直流锅炉的静态和动态特性以及运行参数的调节特点

1.直流锅炉的静态和动态特性以及运行参数的调节特点1.1.概述锅炉正常运行是指单元机组启动后的锅炉运行过程。锅炉是单元机组中的一个重要环节，锅炉与汽轮发电机之间存在着相互联系、相互影响、相互依赖的运行关系。锅炉正常运行内容主要是监视和调整各种状态参数，满足汽轮发电机对蒸汽流量、蒸汽参数的要求，并保持锅炉长期连续安全经济运行。锅炉各种状态参数之间的运行关系、变化规律称为锅炉运行特性，它有静态特性和动态特性两种。锅炉在各个工况的稳定状态下，各种状态参数都有确定的数值，称为静态特性。例如，不同的燃料量就有相应的蒸汽流量、相应的受热面吸热量、相应的汽温与汽压等，这些都是锅炉的静态特性。锅炉从一个工况变到另一个工况的过程中，各种状态参数随着时间而变化，最终到达一个新的稳定状态。各种状态参数在变工况中随着时间变化的方向、历程和速度等称为锅炉的动态特性。锅炉在正常运行中，各种状态参数的变化是绝对的，稳定不变是相对的。因为，锅炉经常受到各种内外干扰，往往在一个动态过程尚未结束时，又来了另一个动态过程。锅炉的静态特性与动态特性表明各种状态参数随时偏离设计值。锅炉正常运行的任务就是要使各种状态参数不论在静态或动态过程都应在允许的安全、经济范围内波动，这必须要通过调节手段才能实现。锅炉正常运行调节可分为自动调节和人工调节两种，高参数大型锅炉广泛采用高度的自动调节，以确保静态与动态过程各种状态参数的偏离在允许范围内。锅炉正常运行还要注意炉内燃烧稳定，防止受热面结渣、积灰，高低温腐蚀、磨损，防止各级受热面管金属超温。正常运行还要监视给水、锅水与蒸汽品质，并进行正确的锅水处理。1.2.过热汽温静态特性直流锅炉各级受热面串联连接，水的加热与汽化、蒸汽的过热三个阶段的分界点在受热面中的位置不固定而随工况变化。由此而形成了直流锅炉不同于汽包锅炉的汽温静态特性。对有再热器的直流锅炉，建立热量平衡式稳定工况下，以给水为基准的过热蒸汽总焓升可按下式计算式中——锅炉输入热量，kJ/kg;——锅炉效率％；、——给水焓、过热器出口焓，kJ/kg;——再热器相对吸热量，；——再热器吸热量，kJ/kg。G——给水流量，等于蒸汽流量，kg／s；B——锅炉燃料量，kg／s；1.2.1.煤水比B/G直流锅炉保持燃料量和给水流量比例，主蒸汽焓(温度)可保持不变。对于亚临界锅炉，。若保持给水流量不变，燃料量增加10%,则过热蒸汽出口焓将增加216kJ/kg，相应的温升约为100℃；如果热负荷不变，而工质流量减少10%，则过热蒸汽焓增为247kJ/kg，相应的温升约110℃。1.2.2.燃料发热量燃料发热量变大，主蒸汽温度升高；1.2.3.锅炉效率当锅炉效率降低时，过热汽温将下降。运行中炉膛结焦、过热器结焦、风量偏大，都会使排烟损失增大，效率降低；燃烧不完全也是锅炉效率下降的一个因素。上述情况出现时均会使煤水比发生变化。1.2.4.给水温度当给水温度降低时，若保持煤水比不变，则由上式可知，过热器出口焓（汽温）将随之降低。只有调大煤水比，使之与增大了的过热蒸汽总焓升相对应，才能保持汽温稳定。1.2.5.过量空气系数炉内过量空气系数主要是通过再热器相对吸热量的变化而影响过热汽温的。当炉内送风量增大时，对流式再热器的吸热量因烟气流量的增大而增加，而辐射式再热器的吸热量则基本不变，因此再热器总吸热量及相对吸热量增大，在煤水比未变动的情况下，根据上式过热器出口汽温将降低。运行中也需要改变设定的煤水比。1.2.6.变压运行变压运行时的主蒸汽压力是锅炉负荷函数。当负荷降低时主蒸汽压力下降，与之相应的工质理论热量（从给水加热至额定出口汽温所必须吸收的热量）增大，如煤水比不变，则汽温将下降。如保持汽温，则煤水比按比例增加。1.3.再热汽温静态特性对于再热汽温稳定工况下，再热器出口焓值(kJ/kg)按下式计算式中——再热器进口焓值，kJ/kg；d——再热汽流量占主蒸汽流量的份额。在任何负荷下，当燃料量与给水量成比例变化时，即可保证再热汽温为额定值。