二次再熱機組再熱汽溫控制方案研究

許龍虎

（華東電力設計院有限公司，上海 200063）

二次再熱機組再熱汽溫控制方案研究

許龍虎

（華東電力設計院有限公司，上海 200063）

再熱汽溫是鍋爐安全、經濟運行的重要參數之一，而二次再熱機組鍋爐增加了一級二次再熱循環，再熱汽溫的調節更加復雜。簡單比較了幾種不同的二次再熱機組再熱汽溫控制方案，并以某超超臨界二次再熱機組為例介紹了尾部三煙道平行煙氣擋板調節為主、引射煙氣再循環調節為備用、并輔以事故噴水的再熱汽溫控制方案，以期對后續同爐型二次再熱機組的再熱汽溫控制設計起到示范作用。

二次再熱；超超臨界；再熱汽溫；控制方案。

1　概述

再熱汽溫是表征鍋爐運行工況的重要參數之一。汽溫過高，會使鍋爐受熱面及蒸汽管道金屬的蠕變速度加快，影響鍋爐使用壽命；汽溫過低將會引起機組熱效率降低，使汽耗率增大，還會使汽輪機末級葉片處蒸汽濕度偏大，造成汽輪機末級葉片侵蝕加劇。

再熱汽溫對象具有大延遲、大慣性的特點，而且影響再熱汽溫變化的因素很多，如機組負荷變化、煤質變化、減溫水量、受熱面結焦、風煤配比、燃燒工況以及過剩空氣系數等，汽溫對象在各種擾動作用下反映出非線性、時變等特性，使其控制難度增大。隨著電網規模不斷增大以及大容量機組在電網中的比例不斷增加，電網要求發電機組具有更高的負荷調整范圍和調整速率，快速的負荷變化極易導致再熱器超溫，而大量使用噴水減溫又會嚴重降低機組熱效率。如何保證再熱汽溫自動調節系統正常投用，同時兼顧機組運行的安全性和經濟性，是一個長期而復雜的課題。

隨著近年來火力發電技術的不斷發展，二次再熱超超臨界發電技術逐漸成熟，國內已有多臺二次再熱機組在建或即將開建。而二次再熱機組鍋爐增加了一級二次再熱循環，鍋爐的受熱面布置更加復雜，鍋爐汽溫控制的復雜性和難度也相應增加，其中最主要的在于兩級再熱汽溫的控制。因此，合理的再熱汽溫控制是二次再熱機組安全性、經濟性、可靠性的有力保證。

2　二次再熱機組鍋爐特點

二次再熱機組鍋爐相比一次再熱增加了一級再熱器，主要的蒸汽參數也有很大差異，下表是典型的二次再熱π型鍋爐與常規的一次再熱π型鍋爐的主要參數對比。

表1　二次再熱鍋爐與常規一次再熱鍋爐的主要參數對比

從表1可以看出，二次再熱鍋爐具有以下特征：

（1）增加了一級二次再熱循環，主汽流量減少，主汽與再熱汽之間的吸熱比例發生變化。

（2）蒸汽溫度調節對象由一次再熱的主汽溫度、再熱汽溫度變為主汽溫度、一次再熱汽溫度、二次再熱汽溫度三個，調節方式和系統耦合將更加復雜。

（3）再熱汽溫度和給水溫度提高，空預器入口的煙溫將會提高，導致排煙溫度的控制難度增大。

二次再熱機組鍋爐通過合理調整過熱器、再熱器的受熱面布置，配以合適的汽溫調節方式尤其是合適的再熱汽溫調節方式，適應二次再熱機組參數匹配要求。

3　再熱汽溫典型控制方案

二次再熱機組再熱器受熱面采用了兩級布置，出現了兩個再熱汽溫控制點，調溫方式和受熱面吸熱特性耦合難度增大，合理的鍋爐受熱面設計以及合適的調溫方式成為關鍵。從國內在建或將建的二次再熱超超臨界火力發電機組來看，二次再熱機組再熱汽溫控制方案大致分為以下三種：尾部三煙道平行煙氣擋板調節為主、引射煙氣再循環調節為備用的控制方案（下稱“方案一”）；燃燒器擺動調整燃燒中心高度、擋板開度調節進入前后分隔煙道中的煙氣份額共同調節再熱汽溫的控制方案（下稱“方案二”）；煙氣再循環進行粗調、雙煙道出口煙氣擋板調節改變煙氣流量分配來細調的控制方案（下稱“方案三”）。

