過熱器金屬壁溫超溫的原因分析與優(yōu)化

孔德偉 張 皓 于 航

（1.中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.國(guó)能河北衡豐發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 衡水 053000；3.河北榮春能源科技有限公司，河北 石家莊 050011）

0 引言

火力發(fā)電廠運(yùn)行過程中，主汽溫度、過熱汽溫與爐膛內(nèi)各金屬溫度是操作人員主要關(guān)注的重要測(cè)點(diǎn)，對(duì)保障機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行、電力安全生產(chǎn)起著決定性作用。實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)鍋爐主控（給煤指令）變化過大或波動(dòng)較為頻繁時(shí)，很容易發(fā)生過熱器金屬壁溫測(cè)點(diǎn)超溫的問題，直接影響到機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至由于溫差過大，設(shè)備表面的熱應(yīng)力會(huì)超過設(shè)計(jì)允許值，導(dǎo)致巨大隱患，造成維護(hù)困難和設(shè)備損壞。此外，一些火電廠在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過程中可能還存在燃用煤種與設(shè)計(jì)不符的情況，這也會(huì)降低鍋爐帶負(fù)荷能力，使得兩側(cè)蒸汽溫度偏離設(shè)計(jì)規(guī)定值，進(jìn)而導(dǎo)致超溫現(xiàn)象[1]。本文從DCS控制邏輯優(yōu)化的角度出發(fā)，對(duì)導(dǎo)致超溫問題的原因進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步就超溫問題的解決對(duì)策進(jìn)行了詳細(xì)探討。

1 問題概述

金川熱電2×135 MW機(jī)組，鍋爐為上海電氣制造的SG400-295型，設(shè)計(jì)流量490 t/h，壓力13.7 MPa。低溫過熱器14個(gè)測(cè)點(diǎn)，報(bào)警溫度為465 ℃；一級(jí)減溫水后，前屏過熱器4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，報(bào)警值為492 ℃；二級(jí)減溫水前，后屏過熱器14個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，報(bào)警值為520 ℃。

運(yùn)行過程中前屏與后屏過熱器溫度頻繁超過報(bào)警值，波動(dòng)較大，后屏最高溫度可達(dá)580 ℃，嚴(yán)重影響設(shè)備安全，在升負(fù)荷段超溫現(xiàn)象尤為明顯。非供熱期，每日02：00左右，機(jī)組負(fù)荷指令開始上升，滿負(fù)荷運(yùn)行5 h左右，白天半負(fù)荷運(yùn)行，指令較為平穩(wěn)。過熱器最高溫度出現(xiàn)在負(fù)荷上升中期，此時(shí)主汽壓力小于設(shè)定值，給煤量增長(zhǎng)較快；過熱器第二次較大超溫出現(xiàn)在降負(fù)荷中期，此時(shí)汽機(jī)能量需求減少，煤量卻保留足夠的慣性，使?fàn)t內(nèi)溫度過高；負(fù)荷平穩(wěn)期間，超溫現(xiàn)象偶爾出現(xiàn)，但溫度波動(dòng)較大，直接原因?yàn)闇p溫水閥門開關(guān)頻繁。另外經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，一級(jí)減溫水調(diào)門在開度大于40%時(shí)，再增大開度對(duì)流量影響不明顯，若運(yùn)行人員在此范圍操作，則無法產(chǎn)生控制效果，需要改善控制裕度，使執(zhí)行器工作在有效范圍內(nèi)。

2 超溫現(xiàn)象原因分析

主汽溫度是機(jī)爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所必須監(jiān)視與調(diào)整的主要參數(shù)之一，過熱器金屬壁溫和主汽溫度有同樣的特性，影響溫度變化的原因也相同，具有影響因素多、響應(yīng)過程復(fù)雜多變、調(diào)節(jié)過程慣性大的特點(diǎn)。

1）鍋爐與燃料特性的影響：過熱器受熱面的傳熱方式為對(duì)流換熱，且再熱器和過熱器受熱特性基本相同，因此影響對(duì)流換熱的因素也就是影響主再汽溫變化的因素。燃煤中水分高，燃燒生成的煙氣量大，會(huì)使對(duì)流換熱加強(qiáng)，從而使主、再熱汽溫升高；燃煤中灰分大及發(fā)熱量低，為使燃燒完全所需空氣量增大及使燃料著火推遲火焰中心抬高也會(huì)使汽溫升高。

