锅炉温度控制系统

第一章 汽温控制系统的组成与对象动态特性 本章将以330MW的单元机组锅炉为例，通过研究其高温、亚临界压力、中间再热、自然循环、单炉膛前后对冲燃烧、燃煤粉汽包炉，且汽轮机为单轴、三缸、两排汽、再热、凝汽冲动式，说明过热器与再热器在锅炉中的位置及布置情况，从而全面掌握研究对象的生产过程，并熟悉其动态特性及分析影响汽温变化的各种因素。 1.1 过热器的分类及基本结构 1.1.1 过热器的分类 过热器可以根据它所采用的传热方式分为对流过热器、半辐射过热器及辐射过热器三种。对流过热器是放在炉膛外面对流烟道里的过热器，它主要以对流传热方式吸收流过它的烟气的热量。半辐射过热器也称屏式过热器，一般放在炉膛上部出口附近，它既吸收炉膛火焰的辐射热，又以对流方式吸收流过它的烟气的热量。辐射过热器是放在炉顶或炉墙上的过热器，它基本上只吸收炉膛内火焰和烟气的辐射热。 现代大容量高参数锅炉的过热器主要由对流过热器，屏式过热器，包覆过热器，顶棚过热器，联箱及减温器构成。制造它们的材料一般都是合金钢，有的还需用特种钢来制造。 （1）对流过热器：布置在烟道内，依靠热烟气对流传热的过热器，称为对流式过热器。对流过热器是由联箱和很多细长的蛇形管束所组成。蛇形管可作立式或卧式布置。过热器的进出口联箱放在炉墙外部，起着分配和汇集蒸汽的作用。蛇形管与联箱上的管接头焊接在一起。 大容量锅炉的对流过热器布置在烟温很高的区域内，其蒸汽温度和管壁的热负荷都很高。而蒸汽侧放热系数比省煤器中的水或蒸发受热面中的汽水混合物的放热系数都低的多，因此过热器受热面必须用具有良好的高温强度特性的优质碳素钢或含有铬、钼、钒的耐热合金钢制造。过热器管子用什么材料制造，取决于它所处的工作条件。现代锅炉对流过热器多采用立式布置，因为这样可以采用简单可靠的悬吊固定方法，而卧式过热器的固定比较困难。立式布置的主要缺点，是停炉时积存在管内的凝结水不易排出，容易引起蛇形管下部弯头腐蚀。 （2）辐射过热器：辐射过热器可布置在燃烧室四壁，也称墙式或壁式过热器，或布置在炉顶，称顶棚过热器，直接吸收辐射热。在做墙式布置时辐射过热器的管子可以布置在燃烧室四壁的任一面墙上，可以仅布置在燃烧室上部，也可以沿燃烧室高度全部布置；它可以集中布置在某一区域，也可以与蒸发受热面管子间隔布置。 在自然循环锅炉中，辐射过热器管子布置在燃烧室上部，能使管子避开热负荷最高的火焰中心区域。但是这种布置会使水冷壁管的吸热高度降低,可能影响水循环的安全性。如果辐射过热器沿燃烧室全部高度布置，则处于火焰中心区的管子容易过热烧坏。特别是升火过程中，为保证管子的冷却必须采取从外界引进蒸汽等专门措施。在直流锅炉中，情况有所不同，水冷壁上部都有一定的过热度，相当于辐射过热器，由于上部炉温较低，所以可保证安全。 在国产自然循环锅炉中，未采用墙式布置的辐射过热器，而多采用布置在炉顶的顶棚过热器，受热面为紧靠炉顶的直管，称为顶棚管。这种过热器的辐射传热作用较墙式过热器为弱，但因处于较低的烟气温度场，工作比较安全可靠，与屏式过热器和包覆过热器配合使用，效果较好。 （3）屏式过热器和包覆过热器 除了上述两种过热器外，还有一种介于两者之间的半辐射过热器。最常用的半辐射过热器是布置在燃烧室上部或出口处的高温烟区内的屏式过热器。其结构特征为几排拉稀的管屏。屏式过热器沿炉宽平行布置，管屏数目一般为8—16片，屏片间距为0.5—2米，各跟管子之间的相对间距S2/d在1.1左右，屏中并联管子的数目为15—30跟。管屏悬挂在炉顶的钢梁上，受热后能自由的向下膨胀。为了保持各屏间的节距，可将相临两屏中的若干对管子弯绕出来互相夹持在一起，而各屏本身的管子也应夹持在同一平面上。屏式过热器布置在对流过热器前面，以降低对流过热器入口烟温，避免对流过热器结渣。屏式过热器的汽温变化特性介于辐射与对流过热器之间，所以变化也比较平稳。 图1-1是布置在不同烟温区域内的过热器的汽温特性示意图。从图中可以看出，当锅炉负荷从33%增加到满负荷时，曲线1所示的屏式过热器的汽温变化非常平稳，仅上升了10℃；曲线2和3所示的对流过热器的汽温上升了42℃和50℃；而曲线4代表的辐射过热器的汽温却大幅下降了。由于屏式过热器具有过热汽温平稳的特点，在现代大型锅炉上广泛地采用了这种过热器。 为了得到较好的传热效果，最好把屏式过热器布置在烟温为950—1050℃的烟道中。屏式过热器进口烟温的选择，应保证燃料进入屏式过热器前已燃尽，否则在屏区再燃烧会严重影响管屏的工作安全。根据已采用屏式过热器的许多锅炉运行实践证明，它能够在1000—1300℃烟温区内可靠工作，并具有良好的汽温变化特性。 1.1.2 过热器的基本结构

