關(guān)于超臨界直流鍋爐的給水控制與汽溫調(diào)節(jié)分析

聶心洋

[摘? ? 要]伴隨國內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平的快速提升，電力生產(chǎn)已然是重中之重的一個環(huán)節(jié)。早期生產(chǎn)因?yàn)榧夹g(shù)條件不足，普遍選用參數(shù)較低、能耗較大且污染嚴(yán)重的燃煤系統(tǒng)。經(jīng)過不斷發(fā)展，當(dāng)前國內(nèi)逐步利用效率更高且污染較輕的系統(tǒng)取代傳統(tǒng)燃煤機(jī)組。隨著電力領(lǐng)域的持續(xù)前行，超臨界直流鍋爐也出現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)之中，不同種類的鍋爐設(shè)備所適用的場合有所差異，同時(shí)內(nèi)部給水控制架構(gòu)也不盡相同，所以在實(shí)際應(yīng)用過程中始終存在不足之處。本文就針對目前超臨界直流鍋爐的發(fā)展進(jìn)行研究，對內(nèi)部控制系統(tǒng)存在的問題提出對應(yīng)的優(yōu)化方案。

[關(guān)鍵詞]超臨界;直流鍋爐;給水控制系統(tǒng);汽溫調(diào)節(jié)

[中圖分類號]TM621.2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）06–00–03

Analysis on Feed Water Control and Steam Temperature Regulation of

Supercritical Once Through Boiler

Nie Xin-yang

[Abstract]With the rapid improvement of domestic economic level， electric power production has become one of the most important links. Due to the lack of technical conditions in early production， coal-fired systems with low parameters， large energy consumption and serious pollution were generally selected. After continuous development， the current domestic use of higher efficiency and less pollution system to replace the traditional coal-fired units. With the continuous development of the electric power field， supercritical once through boiler also appears in the actual production. Different types of boiler equipment are suitable for different occasions， and the internal water supply control structure is also different， so there are always deficiencies in the actual application process. In this paper， the development of supercritical once through boiler is studied， and the corresponding optimization scheme is proposed for the problems existing in the internal control system.

[Keywords]supercritical; once through boiler; feed water control system; steam temperature regulation

超臨界直流鍋爐相較于原有的燃煤系統(tǒng)來說，不管是容量、效率還是環(huán)保等方面都有著質(zhì)的飛躍。其中給水系統(tǒng)主要控制燃水比，進(jìn)而保證過熱裝置輸出溫度滿足相應(yīng)要求，確保機(jī)組能夠持續(xù)穩(wěn)定的工作，如果給水系統(tǒng)發(fā)生異常就有可能造成整個機(jī)組出現(xiàn)運(yùn)行問題，甚至?xí)痣y以彌補(bǔ)的安全事故。

1 給水流量擾動下直流鍋爐動態(tài)特性

從超臨界直流鍋爐來看，同原有系統(tǒng)存在較為明顯的差別是系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度，超臨界直流鍋爐在運(yùn)行過程中，某一參數(shù)出現(xiàn)變化就有可能會引起系統(tǒng)整體改變。因?yàn)槿鄙倨K，使得蒸發(fā)區(qū)域和受熱區(qū)域無法明確劃定，所以給水系統(tǒng)就可以直接調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽壓等參數(shù)。

超臨界直流鍋爐運(yùn)行過程中主要具有以下動態(tài)性能：其一，在鍋爐啟動時(shí)，給水系統(tǒng)中的給水流量同主汽流量保持一致。其二，工況正常時(shí)，主汽壓力和給水壓力之間存在正相關(guān)關(guān)系，但如果給水流量超過標(biāo)準(zhǔn)范圍，就會造成汽溫降低，此時(shí)兩者之間不再具有正相關(guān)關(guān)系，反而呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)特征。其三，系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中的功率參數(shù)始終處在穩(wěn)定范圍內(nèi)，雖然初始階段會因?yàn)橹髌髁康纳仙晕⑻岣?，但后續(xù)會伴隨流量下降滑落到穩(wěn)定區(qū)間。此外，因?yàn)槿剂蠀?shù)始終維持恒定，所以改變并不明顯。其四，由蒸發(fā)量和主汽壓力造成的給水流量變動會出現(xiàn)延后情況，本質(zhì)上是因?yàn)榻o水系統(tǒng)同加熱區(qū)域存在間距，導(dǎo)致無法實(shí)時(shí)變化，進(jìn)而引起系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的反應(yīng)滯后。

