汽温调节的原理和主要方法

7.2.3　汽温调节的原理和主要方法

既然影响汽温变化的因素可分为烟气侧和蒸汽侧，我们也可分别考虑从烟气侧和蒸汽侧对汽温进行调节。不论从哪侧来对汽温进行调节都要求调节方法：①调节惯性或延迟时间要小，即灵敏度高；②调节范围要大；③结构简单可靠；④对循环效率的影响要小；⑤附加的金属和设备的消耗要少；⑥尽可能起到保护金属的作用。

1.烟气侧汽温调节

从烟气侧对汽温进行调节的原理是：从烟气侧改变过热器或再热器的传热特性，影响蒸汽的焓增，改变汽温。

实现的途径有：改变通过过热器的烟气流量，即试图改变传热系数K；改变烟温，即试图改变温压Δt。

这种调节方法的特点主要有：蒸汽温度可以升高，也可以降低；不需要增加额外的受热面积；调节精度低，一般只能进行粗调节。

烟气侧汽温调节主要方法：

（1）烟气再循环

锅炉尾部烟道中的一部分低温烟气（250～350℃）通过再循环风机送入炉膛，改变锅炉的辐射和对流受热面的吸热量比例，从而调节蒸汽的温度。

显然，汽温调节能力与烟气再循环量，送入炉膛的位置，以及抽烟点的位置有关。烟气再循环对锅炉热力特性的影响见图7.23。

从炉膛底部送入时，炉膛温度水平下降，炉膛辐射吸热量减小，结果是炉膛出口烟温几乎不变，由于烟气流量增加，导致流速增大，烟气侧的放热系数增加，对流传热量增加，汽温升高。此外，由于降低了炉膛温度水平，炉内氧浓度降低，抑制NO_x的生成量，减少污染。由于热负荷的降低，可防止水冷壁管内传热恶化。

从炉膛上部烟窗附近送入时，炉膛辐射吸热量改变很小，但使炉膛出口烟温显著降低，靠近烟窗的高温过热器的传热量温压减小，传热量降低。在烟气行程后部的受热面，烟气量增加而引起的强化传热作用大于温压减少的影响，使得吸热量增加。总的来说，此时对汽温调节作用不大。但是，这样做会降低和均匀炉膛出口烟温，防止对流过热器结渣及减少其热偏差，保护屏式及其它高温过热器。

图7.23　烟气再循环对锅炉热力特性的影响

（a）再循环烟气从炉膛下部送入；（b）再循环烟气从炉膛上部送入

1—炉膛；2—高温过热器；3—高温再热器；4—低温过热器；5—省煤器；6—去空气预热器；7—炉膛出口烟温

图7.24　烟气挡板调节再热汽温原理

1—过热器；2—烟道隔墙；3—再热器；4—省煤器；5—烟气挡板

同时设计炉膛上部和下部两组入口，当负荷低时从炉膛下部送入，起调温作用，负荷高时从上部送入，起保护受热面的作用。

总的说来，采用烟气再循环时，再循环风机工作条件比较恶劣，使锅炉排烟热损失增加，锅炉效率略有下降。烟气再循环多用于燃油锅炉的再热汽温调节。

（2）采用烟气档板

把尾部烟道分成两部分，利用档板开度的大小来改变流过烟道中烟气流量，从而改变过热器的吸热量。烟气挡板主要用来调节再热汽温，其设备简单，操作方便。缺点是档板开度与汽温变化不成线性关系；有效开度范围窄，一般小于40%；不能在高温区工作，烟温不高于400℃。

如图7.24所示，把尾部烟道分隔成两个并联的烟道，在主烟道中布置再热器，旁通烟道中布置低温过热器或省煤器，也可以不布置受热面。额定负荷时两个烟道的烟气流量保持一定比例（例如69∶31），锅炉负荷降低时，关小旁路烟道的烟气挡板，保持主烟道内烟气的流量，可以保持再热汽温不变。

也可在主烟道及旁通烟道中同时装设调节档板。当再热汽温降低时，开大低温再热器侧的烟气挡板，使通过烟气流量增加，从而提高再热汽温。而同时关小低温过热器侧的烟气挡板，使通过低温过热器的烟气流量减少，过热汽温下降。此时，过热汽温变化则通过喷水减温器的喷水量调节来维持过热汽温。

图7.25　挡板调节时烟气流量随锅炉负荷的变化

大容量锅炉多在竖井烟道中，采用低温再热器与低温过热器并列布置的方式，即在主烟道布置低温再热器，在旁路烟道布置低温过热器。低温再热器受热面积占整个再热器受热面积的3/4左右，其蒸汽焓增占整个再热蒸汽焓增的50%～60%。确保在挡板调节时有较大的调温幅度。

