电站锅炉减温水质量流量特性分析

刘海，侯本杰，杨峰

(山东中实易通集团有限公司，济南 250002)

电站锅炉减温水质量流量特性分析

刘海，侯本杰，杨峰

(山东中实易通集团有限公司，济南 250002)

通过调取并分析电站锅炉稳定工况和变负荷工况的实际运行数据，得到了准确的电站锅炉减温水质量流量特性曲线。依据曲线特性分析，通过线性化调节阀与质量流量之间非线性的对应关系可有效控制过热器减温水质量流量，改善了主蒸汽温度的品质，提高了机组运行的经济性和安全性。

电站锅炉；运行数据；减温水；特性

0 引言

现代锅炉的主蒸汽温度主要通过两级减温水控制，一级减温水(以下简称一减)初调，二级减温水(以下简称二减)细调。对减温水的控制，传统的控制策略是通过比例、积分、微分控制实现。这种控制策略的缺点是，在控制过程中主蒸汽温度容易产生较大波动。为此，需要对减温水质量流量进行特性试验。传统的减温水调节阀质量流量特性试验主要通过选取特定调节阀开度得出减温水质量流量特性。通过个别数据进行规划得到基本曲线，因数据不具有代表性和全面性，所以得出的曲线与实际曲线偏差较大。而发生波动时，运行人员往往通过降低主蒸汽温度以避免超温，这在一定程度上偏离设计工况，对机组运行的经济性和安全性构成威胁。因此，有必要对减温水质量流量特性进行更加深入地分析，从而实现对减温水的科学控制。

本文通过对电站锅炉大量实际运行数据进行整合提炼，结合设备结构和调节特点，对影响减温水质量流量特性的因素进行了全面分析。通过分析，对影响减温水质量流量特性因素的影响程度进行了量化，得到减温水调节阀与质量流量的具体对应关系，并得到实际运行调节阀内漏死区的具体数值，实现了对主蒸汽温度的快速、准确控制，从而能够更加有效地应对稳定负荷及变负荷工况下对主蒸汽温度的要求。

1 影响减温水质量流量的因素

1.1 介质因素

水管内流动能量损失可以分为沿程能量损失和局部能量损失，通常沿程阻力损失的计算采用达西-魏斯巴赫公式[1]

(1)

式中：Pf为沿程阻力损失；λ为沿程损失系数；l为管道长度；d为管道内径；v为速度；g为重力加速度。

局部阻力损失则为

(2)

式中：Pj为局部阻力损失；ζ为局部损失系数。

实际管道阻力既有直管段等产生的沿程阻力损失，又包含弯头调节阀等产生的局部阻力损失。那么总的阻力损失为

(3)

式中：Pw为总阻力损失。

由公式(1)、公式(2)、公式(3)可以得出，流经管道内的流体质量流量为

(4)

式中：qm为流体质量流量；ρ为流体密度；A为流体管道截面积。

在本文中公式(3)中的总阻力损失Pw亦可看作减温水系统进出口差压。通过公式(4)可以得出，流体的质量流量与管道的沿程损失系数、局部损失系数及流体的进出口差压有关，因而在考虑减温水质量流量特性时，需要考虑管道的沿程损失系数、局部损失系数与系统的进出口差压的影响。

1.2 其他影响减温水质量流量的因素

在实际工程应用中，减温水调节阀的动作会在机械部分和电动头设置部分存在死区，阀门全关的情况下为防止卡涩会留有一定的间隙，因而需要考虑减温水调节阀的内漏质量流量和死区段，以避免减温水控制响应速度过慢或过快。

2 减温水质量流量特性

2.1 电站锅炉减温水系统

如图1所示，电站锅炉过热器减温水系统的水源一般取自主给水管路，并由主路一分为二，分别流向过热器一减和过热器二减，一减和二减一分为二，分别流向锅炉左侧和锅炉右侧。

图1 减温水系统

减温水系统中管路布置较为复杂，并且由于调节阀特性、安装和制造的差异，减温水质量流量与调节阀开度的对应关系并非简单的线性关系，因而在系统调试过程中一般要求进行减温水调节阀特性试验，以便得出实际的减温水质量流量与调节阀开度的关系。

2.2 减温水质量流量与调节阀开度关系

选取某2×350 MW电厂在280，300，350 MW负荷工况下，稳定运行8～12 h的4 000多组数据进行分析，得出过热器一、二级减温水质量流量特性图，不同工况下减温水质量流量特性如图2所示。

图2 过热器减温水质量流量与调节阀开度关系

从图2可以得出，在不同的负荷段，减温水调节阀的特性基本是相同的。虽然在机组不同的负荷段，减温水系统的入口压力和出口压力不同，但负荷稳定时，其进出口差压不变。

过热器一减调节阀基本无内漏，调节阀的死区(或无调节功能区)开度可以达到25%(具体见表1)。在25%开度范围内，减温水质量流量随调节阀开度变化很小，而在25%～73%开度范围内，减温水调节阀的调节性能较好；在73%以上开度，减温水质量流量已达最大值(对应关系见表2)。

过热器二减基本无内漏，死区范围在0～5%开度范围内(具体见表1)；3%～5%开度附近存在初始动作区，此范围内，减温水质量流量增加较快；二减在5%～90%开度时调节性能较好，90%开度减温水质量流量已达最大值(对应关系见表2)。

