過熱器金屬壁溫超溫的原因分析與優(yōu)化

孔德偉 張 皓 于 航

（1.中國華電科工集團有限公司，北京 100160；2.國能河北衡豐發(fā)電有限責任公司，河北 衡水 053000；3.河北榮春能源科技有限公司，河北 石家莊 050011）

0 引言

火力發(fā)電廠運行過程中，主汽溫度、過熱汽溫與爐膛內各金屬溫度是操作人員主要關注的重要測點，對保障機組穩(wěn)定運行、電力安全生產起著決定性作用。實際運行中，當鍋爐主控（給煤指令）變化過大或波動較為頻繁時，很容易發(fā)生過熱器金屬壁溫測點超溫的問題，直接影響到機組的穩(wěn)定運行，甚至由于溫差過大，設備表面的熱應力會超過設計允許值，導致巨大隱患，造成維護困難和設備損壞。此外，一些火電廠在生產運營過程中可能還存在燃用煤種與設計不符的情況，這也會降低鍋爐帶負荷能力，使得兩側蒸汽溫度偏離設計規(guī)定值，進而導致超溫現象[1]。本文從DCS控制邏輯優(yōu)化的角度出發(fā)，對導致超溫問題的原因進行了分析，并進一步就超溫問題的解決對策進行了詳細探討。

1 問題概述

金川熱電2×135 MW機組，鍋爐為上海電氣制造的SG400-295型，設計流量490 t/h，壓力13.7 MPa。低溫過熱器14個測點，報警溫度為465 ℃；一級減溫水后，前屏過熱器4個溫度測點，報警值為492 ℃；二級減溫水前，后屏過熱器14個溫度測點，報警值為520 ℃。

運行過程中前屏與后屏過熱器溫度頻繁超過報警值，波動較大，后屏最高溫度可達580 ℃，嚴重影響設備安全，在升負荷段超溫現象尤為明顯。非供熱期，每日02：00左右，機組負荷指令開始上升，滿負荷運行5 h左右，白天半負荷運行，指令較為平穩(wěn)。過熱器最高溫度出現在負荷上升中期，此時主汽壓力小于設定值，給煤量增長較快；過熱器第二次較大超溫出現在降負荷中期，此時汽機能量需求減少，煤量卻保留足夠的慣性，使爐內溫度過高；負荷平穩(wěn)期間，超溫現象偶爾出現，但溫度波動較大，直接原因為減溫水閥門開關頻繁。另外經分析發(fā)現，一級減溫水調門在開度大于40%時，再增大開度對流量影響不明顯，若運行人員在此范圍操作，則無法產生控制效果，需要改善控制裕度，使執(zhí)行器工作在有效范圍內。

2 超溫現象原因分析

主汽溫度是機爐安全經濟運行所必須監(jiān)視與調整的主要參數之一，過熱器金屬壁溫和主汽溫度有同樣的特性，影響溫度變化的原因也相同，具有影響因素多、響應過程復雜多變、調節(jié)過程慣性大的特點。

1）鍋爐與燃料特性的影響：過熱器受熱面的傳熱方式為對流換熱，且再熱器和過熱器受熱特性基本相同，因此影響對流換熱的因素也就是影響主再汽溫變化的因素。燃煤中水分高，燃燒生成的煙氣量大，會使對流換熱加強，從而使主、再熱汽溫升高；燃煤中灰分大及發(fā)熱量低，為使燃燒完全所需空氣量增大及使燃料著火推遲火焰中心抬高也會使汽溫升高。

2）燃料性質與火焰中心位置的影響：煤粉細度大、煤粉粗及一次風量大均會使燃燒過程推遲，火焰中心抬高，造成汽溫升高；投運上層燃燒器，會使火焰中心抬高，使汽溫升高；反之，投運下層燃燒器會使汽溫下降；下層燃燒器風煤量大會使汽溫下降，上層燃燒器風煤量大會使汽溫升高；爐膛負壓大，也會使火焰中心抬高并使煙氣流速加快，換熱增強，導致汽溫升高；爐膛負壓小則相反[2]。

3）鍋爐風量的影響：鍋爐風量大，即氧量大，對汽溫影響比較明顯，對流換熱增強，容易造成汽溫升高；鍋爐風量減小則相反。

4）給水的影響：燃料燃燒的總能量用于加熱給水以及提供鍋爐的蓄熱，若給水量變化或給水溫度變化，則會相應改變汽溫，燃料溢出的能量就會使得過熱器超溫。如高加解列使給水溫度下降，造成鍋爐蒸發(fā)量下降，而使主汽溫升高，為了維持蒸發(fā)量而加煤，會使主汽溫進一步升高。

5）減溫水量的影響：減溫水量大，則汽溫下降；減溫水量小，則汽溫升高。

3 溫度控制優(yōu)化方法

根據以上原因分析，在控制邏輯上進行以下改進：

1）鍋爐主控優(yōu)化：最嚴重的超溫是在負荷升降最劇烈時發(fā)生的，由于鍋爐慣性較大，依據鍋爐能量供需關系調整給煤過于遲緩，所以在鍋爐主控增加了變負荷前饋并限制了負荷上升中段的鍋爐主控升速率，如圖1所示。

圖1 鍋爐主控優(yōu)化

2）風量優(yōu)化：重新優(yōu)化了送風函數，調整了氧量系數，保證風量充足，煤粉充分燃燒，防止火焰中心升高造成溫度過高；在升降負荷段設置不同的一次風延遲時間，保證升負荷給風優(yōu)先于給煤，降負荷給風滯后于給煤，同樣是為了防止火焰中心過高，如圖2所示。

圖2 一次風優(yōu)化

3）減溫水調閥控制優(yōu)化：以一級減溫水為例，減溫水閥門原控制方案為串級控制，主調為一級減溫水出口壁溫，副調為減溫水流量，控制閥門開度。首先修改了副調PID系數，改善了閥門動作頻繁的問題，另外增加了兩個前饋，一個是金屬溫度變化率前饋，一個是高加出口溫度與汽包溫差前饋。

另外，對減溫水閥門行程進行了線性整定，通過歷史數據計算指令——流量函數，將空行程消除，也有效避免了閥門頻繁動作，如圖3所示。

4 結論

如圖4所示，截取了控制方案修改前后18 h汽溫變化、閥門動作情況與負荷波動情況的歷史趨勢圖，可見改進后在相同程度的負荷變化下，汽溫超溫有了明顯的改善，閥門動作也比之前更為平穩(wěn)。

表1計算了評價壁溫控制的幾個具體指標，可見改進后最高超溫溫度、超溫次數都明顯減少；超溫后恢復速度加快，控制效果明顯；溫度變化的方差減少，說明閥門動作更加平穩(wěn)；減溫水流量減少，說明運行經濟性提高。

表1 優(yōu)化前后控制指標對比

改進后在保證主汽溫、再熱汽溫控制品質的基礎上，有效降低了過熱器金屬壁溫超溫幅度，減少了超溫頻次，緩解了減溫水閥門動作頻繁問題，保證了機組運行的經濟性及安全性。