论文部分内容阅读
摘要：600MW超临界直流锅炉以其启停速度快、负荷变化快的特点已逐步成为调峰主力机组，所以有必要对该机型的运行特性进行更深入的了解。文章对600MW超临界直流锅炉与汽包锅炉差异进行了比较分析，并提出了该系统的运行控制。
关键词：直流锅炉；汽包锅炉；运行控制；汽温控制；给水控制
中图分类号：TK229
文献标识码：A
文章编号：1009-2374(2009)14-0053-02
一、直流锅炉与汽包锅炉差异
1.直流锅炉蒸发受热面内工质的流动不像汽包炉那样，依靠汽水的重度差而形成自然循环来推动。而是与在省煤器、过热器中的工质流动一样，完全依靠给水泵产生的压头，工质在此压头的推动下顺次通过加热、蒸发、过热过程，水被逐渐加热、蒸发、过热，最后形成合格的过热蒸汽送往汽轮机。
2.锅炉在直流状态运行时，汽水通道中的加热区、蒸发区、过热区三部分之间并没有固定的界线(可以把水在沸腾之前的受热面称为加热区，水开始沸腾到全部变为干饱和蒸汽的受热面称为蒸发区，蒸汽开始过热到全部被加热至额定温度压力的过热蒸汽的受热面称为过热区)。当给水量、空气量、燃料量和机组负荷有扰动时，此三个区段就会发生移动。
3.直流锅炉的另一个特点是蓄热能力小。而汽包锅炉则相反，降压速度不能过快，因为压力减小的过快，可能会使下降管中工质发生汽化而破坏水循环。由于直流锅炉的蓄热能力小。在受到外部扰动时，自行保持负荷及参数的能力就较差，对扰动较敏感，因此对调节系统提出更高的要求。但是在主动调整锅炉负荷时，由于其蓄热能力小，且允许的压力降速度快，可以使其蒸汽参数迅速地跟上工况的需要，所以能较好的适应机组调峰的要求。
4.直流锅炉在纯直流状态下工作时，蒸发区的循环倍率等于1，而自然循环的汽包锅炉的循环倍率为3～5。低倍率强制循环锅炉的循环倍率为1.5左右。
5.直流锅炉的金属消耗量小。与同参数的汽包锅炉相比，直流锅炉可节约20％～30％的钢材。
6.直流锅炉的设计，不受工质压力的限制，可以做成亚临界，超临界，甚至是超临界。因此制造、安装和运输方便。
7.直流锅炉启炉、停炉较快。机组启动停止一般都受限于壁厚部件的热应力。自然循环锅炉因为有厚壁汽包，启动时内外壁温差、上下壁温差大，应力和汽包内压力所产生的应力组合成复合应力。因此上水，升压速度均受到限制。
8.直流锅炉给水品质要求高，因为在蒸发区不排污，除了能溶于蒸汽的盐分被蒸汽带走外，给水中所含杂质将全部沉积在管壁上，因此要求水处理严格。
9.直流锅炉工质流动阻力较大。在自然循环锅炉中，只有省煤器和过热器内工质为强迫流动，要消耗给水泵压头，蒸发受热面内的自然循环不消耗水泵压头。但是直流锅炉蒸发受热面内的工质也是强迫流动，且管径较小，流速较高，以便得到较大的质量流速来冷却水冷壁，故要消耗额外的较多的水泵功率。
10.直流锅炉控制及调节复杂。由于直流锅炉受热面的金属重量较轻，工质储存量较小。故金属及工质的蓄热能力一般只为汽包锅炉的1/4～1/2。因此在外界负荷变化时，自适应能力差，汽压波动幅度较大，压力波动速度往往超过汽包锅炉一倍以上。另外由于工况变动引起热水段、蒸发段和过热段之间的调节互相影响，因此，直流炉的自动调节系统较复杂，控制技术也较高。
11.直流炉水冷壁的安全性存在一定的问题。自然锅炉，因其循环倍率高，蒸发管中发生第一类传热危机和第二类传热危机的可能性小。