3.1方案一

東方鍋爐廠π型爐采用此方案。過熱器、一次再熱為三級布置，二次再熱為兩級布置。低溫過熱器布置在爐膛出口煙窗下游的中溫煙道內，中、高溫過熱器均布置在爐膛的高溫區；高低壓再熱器的高溫受熱面都布置在爐膛出口煙窗下游的中溫煙道內，低溫受熱面布置在低溫對流煙道內。尾部煙道通過包墻分隔成三個，分別布置一次低溫再熱器管組（前煙道）、二次低溫再熱器管組（中煙道）和低溫過熱器（后煙道）。

全負荷范圍內，再熱汽溫通過尾部三煙道平行煙氣擋板進行調節，而煤質變化范圍大時為了提高低負荷擋板調節性能采用煙氣引射再循環進行備用調節，再熱器事故工況下采用噴水減溫裝置進行再熱汽溫調節。

該方案通過將鍋爐尾部分隔成三個煙道，通過三煙道出口平行煙氣擋板調節進行煙氣流量分配來進行三個通道之間的熱量分配，保證在一定負荷范圍內達到額定蒸汽溫度。同時利用低負荷時風機裕量來引射煙氣進行再循環，作為低負荷調溫備用手段，無需增加再循環風機，系統相對簡單，減少了初始投資，避免了采用再循環風機因高含塵煙氣帶來的磨損問題，大大節省運行維護費用。本文所述工程擬采用該方案。

3.2方案二

上海鍋爐廠塔式爐采用此方案。過熱器采用兩級布置，高低壓再熱器采用三級布置（高溫再熱器分成冷段和熱段兩部分），其中二級過熱器和三級再熱器交叉布置，部分再熱器提前，高低壓低溫再熱器分別并列布置在雙煙道的前后煙道，吸收部分輻射熱量。

再熱器的調溫方式采用燃燒器擺動加煙氣擋板調節的方式。燃燒器設計成能夠上下擺動，通過燃燒器的擺動調節燃燒中心的高度，通過燃燒中心高度的調整改變爐膛出口煙溫度，影響高溫再熱器的吸熱量，從而調節再熱汽溫。由于一次高壓再熱器、二次高壓再熱器都設置了一部分吸收輻射熱的受熱面，火焰中心的變化對再熱汽溫的影響顯著，可保證一、二次再熱器在較大負荷范圍內達到額定汽溫。同時配合采用煙氣擋板調溫方式，通過擋板開度控制進入前后分隔煙道中的煙氣份額，改變一、二次再熱器間的吸熱分配比例來達到調節一、二次再熱器出口溫度平衡的目的。另外，在再熱器的管道上配置噴水減溫防止超溫情況的發生和有效控制左右側的蒸汽溫度偏差。

采用該方案，由于系統也比較簡單，初始投資較低。但也存在水冷壁材料選取難度增加、再熱器高溫氧化等問題。

3.3方案三

哈爾濱鍋爐廠塔式爐采用此方案。過熱器采用三級布置方式，高、低壓再熱器系統都布置有兩級。高壓末級再熱器布置在末級過熱器下游，高壓低溫再熱器布置在雙煙道的后部煙道內。低壓末級再熱器布置在高壓末級再熱器的下游，低壓低溫再熱器布置在雙煙道的前部煙道內。高低壓再熱器的兩級之間都布置有事故噴水減溫器。

