超临界机组锅炉过热汽温调节研究毕业论文

超临界机组锅炉过热汽温调节研究摘要：本文首先介绍了超临界直流锅炉开展的过程及超临界直流锅炉在现代电力生产中的重要作用。通过对超临界直流锅炉特性的认识和分析并熟悉串级控制系统和前馈控制系统根本原理的前提下，以串级控制系统和前馈控制系统相结合为根底，对超临界直流锅炉过热汽温的控制和调节系统进行了试分析和设计。关键词：超临界直流锅炉；过热汽温调节；中间点焓值；微过热汽温；煤水比一.超临界直流锅炉运行特性的分析概述随着锅炉朝着大容量高参数的方向开展，超临界机组具有高效、平安和环境污染小的特点，近些年来我国电力行业正积极的开发和生产600MW及以上的超临界机组锅炉。相对亚临界机组而言，超临界机组热效率要提高3~4个百分点，同时煤耗要降低20~30g。由于效率的提高，不仅煤耗大大降低，污染物的排量也由于效率的提高相应的减少，经济效益十清楚显。以下是各种机组的根本参数和效率以及煤耗量的具体数值::亚临界机组〔16~17Mpa,538/538℃，净效率约为37~38%，煤耗330~350g〕超临界机组(24~28Mpa,538/538℃，净效率约为40~41%，煤耗310~320g)超超临界机组(30MPa以上、566/566℃，净效率约为44~46%，煤耗280~300g)由于效率的提高，不仅煤耗大大降低，污染物排量也、相应减少，经济效益十清楚显。开展超临界机组乃至超超临界机组，不仅符合我国节能增效的能源政策，也是降低火电厂环境污染，建造环保节能社会的需要。目前，600MW超临界机组已成为我国新一代主力发电机组。大型超临界机组自20世纪50年代在美国和德国开始投入商业运行以来，随着冶金工业技术的开展，提供了发电设备用的碳素体钢、奥氏体钢及超合金钢。到今天超临界机组已大量投运，并取得了良好的运行业绩。近十几年来，兴旺国家积极开发应用高效超临界参数发电机组。美国〔169台〕和前苏联〔200多台〕是超临界机组最多的国家，而开展超超临界技术领先的国家主要是日本、德国和丹麦。

目前我国的发电机组已进入大容量、高参数的开展阶段，近10多年来已从国外引进了7800MW常规超临界机组〔不包括后石电厂已投运4×600MW〕，分别是华能石洞口二厂2×600MW，华能南京电厂2×300MW，华能营口电厂2×300MW，华能伊敏电厂2×500MW，盘山电厂2×500MW，绥中电厂2×800MW，外高桥电厂2×900MW，这些机组具有较高的技术性能，在提高发电煤炭利用率和降低污染方面发挥了一定的作用，也为我国超临界机组的运行积累了经验。中国华能集团公司在沁北电厂建设2×600MW超临界机组，为我国自行研制、开发大型超超临界发电机组奠定了根底。目前我国正处于电力建设的快速期，每年新增火电机组1500～2000万kW，如果还不以超临界机组为主，那么将造成很大的能源浪费。2.工质特性变化热力学理论认为，在22.129MPa、温度374.15℃时，水的汽化会在一瞬间完成，即在临界点时饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的两相区存在，两者的参数不再有区别。由于在临界参数下汽水密度相等，因此在临界压力下无法维持自然循环，只能采用直流炉。超临界直流炉的汽水行程如图1所示。直流锅炉没有汽包，整个锅炉是由许多管子并联，然后用联箱连接串联而成。在给水泵的压头作用下，工质顺序一次通过加热、蒸发和过热受热面。进口工质为水，出口工质为过热蒸汽。由于没有汽包，所以在加热和蒸发受热面之间，以及在蒸发和过热受热面之间都没有固定的分界线。