鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)

張強(qiáng)

蒸汽過熱系統(tǒng)是鍋爐系統(tǒng)安全正常運(yùn)行，確保蒸汽品質(zhì)的重要部分。過熱控制任務(wù)是使過熱器出口溫度維持在允許范圍內(nèi)，并保護(hù)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(duì)鍋爐運(yùn)行及蒸汽設(shè)備都是不利的，過熱蒸汽溫度過高，過熱器容易損壞，汽輪機(jī)也因內(nèi)部過度的熱膨脹而嚴(yán)重影響安全運(yùn)行；過熱蒸汽溫度過低，一方面使設(shè)備的效率降低，同時(shí)使汽輪機(jī)后幾級(jí)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(guī)定范圍內(nèi)。

一、過熱器的結(jié)構(gòu)、分類

過熱器可以根據(jù)它所采用的傳熱方式分為對(duì)流過熱器、半輻射過熱器及輻射過熱器三種。對(duì)流過熱器是放在爐膛外面對(duì)流煙道里的過熱器，它主要以對(duì)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(duì)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(nèi)火焰和煙氣的輻射熱。

（一）對(duì)流過熱器

布置在煙道內(nèi)，依靠熱煙氣對(duì)流傳熱的過熱器，稱為對(duì)流式過熱器。對(duì)流過熱器是由聯(lián)箱和很多細(xì)長(zhǎng)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(jìn)出口聯(lián)箱放在爐墻外部，起著分配和匯集蒸汽的作用。蛇形管與聯(lián)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(shí)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(qū)域，也可以與蒸發(fā)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?zé)焻^(qū)內(nèi)的屏式過熱器。其結(jié)構(gòu)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(shù)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(duì)間距在1.1左右，屏中并聯(lián)管子的數(shù)目為15—30根。管屏懸掛在爐頂?shù)匿摿荷希軣岷竽茏杂傻南蛳屡蛎洝榱吮３指髌灵g的節(jié)距，可將相臨兩屏中的若干對(duì)管子彎繞出來互相夾持在一起，而各屏本身的管子也應(yīng)夾持在同一平面上。屏式過熱器布置在對(duì)流過熱器前面，以降低對(duì)流過熱器入口煙溫，避免對(duì)流過熱器結(jié)渣。屏式過熱器的汽溫變化特性介于輻射與對(duì)流過熱器之間，所以變化也比較平穩(wěn)。

二、過熱蒸汽溫度控制對(duì)象的動(dòng)靜態(tài)特性

影響過熱蒸汽溫度的因素很多，有動(dòng)態(tài)也有靜態(tài)的，主要的有：鍋爐負(fù)荷、爐膛過?？諝庀禂?shù)、給水溫度、燃燒器的運(yùn)行方式、蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水量

（一）靜態(tài)特性

1.鍋爐負(fù)荷與過熱汽溫的關(guān)系

鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，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(duì)變化不大，因此爐膛溫度增高不大。這就是說負(fù)荷增加時(shí)每千克燃料的輻射放熱百分率減少，而在爐膛后的對(duì)流熱區(qū)中，由于煙溫和煙速的提高，每千克燃料的對(duì)流放熱百分率將增大。因此，對(duì)于對(duì)流式過熱器來說，當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時(shí)，會(huì)使出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值升高；輻射式過熱器則具有相反的汽溫特性，即當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時(shí)，會(huì)使出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值降低。如果兩種過熱器串聯(lián)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(lián)的鍋爐中，過熱器出口蒸汽溫度在某個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)，仍隨鍋爐負(fù)荷的增加有所升高。

2.過?？諝庀禂?shù)與過熱汽溫的靜態(tài)關(guān)系

過?？諝饬扛淖儠r(shí)，燃燒生成的煙氣量改變，因而所有對(duì)流受熱面吸熱隨之改變，而且對(duì)離爐膛出口較遠(yuǎn)的受熱面影響顯著。因此，當(dāng)增大過剩空氣量時(shí)將使過熱汽溫上升。

3.給水溫度與汽溫關(guān)系

提高給水的溫度，將使過熱汽溫下降，這是因?yàn)楫a(chǎn)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(rèn)為：提高給水溫度后，在相同燃料下，鍋爐的蒸發(fā)量增加了，因此過熱汽溫將下降。

4.燃燒器的運(yùn)行方式與過熱汽溫的靜態(tài)關(guān)系

在爐膛內(nèi)投入高度不同的燃燒器或改變?nèi)紵鞯臄[角會(huì)影響爐內(nèi)溫度分布和爐膛出口煙溫，因而也會(huì)影響過熱汽溫，火焰中心相對(duì)提高時(shí)，過熱汽溫將升高。