直流锅炉蒸发管出口往往是接近饱和，甚至是微过热蒸汽。故管内发生膜态沸腾和结垢的可能性较大。强迫流动的特性常导致并列蒸发管中吸热越多的管子。其工质流量反而越小。目前的螺旋水冷壁采用整焊膜式水冷壁，各个管带均匀地分布于炉膛四周，在同一高度上的管带受热几乎一样，相邻管带之间外侧管管壁温差较小(30℃)。由于各管带皆为倾斜上升，从而避免了拉姆辛管圈水平部分的较易发生的汽水分层的现象。同时，低负荷时采用炉水循环泵，建立炉水再循环，水冷壁质量流速的提高，也避免了发生膜态沸腾可能。从而有效的降低了水冷壁管的金属温度保证了安全可靠运行。
12.直流鍋炉设置分离器的目的是为了适应低负荷运行和低负荷运行时的热损失，另一目的是可使过热器干态启动，从而缩短启动时间。
13.当外界负荷变化，汽门开度发生变化时，锅炉汽压变动很快，波动的幅度也远比汽包炉大；给水量变化时，汽温、汽压、蒸汽量的变化趋势都和汽包锅炉相反，而且影响程度也要大得多。即给水量增大，汽压、汽量明显增大，汽温则显著降低；当燃料量变化时，直流锅炉主要变化的是汽温，故直流锅炉运行特点之一就是必须保持燃水比一定，否则汽温将无法保持正常。
二、直流炉的运行控制
(一)直流锅炉汽压控制
机组负荷增加时，汽机调门开大，蒸汽流量立即增加，使得汽轮机功率也同样立即增加。由于锅炉给水流量和燃烧率均未变化，蒸汽流量和汽轮机功率的暂时增加是由于蒸汽压力下降而使锅炉放出蓄热引起。由于直流锅炉蓄热能力小，压力下降的速度大一些。稳定后汽压维持在偏低的数值。
(二)直流锅炉汽温控制
直流锅炉不像汽包锅炉那样有汽包可以将蒸发受热面和过热器分开，由于直流锅炉给水和燃料单一的变化特性决定了将明显影响汽温。为此必须保持燃水比不变，但即使保证燃水比作为调温的基本手段，过热器之间，往往仍需要喷水减温，以适应变动工况下调节汽温和保护过热器的需要。运行中应使喷水调节阀开度处于中间位置，以备工况变动既能开大也能关小。因此，直流锅炉汽温控制的基本措施就是保持燃水比，喷水减温只是临时措施。通过控制中间点温度不变，就表示汽温变化稳定。
再热器温度的控制采用尾部烟道烟气挡板和冷再入口事故一级喷水减温。主要影响因素为再热器出口汽温、机组负荷变化速度、喷水减温及低温再热器出口汽温的变化速度。燃烧率和给水流量的比例变化1％，将使过热蒸汽温度变化10℃。
1.过热汽温控制。过热蒸汽温度是由煤冰比和两级喷水减温来控制。喷水取自高加出口，每级减温器喷水量为该负荷下的3％主蒸汽流量。系统在35％～100％BMCR负荷范围内维持出口汽温在℃。在20％BMCR负荷以下不允许投一级喷水。在10％BMCR负荷以下不投二级喷水。如果喷水调节阀关闭超过10秒之后且过热汽温低于控制的目标值，则每个隔离阀自动关闭。若隔离阀关闭则减温水控制阀自动关闭。在失去控制信号和电源时喷水阀固定不动。
2.再热汽温控制。滑压运行时，在50％～100％BMCR负荷之间，再热器出口蒸汽温度控制在569+5～10℃。正常运行期间，再热蒸汽温度由布置在尾部烟道中的烟气挡板控制。两个烟道的挡板以相反的方向动作。烟气挡板的连杆有一个执行 器，可调节满行程限制值，使之在关闭位置下至少有10％的烟气量通过。再热汽温偏低时，再热器烟道挡板向全开位置调整，以减小再热器烟道阻力，增加通过再热器烟道烟气量，提高再热汽温。在负荷低于约85％时再热器挡板全开。过热器烟道挡板向关闭位置调整可增大过热器烟道阻力，这样将增加通过再热器对流受热面的烟气量以提高再热器出口汽温。