加热区和过热区中的参数变化同自然循环锅炉相同;在蒸发区中由于流动阻力，压力有所降低，相应的饱和温度也有所下降。(1)应有高品质的给水:：进入锅炉的给水全部变为蒸汽，给水所含的盐分除少量溶于蒸汽而被带出外，其余杂质均将沉积在受热管内壁上。(2)节约钢材：:采用小管径而且不用汽包，就可大量节约钢材。一般直流锅炉大约可节约20%-30%的钢材。(3)由于强制工质流动，蒸发局部的管子允许有多种布置方式不必象自然循环锅炉那样要用立置的蒸发管。但蒸发段的最后局部受热面应安置在热负荷较为温和的地区。(4)直流锅炉不受工作压力的限制，而且更适于超高压力和超临界压力，因为随压力的提高以及水和汽的比容差的减小，工质的流动更为稳定。(5)锅炉储存的热量少。当外界负荷变化较快而燃烧和给水调整赶不上时，汽压和汽温的波动较大。但是正因为储热少，对调节的反映也快，如配有灵敏的调节设备，可适应外界负荷变动。(6)直流锅炉的起动和停炉的时间较短，一般不超过1小时。汽包锅炉由于汽包壁很厚，为减少由于汽包壁内外和上下温差而引起的热应力，在起动和停炉时常需缓慢进行，要用3-10小时之久。3超临界机组的特点〔1〕超临界直流炉没有汽包超临界直流炉没有汽包环节，给水经加热、蒸发和变成过热蒸汽是一次性连续完成的，随着运行工况的不同，锅炉将运行在亚临界或超临界压力下，蒸发点会自发地在一个或多个加热区段内移动。因此，为了保持锅炉汽水行程中各点的温度、湿度及水汽各区段的位置为一规定的范围，要求燃水比、风燃比及减温水等的调节品质相当高。〔2〕超临界直流锅炉蓄能小且呈分布特性在超临界直流炉中，由于没有汽包，汽水容积小，所用金属也少，锅炉蓄能显著减小且呈分布特性。蓄能以二种形式存在—工质储量和热量储量。工质储量是整个锅炉管道长度中工质总质量，它随着压力而变化，压力越高，工质的比容越小，必需泵入锅炉更多的给水量。在工质和金属中存在一定数量的蓄热量，它随着负荷非线性增加。由于锅炉的蓄质量和蓄热量整体较小，负荷调节的灵敏性好，可实现快速启停和调节负荷。另一方面，也因为锅炉蓄热量小，汽压对被动负荷变动反映敏感，这种情况下机组变负荷性能差，保持汽压比较困难。〔3〕超临界机组表现出严重非线性在超临界锅炉中，各区段工质的比热、比容变化剧烈，工质的传热与流动规律复杂。变压运行时随着负荷的变化，工质压力将在超临界到亚临界的广泛压力范围内变化，随之工质物性变化巨大，这些都使得超临界机组表现出严重非线性。具体表达为汽水的比热、比容、热烩与它的温度、压力的关系是非线性的，传热特性、流量特性是非线性的，各参数间存在非相关的多元函数关系，使得受控对象的增益和时间常数等动态特性参数在负荷变化时大幅度变化。〔4〕超临界机组强烈的藕合特性采用直流锅炉，因而不象汽包炉那样，由于汽包的存在解除了蒸汽管路与水管路及给水泵间的藕合，直流炉机组从给水泵到汽机，汽水直接关联，使得锅炉各参数间和汽机与锅炉间具有强烈的藕合特性，整个受控对象是一多输入多输出的多变量系统。直流锅炉的一次循环特性，使机组的主要控制参数功率、压力、温度均受到了汽机调门开度、燃料量、给水量的影响。从而也说明直流锅炉是一个三输入/三输出相互藕合关联及强的被控特性。4.运行特点超临界压力机组一般都采用变压运行或复合运行。对变压运行的机组启动和低负荷运行过程中均处于亚临界状态，一般设计成35%负荷以上进入超临界状态，为此超临界压力锅炉还必须配置相应的启动系统，以完成锅炉启动过程中参数从亚临界到超临界的转换。〔1〕别离器干湿态转换超临界压力锅炉在启动过程中，对启动系统的运行具有特殊的要求。锅炉上水后汽水别离器中保持一定的水位，点火后水冷壁受到加热，开始产生蒸汽，此时汽水别离器的作用相当于锅筒，处于湿态。