高低壓再熱器的調溫以煙氣再循環為主，即在不同負荷下采用不同的煙氣再循環率，來調整煙氣攜帶的熱量，同時通過雙煙道出口煙氣擋板調節進行煙氣流量分配來進行高低壓再熱器之間的熱量分配，保證在一定負荷范圍內達到額定蒸汽溫度。其目的是減少再熱的輻射吸熱，增加其對流吸熱。煙氣再循環能夠適當降低爐膛的煙溫水平，能在一定范圍內防止爐內結焦和降低NOx排放，增強煤種適應性。但該方案系統相對較復雜，增加煙氣再循環風機，廠用電增加，初始投資也增加。

4　某工程再熱汽溫控制方案

4.1系統簡介

本工程的鍋爐使用東方鍋爐廠提供的超超臨界參數、直流、單爐膛、二次再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、前后墻對沖燃燒方式的π型鍋爐。鍋爐出口蒸汽參數為32.55 MPa（a）/605℃/623℃/623℃。

本工程鍋爐的總體受熱面布置見圖1。

圖1　鍋爐受熱面總體布置圖

其中，一次再熱系統分三級布置：一次低溫再熱器、一次中溫再熱器、一次高溫再熱器。二次再熱系統分兩級布置：二次低溫再熱器、二次高溫再熱器。尾部煙道通過包墻分隔成三個，分別布置一次低溫再熱器管組（前煙道）、二次低溫再熱器管組（中煙道）和低溫過熱器（后煙道）。

一次再熱和二次再熱系統汽水流程見圖2和圖3。一次低溫再熱器至一次中溫再熱器之間連接管道上布置有事故噴水減溫器；二次低溫再熱器至二次高溫再熱器間連接管道上布置有再熱器事故噴水減溫器，在鍋爐異常或事故工況時可有效防止再熱汽溫越限。

圖2　一次再熱器系統汽水流程圖

圖3　二次再熱器系統汽水流程圖

4.2再熱汽溫控制方案分析

再熱汽溫總體控制方案如下：全負荷范圍再熱汽溫采用尾部三煙道平行煙氣擋板調節；低負荷時采用煙氣引射再循環作為備用調節手段，應對煤質變化范圍大時提高低負荷擋板調節性能；鍋爐異常或事故工況下采用噴水減溫裝置進行再熱汽溫調節。

4.2.1尾部三煙道平行煙氣擋板調節

鍋爐尾部采用三個煙道并列布置，三個煙道內分別布置各級受熱面的低溫段和省煤器。受熱面布置的位置和數量根據吸熱比例來確定，本方案中根據各級受熱面的吸熱量并與高溫級受熱面布置相匹配，一次低溫再熱器布置在前煙道內，二次低溫再熱器布置在中煙道內，低溫過熱器布置在后煙道內。每個煙道出口分別布置煙氣調節擋板，每個煙氣擋板配置2臺執行機構。

在具體的再熱汽溫調節過程中，相對固定二次再熱器煙氣擋板開度，優先調節低溫過熱器煙氣擋板和一次再熱器煙氣擋板。該方案相對減少了調節對象，使得再熱汽溫控制變得更加簡單。二次再熱器煙氣擋板開度基本不變的情況下，一次再熱器煙氣擋板可以控制一次再熱器和二次再熱器吸熱量的偏差，同時用低溫過熱器煙氣擋板來控制一次再熱器和二次再熱器的總吸熱量。低溫過熱器煙氣擋板和一次再熱器煙氣擋板的控制邏輯見圖4、圖5。

圖4　低溫過熱器煙氣擋板調節邏輯圖

在這種方案下，一次再熱器煙氣擋板控制一次高溫再熱器出口汽溫與二次高溫再熱器出口汽溫的偏差趨向于零，而低溫過熱器煙氣擋板控制一次再熱汽溫與二次再熱汽溫的平均值趨向于設定值。二次再熱器煙氣擋板在機組正常運行過程中基本維持不動，在鍋爐異常或事故工況，根據事先預設的控制指令進行微調，其具體的控制邏輯見圖6。