这个结论与主汽温调节的要求是一致的。煤发热量、过量空气系数、受热面结焦、定压运行、滑压运行方式等对再热汽温影响的分析与过热汽温相仿。随着煤热值、过量空气的增加，在煤水比不变时再热汽温升高；滑压运行比定压运行更易于稳定再热汽温。1.3.1.煤发热量煤发热量增加，在煤水比不变时再热汽温升高1.3.2.过量空气系数过量空气的增加，在煤水比不变时再热汽温升高1.3.3.受热面结焦炉膛水冷壁或过热器受热面结焦时，在煤水比不变时再热汽温升高。而再热器受热面结焦时，在煤水比不变时再热汽温降低。1.3.4.高排温度高排温度升高时，在煤水比不变时再热汽温升高。1.3.5.火焰中心高度当火焰中心升高时，炉膛出口烟温显著上升，再热器无论显示何种汽温特性，其出口汽温均将升高。此时，水冷壁受热面的下部利用不充分，致使1kg工质在锅炉内的总吸热量减少，由于再热蒸汽的吸热是增加的，所以过热蒸汽吸热减少，过热汽温降低。1.4.汽压静态特性直流锅炉压力是由系统的质量平衡、热量平衡以及工质流动压力降等因素决定的。1.4.1.燃料量扰动假设燃料量增加ΔB，汽轮机调速汽阀开度不变，下面从三种情况分析新工况汽压。1.4.1.1.给水流量随燃料量增加，保持煤水比不变，则由于蒸汽流量增大使汽压上升。1.4.1.2.给水流量保持不变，煤水比上升，为维持汽温必须增加减温水流量，同样由于蒸汽流量增大使汽压上升。1.4.1.3.给水流量和减温水流量都不变，则汽温升高，蒸汽容积增大，汽压也有些上升。如汽温升高在许可小范围内，则汽压无明显变化。1.4.2.给水流量扰动给水流量增加ΔG，汽轮机调速汽阀开度不变，也有三种情况。1.4.2.1.燃料量随给水流量增加，保持煤水比不变，由于蒸汽流量增大使汽压上升。1.4.2.2.燃料量不变，减小减温水流量保持汽温，则汽压不变。1.4.2.3.燃料量和减温水量都不变，如汽温下降在许可范围内，则汽压上升。1.4.3.汽轮机调门扰动若汽轮机调门开大Δk，而燃料量和给水流量均不变，由于工况稳定后，汽轮机排汽量仍等于给水流量，并未变化。根据汽轮机调门的压力一流量特性可知，汽压降低。1.5.直流锅炉动态特性1.5.1.动态过程锅内工质贮存量变化1.5.1.1.物理现象直流锅炉受热面可简化成省煤器、水冷壁、过热器三个受热管段串联组成(图6—1)。水通过省煤器进行加热，水冷壁进口为欠焓水，在水冷壁中进行加热、汽化和蒸汽微过热，蒸汽通过过热器加热。省煤器受热管段长度为lsm。，水冷壁受热管段长度分为热水段lrs、蒸发段lzf和微过热段lq三段，过热器受热管段长度为lgr。燃料量或给水流量扰动，会使水冷壁热水段、蒸发段和微过热段长度发生变化，从而使锅内工质贮存量发生变化。例如，燃料量增加使受热面热负荷增大，lrs缩短、lzf缩短、lq增长，部分空间的贮水转变成蒸汽，短时间内蒸汽质量流量大于给水质量流量。又如，给水流量增大，使lrs增长、lzf增长、lq缩短，部分蒸汽空间转变成水空间，贮存水量增大，短时间内蒸汽质量流量小于给水质量流量。由于锅内贮存水量发生变化而使蒸汽质量流量增加或减小的部分称为附加蒸发量。图6—2为燃料量扰动ΔB、附加蒸发量ΔD动态过程。图中Ggs与Ggr之间的阴影面积表示锅内工质贮存量的变动。给水流量增大，使lrs增长、lzf增长、lq缩短，部分蒸汽空间转变成水空间，贮存水量增大，短时间内蒸汽质量流量小于给水质量流量。储水空间由工况1变成工况2。如下图所示：规律：压力高的锅炉，汽水密度差小，在相同的锅炉燃料量和给水质量流量扰动下，贮水量变化值较小：锅炉负荷高，在相同的锅炉燃料量和给水质量流量扰动下，贮水量变化ΔM值较小。此外，如给水流量扰动ΔG，动态过程中由于ΔG与ΔM对蒸汽流量有相反的作用，故开始时蒸汽流量基本不变，待ΔM的作用消失后，蒸汽流量等于给水流量(图6—4)；在燃料量与给水流量同时比例增加的情况下，蒸汽流量较快地增加，直至与给水流量相等。1.5.2.