關于超臨界直流鍋爐的給水控制與汽溫調節分析

聶心洋

[摘? ? 要]伴隨國內經濟水平的快速提升，電力生產已然是重中之重的一個環節。早期生產因為技術條件不足，普遍選用參數較低、能耗較大且污染嚴重的燃煤系統。經過不斷發展，當前國內逐步利用效率更高且污染較輕的系統取代傳統燃煤機組。隨著電力領域的持續前行，超臨界直流鍋爐也出現在實際生產之中，不同種類的鍋爐設備所適用的場合有所差異，同時內部給水控制架構也不盡相同，所以在實際應用過程中始終存在不足之處。本文就針對目前超臨界直流鍋爐的發展進行研究，對內部控制系統存在的問題提出對應的優化方案。

[關鍵詞]超臨界;直流鍋爐;給水控制系統;汽溫調節

[中圖分類號]TM621.2 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）06–00–03

Analysis on Feed Water Control and Steam Temperature Regulation of

Supercritical Once Through Boiler

Nie Xin-yang

[Abstract]With the rapid improvement of domestic economic level， electric power production has become one of the most important links. Due to the lack of technical conditions in early production， coal-fired systems with low parameters， large energy consumption and serious pollution were generally selected. After continuous development， the current domestic use of higher efficiency and less pollution system to replace the traditional coal-fired units. With the continuous development of the electric power field， supercritical once through boiler also appears in the actual production. Different types of boiler equipment are suitable for different occasions， and the internal water supply control structure is also different， so there are always deficiencies in the actual application process. In this paper， the development of supercritical once through boiler is studied， and the corresponding optimization scheme is proposed for the problems existing in the internal control system.

[Keywords]supercritical; once through boiler; feed water control system; steam temperature regulation

超臨界直流鍋爐相較于原有的燃煤系統來說，不管是容量、效率還是環保等方面都有著質的飛躍。其中給水系統主要控制燃水比，進而保證過熱裝置輸出溫度滿足相應要求，確保機組能夠持續穩定的工作，如果給水系統發生異常就有可能造成整個機組出現運行問題，甚至會引起難以彌補的安全事故。

1 給水流量擾動下直流鍋爐動態特性

從超臨界直流鍋爐來看，同原有系統存在較為明顯的差別是系統關聯度，超臨界直流鍋爐在運行過程中，某一參數出現變化就有可能會引起系統整體改變。因為缺少汽包模塊，使得蒸發區域和受熱區域無法明確劃定，所以給水系統就可以直接調節系統汽壓等參數。

超臨界直流鍋爐運行過程中主要具有以下動態性能：其一，在鍋爐啟動時，給水系統中的給水流量同主汽流量保持一致。其二，工況正常時，主汽壓力和給水壓力之間存在正相關關系，但如果給水流量超過標準范圍，就會造成汽溫降低，此時兩者之間不再具有正相關關系，反而呈現負相關特征。其三，系統在實際運行過程中的功率參數始終處在穩定范圍內，雖然初始階段會因為主汽流量的上升略微提高，但后續會伴隨流量下降滑落到穩定區間。此外，因為燃料參數始終維持恒定，所以改變并不明顯。其四，由蒸發量和主汽壓力造成的給水流量變動會出現延后情況，本質上是因為給水系統同加熱區域存在間距，導致無法實時變化，進而引起系統各項參數的反應滯后。

2 給水系統控制策略

2.1 濕態下的給水控制

對于鍋爐系統的濕態給水控制來說，可以劃分成兩個方面進行論述。第一是蒸汽尚未生產時，在鍋爐內部添加水如果不進行點火操作，蒸汽無法產生，這個過程中水泵不發揮作用，僅依靠內部循環就能有效調節水位。而一旦啟動點火，蒸汽隨之出現，跟隨蒸汽量的持續上漲，分離器內部水位對應降低，此時就要啟動水泵為系統添加水。這一階段還應當調節好水冷壁的流量數值，以保證機組穩定工作，通常來說流量要維持在600t/h以上，由此滿足基本的冷卻需要，防止機組溫度過高導致異常。不僅如此，由于燃料和蒸汽參數的上升，系統負荷也持續提高，此時要控制好給水量和循環系統的可靠性，保證機組能夠發揮出應有作用。

2.2 濕態和干態的轉換下的給水控制

超臨界直流鍋爐不單單具有濕態給水控制，還存在干態特性，機組在初始運行過程中能夠自主調節分離器水位，此后伴隨運行時間的延長，燃料和蒸汽量都在穩步上升，系統負荷也持續增加，逐步跳轉到干態模式，此時需要根據溫度來控制水量參數。鍋爐在運行開始后，蒸汽量會不斷增加，而分離器水量則會相應下降，這時就要提高給水流量，如果分離器輸入端的蒸汽干度數值等于1時，設備就會中止運轉，而省煤器和鍋爐給水量保持一致。之后由于鍋爐功率進一步升高，分離器中的蒸汽溫度就會超過標準范圍，但輸出位置的溫度仍低于限定區域，所以新生成的蒸汽就發揮出升溫的作用。而當分離器輸入端溫度達到限定值后，系統便完全進入到干態工況，此時給水控制的意義就在于保證燃水比符合預期要求。

2.3 干態時的給水控制

當鍋爐處于干態工況后，需要確保給水流量和燃料量的比值處于標準范圍內，為系統運行奠定基礎。實際運行時，由于給水流量和燃料量間存在非線性關系，所以要調整煤水比進行控制，確定出實時參數，將誤差控制在20%以內。不僅如此，中間點溫度會隨同給水流量的變化發生實時變動，由此就能夠利用這一特性將給水流量的變化通過中間點溫度顯示出來。雖然該反應中延遲較小，但也存在一定誤差，因此在實際運行過程中要根據延遲時間確定出最低給水量。