图7.25表示出负荷变化时由于挡板的调节使流经两个烟道的烟气量发生变化的情况。图7.26表示过热蒸汽温度和再热蒸汽温度的变化情况。

图7.26　挡板调节时汽温随负荷的变化

（a）过热汽温；（b）再热汽温

A—挡板全开时汽温特性；B—挡板调节后汽温特性

烟气调节挡板设置在主、旁烟道的省煤器下方。这样布置的好处是：由于该处烟气温度稍低，挡板不易过热，变形量小，可保证挡板工作的安全；在省煤器出口的烟道截面可以收缩，使挡板的长度可相应缩短，重量减轻，刚性增强，并使驱动力矩可相应减小。

主烟道和旁路烟道的挡板采用反向联动调节方式，两角度之和保持为90°，在锅炉负荷变化范围之内，主烟道的理论调节角度为40°～60°。因为在这样调节范围内是挡板调节的灵敏区，即挡板改变单位角度后引起的烟气变化量较大，使传热量和汽温变化值亦较大，调节灵敏度高。另外，在这样角度调节范围内，挡板的局部阻力系数较小，因而可降低引风机的电耗。

采用烟气挡板调节方法可能存在的问题。因挡板受热发生不规则变形，或转动及传动机构发生卡涩而不能正常动作，从而无法进行调节；由于理论设计计算与实际调节结构有较大出入，使调节超出可能范围。也就是说，在挡板的可调范围内，难以达到正常汽温值。有时，为了使汽温尽可能接近规定值，往往造成主烟道（或旁路烟道）中的烟速不是过高，就是过低，从而使受热面的管子磨损加剧，或发生严重积灰，影响锅炉的运行安全和经济性。

（3）改变火焰中心位置

最常用的改变火焰中心位置的方法是采用摆动式燃烧器。摆动式燃烧器多用于燃烧器四角布置锅炉。上下摆动燃烧器，使煤粉火炬上下倾斜，改变火焰中心的位置，从而改变炉膛出口烟气温度，调节过热或再热汽温。在用摆动燃烧器调节再热汽温时，由于它同时作用于再热器和过热器，即调节时再热汽温和过热汽温是同向变化。这对在炉膛上部和炉膛出口附近布置有较多受热面的过热器或再热器的汽温调节特别有利，具有较大的灵敏度。一般燃烧器摆动可达±20°～30°，炉膛出口烟温变化约110～140℃，调温幅度可达40～60℃。运行中当燃烧器摆动角度较大时，应注意有可能造成炉膛出口或冷灰斗处结渣。

对于前墙布置多层燃烧器，可通过投运不同层次燃烧器的方法改变火焰中心位置来达到调节汽温的目的。改变火焰中心位置的调温方法调节灵敏，惯性很小，但不精细，常用喷水减温等其它调温方法配合使用。

用摆动式燃烧器进行汽温调节时，理想的调节特性使燃烧器摆角变化对再热汽温和过热汽温的调节幅度能与再热器和过热器的汽温特性所具有的汽温变化率之间达到“匹配”。这样，在锅炉出力改变时，两者能实现“同步”的调节，从而可不用或只用少量减温水对汽温进行校正的细调节。

由于用摆动式燃烧器调温具有调温幅度大、时滞小，对于过热器和再热器采用高温布置情况下，受热面积少及锅炉钢耗较低等优点，使它成为现代大型锅炉，特别是四角切圆燃烧的锅炉进行再热汽温调节的主要方法。多次试验结果表明，每改变喷嘴摆角±1℃，大体上可改变再热器出口汽温2℃^［10］。对于燃用灰熔点较低的燃料，考虑到结渣、腐蚀的危险，上摆角度不能太大。

2.蒸汽侧汽温调节

蒸汽侧调节的原理是利用减温器来降低过热蒸汽的焓，使汽温降低到需要的温度。这种调节方法的特点是：①调节精度高；②若布置合理，能起到保护过热器金属的作用，能使各蛇形管中的蒸汽温度均匀；③只能降低温度，为此就必须在设计时多布置合适量的受热面。这样会使过热器的钢材消耗量加大，还要额外消耗减温所需的材料。目前，中参数锅炉（如2.5，3.9MPa）的汽温调节可仅采用蒸汽侧调节，更高参数的锅炉多采用烟气侧和蒸汽侧联合调节的方法。前者为粗调节，后者为细调节。