当再热汽温升高时过热器烟道挡板将开启。在过热器烟道挡板开度低于72％时，再热器烟道挡板维持在原来位置。当过热器烟道挡板开度超过72％时，两套挡板将同时操作。如果再热器汽温继续升高，那么过热器烟道挡板完全开启，再热器挡板向关闭方向动作。这将减少再热器烟道的烟气量，使再热器温升减小。过热器烟道挡板在再热器烟道挡板开度超过72％之前在原位置不动。推荐在分隔烟道挡板失去控制信号或电源时挡板固定不动。
烟气挡板系统的响应有一定的滞后性，在瞬变状态或需要时，可以投布置在冷再管道上的减温器喷水减温。如果再热器烟道挡板完全关闭并且再热出口汽温继续升高(例如在扰动运行状态下)，那么在额定目标值以上5℃时减温器截止閥将自动开启，且减温器用于控制末级再热器出口汽温。喷水水源取自给水泵的中间抽头。减温器的隔离阀在负荷低于50％BMCR(271kg/s)时，在任何情况下都不应使用。
(三)直流锅炉燃烧控制
1.设计煤粉燃烧器共30只，分三层前后墙对冲布置。每台磨煤机对应前后墙一层六只燃烧器。制粉系统为六台HP磨正压直吹系统。燃烧控制系统调节锅炉燃料和燃烧空气的总供给，在特定的范围内维持燃料的燃烧。
2.中心风的调整：中心风由二次风道提供并从每个二次风挡板前引出。中心风引入每台燃烧器的中心风管以防止热烟气回流，并为油燃烧器提供一定比例的燃烧空气。挡板位置在试运期间根据负荷和风压来设定。
3.在煤粉燃烧器上方共设置了10个燃烬风喷嘴，前后墙各为5只，燃烬风保证NOX排放控制在设计要求的范围之内。在正常运行期间，燃烧器和燃烬风喷口的总风量应满足燃料燃烧要求炉膛出口的过量空气。在BMC情况下，炉膛出口的过量空气系数是1.19，燃烧器区域的过量空气系数为1.05。炉膛出口(省煤器)氧量信号用于调整所要求的总风量。
燃烧器区域的过量空气系数是随锅炉负荷变化的，并受投运磨煤机数量的影响。燃烧器区域的风量是指经过燃烧器进入锅炉的风量，包括运行燃烧器的一次风，二次风，未运行燃烧器的漏风／冷却风和所有燃烧器的中心风。停运燃烧器的漏风聆却风量约为BMCR负荷下该风室二次风量的12％。停运燃烧器的漏风量是由二次风挡板最小位置决定的，并随着该负荷下热二次风道与炉膛负压之间的压差而变化。根据氧量信号操纵燃烧器风室风量和燃烬风量两者的比例，使燃烬风系统旋转趋势最小。
(四)直流锅炉给水控制
锅炉给水系统配置了一台35％容量的电动泵和两台50％容量的汽动泵。首先用电动给水泵进行锅炉启动，用给水操纵台中的启动控制阀调整给水流量。一旦该阀开启约75％，给水操纵台中的主管路隔离阀缓慢开启并切换到单独由给水泵转速控制。当主隔离阀完全开启时，启动控制阀缓慢关闭。MFT时给水控制阀和隔离阀关闭，汽动给水泵甩负荷，运行人员启动电动给水泵，必要时可以打开启动控制阀。
两台汽动泵运行时，一台泵甩负荷，备用泵自动启动，负荷降低至80％。燃烧率、减温水量、汽机调节阀开度保持不变的情况下，给水流量扰动增加时，由于直流锅炉中工质是一次强迫通过受热面的，在达到稳定流动后，进入的给水量应等于送出的蒸汽流量，故给水流量增加时蒸汽流量也是增加的，其延迟很小。
但是因为炉内供热量未变，给水量增加使得加热区和蒸发区变长而过热区变短，增加的给水量先要填补加热区的增长的空间，而且增加的水量变成蒸汽要经过共质流动及传热过程，所以蒸汽流量是逐渐上升的。由于燃烧率没有变动，而给水量的增加使过热区减少了，同时蒸汽流量增加，从而使过热汽温在经过一段较长的迟延后，单调下降。最后稳定在一个较低的温度。实际显示给水量变化1％，过热汽温度变化10％左右。
三、结语
