第二章-直流锅炉整体控制介绍

直流锅炉自动控制系统直流锅炉控制整体介绍临界点（压力22.129MPa、温度374℃）超临界机组是指过热器出口主蒸汽压力超过22.129MPa的机组。目前运行的超临界机组压力均为24MPa－25MPa。在超临界压力下汽包锅炉无法维持自然循环，因此超临界机组采用直流锅炉。一、汽包锅炉的特点1.自然循环（也有靠循环泵的强制循环汽包锅炉）由汽包将锅炉受热面分割为加热、蒸发和过热三段。省煤器给水流量W过热器过热蒸汽蒸发段Q1Q3Q2图14－1汽包锅炉汽水流程2.受热面的界限是固定的汽包既是汽水分离容器，又是省煤器、水冷壁、过热器的汇合容器，它把锅炉各部分受热面，如加热段、蒸发段和过热段都明确地分开，不论负荷、燃烧率如何变化，各受热面的大小是固定不变的。因此，在控制上具有如下特点：（1）锅炉蒸发量主要由燃烧率的大小来决定（蒸发量由加热段受热面的吸热量Q1和蒸发段受热面的吸热量Q2决定），而与给水流量W的大小无关。所以在汽包锅炉中由燃烧率调节负荷（实现燃料热量与蒸汽热量之间的能量平衡），由给水流量调节水位（实现给水流量与蒸汽流量间的物质平衡地这两个控制系统的工作可以认为是相对独立的。(2)汽包除作为汽水分离器外，还作为燃水比失调的缓冲器。当燃水比失去平衡关系时，利用汽包中的存水和空间容积暂时维持锅炉的工质平衡关系，而各段受热面积的界限是固定，使得燃料量或给水流量的改变对过热汽温的影响较小。因为过热蒸汽温度主要取决于加热段、蒸发段吸热量与过热段吸热量的比值（Q1＋Q2）：Q3，由于汽包锅炉各受热面的区域界限是固定的，所以当燃烧率变化时，即使Q1、Q2、Q3也都发生了变化，但这个比值不会有过大的改变，因而对汽温的影响幅度较小。因此在汽包锅炉中仅依靠改变减温水流量Wj控制过热蒸汽温度。而改变Wj时，可近似认为对汽包水位H和主蒸汽压力pT没有影响。3.蓄热量大锅炉蓄热量是其工质和受热面金属中储存热量的总和。汽包锅炉有重型汽包、较大的水容积、较粗的下降管和联箱等，所以其蓄热能力比直流锅炉要大2～3倍。二、直流锅炉的特点1.强制循环图14－2直流锅炉简图1给水烟气2345671－省煤器；2－螺旋水冷壁；3－垂直水冷壁（和后水冷壁吊挂管）；4－屏式过热器（前屏和后屏）；5－汽水分离器；6－末级过热器；7－一级过热器蒸汽2.各受热面无固定分界点直流锅炉是由各受热面及连接这些受热面的管道组成，在正常负荷下，给水泵强制给水进入锅内，一次性经历加热、蒸发和过热各段受热面，全部转变成过热蒸汽。Thp过热区蒸发区给水过热蒸汽省煤器水冷壁过热器加热区v图14－3直流锅炉原理示意图p－压力；T－温度；h－焓；v－比容llT燃料量增加给水量增加当燃料量增加，给水流量不变时，由于蒸发所需的热量不变，因而加热和蒸发的受热面缩短，蒸发段与过热段之间的分界向前移动，过热受热面增加，所增加的燃烧热量全部用于使蒸汽过热，过热汽温将急剧上升。当给水量增加，而燃料量不变时，由于加热及蒸发段的伸长，而增加了蒸发，而蒸发段与过热段之间的分界则向后移动，由于过热段的减少，从而使过热汽温下降。现在来说明燃料量与给水量对过热汽温（或焓hgr）的影响。一次工质在稳定工况下的热平衡方程式为：1rgrgsQhhW11rarQMQ1grgsarMhhQW3蓄热量小对外界负荷扰动比较敏感，在外界负荷变动时，其主汽压的波动比汽包锅炉剧烈得多。汽包锅炉在外界负荷扰动引起压力下降过快时，会造成下降管中的工质汽化而破坏水循环。直流锅炉中，工质流动依靠给水泵压力推动，压力下降而引起水的蒸发不会阻碍工质的正常流动。因此直流锅炉允许汽压有较大的下降速度，这有利于有效地利用锅炉的蓄热能力。