過熱蒸汽溫度控制對象的動靜態(tài)特性

郭慶軍

（華中科技大學(xué) 文華學(xué)院，湖北 武漢 430074）

在電力系統(tǒng)中，鍋爐過熱蒸汽的溫度一般作為影響電力機組生產(chǎn)過程的安全性和經(jīng)濟性一個比較重要的參照數(shù)值。隨著對產(chǎn)品工作環(huán)境的提高，鍋爐過熱器也要長期處在高溫高壓環(huán)境下進行工作，使得過熱器出口是整個裝備中溫度最高，也是金屬壁溫的最高處。一般的過熱器選用耐高溫高壓的合金剛材料，這樣有利于設(shè)備的正常運作，同時也要注意過熱蒸汽的溫度過低，會影響機組的熱效率。對此，過熱蒸汽的溫度過高或過低，這都是常規(guī)生產(chǎn)過程不允許的。

1 過熱器的分類

過熱器可以根據(jù)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(nèi)火焰和煙氣的輻射熱。

現(xiàn)代大容量高參數(shù)鍋爐的過熱器主要由對流過熱器，屏式過熱器，包覆過熱器，頂棚過熱器，聯(lián)箱及減溫器構(gòu)成。制造它們的材料一般都是合金鋼，有的還需用特種鋼來制造。

（1）對流過熱器。布置在煙道內(nèi)，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(lián)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(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。

大容量鍋爐的對流過熱器布置在煙溫很高的區(qū)域內(nèi)，其蒸汽溫度和管壁的熱負荷都很高。而蒸汽側(cè)放熱系數(shù)比省煤器中的水或蒸發(fā)受熱面中的汽水混合物的放熱系數(shù)都低的多，因此過熱器受熱面必須用具有良好的高溫強度特性的優(yōu)質(zhì)碳素鋼或含有鉻、鉬、釩的耐熱合金鋼制造。過熱器管子用什么材料制造，取決于它所處的工作條件。現(xiàn)代鍋爐對流過熱器多采用立式布置，因為這樣可以采用簡單可靠的懸吊固定方法，而臥式過熱器的固定比較困難。立式布置的主要缺點，是停爐時積存在管內(nèi)的凝結(jié)水不易排出，容易引起蛇形管下部彎頭腐蝕。

（2）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(qū)域，也可以與蒸發(fā)受熱面管子間隔布置。

在自然循環(huán)鍋爐中，輻射過熱器管子布置在燃燒室上部，能使管子避開熱負荷最高的火焰中心區(qū)域。但是這種布置會使水冷壁管的吸熱高度降低,可能影響水循環(huán)的安全性。如果輻射過熱器沿燃燒室全部高度布置，則處于火焰中心區(qū)的管子容易過熱燒壞。特別是升火過程中，為保證管子的冷卻必須采取從外界引進蒸汽等專門措施。在直流鍋爐中，情況有所不同，水冷壁上部都有一定的過熱度，相當于輻射過熱器，由于上部爐溫較低，所以可保證安全。

2 過熱蒸汽溫度控制對象的動靜態(tài)特性

2.1 靜態(tài)特性

（1）鍋爐負荷與過熱汽溫的關(guān)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(qū)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(wěn)態(tài)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(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負荷范圍內(nèi)，仍隨鍋爐負荷的增加有所升高。

（2）過剩空氣系數(shù)與過熱汽溫的靜態(tài)關(guān)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(guān)系。提高給水的溫度，將使過熱汽溫下降，這是因為產(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。則是否投入高壓給水加熱器將使給水溫度相差很大，這對過熱汽溫有顯著的影響。

（4）燃燒器的運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[角會影響爐內(nèi)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。

2.2 動態(tài)特性

目前，火電機組廠廣泛采用噴水減溫方式來控制過熱蒸汽溫度。影響汽溫變化的因素很多，但主要有蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水量等。在各種擾動下，汽溫控制對象是有煙池、慣性和自平衡能力的。

蒸汽流量擾動下的蒸汽溫度對象的動態(tài)特性。大型鍋爐都采用復(fù)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(shè)計上配合得當，就能使過熱其出口汽溫隨蒸汽流量變化的影響減小。因此在生產(chǎn)實踐中，通常把對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D的增加而升高的。

3 結(jié)語

對此，對以上分析，我們可以做如下幾點總結(jié)：①過熱器出口蒸汽溫度對象不管在哪一種擾動下都有延遲和慣性，有自平衡能力。而且改變?nèi)魏我粋€輸入?yún)?shù)，其他的輸入?yún)?shù)都可能直接或間接的影響出口蒸汽溫度，這使得控制對象的動態(tài)過程十分復(fù)雜。②在減溫水流量擾動下，過熱器出口蒸汽溫度對象具有較大的傳遞滯后和容量滯后，縮減減溫器與蒸汽溫度控制點之間的距離，可以改善其動態(tài)特性。③在煙氣側(cè)熱量和蒸汽流量擾動下，蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性比較好。

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