2 給水系統(tǒng)控制策略

2.1 濕態(tài)下的給水控制

對于鍋爐系統(tǒng)的濕態(tài)給水控制來說，可以劃分成兩個方面進(jìn)行論述。第一是蒸汽尚未生產(chǎn)時(shí)，在鍋爐內(nèi)部添加水如果不進(jìn)行點(diǎn)火操作，蒸汽無法產(chǎn)生，這個過程中水泵不發(fā)揮作用，僅依靠內(nèi)部循環(huán)就能有效調(diào)節(jié)水位。而一旦啟動點(diǎn)火，蒸汽隨之出現(xiàn)，跟隨蒸汽量的持續(xù)上漲，分離器內(nèi)部水位對應(yīng)降低，此時(shí)就要啟動水泵為系統(tǒng)添加水。這一階段還應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)好水冷壁的流量數(shù)值，以保證機(jī)組穩(wěn)定工作，通常來說流量要維持在600t/h以上，由此滿足基本的冷卻需要，防止機(jī)組溫度過高導(dǎo)致異常。不僅如此，由于燃料和蒸汽參數(shù)的上升，系統(tǒng)負(fù)荷也持續(xù)提高，此時(shí)要控制好給水量和循環(huán)系統(tǒng)的可靠性，保證機(jī)組能夠發(fā)揮出應(yīng)有作用。

2.2 濕態(tài)和干態(tài)的轉(zhuǎn)換下的給水控制

超臨界直流鍋爐不單單具有濕態(tài)給水控制，還存在干態(tài)特性，機(jī)組在初始運(yùn)行過程中能夠自主調(diào)節(jié)分離器水位，此后伴隨運(yùn)行時(shí)間的延長，燃料和蒸汽量都在穩(wěn)步上升，系統(tǒng)負(fù)荷也持續(xù)增加，逐步跳轉(zhuǎn)到干態(tài)模式，此時(shí)需要根據(jù)溫度來控制水量參數(shù)。鍋爐在運(yùn)行開始后，蒸汽量會不斷增加，而分離器水量則會相應(yīng)下降，這時(shí)就要提高給水流量，如果分離器輸入端的蒸汽干度數(shù)值等于1時(shí)，設(shè)備就會中止運(yùn)轉(zhuǎn)，而省煤器和鍋爐給水量保持一致。之后由于鍋爐功率進(jìn)一步升高，分離器中的蒸汽溫度就會超過標(biāo)準(zhǔn)范圍，但輸出位置的溫度仍低于限定區(qū)域，所以新生成的蒸汽就發(fā)揮出升溫的作用。而當(dāng)分離器輸入端溫度達(dá)到限定值后，系統(tǒng)便完全進(jìn)入到干態(tài)工況，此時(shí)給水控制的意義就在于保證燃水比符合預(yù)期要求。

2.3 干態(tài)時(shí)的給水控制

當(dāng)鍋爐處于干態(tài)工況后，需要確保給水流量和燃料量的比值處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，為系統(tǒng)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于給水流量和燃料量間存在非線性關(guān)系，所以要調(diào)整煤水比進(jìn)行控制，確定出實(shí)時(shí)參數(shù)，將誤差控制在20%以內(nèi)。不僅如此，中間點(diǎn)溫度會隨同給水流量的變化發(fā)生實(shí)時(shí)變動，由此就能夠利用這一特性將給水流量的變化通過中間點(diǎn)溫度顯示出來。雖然該反應(yīng)中延遲較小，但也存在一定誤差，因此在實(shí)際運(yùn)行過程中要根據(jù)延遲時(shí)間確定出最低給水量。