表1 不同负荷段减温水调节阀死区 %

以350MW工况下减温水质量流量与调节阀开度数据为基础，列出减温水质量流量与调节阀开度数据的对应关系见表2。

2.3 不同负荷段减温水质量流量特性

由公式(3)和公式(4)可以得出，工质质量流量不仅与系统阻力变化(主要为调节阀的开度变化)有关，还与系统进出口差压(包含在Pw内)有关。同样以某2×350 MW电厂为例，在滑压控制下，选取过热器一、二级减温水35%开度特性较好的区域进行研究，依据3次启、停机过程中减温水调节阀与减温水质量流量数据，得到减温水进出口差压变化情况下的减温水进出口差压与质量流量的关系如图3所示。由图3可知，减温水质量流量与进出口差压呈线性关系，与公式(3)相符。

表2 减温调节阀开度与质量流量的对应关系

图3 减温水质量流量与差压关系及趋势

减温水系统的进出口差压在减温水系统中对于减温水质量流量的影响要相对较小。在系统固定、负荷没有剧烈变化情况下，主再热系统的阻力随系统入口压力变化时的压损变化较小，因而对减温水质量流量影响要小于减温水系统的阻力的变化，这就提高了减温水调节阀特性曲线在不同负荷段的适用性。但是在负荷变动时，主蒸汽压力变化较为明显，在减温水调节阀35%开度下，减温水系统进出口差压变化最大影响9%的减温水质量流量，此时调整主蒸汽再热汽温度应该考虑减温水系统进出口差压的变化[2-5]。

2.4 减温水间的相互影响

由图1可知，一、二级左右侧减温水均为并列布置，减温水同时开、关会相互影响。以右侧二减为例，在左侧减温水开度不变(工况1)、左右两侧二减同时关小(工况2)、左右两侧二减同时开大(工况3)3个工况下，分析减温水间的相互影响。3个工况下减温水质量流量特性曲线基本一致，减温水质量流量间的相互影响特性曲线如图4所示。同样开度下，3个工况下减温水质量流量会有一定差别，在本次统计工况下的差别见表3(在统计涵盖的区域不同工况下减温水质量流量的最大差别为0.4 t/h，基本可以忽略此因素影响)。

图4 减温水质量流量间的相互影响

调节阀开度/%右侧二减质量流量/(t·h-1)工况1工况2工况3101.8291.5741.729152.1541.7852.003202.4932.2092.347253.0142.7982.888303.6733.2783.609

3 控制策略优化

以减温水调节阀特性曲线为基础，将减温水质量流量与调节阀开度非线性的关系通过比例、积分、微分控制调节模块后的函数线性化[6]，改善调节模块在不同开度区间的适应性，进而优化汽温的调节效果，使汽温调整过程中不超温，温度波动范围减小。

在负荷摆动试验过程中对减温水控制方案进行修改，对比调整前后的试验参数曲线如图5所示，主蒸汽温度的稳定性得到明显改善。在减温水控制方案调整前(图5a)，升负荷过程中，过热汽温度波动较大，左侧过热汽温度波动最大达27.80 ℃，右侧过热汽温度波动最大达26.85 ℃，存在超调现象，且负荷摆动过程中汽温出现超温，最高汽温达580.06 ℃。控制方案调整后(图5b)过热器温度波动范围明显减小，左侧过热汽温波动5.59 ℃，右侧过热汽温波动11.91 ℃，不需要人工修改设定值干涉减温水调节，主蒸汽温度可以控制在许可范围内(试验过程中最高汽温571.32 ℃，最低汽温559.41 ℃)，没有出现超温现象。

图5 减温水控制方案调整前后汽温曲线(截图)

4 结束语

通过调取并分析电站锅炉稳定工况和变负荷工况的实际运行数据，得到了准确的电站锅炉减温水质量流量特性曲线。依据以上特性分析，通过线性化调节阀与流量之间非线性的对应关系，可有效控制过热器减温水质量流量，改善了主蒸汽温度的品质，提高了机组运行的经济性和安全性。本文得到的特性曲线在实际应用中得到一定证实，在同类型机组中的减温水控制方案的优化过程中亦有一定借鉴意义。

[1]孔珑.工程流体力学[M].北京:中国电力出版社,2014.

[2]冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌.锅炉原理及计算[M].北京：科学出版社，2003：335-339.

[3]钱进，王冠伦，周开贵.2 028 t/h锅炉减温水循环函数法计算与分析[J].热力发电，2009，38(3)：34-39.

[4]陈波，张永军，罗志浩.超临界机组汽温控制中减温水联控方式的研究与实现[J].电站系统工程，2010,26(4)：54-56.

[5]高亚杰，阚玉英.基于历史数据分析的汽机调门曲线优化[J].华北电力技术，2012(10)：35-51.

[6]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2008.

(本文责编：刘炳锋)

2017-02-21；

2017-04-26

TK 223.7+3

A

1674-1951(2017)05-0020-04

刘海(1990—)，男，山东泰安人，助理工程师，从事电站锅炉调试及燃烧调整方面的工作(E-mail:843247216@qq.com)。