2）燃料性質(zhì)與火焰中心位置的影響：煤粉細(xì)度大、煤粉粗及一次風(fēng)量大均會(huì)使燃燒過程推遲，火焰中心抬高，造成汽溫升高；投運(yùn)上層燃燒器，會(huì)使火焰中心抬高，使汽溫升高；反之，投運(yùn)下層燃燒器會(huì)使汽溫下降；下層燃燒器風(fēng)煤量大會(huì)使汽溫下降，上層燃燒器風(fēng)煤量大會(huì)使汽溫升高；爐膛負(fù)壓大，也會(huì)使火焰中心抬高并使煙氣流速加快，換熱增強(qiáng)，導(dǎo)致汽溫升高；爐膛負(fù)壓小則相反[2]。

3）鍋爐風(fēng)量的影響：鍋爐風(fēng)量大，即氧量大，對(duì)汽溫影響比較明顯，對(duì)流換熱增強(qiáng)，容易造成汽溫升高；鍋爐風(fēng)量減小則相反。

4）給水的影響：燃料燃燒的總能量用于加熱給水以及提供鍋爐的蓄熱，若給水量變化或給水溫度變化，則會(huì)相應(yīng)改變汽溫，燃料溢出的能量就會(huì)使得過熱器超溫。如高加解列使給水溫度下降，造成鍋爐蒸發(fā)量下降，而使主汽溫升高，為了維持蒸發(fā)量而加煤，會(huì)使主汽溫進(jìn)一步升高。

5）減溫水量的影響：減溫水量大，則汽溫下降；減溫水量小，則汽溫升高。

3 溫度控制優(yōu)化方法

根據(jù)以上原因分析，在控制邏輯上進(jìn)行以下改進(jìn)：

1）鍋爐主控優(yōu)化：最嚴(yán)重的超溫是在負(fù)荷升降最劇烈時(shí)發(fā)生的，由于鍋爐慣性較大，依據(jù)鍋爐能量供需關(guān)系調(diào)整給煤過于遲緩，所以在鍋爐主控增加了變負(fù)荷前饋并限制了負(fù)荷上升中段的鍋爐主控升速率，如圖1所示。

圖1 鍋爐主控優(yōu)化

2）風(fēng)量?jī)?yōu)化：重新優(yōu)化了送風(fēng)函數(shù)，調(diào)整了氧量系數(shù)，保證風(fēng)量充足，煤粉充分燃燒，防止火焰中心升高造成溫度過高；在升降負(fù)荷段設(shè)置不同的一次風(fēng)延遲時(shí)間，保證升負(fù)荷給風(fēng)優(yōu)先于給煤，降負(fù)荷給風(fēng)滯后于給煤，同樣是為了防止火焰中心過高，如圖2所示。

圖2 一次風(fēng)優(yōu)化

3）減溫水調(diào)閥控制優(yōu)化：以一級(jí)減溫水為例，減溫水閥門原控制方案為串級(jí)控制，主調(diào)為一級(jí)減溫水出口壁溫，副調(diào)為減溫水流量，控制閥門開度。首先修改了副調(diào)PID系數(shù)，改善了閥門動(dòng)作頻繁的問題，另外增加了兩個(gè)前饋，一個(gè)是金屬溫度變化率前饋，一個(gè)是高加出口溫度與汽包溫差前饋。

另外，對(duì)減溫水閥門行程進(jìn)行了線性整定，通過歷史數(shù)據(jù)計(jì)算指令——流量函數(shù)，將空行程消除，也有效避免了閥門頻繁動(dòng)作，如圖3所示。

4 結(jié)論

如圖4所示，截取了控制方案修改前后18 h汽溫變化、閥門動(dòng)作情況與負(fù)荷波動(dòng)情況的歷史趨勢(shì)圖，可見改進(jìn)后在相同程度的負(fù)荷變化下，汽溫超溫有了明顯的改善，閥門動(dòng)作也比之前更為平穩(wěn)。

表1計(jì)算了評(píng)價(jià)壁溫控制的幾個(gè)具體指標(biāo)，可見改進(jìn)后最高超溫溫度、超溫次數(shù)都明顯減少；超溫后恢復(fù)速度加快，控制效果明顯；溫度變化的方差減少，說明閥門動(dòng)作更加平穩(wěn)；減溫水流量減少，說明運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性提高。

表1 優(yōu)化前后控制指標(biāo)對(duì)比

改進(jìn)后在保證主汽溫、再熱汽溫控制品質(zhì)的基礎(chǔ)上，有效降低了過熱器金屬壁溫超溫幅度，減少了超溫頻次，緩解了減溫水閥門動(dòng)作頻繁問題，保證了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及安全性。