汽温汽压动态特性1.5.2.1.燃料量扰动燃料量扰动ΔB0，动态过程锅内贮存水量减少，使蒸汽质量流量Ggr先上升而后回复至等于给水流量Ggs。主蒸汽温度tgr开始时由于Ggr上升而下降，后来由于ΔB作用而升高。主蒸汽压力pgr开始时由于Ggr上升而升高，后来由于主蒸汽温度上升而保持在较高数值。上述动态过程示于图6—5。1.5.2.2.给水流量扰动给水流量扰动ΔG0，锅内贮存水量增加和给水流量增加的共同作用，使蒸汽流量Ggr过一段时间后才逐渐上升至等于Ggs。主蒸汽温度tgr，开始时由于Ggr不变而不变，后来由于Ggr上升而下降。主蒸汽压力pgr随着Ggr增大而上升，后来由于主蒸汽温度下降而有些回落。上述动态过程示于图6—6。1.5.2.3.汽轮机调速汽阀开度扰动汽轮机调速汽阀开度扰动Δμ0，蒸汽质量流量Ggr随着增大，后来由于主蒸汽压力pgr下降而逐渐回复至等于给水质量流量Ggs。主蒸汽压力开始时下降较快，随着蒸汽质量流量和给水质量流量逐步接近，汽压下降速度减慢，最后稳定在较低数值。主蒸汽温度由于蒸汽质量流量增大而下降，最终蒸汽质量流量等于给水质量流量，并由于给水质量流量和燃料量没有变化，主蒸汽温度恢复至原来值。在给水压力和给水门开度不变的条件下，由于汽压降低，给水流量实际上是自动增加的。这样，平衡后的给水流量和蒸汽流量有所增加。在燃料量不变的情况下，这意味着单位工质吸热量必定减小，或者说出口汽温（焓）必定减小。上述动态过程示于图6—7。1.5.3.锅炉压力对动态特性的影响前已述，附加蒸发量对动态特性有很大的影响。我们还知道，锅炉压力越高，附加蒸发量越小，故锅炉低压时附加蒸发量对动态特性的影响大，锅炉高压时小。在超临界区运行时，动态特性与亚临界锅炉相似，但变化过程较为和缓。燃料量B增加时，锅炉热水、过热段的边界发生移动，尽管没有蒸发段，但热水、过热段的比体积差异也会使工质贮存量在动态过程中有所减小。因此出口蒸汽量稍大于入口给水量直至稳态下建立新的平衡。由于上述特点，超临界机组在燃料量、给水量和功率扰动时的动态特性，受蒸汽量波动的影响较小，如燃料量扰动时，抑制过热汽温变化的因素主要是金属贮热，而较少受蒸汽量影响，因而过热汽温变化得就快一些；而汽压的波动则基本上产生于汽温的变化，变得较为和缓。1.6.直流炉的运行调节1.6.1.直流锅炉的调节特点直流锅炉燃烧调节本身和汽包锅炉一样，但是燃料量调节依据与汽包锅炉不同。汽包锅炉主要根据汽包压力调节燃料量，直流锅炉主要根据蒸汽温度和燃料量／给水质量流量比例调节燃料量。下面主要分析直流锅炉主蒸汽压力与主蒸汽温度的调节特点。1.6.1.1.燃料量／给水质量流量比例直流锅炉负荷调节应同时调节燃料量B与给水质量流量G，保持GB比例，才能在满足负荷要求的同时，维持主蒸汽压力与主蒸汽温度稳定。调节给水质量流量是为了保持锅炉进出质量流量之间的平衡，调节燃料量是为了保持锅炉进出能量之间的平衡。在直流锅炉中，负荷变化时，应同时变更给水量和燃料量，并严格保持其固定比例，否则给水量或燃料量的单独变化或给水量、燃料量不按比例的同时变化都会导致过热汽温的大幅度变化。这是因为直流炉的加热、蒸发和过热三区段的分界点有了移动，亦即三区段受热面长度(或受热面积)发生变化，因而必然会引起过热汽温的变化。例如，给水量不变，而燃料量增加时，由于各区段受热面的吸热量增加，开始蒸发点和开始过热点都提前，使加热和蒸发区段缩短，而过热区段变长，因而出口过热汽温升高；相反，给水量不变而燃料量减少时，出口过热汽温降低。再如，燃料量不变而给水量增加时，由于工质总需要热量增多，以致开始蒸发点和开始过热点都推后，使加热段和蒸发段延长，而过热段缩短，因而出口过热汽温降低；相反，燃料量不变而给水量减少时，出口过热汽温升高。如果上述两种不平衡同时发生或发生其中之一，都会引起主蒸汽压力与主蒸汽温度的变化。因此，直流锅炉调节的基本特点就是保持给水质量流量和蒸汽质量流量平衡的同时还要保持燃料量和给水质量流量的比例。1.6.1.2.汽