600MW超临界直流锅炉以其启停速度快、负荷变化快的特点已逐步发展成为我国调峰主力机组，对该机型的运行特性应更深入的了解，在实际运行中更为合理和精确的控制机组运行。
关键词：直流锅炉；汽包锅炉；运行控制；汽温控制；给水控制
中图分类号：TK229
文献标识码：A
文章编号：1009-2374(2009)14-0053-02
一、直流锅炉与汽包锅炉差异
1.直流锅炉蒸发受热面内工质的流动不像汽包炉那样，依靠汽水的重度差而形成自然循环来推动。而是与在省煤器、过热器中的工质流动一样，完全依靠给水泵产生的压头，工质在此压头的推动下顺次通过加热、蒸发、过热过程，水被逐渐加热、蒸发、过热，最后形成合格的过热蒸汽送往汽轮机。
2.锅炉在直流状态运行时，汽水通道中的加热区、蒸发区、过热区三部分之间并没有固定的界线(可以把水在沸腾之前的受热面称为加热区，水开始沸腾到全部变为干饱和蒸汽的受热面称为蒸发区，蒸汽开始过热到全部被加热至额定温度压力的过热蒸汽的受热面称为过热区)。当给水量、空气量、燃料量和机组负荷有扰动时，此三个区段就会发生移动。
3.直流锅炉的另一个特点是蓄热能力小。而汽包锅炉则相反，降压速度不能过快，因为压力减小的过快，可能会使下降管中工质发生汽化而破坏水循环。由于直流锅炉的蓄热能力小。在受到外部扰动时，自行保持负荷及参数的能力就较差，对扰动较敏感，因此对调节系统提出更高的要求。但是在主动调整锅炉负荷时，由于其蓄热能力小，且允许的压力降速度快，可以使其蒸汽参数迅速地跟上工况的需要，所以能较好的适应机组调峰的要求。
4.直流锅炉在纯直流状态下工作时，蒸发区的循环倍率等于1，而自然循环的汽包锅炉的循环倍率为3～5。低倍率强制循环锅炉的循环倍率为1.5左右。
5.直流锅炉的金属消耗量小。与同参数的汽包锅炉相比，直流锅炉可节约20％～30％的钢材。
6.直流锅炉的设计，不受工质压力的限制，可以做成亚临界，超临界，甚至是超临界。因此制造、安装和运输方便。
7.直流锅炉启炉、停炉较快。机组启动停止一般都受限于壁厚部件的热应力。自然循环锅炉因为有厚壁汽包，启动时内外壁温差、上下壁温差大，应力和汽包内压力所产生的应力组合成复合应力。因此上水，升压速度均受到限制。
8.直流锅炉给水品质要求高，因为在蒸发区不排污，除了能溶于蒸汽的盐分被蒸汽带走外，给水中所含杂质将全部沉积在管壁上，因此要求水处理严格。
9.直流锅炉工质流动阻力较大。在自然循环锅炉中，只有省煤器和过热器内工质为强迫流动，要消耗给水泵压头，蒸发受热面内的自然循环不消耗水泵压头。但是直流锅炉蒸发受热面内的工质也是强迫流动，且管径较小，流速较高，以便得到较大的质量流速来冷却水冷壁，故要消耗额外的较多的水泵功率。
10.直流锅炉控制及调节复杂。由于直流锅炉受热面的金属重量较轻，工质储存量较小。故金属及工质的蓄热能力一般只为汽包锅炉的1/4～1/2。因此在外界负荷变化时，自适应能力差，汽压波动幅度较大，压力波动速度往往超过汽包锅炉一倍以上。另外由于工况变动引起热水段、蒸发段和过热段之间的调节互相影响，因此，直流炉的自动调节系统较复杂，控制技术也较高。
11.直流炉水冷壁的安全性存在一定的问题。自然锅炉，因其循环倍率高，蒸发管中发生第一类传热危机和第二类传热危机的可能性小。
