電站鍋爐減溫水質量流量特性分析

劉海，侯本杰，楊峰

(山東中實易通集團有限公司，濟南 250002)

電站鍋爐減溫水質量流量特性分析

劉海，侯本杰，楊峰

(山東中實易通集團有限公司，濟南 250002)

通過調取并分析電站鍋爐穩定工況和變負荷工況的實際運行數據，得到了準確的電站鍋爐減溫水質量流量特性曲線。依據曲線特性分析，通過線性化調節閥與質量流量之間非線性的對應關系可有效控制過熱器減溫水質量流量，改善了主蒸汽溫度的品質，提高了機組運行的經濟性和安全性。

電站鍋爐；運行數據；減溫水；特性

0 引言

現代鍋爐的主蒸汽溫度主要通過兩級減溫水控制，一級減溫水(以下簡稱一減)初調，二級減溫水(以下簡稱二減)細調。對減溫水的控制，傳統的控制策略是通過比例、積分、微分控制實現。這種控制策略的缺點是，在控制過程中主蒸汽溫度容易產生較大波動。為此，需要對減溫水質量流量進行特性試驗。傳統的減溫水調節閥質量流量特性試驗主要通過選取特定調節閥開度得出減溫水質量流量特性。通過個別數據進行規劃得到基本曲線，因數據不具有代表性和全面性，所以得出的曲線與實際曲線偏差較大。而發生波動時，運行人員往往通過降低主蒸汽溫度以避免超溫，這在一定程度上偏離設計工況，對機組運行的經濟性和安全性構成威脅。因此，有必要對減溫水質量流量特性進行更加深入地分析，從而實現對減溫水的科學控制。

本文通過對電站鍋爐大量實際運行數據進行整合提煉，結合設備結構和調節特點，對影響減溫水質量流量特性的因素進行了全面分析。通過分析，對影響減溫水質量流量特性因素的影響程度進行了量化，得到減溫水調節閥與質量流量的具體對應關系，并得到實際運行調節閥內漏死區的具體數值，實現了對主蒸汽溫度的快速、準確控制，從而能夠更加有效地應對穩定負荷及變負荷工況下對主蒸汽溫度的要求。

1 影響減溫水質量流量的因素

1.1 介質因素

水管內流動能量損失可以分為沿程能量損失和局部能量損失，通常沿程阻力損失的計算采用達西-魏斯巴赫公式[1]

(1)

式中：Pf為沿程阻力損失；λ為沿程損失系數；l為管道長度；d為管道內徑；v為速度；g為重力加速度。

局部阻力損失則為

(2)

式中：Pj為局部阻力損失；ζ為局部損失系數。

實際管道阻力既有直管段等產生的沿程阻力損失，又包含彎頭調節閥等產生的局部阻力損失。那么總的阻力損失為

(3)

式中：Pw為總阻力損失。

由公式(1)、公式(2)、公式(3)可以得出，流經管道內的流體質量流量為

(4)

式中：qm為流體質量流量；ρ為流體密度；A為流體管道截面積。

在本文中公式(3)中的總阻力損失Pw亦可看作減溫水系統進出口差壓。通過公式(4)可以得出，流體的質量流量與管道的沿程損失系數、局部損失系數及流體的進出口差壓有關，因而在考慮減溫水質量流量特性時，需要考慮管道的沿程損失系數、局部損失系數與系統的進出口差壓的影響。

1.2 其他影響減溫水質量流量的因素

在實際工程應用中，減溫水調節閥的動作會在機械部分和電動頭設置部分存在死區，閥門全關的情況下為防止卡澀會留有一定的間隙，因而需要考慮減溫水調節閥的內漏質量流量和死區段，以避免減溫水控制響應速度過慢或過快。

2 減溫水質量流量特性

2.1 電站鍋爐減溫水系統

如圖1所示，電站鍋爐過熱器減溫水系統的水源一般取自主給水管路，并由主路一分為二，分別流向過熱器一減和過熱器二減，一減和二減一分為二，分別流向鍋爐左側和鍋爐右側。

圖1 減溫水系統

減溫水系統中管路布置較為復雜，并且由于調節閥特性、安裝和制造的差異，減溫水質量流量與調節閥開度的對應關系并非簡單的線性關系，因而在系統調試過程中一般要求進行減溫水調節閥特性試驗，以便得出實際的減溫水質量流量與調節閥開度的關系。

2.2 減溫水質量流量與調節閥開度關系

選取某2×350 MW電廠在280，300，350 MW負荷工況下，穩定運行8～12 h的4 000多組數據進行分析，得出過熱器一、二級減溫水質量流量特性圖，不同工況下減溫水質量流量特性如圖2所示。

圖2 過熱器減溫水質量流量與調節閥開度關系

從圖2可以得出，在不同的負荷段，減溫水調節閥的特性基本是相同的。雖然在機組不同的負荷段，減溫水系統的入口壓力和出口壓力不同，但負荷穩定時，其進出口差壓不變。

過熱器一減調節閥基本無內漏，調節閥的死區(或無調節功能區)開度可以達到25%(具體見表1)。在25%開度范圍內，減溫水質量流量隨調節閥開度變化很小，而在25%～73%開度范圍內，減溫水調節閥的調節性能較好；在73%以上開度，減溫水質量流量已達最大值(對應關系見表2)。

過熱器二減基本無內漏，死區范圍在0～5%開度范圍內(具體見表1)；3%～5%開度附近存在初始動作區，此范圍內，減溫水質量流量增加較快；二減在5%～90%開度時調節性能較好，90%開度減溫水質量流量已達最大值(對應關系見表2)。