由此可见，减温器实质上就是一种换热器。布置减温器时主要应考虑到灵敏性和保护金属的作用两方面。显然有三种布置位置。如果减温器布置过前，例如布置在所有各级过热器之前，虽然能使第一级过热器都处于较低温度的工作状态，过热器的金属材料都处于较低温度的工作状态，过热器的金属材料都能得到保护。但是，由于过热器系统金属蓄热量大，会使得过热器出口蒸汽温度的调节延迟太大，调节不灵敏。如果减温布置过后，例如布置在过热器蒸汽出口，虽然能使蒸汽温度的调节很灵敏，但过热器的金属却得不到保护。因此，巧妙地在第一级和最后一级过热器之间布置一级，乃至几级（二或三级）减温器，可以获得既灵敏又能保护材料的效果。

减温器可分为面式减温器和喷水减温器两种。

（1）面式减温器

面式减温器是一种管壳式热交换器，它利用锅炉给水或炉水作为冷却介质，通过与过热蒸汽的对流换热来冷却蒸汽。它的优点是冷却介质不与蒸汽接触，对冷却介质没有特殊要求，故常用于中小型锅炉。但一般说来，对于一定的减温器，减温幅度随水量的增加而增大，但并不呈现线性关系，而冷却水出口温度随冷却水量的增加而下降。这是因为，水的热容量大于蒸汽的热容量所致。因此，对于一定的面式减温器，减温幅度有一饱和值，即冷却水量增加到一定值后，即使再增加流量，减温幅度也不再变化。若要继续增加减温幅度，只能更换容量更大的减温器。

面式减温在给水系统中的布置有两种形式。

①与省煤器并联。此时，因为通过减温器的给水流量随蒸汽温度的波动变化，因此会引起通过省煤器的水流量随之波动。如果需要的减温幅度较大，则通过减温器的水量很大，这时通过省煤器的的水量就会很小，影响到省煤器工作的可靠性。

②与省煤器串联。串联布置的缺点是引起进入省煤器的给水温度升高，增加排烟温度。如果要降低排烟温度，就必须增加受热面。

面式减温器主要有U型管表面式减温器、套管式表面式减温器和螺旋管表面式减温器等，分别见图7.27～图7.29。

图7.27　U形管减温器

1—冷却水进口小集箱；2—冷却水出口小集箱；3—法兰；4—减温器壳体；5—蒸汽引入管；6—U形管；7—隔板；8—蒸汽引出管

图7.28　套管减温器

1—冷却水进口小集箱；2—内套管；3—外套管；4—冷却水出口小集箱；5—减温器外壳

图7.29　螺旋管减温器

1—蒸汽引入管；2—冷却水出口小集箱；3—蒸汽引出管；4—冷却水进口小集箱；5—螺旋管汽－汽热交换器也是用于再热汽温的调节，利用高压过热蒸汽来加热再热蒸汽达到调节再热汽温的目的。有管式（分散式）和筒式（集中式）两种结构，如图7.30所示。

图7.30　汽－汽热交换器

（a）管式；（b）筒式

（2）喷水减温器

喷水减温器是一种接触式换热器。喷水减温器中，减温水直接喷入过热蒸汽中，经喷咀雾化后的减温水滴从蒸汽中吸收热量后汽化并与蒸汽混合，从而降低过热蒸汽的温度。

这种减温器具有如下特点：减温水与蒸汽直接接触，因而对减温水的水质要求较高；惯性小，调节灵敏，易于实现自动化；减温幅度与喷水量成正比，减温幅度大，可达100℃；压力损失小；结构简单，省材料，一般在过热器的中间集箱或蒸汽管道间喷入减温水，无复杂设备；减温前的蒸汽温度不能过于接近饱和温度，至少要求高出20℃，否则喷入的水不能及时得到汽化；给水减温时，喷水量越大，意味着流经过热器的蒸汽流量越小，温度越高。这个问题在直流锅炉中更需要注意。

直流锅炉中的喷水减温只是一个暂时措施，要保持稳定汽温的关键是要保持固定的燃水比，其原因是，如果过热区段有喷水量d，那么直流炉进口水量为（G－d）。如果由于燃料量B增加、热负荷增加，而给水量G未变，这样过热汽温就要升高，喷水量d必然要增加，使进口水量（G－d）的数值减少，这样变化又会使过热汽温上升。因此喷水量变化只是维持过热汽温的暂时的稳定（或暂时维持过热汽温为额定值），但最终使其过热汽温稳定，主要还是通过燃水比的调节来实现的。而中间点的状态一般要求在各种工况下为微过热蒸汽。

