電站鍋爐減溫水質(zhì)量流量特性分析

劉海，侯本杰，楊峰

(山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250002)

電站鍋爐減溫水質(zhì)量流量特性分析

劉海，侯本杰，楊峰

(山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250002)

通過調(diào)取并分析電站鍋爐穩(wěn)定工況和變負(fù)荷工況的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，得到了準(zhǔn)確的電站鍋爐減溫水質(zhì)量流量特性曲線。依據(jù)曲線特性分析，通過線性化調(diào)節(jié)閥與質(zhì)量流量之間非線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系可有效控制過熱器減溫水質(zhì)量流量，改善了主蒸汽溫度的品質(zhì)，提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

電站鍋爐；運(yùn)行數(shù)據(jù)；減溫水；特性

0 引言

現(xiàn)代鍋爐的主蒸汽溫度主要通過兩級(jí)減溫水控制，一級(jí)減溫水(以下簡(jiǎn)稱一減)初調(diào)，二級(jí)減溫水(以下簡(jiǎn)稱二減)細(xì)調(diào)。對(duì)減溫水的控制，傳統(tǒng)的控制策略是通過比例、積分、微分控制實(shí)現(xiàn)。這種控制策略的缺點(diǎn)是，在控制過程中主蒸汽溫度容易產(chǎn)生較大波動(dòng)。為此，需要對(duì)減溫水質(zhì)量流量進(jìn)行特性試驗(yàn)。傳統(tǒng)的減溫水調(diào)節(jié)閥質(zhì)量流量特性試驗(yàn)主要通過選取特定調(diào)節(jié)閥開度得出減溫水質(zhì)量流量特性。通過個(gè)別數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃得到基本曲線，因數(shù)據(jù)不具有代表性和全面性，所以得出的曲線與實(shí)際曲線偏差較大。而發(fā)生波動(dòng)時(shí)，運(yùn)行人員往往通過降低主蒸汽溫度以避免超溫，這在一定程度上偏離設(shè)計(jì)工況，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性構(gòu)成威脅。因此，有必要對(duì)減溫水質(zhì)量流量特性進(jìn)行更加深入地分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)減溫水的科學(xué)控制。

本文通過對(duì)電站鍋爐大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行整合提煉，結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)特點(diǎn)，對(duì)影響減溫水質(zhì)量流量特性的因素進(jìn)行了全面分析。通過分析，對(duì)影響減溫水質(zhì)量流量特性因素的影響程度進(jìn)行了量化，得到減溫水調(diào)節(jié)閥與質(zhì)量流量的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系，并得到實(shí)際運(yùn)行調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏死區(qū)的具體數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主蒸汽溫度的快速、準(zhǔn)確控制，從而能夠更加有效地應(yīng)對(duì)穩(wěn)定負(fù)荷及變負(fù)荷工況下對(duì)主蒸汽溫度的要求。

1 影響減溫水質(zhì)量流量的因素

1.1 介質(zhì)因素

水管內(nèi)流動(dòng)能量損失可以分為沿程能量損失和局部能量損失，通常沿程阻力損失的計(jì)算采用達(dá)西-魏斯巴赫公式[1]

(1)

式中：Pf為沿程阻力損失；λ為沿程損失系數(shù)；l為管道長(zhǎng)度；d為管道內(nèi)徑；v為速度；g為重力加速度。

局部阻力損失則為

(2)

式中：Pj為局部阻力損失；ζ為局部損失系數(shù)。

實(shí)際管道阻力既有直管段等產(chǎn)生的沿程阻力損失，又包含彎頭調(diào)節(jié)閥等產(chǎn)生的局部阻力損失。那么總的阻力損失為

(3)

式中：Pw為總阻力損失。

由公式(1)、公式(2)、公式(3)可以得出，流經(jīng)管道內(nèi)的流體質(zhì)量流量為

(4)

式中：qm為流體質(zhì)量流量；ρ為流體密度；A為流體管道截面積。

在本文中公式(3)中的總阻力損失Pw亦可看作減溫水系統(tǒng)進(jìn)出口差壓。通過公式(4)可以得出，流體的質(zhì)量流量與管道的沿程損失系數(shù)、局部損失系數(shù)及流體的進(jìn)出口差壓有關(guān)，因而在考慮減溫水質(zhì)量流量特性時(shí)，需要考慮管道的沿程損失系數(shù)、局部損失系數(shù)與系統(tǒng)的進(jìn)出口差壓的影響。

1.2 其他影響減溫水質(zhì)量流量的因素

在實(shí)際工程應(yīng)用中，減溫水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作會(huì)在機(jī)械部分和電動(dòng)頭設(shè)置部分存在死區(qū)，閥門全關(guān)的情況下為防止卡澀會(huì)留有一定的間隙，因而需要考慮減溫水調(diào)節(jié)閥的內(nèi)漏質(zhì)量流量和死區(qū)段，以避免減溫水控制響應(yīng)速度過慢或過快。