（二）動(dòng)態(tài)特性

1.蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性

大型鍋爐都采用復(fù)合式過熱器，當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，鍋爐燃燒率增加，通過對(duì)流式過熱器的煙氣量增加，而且煙氣溫度也隨負(fù)荷的增大而升高。這兩個(gè)因素都使對(duì)流式過熱器的氣溫升高。然而，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，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?？梢?，這兩種型式的過熱器對(duì)蒸汽流量的擾動(dòng)的反映恰好相反，只要設(shè)計(jì)上配合得當(dāng)，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(chǎn)實(shí)踐中，通常把對(duì)流式過熱器與輻射式過熱器結(jié)合使用，還增設(shè)屏式過熱器，且對(duì)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(dòng)時(shí)，沿過熱器長(zhǎng)度上各點(diǎn)的溫度幾乎是同時(shí)變化的，延遲時(shí)間較小，約為15s左右。

2.煙氣側(cè)熱量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)燃料量、送風(fēng)量或煤種等發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起煙氣流速和煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導(dǎo)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(gè)過熱器長(zhǎng)度方向上同時(shí)發(fā)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(dòng)下的情況類似。

3.減溫水量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)減溫水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，雖然減溫器出口處汽溫已發(fā)生變化，但要經(jīng)過較長(zhǎng)的過熱器管道才能使出口汽溫發(fā)生變化，其擾動(dòng)地點(diǎn)（過熱器入口）與測(cè)量蒸汽溫度的地點(diǎn)（過熱器出口）之間有著較大的距離，此時(shí)過熱器是一個(gè)有純滯后的多容對(duì)象。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，要隔較長(zhǎng)時(shí)間才能是蒸汽溫度發(fā)生變化，滯后時(shí)間比較大，滯后時(shí)間約為30-60s。

三、過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的基本原理

（一）過熱器一級(jí)減溫控制系統(tǒng)

過熱器一級(jí)減溫控制系統(tǒng)是在一個(gè)串級(jí)雙回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入前饋信號(hào)和防超溫保護(hù)回路而形成噴水減溫控制系統(tǒng)。主回路的被控量為二級(jí)減溫器入口的蒸汽溫度，其實(shí)測(cè)值送入主回路與其給定值進(jìn)行比較，形成二級(jí)減溫器入口蒸汽溫度的偏差信號(hào)。主回路的給定值由代表機(jī)組負(fù)荷的主蒸汽流量信號(hào)經(jīng)函數(shù)器f（x）產(chǎn)生，其含義為給定值是負(fù)荷的函數(shù)。運(yùn)行人員在操作員站上可對(duì)此給定值給予正負(fù)偏置。主回路的控制由PID1來完成。主回路控制器接受二級(jí)減溫器入口蒸汽溫度偏差信號(hào)，經(jīng)控制運(yùn)算后其輸出送至副回路。

副回路的被控量為一級(jí)減溫器出口的蒸汽溫度。其溫度的測(cè)量值送入副回路與其給定值進(jìn)行比較，形成一級(jí)減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號(hào)。副回路的給定值是由主回路控制器的輸出與前饋信號(hào)疊加形成。副回路采用PID2調(diào)節(jié)器，它接受一級(jí)減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號(hào)。

由于機(jī)組的負(fù)荷會(huì)改變，控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性也隨之而變，為了在較大的負(fù)荷變化范圍內(nèi)都具備較高的控制品質(zhì)，過熱蒸汽溫度利用計(jì)算機(jī)分散控制的優(yōu)點(diǎn)，將主、副調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成自動(dòng)隨著負(fù)荷的變化不斷地修改整定參數(shù)的調(diào)節(jié)器。

（二）二級(jí)減溫控制系統(tǒng)

二級(jí)減溫控制系統(tǒng)與一級(jí)減溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相同，也是一個(gè)串級(jí)雙回路控制系統(tǒng)，不同之處在于：主、副調(diào)節(jié)器輸入的偏差信號(hào)不同，采用的前饋信號(hào)也不同。

二級(jí)減溫控制系統(tǒng)的主回路的被控量為二級(jí)過熱器的出口蒸汽溫度，該蒸汽溫度與主回路的給定值進(jìn)行比較，形成二級(jí)過熱器出口蒸汽溫度偏差信號(hào)，主回路的給定值由運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定。

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

不管是一級(jí)減溫控制系統(tǒng)還是二級(jí)減溫控制系統(tǒng)，串級(jí)控制系統(tǒng)起著主導(dǎo)作用，兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，以主控制器為主導(dǎo)，保證主變量穩(wěn)定為目的，兩個(gè)控制器協(xié)調(diào)一致，互相配合。若干擾來自副環(huán)，副控制器首先進(jìn)行“粗調(diào)”，主控制器再進(jìn)一步進(jìn)行“細(xì)調(diào)”。