鍋爐過熱蒸汽溫度調節

張強

蒸汽過熱系統是鍋爐系統安全正常運行，確保蒸汽品質的重要部分。過熱控制任務是使過熱器出口溫度維持在允許范圍內，并保護過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度過高或過低，對鍋爐運行及蒸汽設備都是不利的，過熱蒸汽溫度過高，過熱器容易損壞，汽輪機也因內部過度的熱膨脹而嚴重影響安全運行；過熱蒸汽溫度過低，一方面使設備的效率降低，同時使汽輪機后幾級的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損，所以必須把過熱器出口蒸汽的溫度控制在規定范圍內。

一、過熱器的結構、分類

過熱器可以根據它所采用的傳熱方式分為對流過熱器、半輻射過熱器及輻射過熱器三種。對流過熱器是放在爐膛外面對流煙道里的過熱器，它主要以對流傳熱方式吸收流過它的煙氣的熱量。半輻射過熱器也稱屏式過熱器，一般放在爐膛上部出口附近，它既吸收爐膛火焰的輻射熱，又以對流方式吸收流過它的煙氣的熱量。輻射過熱器是放在爐頂或爐墻上的過熱器，它基本上只吸收爐膛內火焰和煙氣的輻射熱。

（一）對流過熱器

布置在煙道內，依靠熱煙氣對流傳熱的過熱器，稱為對流式過熱器。對流過熱器是由聯箱和很多細長的蛇形管束所組成。蛇形管可作立式或臥式布置。過熱器的進出口聯箱放在爐墻外部，起著分配和匯集蒸汽的作用。蛇形管與聯箱上的管接頭焊接在一起。

（二）輻射過熱器

輻射過熱器可布置在燃燒室四壁，也稱墻式或壁式過熱器，或布置在爐頂，稱頂棚過熱器，直接吸收輻射熱。在做墻式布置時輻射過熱器的管子可以布置在燃燒室四壁的任一面墻上，可以僅布置在燃燒室上部，也可以沿燃燒室高度全部布置；它可以集中布置在某一區域，也可以與蒸發受熱面管子間隔布置。

（三）屏式過熱器和包覆過熱器

除了上述兩種過熱器外，還有一種介于兩者之間的半輻射過熱器。最常用的半輻射過熱器是布置在燃燒室上部或出口處的高溫煙區內的屏式過熱器。其結構特征為幾排拉稀的管屏。屏式過熱器沿爐寬平行布置，管屏數目一般為8—16片，屏片間距為0.5—2米，各跟管子之間的相對間距在1.1左右，屏中并聯管子的數目為15—30根。管屏懸掛在爐頂的鋼梁上，受熱后能自由的向下膨脹。為了保持各屏間的節距，可將相臨兩屏中的若干對管子彎繞出來互相夾持在一起，而各屏本身的管子也應夾持在同一平面上。屏式過熱器布置在對流過熱器前面，以降低對流過熱器入口煙溫，避免對流過熱器結渣。屏式過熱器的汽溫變化特性介于輻射與對流過熱器之間，所以變化也比較平穩。

二、過熱蒸汽溫度控制對象的動靜態特性

影響過熱蒸汽溫度的因素很多，有動態也有靜態的，主要的有：鍋爐負荷、爐膛過剩空氣系數、給水溫度、燃燒器的運行方式、蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水量

（一）靜態特性

1.鍋爐負荷與過熱汽溫的關系

鍋爐負荷增加時，爐膛燃燒的燃料增加，但是，爐膛中的最高的溫度沒有多大的變化，爐膛輻射放熱量相對變化不大，因此爐膛溫度增高不大。這就是說負荷增加時每千克燃料的輻射放熱百分率減少，而在爐膛后的對流熱區中，由于煙溫和煙速的提高，每千克燃料的對流放熱百分率將增大。因此，對于對流式過熱器來說，當鍋爐的負荷增加時，會使出口汽溫的穩態值升高；輻射式過熱器則具有相反的汽溫特性，即當鍋爐的負荷增加時，會使出口汽溫的穩態值降低。如果兩種過熱器串聯配合，可以取得較平坦的汽溫特性，但一般在采用這兩種過熱器串聯的鍋爐中，過熱器出口蒸汽溫度在某個負荷范圍內，仍隨鍋爐負荷的增加有所升高。

2.過剩空氣系數與過熱汽溫的靜態關系

過剩空氣量改變時，燃燒生成的煙氣量改變，因而所有對流受熱面吸熱隨之改變，而且對離爐膛出口較遠的受熱面影響顯著。因此，當增大過剩空氣量時將使過熱汽溫上升。

3.給水溫度與汽溫關系

提高給水的溫度，將使過熱汽溫下降，這是因為產生每千克蒸汽所需的燃料量減少了，流過過熱器煙氣也就減少了。也可以認為：提高給水溫度后，在相同燃料下，鍋爐的蒸發量增加了，因此過熱汽溫將下降。