2 減溫水質(zhì)量流量特性

2.1 電站鍋爐減溫水系統(tǒng)

如圖1所示，電站鍋爐過熱器減溫水系統(tǒng)的水源一般取自主給水管路，并由主路一分為二，分別流向過熱器一減和過熱器二減，一減和二減一分為二，分別流向鍋爐左側(cè)和鍋爐右側(cè)。

圖1 減溫水系統(tǒng)

減溫水系統(tǒng)中管路布置較為復(fù)雜，并且由于調(diào)節(jié)閥特性、安裝和制造的差異，減溫水質(zhì)量流量與調(diào)節(jié)閥開度的對(duì)應(yīng)關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，因而在系統(tǒng)調(diào)試過程中一般要求進(jìn)行減溫水調(diào)節(jié)閥特性試驗(yàn)，以便得出實(shí)際的減溫水質(zhì)量流量與調(diào)節(jié)閥開度的關(guān)系。

2.2 減溫水質(zhì)量流量與調(diào)節(jié)閥開度關(guān)系

選取某2×350 MW電廠在280，300，350 MW負(fù)荷工況下，穩(wěn)定運(yùn)行8～12 h的4 000多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出過熱器一、二級(jí)減溫水質(zhì)量流量特性圖，不同工況下減溫水質(zhì)量流量特性如圖2所示。

圖2 過熱器減溫水質(zhì)量流量與調(diào)節(jié)閥開度關(guān)系

從圖2可以得出，在不同的負(fù)荷段，減溫水調(diào)節(jié)閥的特性基本是相同的。雖然在機(jī)組不同的負(fù)荷段，減溫水系統(tǒng)的入口壓力和出口壓力不同，但負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，其進(jìn)出口差壓不變。

過熱器一減調(diào)節(jié)閥基本無內(nèi)漏，調(diào)節(jié)閥的死區(qū)(或無調(diào)節(jié)功能區(qū))開度可以達(dá)到25%(具體見表1)。在25%開度范圍內(nèi)，減溫水質(zhì)量流量隨調(diào)節(jié)閥開度變化很小，而在25%～73%開度范圍內(nèi)，減溫水調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能較好；在73%以上開度，減溫水質(zhì)量流量已達(dá)最大值(對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2)。

過熱器二減基本無內(nèi)漏，死區(qū)范圍在0～5%開度范圍內(nèi)(具體見表1)；3%～5%開度附近存在初始動(dòng)作區(qū)，此范圍內(nèi)，減溫水質(zhì)量流量增加較快；二減在5%～90%開度時(shí)調(diào)節(jié)性能較好，90%開度減溫水質(zhì)量流量已達(dá)最大值(對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2)。

表1 不同負(fù)荷段減溫水調(diào)節(jié)閥死區(qū) %

以350MW工況下減溫水質(zhì)量流量與調(diào)節(jié)閥開度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，列出減溫水質(zhì)量流量與調(diào)節(jié)閥開度數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

2.3 不同負(fù)荷段減溫水質(zhì)量流量特性

由公式(3)和公式(4)可以得出，工質(zhì)質(zhì)量流量不僅與系統(tǒng)阻力變化(主要為調(diào)節(jié)閥的開度變化)有關(guān)，還與系統(tǒng)進(jìn)出口差壓(包含在Pw內(nèi))有關(guān)。同樣以某2×350 MW電廠為例，在滑壓控制下，選取過熱器一、二級(jí)減溫水35%開度特性較好的區(qū)域進(jìn)行研究，依據(jù)3次啟、停機(jī)過程中減溫水調(diào)節(jié)閥與減溫水質(zhì)量流量數(shù)據(jù)，得到減溫水進(jìn)出口差壓變化情況下的減溫水進(jìn)出口差壓與質(zhì)量流量的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，減溫水質(zhì)量流量與進(jìn)出口差壓呈線性關(guān)系，與公式(3)相符。

表2 減溫調(diào)節(jié)閥開度與質(zhì)量流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 減溫水質(zhì)量流量與差壓關(guān)系及趨勢(shì)