3 異常工況下的給水控制

3.1 RB工況

系統處于RB狀態時，超臨界直流的負荷和壓力參數會顯著下滑，期望平穩滑落到預期數值，應當在這一階段中手動完成給水控制，確保各項參數滿足要求。此外，一旦燃料量出現快速下降，就有可能引起機組溫度不穩定，甚至造成內火中斷。為了規避這一問題，技術人員要設計好助燃方案，確保給水量處于合理范圍，防止壁溫超出標準區域。RB在啟動后會造成汽化點改變，致使過熱器無法上升到預期溫度，為了避免RB造成的運行問題，需要RB啟動后閉合半分鐘減溫水調門。

3.2 高加解列工況

高加解列狀態會引起蒸汽的改變，導致汽輪機額外做功，由此提高系統總負荷。此時給水流量也會相應下降，應當根據轉速保證該參數處于標準范圍。不僅如此，這一工況會出現水溫大幅度降低，蒸汽性能無法滿足要求。此時啟動主汽調門可以暫時穩定負荷，但無法保證持續穩定。一旦運行過久就會致使汽輪器過負荷，導致氣缸和輪子出現明顯震動，甚至引發安全事故。所以對于這一工況來說，最有效的方案是給系統減負，確保水煤比的平衡。

3.3 給水流量的超馳控制

利用中間點溫度特性能夠有效控制給水流量，進而保證超臨界直流鍋爐穩定工作。但在部分環境中，中間點溫度的反應也會存在一定延遲，這就有可能引起超溫情況，給系統運行造成較大危害。由此來說，應當通過程序設計來保證給水流量可以在氣溫超限后給予反饋，保證系統穩定運行。

4 超臨界直流鍋爐的汽溫調節分析

蒸汽參數是鍋爐狀態最核心的評定指標，主要包含有溫度和壓力2部分。如果汽溫超出標準范圍會降低管道和受熱面等模塊的使用壽命，同時受熱面如果溫度超標還有可能引起管子破裂。而一旦汽溫達不到標準參數，又會造成效率下滑和葉片腐蝕等問題，甚至引起部分金屬組件由于熱應力而變形，進而出現摩擦問題，造成嚴重的水沖擊事故，損壞設備結構，不利于系統的穩定運轉。從實際來說，鍋爐運行會隨同外界負荷改變出現變化，期望汽溫處在標準區間，就應當做好調節分析，確定出行之有效的優化方案。

4.1 過熱汽溫調節特點

從某廠實際生產來看，控制鍋爐汽溫是利用水煤比來調節中間點溫度，并配合減溫設備共同完成，確保汽溫反應效率達標。由于部分直流鍋爐的負荷恒定，其蒸氣主要用于汽溫控制，所以在確定好相關參數的比重后就要避免變動。因為燃料量的變動會受到材料性質的影響，所以要優化水煤比。這個過程僅是一種粗調節方式，期望獲取精確的汽溫變化需要借助減溫設備完成。

綜合來看，超臨界直流鍋爐在調整負荷時是通過改變水煤比進而控制汽溫，并盡可能消除出現的誤差。

4.2 再熱汽溫調節特點

因為再熱蒸氣的壓力不足且比熱容較低，就會使得在同等吸熱量的情況下，再熱汽溫變化程度更大。而在噴水減溫階段，水蒸氣又會生成中壓蒸氣，這時缸中流量上升，帶動功率提高。若保證系統總功率恒定，就需要降低高壓缸功率，但因為中壓蒸氣效率不足就會嚴重限制總效率。一般來說，只有出現異常情況時，才會借助噴水降低再熱設備溫度。綜合分析蒸氣、再熱蒸氣的特性，不難看出引起汽溫過熱的原因有燃料特性、風量參數以及負荷壓力等。因為機組從初始狀態穩定運行到滿負荷工況要完成干濕態的轉變，所以正常運行時也有可能出現異常。

4.3 機組加減負荷時的汽溫調整

通過CCS進行負荷調節時，會同時改變給水量和燃料量，尤其是中間點溫度變化顯著，整體上呈現出驟降的態勢，但這部分溫度較低的蒸氣對管道影響存在延遲。所以負荷變化初始階段的汽溫并不會隨之降低，而當燃料發揮作用時，這部分蒸氣恰好處于管道位置。伴隨負荷的增加，汽流量隨之上升，這時因為燃料補充，整體上又表現為上升態勢。

在負荷提高時，調門逐步增加，雖然煤量增多，但其發揮效用卻有一定的延遲。一旦壓力參數同標準范圍相偏離，就會使煤量進一步增多。負荷提高到預期值后，蓄熱會引起汽壓超限，此時CCS的作用是調整參量。所以，為了保證調節過程中不會受到反應延遲造成的溫度超標問題，技術人員應當提前調整汽壓數值，確保系統可靠。

因為再熱設備的本質是對流換熱，所以CCS調節負荷時會引起風量、燃料量同時改變，當煙氣溫度提升后，汽溫便會明顯提高。再熱設備的運行方式單一，只能通過組件的開合度來調整溫度，而噴水減溫又存在延遲，所以在負荷上升階段，如果發現超限可能性，就要提前優化。對于負荷降低過程來說，CCS方式需要控制好主汽壓力和變化率參數。