3 異常工況下的給水控制

3.1 RB工況

系統(tǒng)處于RB狀態(tài)時(shí)，超臨界直流的負(fù)荷和壓力參數(shù)會顯著下滑，期望平穩(wěn)滑落到預(yù)期數(shù)值，應(yīng)當(dāng)在這一階段中手動完成給水控制，確保各項(xiàng)參數(shù)滿足要求。此外，一旦燃料量出現(xiàn)快速下降，就有可能引起機(jī)組溫度不穩(wěn)定，甚至造成內(nèi)火中斷。為了規(guī)避這一問題，技術(shù)人員要設(shè)計(jì)好助燃方案，確保給水量處于合理范圍，防止壁溫超出標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域。RB在啟動后會造成汽化點(diǎn)改變，致使過熱器無法上升到預(yù)期溫度，為了避免RB造成的運(yùn)行問題，需要RB啟動后閉合半分鐘減溫水調(diào)門。

3.2 高加解列工況

高加解列狀態(tài)會引起蒸汽的改變，導(dǎo)致汽輪機(jī)額外做功，由此提高系統(tǒng)總負(fù)荷。此時(shí)給水流量也會相應(yīng)下降，應(yīng)當(dāng)根據(jù)轉(zhuǎn)速保證該參數(shù)處于標(biāo)準(zhǔn)范圍。不僅如此，這一工況會出現(xiàn)水溫大幅度降低，蒸汽性能無法滿足要求。此時(shí)啟動主汽調(diào)門可以暫時(shí)穩(wěn)定負(fù)荷，但無法保證持續(xù)穩(wěn)定。一旦運(yùn)行過久就會致使汽輪器過負(fù)荷，導(dǎo)致氣缸和輪子出現(xiàn)明顯震動，甚至引發(fā)安全事故。所以對于這一工況來說，最有效的方案是給系統(tǒng)減負(fù)，確保水煤比的平衡。

3.3 給水流量的超馳控制

利用中間點(diǎn)溫度特性能夠有效控制給水流量，進(jìn)而保證超臨界直流鍋爐穩(wěn)定工作。但在部分環(huán)境中，中間點(diǎn)溫度的反應(yīng)也會存在一定延遲，這就有可能引起超溫情況，給系統(tǒng)運(yùn)行造成較大危害。由此來說，應(yīng)當(dāng)通過程序設(shè)計(jì)來保證給水流量可以在氣溫超限后給予反饋，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 超臨界直流鍋爐的汽溫調(diào)節(jié)分析

蒸汽參數(shù)是鍋爐狀態(tài)最核心的評定指標(biāo)，主要包含有溫度和壓力2部分。如果汽溫超出標(biāo)準(zhǔn)范圍會降低管道和受熱面等模塊的使用壽命，同時(shí)受熱面如果溫度超標(biāo)還有可能引起管子破裂。而一旦汽溫達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，又會造成效率下滑和葉片腐蝕等問題，甚至引起部分金屬組件由于熱應(yīng)力而變形，進(jìn)而出現(xiàn)摩擦問題，造成嚴(yán)重的水沖擊事故，損壞設(shè)備結(jié)構(gòu)，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。從實(shí)際來說，鍋爐運(yùn)行會隨同外界負(fù)荷改變出現(xiàn)變化，期望汽溫處在標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間，就應(yīng)當(dāng)做好調(diào)節(jié)分析，確定出行之有效的優(yōu)化方案。

4.1 過熱汽溫調(diào)節(jié)特點(diǎn)

