超临界锅炉

文献综述

1 前言

超临界压力机组已是世界上一项比较成熟的技术，加快建设和发展高效超临界火电机组是解决电力短缺、提高能源利用率和减少环境污染的最现实、最有效的途径。发展超临界机组已成为我国电力行业的主要方向之一。大容量超临界机组具有运行经济性高、负荷适应性强的特点，并且超临界直流炉因为没有汽包，其金属消耗量小，与同参数的汽包锅炉相比，直流锅炉可节约20-30%的钢材[1],因此，超临界机组是我国未来大型火电机组的发展方向。由于超临界直流炉和汽包炉在结构上存在的差异，因此在对参数控制方式上有着较大的差别。

超临界参数锅炉与亚临界汽包锅炉在自动控制方面有所不同，其原因是直流锅炉与汽包锅炉之间的差别。超临界参数锅炉是指过热器出口主蒸汽压力超过22.129 MPa，理论上认为，在水的状态参数达到临界点时，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、水共存的二相区存在，也就是说二者的各项参数不再有区别[2]。由于在临界参数下汽水密度相等，在超临界压力下无法维持自然循环，因此超临界锅炉必须是直流锅炉。

直流锅炉的主要特点是汽水系统中不设置汽包，工质一次性地通过省煤器、水冷壁、过热器，各受热面间无固定的分界线，则锅炉运行工况的各种改变（无论是给水量或燃料量的变动），都将导致汽水通道各点工质参数的变动，随之便引起了受热面各区段所占长度的变化，进而引起工质参数的改变。则要有较好的自动控制设备。超临界直流锅炉的自动控制中，最困难的是主汽温控制。超临界直流锅炉的主汽温调节通常采用分段调节法，一般分为2段：第1段是燃料量与给水量的比值来调节中间点的温度，实现过热汽温的粗调；第2段采用一级或两级喷水减温装置，实现过热汽温的细调[3]。

2 本课题在国内外的研究现状

超临界技术的发展至今已有40年的历史，20世纪90年代以来，由于环保和节能的需要，超临界机组又进入了新一轮的发展时期[4]。由于超临界机组压力、温度等级的提高，对机组参数控制要求也有所提高，其中，对主汽温的控制至关重要。在超临界直流锅炉中，过热汽温可通过煤水比来调节，煤水比调节的主要温度参照点是中间点温度。中间点温度的偏差信号指示运行人员或计算机通过调节煤水比消除中间点温度的偏差，以保持过热汽温的稳定。在实际运行中，由于给煤量不能控制得很精确，因而只能把保持煤水比作为粗调节，而另外用喷水减温作为细调节。当汽温偏低时，首先应增加燃料量或减少给水量，使汽温升高，然后再以喷水量来精确调节汽温[5]。 2.1 超临界直流锅炉的工作原理

由于在临界参数下汽水密度相等，在超临界压力下无法维持自然循环，因此超临界锅炉必须是直流锅炉。直流锅炉中，工质在给水泵的压头作用下，顺序一次通过加热、蒸发、过热各个受热面[6]。其工作原理示意图如图1-1：

加热段蒸发段过热段给水过热蒸汽

图1-1 直流锅炉工作原理示意图

随着水沿锅炉汽水通道长度流过，水被加热、蒸发、过热，最后蒸汽过热到所要求的温度。由于这些运动都是有水泵压头产生的，所以在直流锅炉的所有受热面中工质均为强制流动。由于直流锅炉是没有汽包的，所以汽水通道中的加热区、蒸发区和过热区各部分之间无固定分界线，只是根据管道长度上的水蒸汽参数变化情况，定有假想的“分界线”。由图1-1可知，在加热区段，工质焓和温度不断增加，比容实际上几乎不变，而压力有所下降；在蒸发区段，汽水混合物的焓和比容急剧增加，压力下降增快，而混合物温度（饱和温度）也降低一些；在过热区段，焓、比容和温度均增大较快，压力则由于阻力增大而下降更快。总括起来看，沿着汽水通道，吸热量不断累积，因此焓、温度及比容均不断增加，而压力则由于克服汽水通道沿程阻力而下降。

2.2 超临界直流锅炉的动态特性

动态特性是热工对象从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过渡特性。对锅炉来说，是指锅炉在突然受到内、外扰动时，在不加操作的情况下，汽水通道各参数（汽温、汽压、流量等）随时间变化的规律[9]。