图1-1 布置在不同烟温区域内的过热器气温特性 1-布置在烟温1200℃区域的屏式过热器；2、3-布置在烟温为1000℃ 和900℃区域内的对流过热器；4-布置在燃烧室内的辐射过热器 300MW单元机组是现在是我国火力发电机组的主力型号，多采用亚临界参数及中间再热。330MW机组锅炉的过热器，具体结构见图1-4所示。此过热器具有以下特点：由于过热蒸汽参数高，需要布置更多受热面，因此炉膛内布置大量屏式过热器。采用辐射式、半辐射式和对流过热器联合过热系统，以获得良好的过热蒸汽温度变化特性。低温过热器采用逆流布置，以便获得较大的传热温差，从而节约钢材。 采用两级喷水减温，这样做的目的有两个，一是为了使汽温调节更灵敏，减小热惯性，二是为了保护过热器。第一级喷水减温器布置在前屏过热器之后，调节量较大且调节惰性大，用来调节因负荷、给水温度和燃料性质变化而引起的汽温变化，为粗调。另外它还有保护屏式过热器和对流过热器受热面的作用。第二级喷水减温器布置在高温对流过热器（末级过热器）之前，这一级热惯性小，可保证出口汽温能得到迅速调节。减温器共有四只，每级安装两只，每只喷水量为每级喷水量的一半。减温水源为自制冷凝水。 蒸汽流程为：饱和蒸汽由汽包引出后经一部分顶棚过热器进入侧墙和后墙包覆过热器，流出后在联箱内混合，进入低温对流过热器，出来后再经过另一部分顶棚过热器进入前屏过热器，流出后经过第一级喷水减温器减温，再进入后屏过热器，流出后经过第二级减温器减温，进入高温对流过热器完成最后一次过热后，送往汽轮机。

图1-2 300MW机组过热器系统图 1-汽包；2-前屏过热器；3-后屏过热器；4-顶棚过热器； 5-侧墙包覆过热器；6-后墙包覆过热器；7-低温对流过热器； 8-第一级减温器；9-第二级减温器；10-高温对流过热器 1.2 过热蒸汽温度控制的意义与任务