在主动变负荷时，由于直流锅炉的热惯性小，其蒸汽流量能迅速变化，所以它在负荷适应性方面比汽包锅炉来得快，有利于机组对电网尖峰负荷的响应。三、直流锅炉动态特性需要调节的主要变量有过热汽温T、主蒸汽压力pT和蒸汽流量D（负荷）。改变给水流量W、燃料量M（燃烧率）和汽轮机调节汽门开度μT可作为调节过热汽温、主蒸汽压力和蒸汽流量的手段。直流锅炉是一个多输入和多输出的调节对象。下面从各个输入量单独阶跃扰动下对输出量的响应曲线来分析直流锅炉动态特性的特点，同时，也分析了直流锅炉各输入量对机组功率PE的影响。tMtWtμTtDtDtDtTtTtTtpTtpTtpTtPEtPEtPE图5直流锅炉动态特性曲线(a)燃料量M扰动(b)给水流量W扰动(c)负荷μT扰动（１）负荷扰动时，主蒸汽压力的变化没有迟延，变化很快，且变化幅度较大，这是因为直流锅炉没有汽包，蓄热能力小。若负荷扰动时，能保持给水流量不变，就能减小对过热汽温的影响。（2）单独改变燃料量或给水流量时，对过热汽温、主蒸汽压力和蒸汽流量都有显著影响，尤其是对汽温的影响更加突出。虽然过热汽温对燃料量或给水流量的动态响应都很慢，但过热汽温对给水流量的动态响应还是快于对燃料量的动态响应。四、直流锅炉被控对象特点1、具有很强的耦合特性给水流量W、燃烧率（燃料量M）和汽轮机调节汽门开度μT这三个对象输入量中的任一输入量单独变化，除汽轮机调节汽门开度μT对过热汽温度T影响较小外，其余的都会对过热汽温度T、主蒸汽压力pT和蒸汽流量D有很大的影响，具有很强的耦合特性。2、对象的非线性超临界机组中的直流锅炉，各区段工质的比热、比容变化剧烈，工质的传热与流动规律复杂。当机组在变压运行时，随着负荷的变化，工质压力将在亚临界到超临界的广泛范围内变化（一般10MPa～25MPa之间），随着工质物性变化巨大，直流锅炉表现出严重的非线性，具体体现为：汽水的比热、比容和焓值与它的温度、压力的关系是非线性的，传热特性、流量特性是非线性的。五、直流锅炉控制方案1、直流锅炉的控制任务直流锅炉的控制任务和汽包锅炉基本相同；（1）使锅炉的蒸发量迅速适应负荷的需要；（2）保持蒸汽压力和温度在一定范围内；（3）保持燃烧的经济性；（4）保持炉膛负压在一定范围内。直流锅炉的控制系统也包括给水、燃料、送风、炉膛压力和汽温等控制系统。在给水控制、过热汽温控制以及直流锅炉特有的启动过程控制上有所不同，而其它燃料控制、送风、炉膛压力和再热汽温等控制系统与汽包锅炉相同。2、直流锅炉负荷控制动态特性可知：单独改变燃料量（燃烧率）或给水流量对主蒸汽压力pT、机组功率PE、蒸汽流量和过热汽温都有显著影响。所以，无论是改变燃烧率或是改变给水流量都可以作为锅炉的负荷调节手段。直流锅炉负荷控制时，需要给水控制系统和燃料控制系统同时动作，以保证给水量和燃烧率两者同时比值变化给水调节器锅炉指令BD给水流量W给水流量调节燃料调节器燃料量调节给水流量W燃料量M直流锅炉负荷控制方案之一燃料调节器锅炉指令BD燃料量M给水流量调节给水调节器燃料量调节燃料量M给水流量W直流锅炉负荷控制方案之二f(x)f(x)给水调节器锅炉指令BD给水流量调节燃料调节器燃料量调节给水流量W常用直流锅炉负荷控制方案f(x)燃料量Mf(t)tBDtMttWtT燃水动态校正效果1231－燃料对汽温影响；2－给水对汽温影响；3－校正后汽温3、给水与过热汽温控制影响过热汽温的重要因素就是燃水比（WFR，WaterFuelRatio），因此，为了使汽温的变化较小，必须使燃料量和给水流量保持适当比例。此外，烟气热量、给水温度和减温水流量也是影响过热汽温的主要因素，而改变烟气热量是再热蒸汽温度控制的主要调节手段。直流锅炉过热汽温控制是以燃水比控制为主，喷水减温为辅。通过燃水比控制实现过热汽温的粗调，采用两级喷水减温控制实现过热汽温的细调。