过热器金属壁温超温的原因分析与优化

孔德伟 张 皓 于 航

（1.中国华电科工集团有限公司，北京 100160；2.国能河北衡丰发电有限责任公司，河北 衡水 053000；3.河北荣春能源科技有限公司，河北 石家庄 050011）

0 引言

火力发电厂运行过程中，主汽温度、过热汽温与炉膛内各金属温度是操作人员主要关注的重要测点，对保障机组稳定运行、电力安全生产起着决定性作用。实际运行中，当锅炉主控（给煤指令）变化过大或波动较为频繁时，很容易发生过热器金属壁温测点超温的问题，直接影响到机组的稳定运行，甚至由于温差过大，设备表面的热应力会超过设计允许值，导致巨大隐患，造成维护困难和设备损坏。此外，一些火电厂在生产运营过程中可能还存在燃用煤种与设计不符的情况，这也会降低锅炉带负荷能力，使得两侧蒸汽温度偏离设计规定值，进而导致超温现象[1]。本文从DCS控制逻辑优化的角度出发，对导致超温问题的原因进行了分析，并进一步就超温问题的解决对策进行了详细探讨。

1 问题概述

金川热电2×135 MW机组，锅炉为上海电气制造的SG400-295型，设计流量490 t/h，压力13.7 MPa。低温过热器14个测点，报警温度为465 ℃；一级减温水后，前屏过热器4个温度测点，报警值为492 ℃；二级减温水前，后屏过热器14个温度测点，报警值为520 ℃。

运行过程中前屏与后屏过热器温度频繁超过报警值，波动较大，后屏最高温度可达580 ℃，严重影响设备安全，在升负荷段超温现象尤为明显。非供热期，每日02：00左右，机组负荷指令开始上升，满负荷运行5 h左右，白天半负荷运行，指令较为平稳。过热器最高温度出现在负荷上升中期，此时主汽压力小于设定值，给煤量增长较快；过热器第二次较大超温出现在降负荷中期，此时汽机能量需求减少，煤量却保留足够的惯性，使炉内温度过高；负荷平稳期间，超温现象偶尔出现，但温度波动较大，直接原因为减温水阀门开关频繁。另外经分析发现，一级减温水调门在开度大于40%时，再增大开度对流量影响不明显，若运行人员在此范围操作，则无法产生控制效果，需要改善控制裕度，使执行器工作在有效范围内。

2 超温现象原因分析

主汽温度是机炉安全经济运行所必须监视与调整的主要参数之一，过热器金属壁温和主汽温度有同样的特性，影响温度变化的原因也相同，具有影响因素多、响应过程复杂多变、调节过程惯性大的特点。

1）锅炉与燃料特性的影响：过热器受热面的传热方式为对流换热，且再热器和过热器受热特性基本相同，因此影响对流换热的因素也就是影响主再汽温变化的因素。燃煤中水分高，燃烧生成的烟气量大，会使对流换热加强，从而使主、再热汽温升高；燃煤中灰分大及发热量低，为使燃烧完全所需空气量增大及使燃料着火推迟火焰中心抬高也会使汽温升高。

2）燃料性质与火焰中心位置的影响：煤粉细度大、煤粉粗及一次风量大均会使燃烧过程推迟，火焰中心抬高，造成汽温升高；投运上层燃烧器，会使火焰中心抬高，使汽温升高；反之，投运下层燃烧器会使汽温下降；下层燃烧器风煤量大会使汽温下降，上层燃烧器风煤量大会使汽温升高；炉膛负压大，也会使火焰中心抬高并使烟气流速加快，换热增强，导致汽温升高；炉膛负压小则相反[2]。

3）锅炉风量的影响：锅炉风量大，即氧量大，对汽温影响比较明显，对流换热增强，容易造成汽温升高；锅炉风量减小则相反。

4）给水的影响：燃料燃烧的总能量用于加热给水以及提供锅炉的蓄热，若给水量变化或给水温度变化，则会相应改变汽温，燃料溢出的能量就会使得过热器超温。如高加解列使给水温度下降，造成锅炉蒸发量下降，而使主汽温升高，为了维持蒸发量而加煤，会使主汽温进一步升高。

5）减温水量的影响：减温水量大，则汽温下降；减温水量小，则汽温升高。

3 温度控制优化方法

根据以上原因分析，在控制逻辑上进行以下改进：

1）锅炉主控优化：最严重的超温是在负荷升降最剧烈时发生的，由于锅炉惯性较大，依据锅炉能量供需关系调整给煤过于迟缓，所以在锅炉主控增加了变负荷前馈并限制了负荷上升中段的锅炉主控升速率，如图1所示。

图1 锅炉主控优化

2）风量优化：重新优化了送风函数，调整了氧量系数，保证风量充足，煤粉充分燃烧，防止火焰中心升高造成温度过高；在升降负荷段设置不同的一次风延迟时间，保证升负荷给风优先于给煤，降负荷给风滞后于给煤，同样是为了防止火焰中心过高，如图2所示。

图2 一次风优化

3）减温水调阀控制优化：以一级减温水为例，减温水阀门原控制方案为串级控制，主调为一级减温水出口壁温，副调为减温水流量，控制阀门开度。首先修改了副调PID系数，改善了阀门动作频繁的问题，另外增加了两个前馈，一个是金属温度变化率前馈，一个是高加出口温度与汽包温差前馈。

另外，对减温水阀门行程进行了线性整定，通过历史数据计算指令——流量函数，将空行程消除，也有效避免了阀门频繁动作，如图3所示。

4 结论

如图4所示，截取了控制方案修改前后18 h汽温变化、阀门动作情况与负荷波动情况的历史趋势图，可见改进后在相同程度的负荷变化下，汽温超温有了明显的改善，阀门动作也比之前更为平稳。

表1计算了评价壁温控制的几个具体指标，可见改进后最高超温温度、超温次数都明显减少；超温后恢复速度加快，控制效果明显；温度变化的方差减少，说明阀门动作更加平稳；减温水流量减少，说明运行经济性提高。

表1 优化前后控制指标对比

改进后在保证主汽温、再热汽温控制品质的基础上，有效降低了过热器金属壁温超温幅度，减少了超温频次，缓解了减温水阀门动作频繁问题，保证了机组运行的经济性及安全性。