从汽水别离器出来的蒸汽进入过热器进一步加热，水那么回收或排放。随燃烧率的增加，产汽量逐渐的增加，别离器内的水越来越少大约到35%负荷左右，产汽量与进入省煤器的给水量相等，汽水别离器已经没有水位由湿态转变为干态，此过程称为干湿态转换。在启动过程中汽水别离器的水位是自动控制的，当干湿态转换完成后各水位控制阀均处于关闭状态。别离器干湿态转换前与亚临界压力直流锅炉相同，也存在一个汽水膨胀阶段。二．串级调节与前馈调节原理简介，及二者的结合运用方法〔1〕串级控制系统串级系统和简单系统有一个显著的区别，即串级系统在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，被成为内回路或副回路，在控制过程中起着粗调的作用；一个闭环在外面被成为外回路或者主回路，用来完成细调任务，以最终保证被调量满足生产要求。无论是主回路还是副回路都有各自的控制对象，测量变送器和调节器。在主回路中的被控对象，被测参数和调节器分别称为主对象，主参数和主调节器。在副回路内那么相应的被称为副对象，副参数和副调节器。副对象是整个控制对象的一局部，常称为控制对象的导前区，主对象是控制对象的另一局部，常被称为控制对象的惰性区。应该指出，系统中有两个调节器它们的作用各不相同。主调节器具有自己独立的给定值它的输出作为副调节器的给定值，而副调节器的信号那么是送到调节机构去控制生产过程。比较串级系统和简单系统，前者只比后者多了一个测量变送器和一个调节器增加的仪表投资不多，但控制效果确有明显的改善。下列图是简单回路控制系统结构原理图与串级控制系统结构原理图，通过以下两图可简单了解它们的不同与相同之处。前馈控制系统一般的控制系统都是根据被测量和给定值之间的偏差进行控制的负反响系统。那么当被空对象受到扰动后，只有等到被调量发生变化，偏差出现后才开始控制，这种控制动作落后于扰动，必然造成控制过程中存在动态偏差。可以设想，如果控制系统不是根据被调量的偏差而是直接根据扰动〔造成偏差的原因〕，进行控制就有可能及时消除扰动的影响而使被调量根本不变或很少变化。这种直接根据扰动进行控制的系统就称为前馈控制系统。前馈控制系统有时称“扰动补偿〞。首先以下列图所示的换热器的前馈控制为例来说明前馈系统的组成。如图实线局部所示。换热器用通入其壳体的蒸汽的热量来加热管中流过的料液，工艺上要求料液出口温度恒定，通过控制加热蒸汽流量q以改变进入换热气的热量来控制。在这个系统中，引起温度改变的主要因素是被加热料液的流量〔或称为负荷〕D，因此当负荷D变化时，前馈调节器就直接根据负荷变化信号通过执行器改变蒸汽流量调节阀的开度μ，从而改变加热蒸汽流量q。甚至可以在还未变化之前就及时使控制信号适应负荷的变化，维持换热器的热平衡，这就实现了前馈控制。通过这个事例就可以简单了解前馈控制系统的工作原理和它优于串级控制系统的根本原理。〔3〕串级控制系统按其结构特点可视为反响控制系统。只是它在单回路的根底上又加了一级回路。增加的副回路对进入副回路的扰动有很强的克服能力。同时改善了系统的动态特性，提高了系统的工作频率即减小了时间常数加快了系统的响应。假设控制系统中控制通道的惯性和迟延较大〔如当机组符合变化时，锅炉侧的纯时延和大滞后是影响机组动态响应的关键因素。〕反响控制那么不能到达良好的控制效果。假设系统中存在着经常变动可测而不可控制的扰动时，反响控制也难以克服扰动对被调量的影响。而前馈控制系统是直接根据扰动进行控制的，因此可以及时消除扰动被调量的影响减小被调量的动态偏差。而且不像反响控制系统那样根据被调量的偏差反复调节，因此前馈控制系统的调节过程时间较小。