火電廠超臨界直流爐的主汽溫度控制策略分析

王少龍

摘要：火電廠能否合理控制直流爐的主蒸汽溫度在很大程度上能夠決定超臨界機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，甚至能夠關(guān)系到整個(gè)火電廠的經(jīng)濟(jì)效益。超臨界鍋爐主汽溫度通常具有非線性與耦合性的特點(diǎn)，其延時(shí)問題與慣性特征向來都是火電廠鍋爐控制的難題。如果在控制主蒸汽溫度過程中出現(xiàn)了問題，就會(huì)大大降低超臨界機(jī)組的運(yùn)行效率。本文首先分析了主汽溫的基本特性，然后對(duì)直流爐主蒸汽溫度的主要影響因素進(jìn)行探究，以此提出科學(xué)合理的應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：超臨界直流爐;溫度控制;策略

引言

鍋爐作為火電廠的重要組成部分，在火力發(fā)電的生產(chǎn)流程中扮演著重要的角色。而主蒸汽溫度是影響鍋爐性能的關(guān)鍵因素，而造成過熱器出口的溫度超出限定范圍的原因有很多，需要進(jìn)行綜合分析。因此，為了保證超臨界機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，就必須要嚴(yán)格控制主蒸汽溫度。倘若主蒸汽的溫度沒有得到有效控制，就會(huì)加快蒸汽管道與金屬材料的老化速度，從而使其壽命受限。一旦出現(xiàn)受熱時(shí)間過長的情況，就會(huì)導(dǎo)致過熱器爆炸。當(dāng)蒸汽溫度低于極限值時(shí)，整個(gè)機(jī)組的工作效率都比較低下，進(jìn)而致使葉片出現(xiàn)破損情況。因此，要想提升超臨界機(jī)組的工作效率，就必須要嚴(yán)格控制機(jī)組的主蒸汽溫度。

1.超臨界直流爐主汽溫的必要性與特性

超臨界直流爐中的水煤比和超臨界機(jī)組的負(fù)荷都會(huì)在一定程度上決定主蒸汽溫度的高低，蒸汽溫度過熱、偏差大等因素會(huì)影響超臨界直流爐的技術(shù)蒸汽溫度，影響經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備安全性。超臨界直流爐技術(shù)蒸汽溫度如果過高會(huì)降低金屬設(shè)備的強(qiáng)度，超臨界直流爐技術(shù)低溫會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)損失增加，同時(shí)系統(tǒng)的熱效率也會(huì)降低。超臨界直流鍋爐技術(shù)突破了傳統(tǒng)的自然循環(huán)鍋爐汽包。水進(jìn)入鍋爐后，由于各種因素，受熱面之間的邊界沒有固定。

當(dāng)燃料量驟然增加時(shí)，壁金屬的蓄熱作用會(huì)使得主蒸汽溫度在一定延遲后逐漸升高;當(dāng)燃料量突然下降時(shí)，主蒸汽溫度在一定延遲后也逐漸降低。當(dāng)供水量突然增加時(shí)，主蒸汽溫度在一定延遲后逐漸降低。當(dāng)主汽溫度突然下降時(shí)，經(jīng)過短暫的延遲以后，主汽溫度會(huì)逐步升高。一旦主汽門開的突然變大，蒸汽流量就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生很大的變化。在變化的初級(jí)階段，由于壁面金屬蓄熱的補(bǔ)償，主蒸汽溫度沒有顯著變化。隨著蒸汽流量的增加。當(dāng)燃料量不變時(shí)，主蒸汽溫度逐漸降低，當(dāng)主閥開度突然減小時(shí)，經(jīng)過一定的延遲后，主蒸汽溫度逐漸升高。但是考慮到冷卻水是鍋爐的主要來源，而且總量基本保持不變，主蒸汽溫度最終會(huì)回到初始水平;當(dāng)冷卻水突然下降時(shí)，主蒸汽溫度在初始階段迅速上升，最終回到初始水平。

