【文章內(nèi)容簡介】 污系統(tǒng)主要指連續(xù)排污和定期排污管路附件及排污擴容器、排污冷卻池。換熱系統(tǒng)主要指循環(huán)水泵、補給水泵、定壓設(shè)備、換熱設(shè)備等。 鍋爐主要控制系統(tǒng)采用自動化儀表裝置來自動完成控制任務(wù)的系統(tǒng)，稱為自動控制系統(tǒng)。目前，火電廠鍋爐部分主要的熱工自動控制系統(tǒng)有：給水控制系統(tǒng)、燃燒控制系統(tǒng)、過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)等。 燃燒控制系統(tǒng)鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是使燃料所提供的熱量適應(yīng)外界對鍋爐輸出的蒸汽負荷的需求，同時保證鍋爐的安全經(jīng)濟運行。鍋爐燃燒過程自動控制主要包括三項控制內(nèi)容。（1）控制燃料量。當外界對鍋爐蒸汽負荷的要求變化時，必須相應(yīng)地改變鍋爐燃燒的燃料量。（2）控制送風量。為了實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒，當燃料量改變時，必須相應(yīng)地改變送風量，使送風量與燃料量相適應(yīng)。燃燒過程的經(jīng)濟與否可以通過過量空氣系數(shù)是否合適來衡量，過量空氣系數(shù)通常用煙氣的含氧量來間接表示。實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒最基本的方法是使風量與燃料量成一定比例。控制送風量也是為了實現(xiàn)安全運行，若風量相對于燃料量太少的話，也可能導(dǎo)致鍋爐的熄火事故。當然，送風量過多也不經(jīng)濟。（3）控制引風量。為了保證爐膛壓力在要求范圍內(nèi)，引風量必須與送風量相適應(yīng)。爐膛壓力的高低也關(guān)系著鍋爐的安全和經(jīng)濟運行。爐膛壓力過低，會使大量的冷風漏入爐膛，將會增大引風機的負荷和排煙損失，爐膛壓力太低甚至會引起內(nèi)爆；反之，爐膛壓力高且高出大氣壓力時，會使火焰和煙氣冒出，不僅會影響環(huán)境衛(wèi)生，甚至可能影響設(shè)備和人身安全。為實現(xiàn)燃料量、送風量和引風量的控制，相應(yīng)地有三個控制系統(tǒng)，即燃料量控制系統(tǒng)、送風量控制系統(tǒng)和引風量控制系統(tǒng)。三個控制系統(tǒng)之間存在著密切的相互關(guān)系，要控制好燃燒過程，必須使燃料量、送風量和引風量三者協(xié)調(diào)變化。鍋爐正常運行時，燃料量、送風量兩者必須成適當比例，代表這兩個成適當比例的變量被定義為鍋爐的燃燒率。 給水控制系統(tǒng)鍋爐給水自動控制的任務(wù)是使鍋爐的給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)。汽包水位是鍋爐運行中一個重要的監(jiān)控參數(shù)，它反映了鍋爐蒸汽負荷與給水量之間的平衡關(guān)系，維持汽包水位正常時保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件。汽包水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成汽包出口蒸汽水分過多，含鹽濃度增大，易使過熱器管壁結(jié)垢而導(dǎo)致過熱器燒壞；同時還會使過熱汽溫產(chǎn)生急劇變化，直接影響機組運行的安全性和經(jīng)濟性。汽包水位過低，則可能破壞鍋爐水循環(huán)，造成水冷壁管燒壞而破裂。隨著鍋爐容量和參數(shù)的提高，汽包的容積相對減小，鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負荷顯著提高。因而加快了負荷變化時水位的變化速度，因而對給水自動控制提出了更高的要求。因此，為保證機組安全運行，正常情況下，一般限制汽包水位在177。（30~50）mm范圍內(nèi)變化。鍋爐給水自動控制的另一任務(wù)就是要維持給水流量不要有過大的頻繁波動，以保證省煤器、給水管道的安全。一般應(yīng)限制給水流量波動范圍在額定給水流量的5％~10％以內(nèi)。 汽溫控制系統(tǒng)鍋爐過熱蒸汽溫度是影響機組生產(chǎn)過程安全性和經(jīng)濟性的重要參數(shù)?，F(xiàn)代鍋爐的過熱器是在高溫、高壓的條件下工作的，過熱器出口的過熱蒸汽溫度是機組整個汽水過程中工質(zhì)溫度的最高點，也是金屬壁溫的最高點。過熱器采用的是耐高溫高壓的合金鋼材料，過熱器正常運行時的溫度已接近材料所允許的最高溫度。如果過熱蒸汽溫度過高，容易損壞過熱器，也會使蒸汽管道、汽輪機內(nèi)某些零部件產(chǎn)生過大的熱膨脹和熱應(yīng)力，影響機組的安全運行。