超临界及超超临界机组主汽温控制策略优化及思考
邓安来 高伟
广东大唐国际潮州发电责任有限公司， 广东 饶平515723
摘要：超临界及超超临界机组是被控特性复杂多变的对象，随着机组负荷的变化，机组的动态特性参数亦随之大幅度变化，主蒸汽温度的控制更是控制上的难点，通过对潮州电厂一期超临界机组与二期超超临界机组两种典型不同汽温控制策略的对比分析和优化，取得了理想的效果，并对于现阶段仍存在的问题提出了解决方案，优化结果表明虽然这两种典型汽温控制策略在超临界、超超临界机组的控制中均有较为广泛的应用，但根据机组的自身特性选择合适的汽温控制策略更有利于主汽温度的控制。 关键字：超临界；超超临界；主汽温控制；水煤比控制
随着对火电机组环保性和经济性要求的不断提高，发展大容量、高参数的火电机组已经成为了必然趋势，既要充分发挥大容量、高参数火电机组的高效、环保优势又要保证锅炉金属材料的使用寿命，保证机组主蒸汽温度控制在理想的范围内是必要条件，因此主蒸汽温度控制是热工自动调节的重中之重。但目前超临界、超超临界直流炉的汽温控制正是其控制上的难点，大部分超临界直流炉的汽温控制效果不能完全达到理想效果。广东大唐国际潮州发电有限责任公司一期600MW超临界机组和二期1000MW超超临界机组在生产过程中出现过主汽温度控制较差的情况，要保证较高的汽温控制品质制定合适本机组的汽温控制策略是核心内容。
1 汽温特性及影响因素分析
在讨论汽温控制前，先对过热器和再热器蒸汽温度随锅炉负荷变化的静态特性作一简要介绍。所谓静态特性，是指相应于各种稳定工况下的特性。汽温随锅炉负荷变化的静态特性，就是在各种稳定负荷下的汽温特性。
过热汽温随锅炉负荷变化的特性，在对流式过热器和辐射式过热器中是相反的。在对流式过热器中，当锅炉负荷增大时，输入燃料量要增加，烟气流速也增加；而烟气流速增加会导致烟气侧对流放热系数增大，同时烟气温度的增加使传热的平均温差也增大，这样就使对流过热器吸热量的增加值超过蒸汽流量的增加值，从而使蒸汽的焓值增加。因此锅炉负荷增长时，对流过热器的蒸汽温度将增加。在辐射式过热器中则具有相反的汽温特性。当锅炉负荷增加时，由于炉膛火焰的平均温度变化不大，辐射传热量增加不多，跟不上蒸汽流量的增加，因而使蒸汽焓增减少，所以在锅炉负荷增加时，辐射式过热器的汽温反而降低。
针对不同的过热器的汽温特性，锅炉在过热器的布置上一般都采用对流——辐射——对流的串联布置方式，并保持适当的吸热量比例，则可使最终的汽温变化静态特性较为平稳。对于汽包锅炉来说，由于进入过热器的的工质状态是固定的，即总是干饱和蒸汽，且对流式过热器吸热份额总是比辐射式过热器的吸热份额多，因此最终的汽温变化特性总是具有对流性质，即汽温随锅炉的负荷增大而增大。在直流锅炉中，因为蒸发面是移动的，所以过热器受热面也是变化的，但只要保持恰当的燃料量和给水量的比例，在各种负荷下总是可以得到一定的汽温值。
超临界及超超临界机组在运行过程中，影响汽温的输入因素包括燃水比、给水温度、减温水流量、过量空气系数、锅炉火焰中心位置、锅炉受热面积灰等，其中主要调节因素为燃水比、减温水流量、过量空气系数三个条件。另外，主汽压力和中间点温度对汽温控制来说也是十分重要的。
1.1 煤水比变化对汽温影响分析
直流锅炉过热蒸汽出口焓hss的表达式为：
（1）
式中 hss、hfw——过热蒸汽出口焓、给水焓，kJ/kg F、W——燃料量、给水量，kg/h Qnet——燃料低位发热量，kJ/kg ? ——锅炉效率。
从公式（1）可以看出，若hfw、Qnet和?保持不变，则hss的值就取决于燃料量与给水流量的比值F/W；一般来说，只要F/W变化，过热汽温就会发生变化。F/W增加时，过热汽温会上升，F/W减少时，过热汽温就会下降。若F/W的值不变，则hss不变，过热汽温也保持不变。因此，超超临界机组直流锅炉的汽温调节要求燃料量与给水量严格保持一定比例。只要保持适当的燃水比，在任何负荷和工况下，锅炉都能维持主汽温度的稳定。
1.2过量空气系数影响分析
过量空气系数的变化直接影响锅炉的排烟损失，同时影响到对流受热面与辐射受热面的吸热比例，过量空气系数计算公式如下所示[1]：
（2）
式中分别表示三种组分在烟气中所占容积百分数。当过量空气
系数增大时，除排烟损失增加、锅炉效率降低外，炉膛水冷壁吸热减少，造成过热器进口温度降低、屏式过热器出口温度降低；虽然对流过热器吸热量有所增加，但在煤水比不变的情况下，末级过热器出口汽温有所下降。过量空气系数减少时，末级过热器出口汽温有所增加。因此，若要保持主汽温不变，则需要重新调整燃水比。
1.3主汽压力及中间点温度的影响分析
图1是蒸汽焓值-压力-温度关系曲线，从曲线可以看出，蒸汽焓值不变时，蒸汽压力越高，蒸汽温度越低。因此，机组在RB工况下，为更好地维持蒸汽温度，须按合理的速率和合理的目标值降低主汽压力。
直流锅炉发生扰动时过热汽温的动态特性表明，当机组发生扰动，沿着蒸汽流程，越靠近汽水相变点则汽温的变化越迅速。反之，越靠近锅炉出口，汽温变化的迟延越大。如果在汽温调节中，仅仅将末级过热器出口汽温做为被调节量，则扰动发生时末级过热器出口汽温迟延最大，响应速度也最慢，这将导致过热汽温的频繁波动，甚至根本就没有稳定的可能。为了提高汽温调节的快速性和稳定性，弥补汽温迟延所引起的这种偏差，我们希望当发生扰动时，有一个汽温能够迅速地响应，并且这个信号能够比较准确地反映出燃水比，将此汽温信号做为燃水比的主被调节参数，则能够大幅度地提高过热汽温调节的品质。我们知道，对于直流锅炉来说，在本生负荷以上时，汽水分离器出口汽温是微过热蒸汽，这个区域的汽温变化，可以直接反映出燃料量和给水蒸发量的匹配程度以及过热汽温的变化趋势。所以在直流锅炉的汽温调节中，通常选取汽水分离器出口汽温做为汽温调节回路的前馈信号，并将此点的温度称为中间点温度。该点温度的变化将对锅炉的燃水比进行微调。
图1 水蒸汽焓-压力-温度关系曲线
其中，水煤比是主要影响因素[2]，超临界、超超临界机组以水煤比作为主汽温的主要