2.影響直流爐主汽溫度控制分析

2.1 主蒸汽溫度的影響因素

直流爐在運(yùn)行時(shí)的主蒸汽流量負(fù)荷在很大程度上決定著主蒸汽的溫度，主蒸汽與煙氣系統(tǒng)的方向基本是主蒸汽溫度的決定性因素。從機(jī)組運(yùn)行方式的角度入手，會(huì)發(fā)現(xiàn)主蒸汽流量負(fù)荷與直流爐燃燒能力的總風(fēng)量就是主蒸汽溫度的變化。與此同時(shí)，引起蒸汽溫度波動(dòng)的因素有內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)。內(nèi)部干擾因素包括啟停、煤粉系統(tǒng)切換、爐內(nèi)或煙道吹灰、煤質(zhì)變化等，外部干擾包括機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)等。

2.2 控制主蒸汽溫度的技術(shù)要點(diǎn)

不難看出，主汽溫穩(wěn)態(tài)值不變，其它參數(shù)不變，水煤比不變。因此，水煤比調(diào)節(jié)可以作為調(diào)節(jié)主蒸汽溫度的主要手段。鍋爐主蒸汽溫度是指末級(jí)過熱器后的蒸汽溫度。由于工質(zhì)進(jìn)入鍋爐后應(yīng)該貫穿多個(gè)受熱面，致使主蒸汽溫度滯后于燃料和給水的變化，因此在最后一次過熱后直接獲取蒸汽溫度顯然不夠。針對(duì)這一特點(diǎn)，國內(nèi)外許多學(xué)者和專家提出了“中點(diǎn)溫度”的概念。以中間溫度為控制參數(shù)，調(diào)節(jié)水煤比可以克服大滯后現(xiàn)象。合理的水煤比能夠在一定程度上協(xié)助鍋爐將主汽溫保持穩(wěn)定，一旦將中間溫度融入進(jìn)去就會(huì)克服大滯后現(xiàn)象。然而，由于一些大擾動(dòng)對(duì)主蒸汽溫度的快速影響，仍然需要快速響應(yīng)和較大的調(diào)節(jié)范圍。因此，噴霧冷卻仍然是穩(wěn)定超臨界直流鍋爐主蒸汽溫度的重要途徑。因此，主蒸汽溫度調(diào)節(jié)的基本思路可以概括為：掌握中間點(diǎn)溫度，調(diào)節(jié)水煤比，調(diào)節(jié)減溫水細(xì)。在主汽溫控制裝置中，通過增加或減少噴水量來調(diào)節(jié)主汽溫需要很長時(shí)間。特別是對(duì)于容量大、管道長、參數(shù)多的機(jī)組，蒸汽過熱度大于蒸發(fā)過熱度。溫度控制過程將滯后，溫度控制難度將再次上升。

直流爐主汽溫控制系數(shù)不穩(wěn)定，隨著鍋爐主蒸汽流量負(fù)荷的增加，總控裝置無法平衡整個(gè)直流爐的主蒸汽流量負(fù)荷。當(dāng)鍋爐負(fù)荷較低時(shí)，一、二次冷卻水調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)，主蒸汽溫度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)溫度，再次加大溫度控制會(huì)比較困難。

當(dāng)過熱器在正常工作范圍內(nèi)時(shí)，靠近鋼材位置的最高溫度調(diào)節(jié)太小，無法根據(jù)溫度變化范圍進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。溫度調(diào)節(jié)的強(qiáng)度和安全性小，蒸汽溫度控制不好，容易造成過熱器鋼件的損壞。另外，鍋爐受熱面出現(xiàn)結(jié)焦、爐內(nèi)空氣系數(shù)不平衡、鍋爐配風(fēng)技術(shù)不合理、水煤比差距太大等都能決定主汽溫的高低。