減溫水系統(tǒng)的進(jìn)出口差壓在減溫水系統(tǒng)中對(duì)于減溫水質(zhì)量流量的影響要相對(duì)較小。在系統(tǒng)固定、負(fù)荷沒有劇烈變化情況下，主再熱系統(tǒng)的阻力隨系統(tǒng)入口壓力變化時(shí)的壓損變化較小，因而對(duì)減溫水質(zhì)量流量影響要小于減溫水系統(tǒng)的阻力的變化，這就提高了減溫水調(diào)節(jié)閥特性曲線在不同負(fù)荷段的適用性。但是在負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，主蒸汽壓力變化較為明顯，在減溫水調(diào)節(jié)閥35%開度下，減溫水系統(tǒng)進(jìn)出口差壓變化最大影響9%的減溫水質(zhì)量流量，此時(shí)調(diào)整主蒸汽再熱汽溫度應(yīng)該考慮減溫水系統(tǒng)進(jìn)出口差壓的變化[2-5]。

2.4 減溫水間的相互影響

由圖1可知，一、二級(jí)左右側(cè)減溫水均為并列布置，減溫水同時(shí)開、關(guān)會(huì)相互影響。以右側(cè)二減為例，在左側(cè)減溫水開度不變(工況1)、左右兩側(cè)二減同時(shí)關(guān)小(工況2)、左右兩側(cè)二減同時(shí)開大(工況3)3個(gè)工況下，分析減溫水間的相互影響。3個(gè)工況下減溫水質(zhì)量流量特性曲線基本一致，減溫水質(zhì)量流量間的相互影響特性曲線如圖4所示。同樣開度下，3個(gè)工況下減溫水質(zhì)量流量會(huì)有一定差別，在本次統(tǒng)計(jì)工況下的差別見表3(在統(tǒng)計(jì)涵蓋的區(qū)域不同工況下減溫水質(zhì)量流量的最大差別為0.4 t/h，基本可以忽略此因素影響)。

圖4 減溫水質(zhì)量流量間的相互影響

調(diào)節(jié)閥開度/%右側(cè)二減質(zhì)量流量/(t·h-1)工況1工況2工況3101.8291.5741.729152.1541.7852.003202.4932.2092.347253.0142.7982.888303.6733.2783.609

3 控制策略優(yōu)化

以減溫水調(diào)節(jié)閥特性曲線為基礎(chǔ)，將減溫水質(zhì)量流量與調(diào)節(jié)閥開度非線性的關(guān)系通過比例、積分、微分控制調(diào)節(jié)模塊后的函數(shù)線性化[6]，改善調(diào)節(jié)模塊在不同開度區(qū)間的適應(yīng)性，進(jìn)而優(yōu)化汽溫的調(diào)節(jié)效果，使汽溫調(diào)整過程中不超溫，溫度波動(dòng)范圍減小。

在負(fù)荷擺動(dòng)試驗(yàn)過程中對(duì)減溫水控制方案進(jìn)行修改，對(duì)比調(diào)整前后的試驗(yàn)參數(shù)曲線如圖5所示，主蒸汽溫度的穩(wěn)定性得到明顯改善。在減溫水控制方案調(diào)整前(圖5a)，升負(fù)荷過程中，過熱汽溫度波動(dòng)較大，左側(cè)過熱汽溫度波動(dòng)最大達(dá)27.80 ℃，右側(cè)過熱汽溫度波動(dòng)最大達(dá)26.85 ℃，存在超調(diào)現(xiàn)象，且負(fù)荷擺動(dòng)過程中汽溫出現(xiàn)超溫，最高汽溫達(dá)580.06 ℃?？刂品桨刚{(diào)整后(圖5b)過熱器溫度波動(dòng)范圍明顯減小，左側(cè)過熱汽溫波動(dòng)5.59 ℃，右側(cè)過熱汽溫波動(dòng)11.91 ℃，不需要人工修改設(shè)定值干涉減溫水調(diào)節(jié)，主蒸汽溫度可以控制在許可范圍內(nèi)(試驗(yàn)過程中最高汽溫571.32 ℃，最低汽溫559.41 ℃)，沒有出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

圖5 減溫水控制方案調(diào)整前后汽溫曲線(截圖)

4 結(jié)束語

通過調(diào)取并分析電站鍋爐穩(wěn)定工況和變負(fù)荷工況的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，得到了準(zhǔn)確的電站鍋爐減溫水質(zhì)量流量特性曲線。依據(jù)以上特性分析，通過線性化調(diào)節(jié)閥與流量之間非線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可有效控制過熱器減溫水質(zhì)量流量，改善了主蒸汽溫度的品質(zhì)，提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。本文得到的特性曲線在實(shí)際應(yīng)用中得到一定證實(shí)，在同類型機(jī)組中的減溫水控制方案的優(yōu)化過程中亦有一定借鑒意義。

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(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2017-02-21；

2017-04-26

TK 223.7+3

A

1674-1951(2017)05-0020-04

劉海(1990—)，男，山東泰安人，助理工程師，從事電站鍋爐調(diào)試及燃燒調(diào)整方面的工作(E-mail:843247216@qq.com)。