4.燃燒器的運行方式與過熱汽溫的靜態關系

在爐膛內投入高度不同的燃燒器或改變燃燒器的擺角會影響爐內溫度分布和爐膛出口煙溫，因而也會影響過熱汽溫，火焰中心相對提高時，過熱汽溫將升高。

（二）動態特性

1.蒸汽流量擾動下的動態特性

大型鍋爐都采用復合式過熱器，當鍋爐負荷增加時，鍋爐燃燒率增加，通過對流式過熱器的煙氣量增加，而且煙氣溫度也隨負荷的增大而升高。這兩個因素都使對流式過熱器的氣溫升高。然而，當負荷增加時，爐膛溫度升高的并不明顯，由爐膛輻射傳給過熱器的熱量比鍋爐蒸汽量增加所需熱量少，因此使輻射式過熱器出口溫度下降。可見，這兩種型式的過熱器對蒸汽流量的擾動的反映恰好相反，只要設計上配合得當，就能使過熱器出口汽溫隨蒸汽流量變化的影響減小。因此在生產實踐中，通常把對流式過熱器與輻射式過熱器結合使用，還增設屏式過熱器，且對流方式下吸收的熱量比輻射方式下吸收的熱量多，綜合而言，過熱器出口汽溫是隨流量的增加而升高的。蒸汽流量擾動時，沿過熱器長度上各點的溫度幾乎是同時變化的，延遲時間較小，約為15s左右。

2.煙氣側熱量擾動下的動態特性

當燃料量、送風量或煤種等發生變化時，都會引起煙氣流速和煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導致過熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變是沿著整個過熱器長度方向上同時發生的，因此汽溫變化的遲延很小，一般在15-25s之間。它與蒸汽量擾動下的情況類似。

3.減溫水量擾動下的動態特性

當減溫水量發生擾動時，雖然減溫器出口處汽溫已發生變化，但要經過較長的過熱器管道才能使出口汽溫發生變化，其擾動地點（過熱器入口）與測量蒸汽溫度的地點（過熱器出口）之間有著較大的距離，此時過熱器是一個有純滯后的多容對象。當擾動發生后，要隔較長時間才能是蒸汽溫度發生變化，滯后時間比較大，滯后時間約為30-60s。

三、過熱蒸汽溫度控制系統的基本原理

（一）過熱器一級減溫控制系統

過熱器一級減溫控制系統是在一個串級雙回路控制系統的基礎上，引入前饋信號和防超溫保護回路而形成噴水減溫控制系統。主回路的被控量為二級減溫器入口的蒸汽溫度，其實測值送入主回路與其給定值進行比較，形成二級減溫器入口蒸汽溫度的偏差信號。主回路的給定值由代表機組負荷的主蒸汽流量信號經函數器f（x）產生，其含義為給定值是負荷的函數。運行人員在操作員站上可對此給定值給予正負偏置。主回路的控制由PID1來完成。主回路控制器接受二級減溫器入口蒸汽溫度偏差信號，經控制運算后其輸出送至副回路。

副回路的被控量為一級減溫器出口的蒸汽溫度。其溫度的測量值送入副回路與其給定值進行比較，形成一級減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號。副回路的給定值是由主回路控制器的輸出與前饋信號疊加形成。副回路采用PID2調節器，它接受一級減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號。

由于機組的負荷會改變，控制對象的動態特性也隨之而變，為了在較大的負荷變化范圍內都具備較高的控制品質，過熱蒸汽溫度利用計算機分散控制的優點，將主、副調節器設計成自動隨著負荷的變化不斷地修改整定參數的調節器。

（二）二級減溫控制系統

二級減溫控制系統與一級減溫控制系統的結構基本相同，也是一個串級雙回路控制系統，不同之處在于：主、副調節器輸入的偏差信號不同，采用的前饋信號也不同。

二級減溫控制系統的主回路的被控量為二級過熱器的出口蒸汽溫度，該蒸汽溫度與主回路的給定值進行比較，形成二級過熱器出口蒸汽溫度偏差信號，主回路的給定值由運行人員手動設定。

副回路的被控量為二級減溫器出口蒸汽溫度，其溫度的測量值送入副回路與其給定值比較，形成二級減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號。副回路給定值是上主回路控制器的輸出與前饋信號疊加而形成的。

不管是一級減溫控制系統還是二級減溫控制系統，串級控制系統起著主導作用，兩個控制器串聯工作，以主控制器為主導，保證主變量穩定為目的，兩個控制器協調一致，互相配合。若干擾來自副環，副控制器首先進行“粗調”，主控制器再進一步進行“細調”。