3.主蒸汽溫度的控制策略分析

3.1 控制過熱器的有效溫度

主蒸汽流量負(fù)荷能夠在很大程度上決定直流爐的溫度，如果流量負(fù)荷發(fā)生變化，由于過熱器長度過長，在主蒸汽溫度變化前，過熱器上各點(diǎn)的溫度都會(huì)發(fā)生變化。如果控制系統(tǒng)能根據(jù)各點(diǎn)的溫度變化及時(shí)調(diào)整，主蒸汽溫度就能得到很好的控制。為了實(shí)現(xiàn)這一過程，可以利用過熱器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型來測量和計(jì)算各點(diǎn)的溫度，即估算各點(diǎn)的溫度變化，并根據(jù)溫度變化范圍相應(yīng)調(diào)整主蒸汽溫度。通過該調(diào)節(jié)過程，可增加一、二級(jí)減溫水的啟動(dòng)時(shí)間，合理控制主汽溫。值得一提的是，主汽溫調(diào)節(jié)應(yīng)該將中間點(diǎn)溫度、鍋爐溫差以及內(nèi)外干擾等影響因素考慮在內(nèi)，盡早進(jìn)行預(yù)判斷，以便及時(shí)調(diào)整。

3.2 降低溫度控制裝置的標(biāo)準(zhǔn)溫度

超臨界直流鍋爐減溫系統(tǒng)一般都配備了雙級(jí)噴水式降溫裝置，在過熱器前段預(yù)設(shè)一層減溫器，在最末端的過熱器之前增設(shè)一級(jí)減溫器。而冷卻水的數(shù)量主要是受閥門的開合程度控制的，鍋爐控制系統(tǒng)會(huì)在合適的時(shí)機(jī)發(fā)出冷卻指令，進(jìn)而控制冷卻水閥門的開合程度。

3.3 引入串級(jí)控制裝置

串級(jí)控制裝置是火電廠鍋爐主蒸汽溫度控制的常用裝置，它通常配備差動(dòng)補(bǔ)償裝置來進(jìn)行輔助工作。串級(jí)控制裝置在一定程度上能夠控制受熱面積，并且會(huì)從側(cè)面控制主蒸汽溫度。噴淋冷卻系統(tǒng)連接加熱管過長，冷卻后達(dá)到的溫度需要很長時(shí)間才能通過鍋爐出口，從而影響到噴淋冷卻系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)將主電路之間的信號(hào)和超前差分補(bǔ)償裝置相結(jié)合，保證了主電路與主電路之間的溫度同步傳輸。超前差分補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)是可以提高信號(hào)接收強(qiáng)度。因此，將該信號(hào)控制裝置與串級(jí)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行結(jié)合，能夠有效減小微分參數(shù)，其參數(shù)值為0。

3.4 合理投用煤爐層

為保證燃燒器方向不變，減少直流爐煤層運(yùn)行方式，可充分降低燃料和總風(fēng)量對(duì)主蒸汽溫度的負(fù)面影響。一般情況下，給煤采用不同的煤層，但給煤的結(jié)果是火焰燃燒中心發(fā)生移動(dòng)，火焰的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響主蒸汽的溫度控制。因此，在應(yīng)用上煤層進(jìn)行加熱時(shí)，需要盡量降低鍋爐內(nèi)火焰的，這樣能夠在短時(shí)間內(nèi)提高輻射區(qū)水冷壁吸收的熱量，從而減少上煤層的輸入或選擇停爐，并切換到下煤層的應(yīng)用。在改變煤層作業(yè)的過程中，輻射區(qū)吸收了大量的溫度，主蒸汽所吸收的熱量減少，導(dǎo)致溫度下降。此時(shí)，可以通過增加煤的輸入量和增加主蒸汽溫度來達(dá)到調(diào)節(jié)主蒸汽溫度的目的。

結(jié)論：

綜上所述，本文主要從主蒸汽溫度的特性、影響因素和控制措施三個(gè)方面入手，系統(tǒng)闡述了超臨界直流爐的主蒸汽溫度相關(guān)事項(xiàng)，并在文末提出有效控制主蒸汽溫度的應(yīng)對(duì)措施，希望能夠?qū)崿F(xiàn)火電廠與智能控制裝置的有機(jī)結(jié)合。

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