锅炉过热蒸汽温度是影响机组生产过程安全性和经济性的重要参数。现代锅炉的过热器是在高温、高压的条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是机组整个汽水行程中工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处。过热器采用的是耐高温高压的合金刚材料，过热器正常运行的温度已接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，容易损坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀而毁坏，影响机组的安全运行。如果过热蒸汽温度过低，将会降低机组的热效率，一般蒸汽温度降低5-10℃，热效率约降低1%，不仅增加燃料的消耗量，浪费能源，而且还将使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀。另外，过热汽温的降低还会导致汽轮机高压级部分蒸汽的焓值减小，引起反动度增大，轴向推力增大，也对汽轮机安全运行带来不利的影响。所以，过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。 1.3 过热蒸汽温度控制对象的动静态特性 1.3.1 静态特性 1、锅炉负荷与过热汽温的关系 锅炉负荷增加时，炉膛燃烧的燃料增加，但是，炉膛中的最高的温度没有多大的变化，炉膛辐射放热量相对变化不大，因此炉膛温度增高不大。这就是说负荷增加时每千克燃料的辐射放热百分率减少，而在炉膛后的对流热区中，由于烟温和烟速的提高，每千克燃料的对流放热百分率将增大。因此，对于对流式过热器来说，当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值升高；辐射式过热器则具有相反的汽温特性，即当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值降低。如果两种过热器串联配合，可以取得较平坦的汽温特性，但一般在采用这两种过热器串联的锅炉中，过热器出口蒸汽温度在某个负荷范围内，仍随锅炉负荷的增加有所升高。 2、过剩空气系数与过热汽温的静态关系 过剩空气量改变时，燃烧生成的烟气量改变，因而所有对流受热面吸热随之改变，而且对离炉膛出口较远的受热面影响显著。因此，当增大过剩空气量时将使过热汽温上升。 3、给水温度与汽温关系 提高给水的温度，将使过热汽温下降，这是因为产生每千克蒸汽所需的燃料量减少了，流过过热器烟气也就减少了。也可以认为：提高给水温度后，在相同燃料下，锅炉的蒸发量增加了，因此过热汽温将下降。则是否投入高压给水加热器将使给水温度相差很大，这对过热汽温有显著的影响。 4、燃烧器的运行方式与过热汽温的静态关系 在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器的摆角会影响炉内温度分布和炉膛出口烟温，因而也会影响过热汽温，火焰中心相对提高时，过热汽温将升高。 1.3.2 动态特性 目前，火电机组厂广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。影响汽温变化的因素很多，但主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。在各种扰动下，汽温控制对象是有烟池、惯性和自平衡能力的。 1、蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性 大型锅炉都采用复合式过热器，当锅炉负荷增加时，锅炉燃烧率增加，通过对流式过热器的烟气量增加，而且烟气温度也随负荷的增大而升高。这两个因素都使对流式过热器的气温升高。然而，当负荷增加时，炉膛温度升高的并不明显，由炉膛辐射传给过热器的热量比锅炉蒸汽量增加所需热量少，因此使辐射式过热器出口温度下降。可见，这两种型式的过热器对蒸汽流量的扰动的反映恰好相反，只要设计上配合得当，就能使过热其出口汽温随蒸汽流量变化的影响减小。因此在生产实践中，通常把对流式过热器与辐射式过热器结合使用，还增设屏式过热器，且对流方式下吸收的热量比辐射方式下吸收的热量多，综合而言，过热器出口汽温是随流量D的增加而升高的。动态特性曲线如图1-3（a）所示。 蒸汽流量扰动时，沿过热器长度上各点的温度几乎是同时变化的，延迟时间较小，约为15s左右。

图1-3 在扰动下温度的变化曲线 2、烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性 当燃料量、送风量或煤种等发生变化时，都会引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热情况，导致过热器出口温度的变化。由于烟气传热量的改变是沿着整个过热器长度方向上同时发生的，因此汽温变化的迟延很小，一般在15-25s之间。烟气侧扰动的汽温响应曲线如图1-3（a）所示。它与蒸汽量扰动下的情况类似。 3、蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性