同时前馈控制系统可以用来克服生产过程中的主要的、可测的扰动。由以上特性可知前馈控制系统和串级控制系统相结合起来可以互相利用彼此的优点和克服彼此的缺点使整个控制系统尽量到达准确、快速、稳定的要求。三．超临界机组控制特点和中间点焓值的调节方法及选取原那么1．超临界机组控制特点(1)超临界机组是一个多输入、多输出的被控对象，输入量为汽温、汽压和蒸汽流量，输出量为给水量、燃料量、送风量;(2)负荷扰动时，主汽压力反响快，可作为被调量;(3)超临界机组工作时，其加热区、蒸发区和过热区之间无固定的界限，汽温、燃烧、给水相互关联，尤其是燃水比不相适应时，汽温将会有显著的变化，为使汽温变化较小，要保持燃烧率和给水量的适当比例;(4)从动态特性来看，微过热汽温能迅速反响过热汽温的变化，因此可以该信号来判断给水和燃烧率是否失调;(5)超临界机组的蓄热系数小对压力控制不利，但有利于迅速改变锅炉负荷，适应电网尖峰负荷的能力强。2．直流锅炉动态特性从控制特性角度来看，直流锅炉与汽包锅炉的主要不同点表现在燃水比例的变化，引起锅炉内工质储量的变化，从而改变各受热面积比例。影响锅炉内工质储量的因素很多，主要有外界负荷、燃料流量和给水流量。对于不同压力等级的直流锅炉，各段受热面积比例不同。压力越高，蒸发段的吸热量比例越小，而加热段与过热段吸热量比例越大。因而，不同压力等级直流锅炉的动态特性通常存在一定差异。〔1〕汽机调门开度扰动.主汽流量迅速增加，随着主汽压力的下降而逐渐下降直至等于给水流量。.主汽压力迅速下降，随着主汽流量和给水流量逐步接近，主汽压力的下降速度逐渐减慢直至稳定在新的较低压力。.过热汽温一开始由于主汽流量增加而下降，但因为过热器金属释放蓄热的补偿作用，汽温下降并不多，最终主汽流量等于给水流量，且燃水比未发生变化，故过热汽温近似不变。.由于蒸汽流量急剧增加，功率也显著上升，这局部多发功率来自锅炉的蓄热。由于燃料量没有变化，功率又逐渐恢复到原来的水平。〔2〕燃料量扰动燃料发生变化时，由于加热段和蒸发段缩短，锅炉储水量减少，在燃烧率扰动后经过一个较短的延迟，蒸汽量会向增加的方向变化，当燃烧率增加时，一开始由于加热段蒸发段的缩短而使蒸发量增加，也使压力、功率、温度增加。.由于给水流量保持不变，因此主汽流量最终仍保持原来的数值。但由于燃料量的增加而导致加热段和蒸发段缩短，锅炉中贮水量减少，因此主汽流量在燃料量扰动后经过一段时间的延迟后会有一个上升的过程。.主汽压力在短暂延迟后逐渐上升，最后稳定在较高的水平。最初的上升是由于主汽流量的增大，随后保持在较高的水平是由于过热汽温的升高，蒸汽容积流量增大，而汽机调速阀开度不变，流动阻力增大所致。.过热汽温一开始由于主汽流量的增加而略有下降，然后由于燃料量的增加而稳定在较高的水平。.功率最初的上升是由于主汽流量的增加，随后的上升是由于过热汽温(新汽烩)的增加。〔3〕给水流量扰动当给水流量扰动时，由于加热段、蒸发段延长而推出一局部蒸汽，因此开始压力和功率是增加的，但由于过热段缩短使汽温下降，最后虽然蒸汽流量增加但压力和功率还是下降，汽温经过一段时间的延迟后单调下降，最后稳定在一个较低的温度上。随着给水流量的增加，主汽流量也会增大。但由于燃料量不变，加热段蒸发段都要延长。在最初阶段，主汽流量只是逐步上升，在最终稳定状态，主汽量必将等于给水量，稳定在一个新的平衡点。.主汽压力开始随着主汽流量的增加而增加，然后由于过热汽温的下降而有所回落。.过热汽温经过一段较长时间的迟延后单调下降直至稳定在较低的数值。.功率最初由于蒸汽流量增加而增加，随后那么由于汽温降低而减少。