從某廠實(shí)際生產(chǎn)來看，控制鍋爐汽溫是利用水煤比來調(diào)節(jié)中間點(diǎn)溫度，并配合減溫設(shè)備共同完成，確保汽溫反應(yīng)效率達(dá)標(biāo)。由于部分直流鍋爐的負(fù)荷恒定，其蒸氣主要用于汽溫控制，所以在確定好相關(guān)參數(shù)的比重后就要避免變動。因?yàn)槿剂狭康淖儎訒艿讲牧闲再|(zhì)的影響，所以要優(yōu)化水煤比。這個過程僅是一種粗調(diào)節(jié)方式，期望獲取精確的汽溫變化需要借助減溫設(shè)備完成。

綜合來看，超臨界直流鍋爐在調(diào)整負(fù)荷時(shí)是通過改變水煤比進(jìn)而控制汽溫，并盡可能消除出現(xiàn)的誤差。

4.2 再熱汽溫調(diào)節(jié)特點(diǎn)

因?yàn)樵贌嵴魵獾膲毫Σ蛔闱冶葻崛葺^低，就會使得在同等吸熱量的情況下，再熱汽溫變化程度更大。而在噴水減溫階段，水蒸氣又會生成中壓蒸氣，這時(shí)缸中流量上升，帶動功率提高。若保證系統(tǒng)總功率恒定，就需要降低高壓缸功率，但因?yàn)橹袎赫魵庑什蛔憔蜁?yán)重限制總效率。一般來說，只有出現(xiàn)異常情況時(shí)，才會借助噴水降低再熱設(shè)備溫度。綜合分析蒸氣、再熱蒸氣的特性，不難看出引起汽溫過熱的原因有燃料特性、風(fēng)量參數(shù)以及負(fù)荷壓力等。因?yàn)闄C(jī)組從初始狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行到滿負(fù)荷工況要完成干濕態(tài)的轉(zhuǎn)變，所以正常運(yùn)行時(shí)也有可能出現(xiàn)異常。

4.3 機(jī)組加減負(fù)荷時(shí)的汽溫調(diào)整

通過CCS進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)，會同時(shí)改變給水量和燃料量，尤其是中間點(diǎn)溫度變化顯著，整體上呈現(xiàn)出驟降的態(tài)勢，但這部分溫度較低的蒸氣對管道影響存在延遲。所以負(fù)荷變化初始階段的汽溫并不會隨之降低，而當(dāng)燃料發(fā)揮作用時(shí)，這部分蒸氣恰好處于管道位置。伴隨負(fù)荷的增加，汽流量隨之上升，這時(shí)因?yàn)槿剂涎a(bǔ)充，整體上又表現(xiàn)為上升態(tài)勢。

在負(fù)荷提高時(shí)，調(diào)門逐步增加，雖然煤量增多，但其發(fā)揮效用卻有一定的延遲。一旦壓力參數(shù)同標(biāo)準(zhǔn)范圍相偏離，就會使煤量進(jìn)一步增多。負(fù)荷提高到預(yù)期值后，蓄熱會引起汽壓超限，此時(shí)CCS的作用是調(diào)整參量。所以，為了保證調(diào)節(jié)過程中不會受到反應(yīng)延遲造成的溫度超標(biāo)問題，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)提前調(diào)整汽壓數(shù)值，確保系統(tǒng)可靠。

因?yàn)樵贌嵩O(shè)備的本質(zhì)是對流換熱，所以CCS調(diào)節(jié)負(fù)荷時(shí)會引起風(fēng)量、燃料量同時(shí)改變，當(dāng)煙氣溫度提升后，汽溫便會明顯提高。再熱設(shè)備的運(yùn)行方式單一，只能通過組件的開合度來調(diào)整溫度，而噴水減溫又存在延遲，所以在負(fù)荷上升階段，如果發(fā)現(xiàn)超限可能性，就要提前優(yōu)化。對于負(fù)荷降低過程來說，CCS方式需要控制好主汽壓力和變化率參數(shù)。