直流锅炉蒸发管出口往往是接近饱和，甚至是微过热蒸汽。故管内发生膜态沸腾和结垢的可能性较大。强迫流动的特性常导致并列蒸发管中吸热越多的管子。其工质流量反而越小。目前的螺旋水冷壁采用整焊膜式水冷壁，各个管带均匀地分布于炉膛四周，在同一高度上的管带受热几乎一样，相邻管带之间外侧管管壁温差较小(30℃)。由于各管带皆为倾斜上升，从而避免了拉姆辛管圈水平部分的较易发生的汽水分层的现象。同时，低负荷时采用炉水循环泵，建立炉水再循环，水冷壁质量流速的提高，也避免了发生膜态沸腾可能。从而有效的降低了水冷壁管的金属温度保证了安全可靠运行。
12.直流鍋炉设置分离器的目的是为了适应低负荷运行和低负荷运行时的热损失，另一目的是可使过热器干态启动，从而缩短启动时间。
13.当外界负荷变化，汽门开度发生变化时，锅炉汽压变动很快，波动的幅度也远比汽包炉大；给水量变化时，汽温、汽压、蒸汽量的变化趋势都和汽包锅炉相反，而且影响程度也要大得多。即给水量增大，汽压、汽量明显增大，汽温则显著降低；当燃料量变化时，直流锅炉主要变化的是汽温，故直流锅炉运行特点之一就是必须保持燃水比一定，否则汽温将无法保持正常。
二、直流炉的运行控制
(一)直流锅炉汽压控制
机组负荷增加时，汽机调门开大，蒸汽流量立即增加，使得汽轮机功率也同样立即增加。由于锅炉给水流量和燃烧率均未变化，蒸汽流量和汽轮机功率的暂时增加是由于蒸汽压力下降而使锅炉放出蓄热引起。由于直流锅炉蓄热能力小，压力下降的速度大一些。稳定后汽压维持在偏低的数值。
(二)直流锅炉汽温控制
直流锅炉不像汽包锅炉那样有汽包可以将蒸发受热面和过热器分开，由于直流锅炉给水和燃料单一的变化特性决定了将明显影响汽温。为此必须保持燃水比不变，但即使保证燃水比作为调温的基本手段，过热器之间，往往仍需要喷水减温，以适应变动工况下调节汽温和保护过热器的需要。运行中应使喷水调节阀开度处于中间位置，以备工况变动既能开大也能关小。因此，直流锅炉汽温控制的基本措施就是保持燃水比，喷水减温只是临时措施。通过控制中间点温度不变，就表示汽温变化稳定。
再热器温度的控制采用尾部烟道烟气挡板和冷再入口事故一级喷水减温。主要影响因素为再热器出口汽温、机组负荷变化速度、喷水减温及低温再热器出口汽温的变化速度。燃烧率和给水流量的比例变化1％，将使过热蒸汽温度变化10℃。
1.过热汽温控制。过热蒸汽温度是由煤冰比和两级喷水减温来控制。喷水取自高加出口，每级减温器喷水量为该负荷下的3％主蒸汽流量。系统在35％～100％BMCR负荷范围内维持出口汽温在℃。在20％BMCR负荷以下不允许投一级喷水。在10％BMCR负荷以下不投二级喷水。如果喷水调节阀关闭超过10秒之后且过热汽温低于控制的目标值，则每个隔离阀自动关闭。若隔离阀关闭则减温水控制阀自动关闭。在失去控制信号和电源时喷水阀固定不动。
2.再热汽温控制。滑压运行时，在50％～100％BMCR负荷之间，再热器出口蒸汽温度控制在569+5～10℃。正常运行期间，再热蒸汽温度由布置在尾部烟道中的烟气挡板控制。两个烟道的挡板以相反的方向动作。烟气挡板的连杆有一个执行 器，可调节满行程限制值，使之在关闭位置下至少有10％的烟气量通过。再热汽温偏低时，再热器烟道挡板向全开位置调整，以减小再热器烟道阻力，增加通过再热器烟道烟气量，提高再热汽温。在负荷低于约85％时再热器挡板全开。过热器烟道挡板向关闭位置调整可增大过热器烟道阻力，这样将增加通过再热器对流受热面的烟气量以提高再热器出口汽温。
当再热汽温升高时过热器烟道挡板将开启。在过热器烟道挡板开度低于72％时，再热器烟道挡板维持在原来位置。当过热器烟道挡板开度超过72％时，两套挡板将同时操作。如果再热器汽温继续升高，那么过热器烟道挡板完全开启，再热器挡板向关闭方向动作。这将减少再热器烟道的烟气量，使再热器温升减小。过热器烟道挡板在再热器烟道挡板开度超过72％之前在原位置不动。推荐在分隔烟道挡板失去控制信号或电源时挡板固定不动。