（1）给水量扰动

在直流锅炉中，给水量的扰动将引起汽压、汽温以及蒸发量的变化。图1-2所示为保持燃烧功率不变（燃料量B不变）、而给水量G发生阶跃增加时的动态特性曲线。

主汽压力过热区段出口的汽温过热区段开始部分的汽温 D GB时间 ，分

图1-2 给水量G增加扰动时的动态特性

（燃料量B不变）

此时由于需要加热的工质增加，使加热区段增长，蒸发区段也增长，因此过热区段缩短。另一方面，直流锅炉中工质是一次强迫通过各个受热面，在达到稳定流动时，进入的给水量等于送出的蒸发量，因此给水量G增加时，蒸发量D也同量地增加。过热区段的缩短和蒸发量的增加，都促使过热汽温下降[2]。至于汽压的上升，则是由于汽轮机负荷不变，并不要求增加蒸汽流量，所以蒸发量随给水量增加时使出口汽压升高。

（2）燃料扰动

在给水量不变，燃料量发生扰动时，同样也引起直流锅炉汽水通道各参数的变化。图1-3示出了给水量不变而燃料量B作阶跃增加时的动态特性。

主汽压力过热区段出口的汽温过热区段开始部分的汽温 D GB时间 ，分

图1-3 燃料量B增加扰动时的动态特性

（给水量G不变）

燃料量增加时，锅炉内热负荷的增加使蒸发提早开始，所以加热区段和蒸发区段缩短而过

'G热区段增长。由原来的工况过渡好新的平衡工况时，交变工质重量由水蒸发成蒸汽，即D超过了G的部分是G蒸发出来的。因此在B扰动开始时，便有一个蒸发量短暂突变的现象。待

'G'蒸发玩后，D又降到原来数值，流量也恢复了平衡。B增加和过热区段的增长都促使过热区

段开始部分和出口的汽温升高。至于汽压，在外部汽轮机负荷不变而仅有燃料扰动的情况下，它只是与蒸发量D一样[2]。因此，燃料扰动主要引起汽温的变化，其变化程度取决于燃料扰动程度和过热区段的蓄热能力[12]。

2.3 超临界锅炉主汽温控制

超临界直流锅炉主汽温的调节常采用喷水减温。喷水减温实质上是调整工质流量在水冷壁和过热器之间分配比例，减温水量的变化改变了进入省煤器和水冷壁的工质流量，这一区段的热量与水量比值随之改变，因而区段内工质温度发生了相应变化。但无论减温水量有多大的变化，因进入锅炉的总给水流量未改变，即煤水比未改变，稳态时锅炉出口过热汽温也不会改变。因此，喷水减温控制只是在动态过程中采用的调节手段，只能改变瞬态的过热汽温。而在稳态，则必须使燃烧率与给水流量保持适当的比例，即保持一定的煤水比，是控制汽温的根本手段[13]。

（1）煤水比调节系统

锅炉出口汽压保持为常数时，燃料扰动与给水扰动对锅炉出口汽温的影响大小相同，但方向相反。即燃料和给水以相同的百分比扰动时，锅炉出口汽温保持不变，汽水流程中各点工质温度变化亦不大[14]。因此，保持汽水流程中某点工质温度为常数，便可间接的保持锅炉出口汽温即主汽温近似为常数。常用的煤水比调节系统的校正信号有热量信号和微过热汽温等等[15]。

（2）过热器喷水减温系统

过热器喷水减温系统工艺流程如图1-4所示。该系统设置两级喷水减温器，每级减温器分A、B两侧布置。级减温器布置在屏式过热器入口，Ⅱ减温器布置在高温过热器入口，且每级减温器A、B两侧均设置有一个电动喷水隔离阀和一个电动喷水调节阀[16] 。

MMM屏式过热器M末级过热器一级减温器低温过热器MM二级减温器MM

图1-4 过热器喷水减温工艺流程简图

过热两级减温控制原理基于串级双回路控制。每级A（或B）侧的控制原理简图如图1-5所示。图1-5中图中θ为中间点温度，Wc1(s)为主回路控制器的传递函数，Wc2(s)为副回路控制器的传递函数，Wo2(s)为主回路的传递函数，Wo1(s)为副回路的传递函数，该控制系统外回路控制二级减温器入口蒸汽温度t2，内回路通过控制一级减温水流量来保证一级减温器出口蒸汽温度t1达到要求值。

θ前馈R(t)+-Wc1(s)+--Wc2(s)Wo2(s)t1Wo1(s)t2

图1-5 双回路控制原理简图

3 结论

主蒸汽温度控制系统是提高机组热效率和保证机组安全运行的重要组成部分。对于不同调温方式的超临界锅炉，过热器系统的传热特性主要表现为辐射特性，符合水煤比为主的调温要求[17]。超临界锅炉主汽温的控制通常采用两个控制系统来实现，其中控制煤水比来调节汽水流程中某点的工质温度是对主汽温的粗调；采用喷水减温装置，则是对主汽温的细调。

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