过热蒸汽温度控制对象的动静态特性

郭庆军

（华中科技大学 文华学院，湖北 武汉 430074）

在电力系统中，锅炉过热蒸汽的温度一般作为影响电力机组生产过程的安全性和经济性一个比较重要的参照数值。随着对产品工作环境的提高，锅炉过热器也要长期处在高温高压环境下进行工作，使得过热器出口是整个装备中温度最高，也是金属壁温的最高处。一般的过热器选用耐高温高压的合金刚材料，这样有利于设备的正常运作，同时也要注意过热蒸汽的温度过低，会影响机组的热效率。对此，过热蒸汽的温度过高或过低，这都是常规生产过程不允许的。

1 过热器的分类

过热器可以根据它所采用的传热方式分为对流过热器、半辐射过热器及辐射过热器三种。对流过热器是放在炉膛外面对流烟道里的过热器，它主要以对流传热方式吸收流过它的烟气的热量。半辐射过热器也称屏式过热器，一般放在炉膛上部出口附近，它既吸收炉膛火焰的辐射热，又以对流方式吸收流过它的烟气的热量。辐射过热器是放在炉顶或炉墙上的过热器，它基本上只吸收炉膛内火焰和烟气的辐射热。

现代大容量高参数锅炉的过热器主要由对流过热器，屏式过热器，包覆过热器，顶棚过热器，联箱及减温器构成。制造它们的材料一般都是合金钢，有的还需用特种钢来制造。

（1）对流过热器。布置在烟道内，依靠热烟气对流传热的过热器，称为对流式过热器。对流过热器是由联箱和很多细长的蛇形管束所组成。蛇形管可作立式或卧式布置。过热器的进出口联箱放在炉墙外部，起着分配和汇集蒸汽的作用。蛇形管与联箱上的管接头焊接在一起。

大容量锅炉的对流过热器布置在烟温很高的区域内，其蒸汽温度和管壁的热负荷都很高。而蒸汽侧放热系数比省煤器中的水或蒸发受热面中的汽水混合物的放热系数都低的多，因此过热器受热面必须用具有良好的高温强度特性的优质碳素钢或含有铬、钼、钒的耐热合金钢制造。过热器管子用什么材料制造，取决于它所处的工作条件。现代锅炉对流过热器多采用立式布置，因为这样可以采用简单可靠的悬吊固定方法，而卧式过热器的固定比较困难。立式布置的主要缺点，是停炉时积存在管内的凝结水不易排出，容易引起蛇形管下部弯头腐蚀。

（2）辐射过热器。辐射过热器可布置在燃烧室四壁，也称墙式或壁式过热器，或布置在炉顶，称顶棚过热器，直接吸收辐射热。在做墙式布置时辐射过热器的管子可以布置在燃烧室四壁的任一面墙上，可以仅布置在燃烧室上部，也可以沿燃烧室高度全部布置；它可以集中布置在某一区域，也可以与蒸发受热面管子间隔布置。

在自然循环锅炉中，辐射过热器管子布置在燃烧室上部，能使管子避开热负荷最高的火焰中心区域。但是这种布置会使水冷壁管的吸热高度降低,可能影响水循环的安全性。如果辐射过热器沿燃烧室全部高度布置，则处于火焰中心区的管子容易过热烧坏。特别是升火过程中，为保证管子的冷却必须采取从外界引进蒸汽等专门措施。在直流锅炉中，情况有所不同，水冷壁上部都有一定的过热度，相当于辐射过热器，由于上部炉温较低，所以可保证安全。

2 过热蒸汽温度控制对象的动静态特性

2.1 静态特性

（1）锅炉负荷与过热汽温的关系。锅炉负荷增加时，炉膛燃烧的燃料增加，但是，炉膛中的最高的温度没有多大的变化，炉膛辐射放热量相对变化不大，因此炉膛温度增高不大。这就是说负荷增加时每千克燃料的辐射放热百分率减少，而在炉膛后的对流热区中，由于烟温和烟速的提高，每千克燃料的对流放热百分率将增大。因此，对于对流式过热器来说，当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值升高；辐射式过热器则具有相反的汽温特性，即当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值降低。如果两种过热器串联配合，可以取得较平坦的汽温特性，但一般在采用这两种过热器串联的锅炉中，过热器出口蒸汽温度在某个负荷范围内，仍随锅炉负荷的增加有所升高。

（2）过剩空气系数与过热汽温的静态关系。过剩空气量改变时，燃烧生成的烟气量改变，因而所有对流受热面吸热随之改变，而且对离炉膛出口较远的受热面影响显著。因此，当增大过剩空气量时将使过热汽温上升。

（3）给水温度与汽温关系。提高给水的温度，将使过热汽温下降，这是因为产生每千克蒸汽所需的燃料量减少了，流过过热器烟气也就减少了。也可以认为：提高给水温度后，在相同燃料下，锅炉的蒸发量增加了，因此过热汽温将下降。则是否投入高压给水加热器将使给水温度相差很大，这对过热汽温有显著的影响。

（4）燃烧器的运行方式与过热汽温的静态关系。在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器的摆角会影响炉内温度分布和炉膛出口烟温，因而也会影响过热汽温，火焰中心相对提高时，过热汽温将升高。

2.2 动态特性

目前，火电机组厂广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。影响汽温变化的因素很多，但主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。在各种扰动下，汽温控制对象是有烟池、惯性和自平衡能力的。

蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性。大型锅炉都采用复合式过热器，当锅炉负荷增加时，锅炉燃烧率增加，通过对流式过热器的烟气量增加，而且烟气温度也随负荷的增大而升高。这两个因素都使对流式过热器的气温升高。然而，当负荷增加时，炉膛温度升高的并不明显，由炉膛辐射传给过热器的热量比锅炉蒸汽量增加所需热量少，因此使辐射式过热器出口温度下降。可见，这两种型式的过热器对蒸汽流量的扰动的反映恰好相反，只要设计上配合得当，就能使过热其出口汽温随蒸汽流量变化的影响减小。因此在生产实践中，通常把对流式过热器与辐射式过热器结合使用，还增设屏式过热器，且对流方式下吸收的热量比辐射方式下吸收的热量多，综合而言，过热器出口汽温是随流量D的增加而升高的。

3 结语

对此，对以上分析，我们可以做如下几点总结：①过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一种扰动下都有延迟和惯性，有自平衡能力。而且改变任何一个输入参数，其他的输入参数都可能直接或间接的影响出口蒸汽温度，这使得控制对象的动态过程十分复杂。②在减温水流量扰动下，过热器出口蒸汽温度对象具有较大的传递滞后和容量滞后，缩减减温器与蒸汽温度控制点之间的距离，可以改善其动态特性。③在烟气侧热量和蒸汽流量扰动下，蒸汽温度控制对象的动态特性比较好。

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