一般采用比例或比例积分调节器。一个闭环在外面,被称为外回路或主回路, 包括主对象（即过热器, 其输入为 ，输出为 )、主参数 测量变送器、主调节器、副回路，外回路的任务是保持过热器出口气温等于给定值, 起细调作用, 主调一般采用比例积分或比例积分微分调节器。
2）烟气量扰动下汽温的动态特性
图1-6过热汽温在烟气流量扰动下的响应曲线
过热汽温在烟气侧扰动下的响应曲线，如图1-6所示。它与蒸汽量扰动下得情况类似。汽温变化的延迟很小，一般只有十几秒的时间，这也是因为在整个过热器上同时发生烟气传热量改变的原故。
3）减温水量扰动下汽温的动态特性
图1-7过热汽温在减温水量扰动下的响应曲线
2）给水量扰动时的动态特性
图1-9给水量扰动下的动态特性
给水量扰动下直流锅炉动态特性如图1-9。由于水不可压缩，但蒸汽可压缩，因此，给水量阶跃上升，蒸汽量的增加具有一定迟延和惯性；而过热汽温变化与燃料量扰动相似，有较大迟延。给水量扰动最终改变各受热面积比例，过热汽温呈现较大稳态偏差反映燃水比改变。蒸汽量的增加，造成蒸汽压力上升，之后由于温度下降而下降，最终由于工质总吸热量不变，所以最后回到扰动前的值。
三．直流锅炉过热蒸汽温度控制
由（4）式，可以看出：直流锅炉过热蒸汽温度会受到给水温度、燃水比、燃料低位发热量、锅炉效率、再热份额以及减温水份额的影响。考虑到电厂实际情况，要维持机组有好的经济性，给水温度就不能太低，而燃料的低位发热量一般来说不会发生变化，锅炉效率调节幅度也不是很大，所以，能过调节过热汽温的因素只有三个，但是再热蒸汽温度比过热蒸汽温度要更难调节，所以再热份额更多的是用来调节再热蒸汽温度。