如果過熱蒸汽溫度過低，將會降低機組的熱效率，一般蒸汽溫度每降低5~10℃，熱效率降低約1％，不僅增加燃料消耗量，浪費能源，而且還將使汽輪機最后幾級中蒸汽的溫度增加，加速汽輪機葉片的水蝕。另外，過熱蒸汽溫度降低還會導(dǎo)致汽輪機高壓部分級的焓降減小，引起各級反動度增大，軸向推動增大，也對汽輪機的安全運行帶來不利影響。所以，過熱蒸汽溫度過低或過高都是生產(chǎn)所不允許的。過熱汽溫控制的任務(wù)是維持過熱器出口主蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)，并對過熱器進行保護，使管壁金屬不超過允許的工作范圍。正常運行時，一般要求過熱器出口蒸汽溫度與額定值偏差不超過177。5℃。 鍋爐安全監(jiān)測保護系統(tǒng)FSSS（Furnace Safeguard Supervisory System）稱為鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)，又稱燃燒器控制系統(tǒng)或燃燒器管理系統(tǒng)BMS（Burner Manage System）。它的主要功能是在鍋爐啟動和運行的各個階段，防止爐膛的任何部位積聚燃料和空氣的混合物導(dǎo)致鍋爐發(fā)生爆燃而損壞設(shè)備，并能對各類燃燒器的投入、切除實現(xiàn)自動控制，同時對燃燒系統(tǒng)的運行工況進行連續(xù)的監(jiān)控，對異常工況做出快速反應(yīng)。它對鍋爐的正常燃燒及鍋爐的安全運行起著決定性的作用。爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能是確保鍋爐的安全運行。為達到此目的，首先要解決的是爐膛燃爆問題。因此，爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)必須具有能避免由于燃料系統(tǒng)故障或運行人員誤操作而造成的爐膛爆燃事故的功能。維持連續(xù)和穩(wěn)定的燃燒過程是鍋爐運行中的一個重要問題。單元機組在低負荷或甩負荷工況下，進入鍋爐的燃料急劇減少，往往會出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒工況，故系統(tǒng)中應(yīng)考慮在低負荷工況時自動點燃油燃燒器以穩(wěn)定燃燒，以及在汽輪發(fā)電機甩負荷時能自動維持鍋爐穩(wěn)定燃燒而滅火的控制功能。此外，在機組及鍋爐發(fā)生重大事故超過局部故障（如部分輔機跳閘限制負荷）時，為了保證安全，往往需要及時地切斷全部燃料或減少燃料。FSSS亦應(yīng)具有這種功能。爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)還能根據(jù)不同的運行方式，進行燃燒器投切操作及點、熄火自動控制，并控制燃燒器風門擋板的狀態(tài)，從而改善鍋爐燃燒工況，提高運行性能及經(jīng)濟性。因此，爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)具有的功能主要包括：爐膛點火前的吹掃，油點火控制，煤粉燃燒器投入控制，連續(xù)運行的監(jiān)控，緊急停爐，磨煤機組、燃燒器、點火器停運，停爐后的吹掃。第三章 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)研究 汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的任務(wù)汽包水位是鍋爐運行的主要指標，是一個非常重要的被控變量，維持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運行的首要條件，這是因為：（1）水位過高會影響汽包內(nèi)汽水分離，飽和水蒸汽帶水過多，同時過熱蒸汽溫度急劇下降。該過熱蒸汽作為汽輪機的動力，將會損壞汽輪機葉片，影響運行的安全性與經(jīng)濟性。（2）水位過低，說明汽包內(nèi)的水量較少，而當負荷很大時，水的汽化速度加快，則汽包內(nèi)的水位變化速度亦隨之加快，如不及時調(diào)節(jié)，就會使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致爐管燒壞，甚至引起爆炸。因此，鍋爐汽包水位必須嚴加控制。隨著鍋爐容量增大和參數(shù)提高，汽包容積相對縮小，而鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負荷顯著提高，加快了負荷變化時的速度，因而對給水控制提出了更高的要求。 水位控制對象的動態(tài)特性汽包鍋爐給水控制對象的結(jié)構(gòu)示意如圖31所示。