因为燃料量未变，所以最终的功率根本不变，只是由于蒸汽参数的下降而稍低于原有水平。3．中间点焓值的调节方法及选取原那么〔1〕直流锅炉微过热汽温动态特性过热蒸汽温度能正确反映燃水比例的改变，但存在较大的迟延，通常为400s左右;因此不能以过热蒸汽温度作为燃水比例的控制信号，通常采用微过热汽温作为燃水比例的校正信号。在这个意义下，微过热汽温的动态特性具有特殊的要性。微过热汽温又称为中间点温度。以微过热汽温作为燃水比的校正信号时，其过热度的选择是非常重要的。从控制系统品质指标的角度考虑，所取的微过热汽温过热度越小，迟延越小。然而，假设烩值小于2847kJ/kg(6801}caVkg，那么图中虚线以下，曲线进入明显的非线性区，汽温随烩值变化的放大系数明显减小，而受汽压变化的影响很大，变得不稳定。这影响微过热汽温对于燃水比例关系的代表性。经验证明，微过热蒸汽的烩值在28471}J/kg左右时，其特性比较稳定。按照反响较快和便于检测等条件，通常在选取一个适宜的地点，根据该点工质温度来控制燃水比。这一点称为中间点，中间点汽温变化的时滞应不超过30~40s。但应说明，不同负荷时，中间点的汽温不是固定不变，而是机组负荷的函数。4．、超临界机组的控制策略超临界机组直流炉机组与亚临界汽包炉机组的主要区别在锅炉本体局部。超超临界机组较超临界机组而言，只是工艺参数相对高一些，但在热控设计方面两者根本上没有大的差异。〔1〕过热蒸汽温度控制的任务过热蒸汽温度控制的主要任务是维持过热器出口温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响平安;过热蒸汽温度偏低，那么会降低发电机组能量转换效率，据分析，汽温每降低5℃，热经济性将下降1%;且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度增大，甚至使之带水，严重影响汽轮机的平安运行。该机组要求控制过热蒸汽温在的571℃范围内。〔2〕影响过热蒸汽温度的主要因素燃料、给水比〔煤水比〕只要燃料、给水的比不变，过热气温就不变。只要保持适当的煤水比，在任何负荷和工况下，直流锅炉都能维持一定的过热气温。给水温度正常情况下，给水温度一般不会有大的波动；但当高压加热器因故障退出系统时，给水温度就会降低。对于直流锅炉，燃料不变，由于给水温降低加热段加长、过热段缩短过热汽温会随之降低，负荷也会降低。过剩空气系数过量空气系数的变化直接影响锅炉排损失，同时影响对流受热面与辐射受热面的吸热比例。当过量空气系数增大时，除排烟热损失增加、锅炉效率降低外，炉膛水冷壁吸热减少，造成过热器进口温度降低、屏式过热器出口温度减低；虽对流过热器吸热量有所增加，但在煤水比不变的情况下，末级过热器出口汽温有所下降。过量空气系数减小时，结果与增加时相反。假设要保持过热汽温不变，那么需重新调整煤水比。火焰中心高度火焰中心高度变化的影响与过量空气系数变化的影响相似。在煤水比不变的情况下，火焰中上移类似于过量空气系数增加，过热汽温略有下降；反之，过热汽温略有上升。假设要保持过热汽温不变，也需重新调整煤水比。受热面结渣煤水比不变的调节下，炉膛水冷壁结渣，过热汽温有所下降；过热器结渣或积灰时，过热汽温下降明显。前者发生时，调整煤水比就可；后者发生时，不随便调整煤水比，必须在保证水冷壁温度不超限的前提下调整煤水比。对于直流锅炉，在水冷壁温度不超限的条件下，后四种影响过热汽温因素都可以通过调整煤水比来消除;所以，只要控制、调节好煤水比，在相当大的负荷范围内，直流锅炉的过热汽温可保600MW超临界发电机组锅炉过热汽温的调节是以调节煤水比为主，用一、二级减温水作细调。