圖6　二次再熱器煙氣擋板調節邏輯圖

4.2.2煙氣引射再循環

考慮到本工程實際燃用煤質變化可能較大，為進一步提高低負荷時煙氣擋板的調節特性，引入一種無再循環風機的煙氣引射再循環系統作為再熱汽溫備用調節手段。根據伯努利方程，管道中的流體速度升高，靜壓降低，當靜壓低至一定程度后，就可以形成引射作用，抽吸氣體。在低負荷時，利用一次風機的多余出力，將一部分一次風作為高速介質，從后豎井煙道中靠高速引起的負壓抽吸出煙氣，混合后作為再循環煙氣送入爐膛出口，以達到替代煙氣再循環風機的作用。再循環煙氣引入爐膛，增加尾部豎井各個煙道的煙氣量，可有效改善各煙氣擋板的調節特性。

圖5　一次再熱器煙氣擋板調節邏輯圖

該系統主要由煙氣擋板、煙風道、噴嘴和煙氣噴射器等組成，基本不增加系統的復雜性。

當不需要啟動該系統時，煙側擋板關閉，一次風入口調節擋板微開，避免燒損。當需要啟動該系統時，打開煙側擋板，通過一次風抽吸省煤器出口煙氣，煙風混合物通過煙風道進入爐膛上部前后風箱，由噴嘴噴入爐膛，噴嘴沿爐膛均勻布置。本系統由爐膛上部引入，基本不干擾爐膛燃燒，增加了再循環煙氣，增大了對流煙氣量，提升了低負荷擋板調溫的調節性能。

煙氣引射再循環系統利用了低負荷時一次風機裕量來引射煙氣作為再循環，作為應對煤質變化范圍大時提高低負荷擋板調節特性的備用調溫手段，簡化了系統復雜性，降低了初期投資成本，也避免了采用再循環風機帶來的高含塵煙氣磨損問題，大大節省運行維護成本。

事故噴水減溫輔助調節手段與常規工程基本一致，不再贅述。

5　結語

再熱汽溫的控制歷來都是業界研究的重點，而二次再熱機組再熱汽溫由于其特殊性更是各大鍋爐廠和設計院關注的焦點。本文通過對目前在建或即將開建的二次再熱機組的再熱汽溫調節方式進行了梳理和簡單比較，介紹了某工程中再熱汽溫的控制方案，其控制效果要等到機組投運一段時間以后才能完全確定，本文中的控制思路可以為后續的同類型工程提供參考。

［1］ 孫科.1913t/h超臨界壓力鍋爐再熱汽溫低的原因分析［J］.發電設備，2010，24（4）.

［2］ 龐占洲，張婷婷，安子健.大型火電機組再熱汽溫控制策略和邏輯分析［J］.發電設備，2011，25（6）.

Discussion on The Reheat Steam Temperature Regulation Scheme in Double Reheat Unit

XYU Long-hu
（East China Electric Power Design Institute Co.， Ltd.，Shanghai200063，China）

Reheat steam temperature is one of the important parameters in safe and economic boiler operation. Double reheat unit with a secondary boiler reheat cycle， leads to a more sophisticated reheat steam temperature regulation method. This paper makes a simple comparison of several different schemes in the secondary reheat steam temperature regulation. An example of double reheat ultra-supercritical unit in a power plant is introduced. The reheat steam temperature regulation scheme of this unit mainly adopts the three parallel rear flue gas damper regulation with a back-up ejected flue gas recycling regulation and accidental spray water. With a view to the subsequent reheat steam temperature control method with similar double reheat furnace， this paper can be provided as a supported document.

double reheat； ultra-supercritical； reheat steam temperature； control method

TM621

A

1671-9913（2016）04-0039-05

2016-02-17

許龍虎（1986- ），男，工程師，從事電廠熱工控制設計工作。