汽包水位決定于其保存的儲水量和水面下的汽泡容積，因此凡是引起汽包中儲水量變化和水面下的汽泡容積變化的各種因素都是給水控制對象的擾動。給水對象的主要擾動有以下幾種。（1）給水流量W擾動。這個擾動來自給水調(diào)節(jié)閥閥門開度變化、給水壓力變化、給水泵轉(zhuǎn)速波動等引起鍋爐給水流量改變的一切因素。（2）蒸汽流量D擾動。這個擾動是指汽輪機負荷變化而引起的蒸汽流量的改變。（3）鍋爐爐膛熱負荷B擾動。這個擾動主要是由于鍋爐燃燒率的變化改變了蒸發(fā)強度而引起的，它影響鍋爐的輸出蒸汽流量和汽水容積中的汽泡體積。圖31 汽包鍋爐給水控制對象的結(jié)構(gòu)示意圖 給水流量擾動下水位的動態(tài)特性 給水流量是調(diào)節(jié)機構(gòu)所改變的控制量，給水流量擾動來自控制側(cè)的擾動，又稱內(nèi)擾。給水流量擾動下水位的階躍響應(yīng)曲線如圖32所示。圖32 給水流量擾動下的水位響應(yīng)曲線當給水流量階躍增加△W后，水位的變化如圖曲線2所示。當給水流量增加時，如果僅考慮流入量和流出量的物質(zhì)不平衡關(guān)系，汽包水位應(yīng)按曲線1（積分特性）上升；但由于給水溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度，當相對冷的給水進入汽包后，吸收了原飽和水中的一部分熱量，使水面下汽泡體積減小，則汽包水位下降，直到給水溫度與飽和水溫度相近時，汽水混合物中的汽泡體積不再變化，水位停止下降，如圖中曲線3（慣性特性）所示。實際水位變化曲線是曲線1與曲線3的合成，即在給水流量階躍擾動的初始階段，水位上升的速度與水位下降的速度基本一致，所以實際水位在開始時并不變化，當汽水混合物中的汽泡體積不再變化后，水位的變化就由物質(zhì)平衡關(guān)系決定，即按積分特性上升。在給水流量擾動下，水位控制對象的動態(tài)特性表現(xiàn)為有遲滯的無自平衡能力的特點。 蒸汽流量擾動下水位的動態(tài)特性蒸汽流量擾動主要來自汽輪機發(fā)電機組的負荷變化，屬于外部擾動。在蒸汽流量D擾動下，水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖33所示。圖33 蒸汽流量擾動下水位的動態(tài)特性當蒸汽流量突然階躍增大時，如果單從汽包流入量和流出量的物質(zhì)不平衡關(guān)系來考慮，水位應(yīng)按積分規(guī)律下降，如圖中曲線1所示；如單獨考慮水面下汽泡體積的變化，則當汽輪機用汽量突然增加時，汽包壓力迅速下降，汽包水面下的汽泡體積也迅速增大，從而使水位升高，隨后，鍋爐燃燒率根據(jù)用汽量的需求增加，使鍋爐蒸發(fā)量增加，導(dǎo)致水位的升高受到限制，因此汽泡容積增大而引起的水位變化可用慣性環(huán)節(jié)特性來描述，如圖中曲線2所示，實際上的水位變化如曲線3所示，即為曲線1和曲線2的合成。由圖中可以看出，當鍋爐蒸汽負荷變化時，汽包水位的變化具有特殊的形式：在負荷突然增加時，雖然鍋爐的給水流量小于蒸汽流量，但開始階段的水位不僅不下降，反而迅速上升（反之，當負荷突然減少時，水位反而先下降），這種現(xiàn)象稱為“虛假水位”現(xiàn)象，這顯然是因為在負荷變化的初始階段，水面下汽泡的容積與負荷適應(yīng)而不再變化時，水位的變化就僅由物質(zhì)平衡關(guān)系來決定，這時水位就隨負荷增大而下降，呈無自平衡特性。在蒸汽流量擾動下，水位控制對象的動態(tài)特性表現(xiàn)為有虛假水位的無自平衡能力的特點。上面所述的蒸汽流量擾動下的水位控制對象的動態(tài)特性，只是從蒸發(fā)強度變化對汽泡容積的影響方面定性地說明水位變化的特點。實際上，改變汽輪機的用汽量引起的蒸汽流量的階躍擾動，必定引起汽包出口汽壓的變化，汽壓變化也會影響到水面下汽泡的體積變化，所以實際的虛假水位現(xiàn)象會更嚴重些。 燃燒率擾動下水位的動態(tài)特性 當燃料量擾動時，傳給鍋爐水的熱量也增多，上升管的蒸發(fā)強度增大，使蒸發(fā)面下的汽泡膨脹，液位上升，隨之蒸汽流量及汽包壓力增加，但是給水流量并沒有增加，因而這種液位變化也屬于“虛假液位”。當熱量和水量在爐內(nèi)重新達到平衡時，液位才慢慢回降。然而這種由于燃料量的突然變化引起的虛假液位比較小，而且熱負荷可由蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)來保證，因而這種擾動的因素是次要的。燃料量擾動下的水位階躍響應(yīng)曲線如圖34所示。在這種情況下，蒸汽流量增加的同時汽壓也增大了，因而使汽泡體積的增加比蒸汽流量擾動時要小，從而使水位上升較少。另外，由于蒸發(fā)量隨燃料量的增加有慣性和時滯，這就導(dǎo)致遲延時間較長。