1)过热汽温粗调(煤水比的调节)煤水比的调节的主要温度参照点是中间点(即内置式别离器出口)烩值(或温度)。锅炉负荷大于40%MCR，别离器呈干态，中间点温度为过热温度。从直流锅炉汽温控制的动态特性可知:过热汽温控制点离工质开始过热点越近，汽温控制时滞越小，即汽温控制的反响明显，具体控制思路见锅炉给水控制系统局部。持在额定值，这个优点是汽包锅炉无法比较的;但煤水比的调整，只有自动控制才能可靠完成。燃水比也燃料量与给水之间的比例,它不是恒定不变的。它必须随着负荷的改变而改变,下试可说明这一点：i=i+式中，i—主蒸汽焓值〔kj/kg〕i—给水焓值〔kj/kg〕F—燃料量〔t/h〕W—给水量〔t/h〕Q—燃料低位发热量〔kj/kg〕η—锅炉效率因为锅炉给水温度是随负荷的增加而升高的，故i也随之升高，机组定压运行时，主蒸汽温度和压力为定值，即i为一定值，Q和η可视为常数，因此燃水比F/W是随着负荷的升高而减小的另一方面，燃料量和给水量在负荷改变时按燃水比F/W并进行调整，但二者对汽温的动态影响是不同的。为减小负荷动态调整过程中汽温波动，还必须对负荷调整产生的燃料量指令和给水指令分别设置动态校正环节。2〕过热汽温细调由于锅炉调节中，受到许多因素变化的影响，只靠煤水比的粗调还不够;另外，还可能出现过热器出口左、右侧温度偏差。因此，在后屏过热器的入口和高温过热器(末级过热器)的入口分别布置了一级和二级减温水(每级左、右各一)。喷水减温器调温惰性小、反响快，开始喷水到喷水点后汽温开始变化只需几秒钟，可以实现精确的细调。所以，在整个锅炉负荷范围内，要用一、二级喷水减温来消除煤水比调节(粗调)所存在的偏差，以到达精确控制过热汽温的目的。必须注意的是，要严格控制减温水总量，尽可能少用，以保证有足够的水量冷却水冷壁;投用时，尽可能多投一级减温水，少投二级减温水，以保护屏式过热器。屏式过热器出口温度控制系统如图2所示，又称为一级减温控制系统。该系统由A(左)侧和B(右)侧两套系统构成，结构相似，都采用温差串级控制策略。为了保证机组的经济性，防止过多喷水，由汽水别离器出口压力经f(x)形成饱和温度，再加上10℃的过热度，作为喷水的最低温度限。二级减温器入口温度与出口温度的温差信号作为主调节器的过程被控量，主调的输出作为副调节器的给定值，一级减温器出口温度为副调节器的被调量，形成串级调节系统，产生一级喷水减温器的喷水量指令去控制一级减温器入口水调节门，使进、出二级减温器的温差负荷(蒸汽流量)而变化。这可防止负荷增加时一级喷水量的减少和二级喷水量的大幅度增加从而使一级和二级喷水量相差不大，各段过热器温度相比照较均匀。设定值可由运行人员手动设定或由修正后的蒸汽流量经f(x)形成。蒸汽流量、总风量、燃烧器倾角(燃料指令)经动态滤波处理后，加到主调的输出，作为前馈量，其目的使为了在负荷变化引起烟气侧扰动时末级过热蒸汽温度控制系统如图3所示，又称为二级减温控制系统。该系统也由A(左)侧和B(右)侧两套系统构成，结构相似，采用典型的串级汽温控制方案。系统的设定值可由运行人员手动设定或由修正后的蒸汽流量经f(x)形成。蒸汽流量、总风量、燃烧器倾角(燃料指令)经动态滤波补偿处理后，加到主调的输出，作为前馈量，其目的使为了在负荷变化引起烟气侧扰动时，及时调整喷水量，消除负荷扰动，减小过热汽温波动。为保证机组的经济性，防止过多喷水，系统还设置了最低喷水温度限制，即由汽水别离器出口压力经f(x)形成饱和温度，再加上10℃的过热度，作为喷水的最低温度限。四直流锅炉的启动系统1、直流锅炉启动过程的主要问题〔1〕直流锅炉无储存汽水的锅筒，启动一开始就必须不