烟气挡板系统的响应有一定的滞后性，在瞬变状态或需要时，可以投布置在冷再管道上的减温器喷水减温。如果再热器烟道挡板完全关闭并且再热出口汽温继续升高(例如在扰动运行状态下)，那么在额定目标值以上5℃时减温器截止閥将自动开启，且减温器用于控制末级再热器出口汽温。喷水水源取自给水泵的中间抽头。减温器的隔离阀在负荷低于50％BMCR(271kg/s)时，在任何情况下都不应使用。
(三)直流锅炉燃烧控制
1.设计煤粉燃烧器共30只，分三层前后墙对冲布置。每台磨煤机对应前后墙一层六只燃烧器。制粉系统为六台HP磨正压直吹系统。燃烧控制系统调节锅炉燃料和燃烧空气的总供给，在特定的范围内维持燃料的燃烧。
2.中心风的调整：中心风由二次风道提供并从每个二次风挡板前引出。中心风引入每台燃烧器的中心风管以防止热烟气回流，并为油燃烧器提供一定比例的燃烧空气。挡板位置在试运期间根据负荷和风压来设定。
3.在煤粉燃烧器上方共设置了10个燃烬风喷嘴，前后墙各为5只，燃烬风保证NOX排放控制在设计要求的范围之内。在正常运行期间，燃烧器和燃烬风喷口的总风量应满足燃料燃烧要求炉膛出口的过量空气。在BMC情况下，炉膛出口的过量空气系数是1.19，燃烧器区域的过量空气系数为1.05。炉膛出口(省煤器)氧量信号用于调整所要求的总风量。
燃烧器区域的过量空气系数是随锅炉负荷变化的，并受投运磨煤机数量的影响。燃烧器区域的风量是指经过燃烧器进入锅炉的风量，包括运行燃烧器的一次风，二次风，未运行燃烧器的漏风／冷却风和所有燃烧器的中心风。停运燃烧器的漏风聆却风量约为BMCR负荷下该风室二次风量的12％。停运燃烧器的漏风量是由二次风挡板最小位置决定的，并随着该负荷下热二次风道与炉膛负压之间的压差而变化。根据氧量信号操纵燃烧器风室风量和燃烬风量两者的比例，使燃烬风系统旋转趋势最小。
(四)直流锅炉给水控制
锅炉给水系统配置了一台35％容量的电动泵和两台50％容量的汽动泵。首先用电动给水泵进行锅炉启动，用给水操纵台中的启动控制阀调整给水流量。一旦该阀开启约75％，给水操纵台中的主管路隔离阀缓慢开启并切换到单独由给水泵转速控制。当主隔离阀完全开启时，启动控制阀缓慢关闭。MFT时给水控制阀和隔离阀关闭，汽动给水泵甩负荷，运行人员启动电动给水泵，必要时可以打开启动控制阀。
两台汽动泵运行时，一台泵甩负荷，备用泵自动启动，负荷降低至80％。燃烧率、减温水量、汽机调节阀开度保持不变的情况下，给水流量扰动增加时，由于直流锅炉中工质是一次强迫通过受热面的，在达到稳定流动后，进入的给水量应等于送出的蒸汽流量，故给水流量增加时蒸汽流量也是增加的，其延迟很小。
但是因为炉内供热量未变，给水量增加使得加热区和蒸发区变长而过热区变短，增加的给水量先要填补加热区的增长的空间，而且增加的水量变成蒸汽要经过共质流动及传热过程，所以蒸汽流量是逐渐上升的。由于燃烧率没有变动，而给水量的增加使过热区减少了，同时蒸汽流量增加，从而使过热汽温在经过一段较长的迟延后，单调下降。最后稳定在一个较低的温度。实际显示给水量变化1％，过热汽温度变化10％左右。
三、结语
600MW超临界直流锅炉以其启停速度快、负荷变化快的特点已逐步发展成为我国调峰主力机组，对该机型的运行特性应更深入的了解，在实际运行中更为合理和精确的控制机组运行。