圖34 燃料量擾動下的水位特性 影響水位的因素除上述之外，還有給水壓力、汽包壓力、汽輪機調(diào)節(jié)閥開度、二次風分配等。不過這些因素幾乎都可以用W、D、B的變化體現(xiàn)出來。為了保證汽壓的穩(wěn)定，燃料量和蒸發(fā)量必須保持平衡，所以這兩者往往是一起變化的，只是先后的差別，給水擾動是內(nèi)擾，其它是外擾。 給水控制手段在單元機組自動控制中，給水控制的手段有以下幾種。（1）電動給水泵定速運行，節(jié)流調(diào)節(jié)給水。對于早期投產(chǎn)的中小型機組，通常采用電動定速給水泵，通過控制給水調(diào)節(jié)閥的開度來維持汽包水位為給定值。這種在全負荷范圍內(nèi)均由調(diào)節(jié)閥來控制汽包水位的方案，其節(jié)流損失較大。（2）電動給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為主，啟動初期旁路閥節(jié)流調(diào)節(jié)配合。20世紀80年代以后投產(chǎn)的200MW機組，大都采用了電動給水泵和調(diào)節(jié)閥相結(jié)合的形式來控制汽包水位。即在低負荷階段，用給水調(diào)節(jié)閥（或旁路調(diào)節(jié)閥）來控制汽包水位；在高負荷階段，調(diào)節(jié)電動給水泵轉(zhuǎn)速來控制汽包水位。這種方案雖然減少了調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，但由于電動給水泵始終在運行，消耗電能較多。（3）汽動變速泵、電動變速泵、調(diào)節(jié)閥組合。近十多年來投產(chǎn)的300MW及以上的機組，幾乎全部采用汽動給水泵、電動給水泵及調(diào)節(jié)閥三者結(jié)合的方式來控制汽包水位。即在低負荷階段，調(diào)整電動給水泵的轉(zhuǎn)速保證出口與汽包之間的差壓（或泵出口壓頭），由給水調(diào)節(jié)閥（或給水旁路調(diào)節(jié)閥）來控制汽包水位；在負荷超過某一值（對應(yīng)的給水流量需求接近調(diào)節(jié)閥的最大通流能力）且汽動給水泵尚未啟動時，由電動給水泵來控制汽包水位；在汽動給水泵啟動后，逐步由電動給水泵過度到汽動給水泵來控制汽包水位。電動給水泵只在機組啟動階段或氣動給水泵故障時使用。這種方法克服了前兩種方案的缺點，是一種效率較高的控制手段。 水位控制的基本方法 根據(jù)汽包鍋爐給水控制對象動態(tài)特性的特點，可以提出給水控制系統(tǒng)的一些基本思想。 （1）由于對象的內(nèi)擾動態(tài)特性存在一定的延遲和慣性，所以給水控制系統(tǒng)若采用以給水為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，則控制過程中水位將出現(xiàn)較大的動態(tài)偏差，給水流量波動較大。因此，對給水內(nèi)擾動態(tài)特性延遲和慣性大的鍋爐應(yīng)采用串級或其它控制方案。（2）由于對象在蒸汽負荷擾動（外擾）時，有“虛假液位”現(xiàn)象，因此給水控制采用以水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，則在擾動的初始階段，調(diào)節(jié)器將使給水流量向與負荷變化方向相反的方向變化，從而擴大了鍋爐進出流量的不平衡。所以在設(shè)計給水控制系統(tǒng)時，應(yīng)考慮采用以蒸汽流量為前饋信號的前饋控制，以改善給水控制系統(tǒng)的品質(zhì)。（3）給水壓力是波動的，為了穩(wěn)定給水流量，應(yīng)考慮將給水流量信號作為反饋信號，用以及時消除內(nèi)擾。為了滿足上述要求，出現(xiàn)了多種給水自動控制系統(tǒng)。 單沖量水位控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，即水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量以保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。單沖量水位控制系統(tǒng)是汽包水位自動控制系統(tǒng)中最簡單、最基本的一種形式。系統(tǒng)原理圖如圖35所示。圖35 單沖量控制系統(tǒng)原理圖單沖量汽包水位控制系統(tǒng)的優(yōu)點是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對鍋爐汽包容量比較大、汽包水位受到擾動后的反應(yīng)速度比較慢且“虛假水位”現(xiàn)象不是很嚴重的鍋爐，采用單沖量水位控制是能夠滿足生產(chǎn)要求的。單沖量汽包水位控制存在著一些缺點，以下作詳細介紹。（1）單沖量控