表1 不同負荷段減溫水調節閥死區 %

以350MW工況下減溫水質量流量與調節閥開度數據為基礎，列出減溫水質量流量與調節閥開度數據的對應關系見表2。

2.3 不同負荷段減溫水質量流量特性

由公式(3)和公式(4)可以得出，工質質量流量不僅與系統阻力變化(主要為調節閥的開度變化)有關，還與系統進出口差壓(包含在Pw內)有關。同樣以某2×350 MW電廠為例，在滑壓控制下，選取過熱器一、二級減溫水35%開度特性較好的區域進行研究，依據3次啟、停機過程中減溫水調節閥與減溫水質量流量數據，得到減溫水進出口差壓變化情況下的減溫水進出口差壓與質量流量的關系如圖3所示。由圖3可知，減溫水質量流量與進出口差壓呈線性關系，與公式(3)相符。

表2 減溫調節閥開度與質量流量的對應關系

圖3 減溫水質量流量與差壓關系及趨勢

減溫水系統的進出口差壓在減溫水系統中對于減溫水質量流量的影響要相對較小。在系統固定、負荷沒有劇烈變化情況下，主再熱系統的阻力隨系統入口壓力變化時的壓損變化較小，因而對減溫水質量流量影響要小于減溫水系統的阻力的變化，這就提高了減溫水調節閥特性曲線在不同負荷段的適用性。但是在負荷變動時，主蒸汽壓力變化較為明顯，在減溫水調節閥35%開度下，減溫水系統進出口差壓變化最大影響9%的減溫水質量流量，此時調整主蒸汽再熱汽溫度應該考慮減溫水系統進出口差壓的變化[2-5]。

2.4 減溫水間的相互影響

由圖1可知，一、二級左右側減溫水均為并列布置，減溫水同時開、關會相互影響。以右側二減為例，在左側減溫水開度不變(工況1)、左右兩側二減同時關小(工況2)、左右兩側二減同時開大(工況3)3個工況下，分析減溫水間的相互影響。3個工況下減溫水質量流量特性曲線基本一致，減溫水質量流量間的相互影響特性曲線如圖4所示。同樣開度下，3個工況下減溫水質量流量會有一定差別，在本次統計工況下的差別見表3(在統計涵蓋的區域不同工況下減溫水質量流量的最大差別為0.4 t/h，基本可以忽略此因素影響)。

圖4 減溫水質量流量間的相互影響

調節閥開度/%右側二減質量流量/(t·h-1)工況1工況2工況3101.8291.5741.729152.1541.7852.003202.4932.2092.347253.0142.7982.888303.6733.2783.609

3 控制策略優化

以減溫水調節閥特性曲線為基礎，將減溫水質量流量與調節閥開度非線性的關系通過比例、積分、微分控制調節模塊后的函數線性化[6]，改善調節模塊在不同開度區間的適應性，進而優化汽溫的調節效果，使汽溫調整過程中不超溫，溫度波動范圍減小。

在負荷擺動試驗過程中對減溫水控制方案進行修改，對比調整前后的試驗參數曲線如圖5所示，主蒸汽溫度的穩定性得到明顯改善。在減溫水控制方案調整前(圖5a)，升負荷過程中，過熱汽溫度波動較大，左側過熱汽溫度波動最大達27.80 ℃，右側過熱汽溫度波動最大達26.85 ℃，存在超調現象，且負荷擺動過程中汽溫出現超溫，最高汽溫達580.06 ℃。控制方案調整后(圖5b)過熱器溫度波動范圍明顯減小，左側過熱汽溫波動5.59 ℃，右側過熱汽溫波動11.91 ℃，不需要人工修改設定值干涉減溫水調節，主蒸汽溫度可以控制在許可范圍內(試驗過程中最高汽溫571.32 ℃，最低汽溫559.41 ℃)，沒有出現超溫現象。

圖5 減溫水控制方案調整前后汽溫曲線(截圖)

4 結束語

通過調取并分析電站鍋爐穩定工況和變負荷工況的實際運行數據，得到了準確的電站鍋爐減溫水質量流量特性曲線。依據以上特性分析，通過線性化調節閥與流量之間非線性的對應關系，可有效控制過熱器減溫水質量流量，改善了主蒸汽溫度的品質，提高了機組運行的經濟性和安全性。本文得到的特性曲線在實際應用中得到一定證實，在同類型機組中的減溫水控制方案的優化過程中亦有一定借鑒意義。

[1]孔瓏.工程流體力學[M].北京:中國電力出版社,2014.

[2]馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌.鍋爐原理及計算[M].北京：科學出版社，2003：335-339.

[3]錢進，王冠倫，周開貴.2 028 t/h鍋爐減溫水循環函數法計算與分析[J].熱力發電，2009，38(3)：34-39.

[4]陳波，張永軍，羅志浩.超臨界機組汽溫控制中減溫水聯控方式的研究與實現[J].電站系統工程，2010,26(4)：54-56.

[5]高亞杰，闞玉英.基于歷史數據分析的汽機調門曲線優化[J].華北電力技術，2012(10)：35-51.

[6]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2008.

(本文責編：劉炳鋒)

2017-02-21；

2017-04-26

TK 223.7+3

A

1674-1951(2017)05-0020-04

劉海(1990—)，男，山東泰安人，助理工程師，從事電站鍋爐調試及燃燒調整方面的工作(E-mail:843247216@qq.com)。