喷水减温器布置的位置非常灵活，并常采用多级布置，实现调节灵敏和保护金属的作用。目前，电站锅炉多采用1～3级的喷水减温方案，其中，两级喷水减温得到广泛应用。

按减温水的来源，喷水减温器可分为：

①给水喷水减温器。减温水在给水泵出口抽取，依靠给水本身具有的压力喷入蒸汽。

②冷凝水喷水减温器。在给水品质较差的电厂中，将一部分冷凝水单独收集，并专用减温水泵将冷凝水喷入蒸汽。

③自制冷凝水喷水减温器。将部分饱和蒸汽在专用冷凝器中冷凝作为减温水，并利用减温水和过热蒸汽之间的压差将其喷入蒸汽。见图7.31。

图7.31　自制冷凝水喷水减温系统

1—锅筒；2—第一级过热器；3—喷水减温器；4—第二级过热器；5—第二级省煤器；6—第一级省煤器；7—喷水调节阀；8—水封；9—溢水管；10—饱和蒸汽；11—贮水器；12—冷凝器

根据喷水的方式，可将喷水减温器分为喷头式、文丘利管式、旋涡式、笛形管式四种。

a.喷头式喷水减温器以过热器连接管或过热器集箱为外壳，插入喷管或喷嘴，减温水从数个直径为3mm的小孔喷出。为了避免水直接喷在管壁上而引起热应力，装有3～5m长的保护套管（或称为混合管）。该种减温器由于喷孔数有限、阻力较大，一般用于中、小容量的锅炉上。

大容量锅炉上广泛应用的是笛形管、文丘利管式、旋涡式喷水减温器，分别见图7.32～图7.34。

b.笛形管喷水减温器又称多孔喷管式喷水减温器，它由多孔笛形喷管和内衬混合管组成。笛形喷孔直径为5～7mm，喷水速度3～5m/s，喷水方向与汽流方向一致。该种喷水减温器比喷头式的喷孔阻力要小。为了防止悬臂振动，喷管采用上下两端固定，稳定性好，虽然水滴雾化质量较差，但适当加长混合管的长度足以使水滴充分混合、加热和过热。

图7.32　笛形管式喷水减温器

1—喷水减温器外壳；2—喷管；3—保护套管

c.文丘利式喷水减温器又称水室式喷水减温器，它由文丘利喷管、水室和混合管组成。在文丘利管的喉部，布置有多排直径为3mm小孔，水经水室从小孔喷入蒸汽流中。孔中水速约1～2 m/s，喉部蒸汽流速达70～100m/s，使水和蒸汽激烈混合而雾化。该种喷水减温器由于蒸汽流动阻力小、水的雾化效果良好，在我国得到广泛应用。

d.旋涡式喷水减温器。旋涡式喷水减温器由旋涡式喷嘴、文丘利管和混合管组成。减温水经喷嘴强烈旋转，雾化成很细的水滴，在很短距离就汽化。该种喷水减温器由于减温幅度大，适用于减温水量的变化大的场合。

图7.33　文式管式喷水减温器

图7.34　旋涡式喷水减温器

1—混合管；2—文氏管；3—旋涡式喷嘴

设计喷水减温器时关键在于确定内衬管的长度，因为喷水减温器一般借用中间集箱或管道。内衬管的作用有：①使得喷入的冷却水在内衬管的长度范围内完全汽化，防止水滴撞击管壁，造成局部应力过大，导致疲劳破坏；②防止水滴进入下级过热器，造成热偏差。

图7.35　蒸汽旁通法调节再热汽温

混合内衬管的长度应根据水的汽化长度来确定。减温水的汽化长度是指喷水点到喷入的减温水完全汽化所需的距离。影响汽化长度的因素主要有：雾化质量、蒸汽温度、减温水的温度等。目前完全依靠理论分析来求解汽化长度尚有困难，只能依靠经验公式，先确定汽化时间，然后再确定汽化长度。

（3）蒸汽旁通法

蒸汽旁通法用于再热汽温的调节。将再热器分成两级：第一级作为调节级，放在低烟温区；第二级放在高烟温区，中间另置其它受热面，如图7.35所示。它是通过改变第一级中再热蒸汽的流量，使其传热温压变化来改变其吸热量，达到调节再热汽温的目的。设计时预先在额定负荷下考虑一定的旁通蒸汽量，当负荷降低时，则减少旁通量来使再热汽温升高，保持额定值。这种调节方法的优点是结构简单，惯性小，对过热汽温没有影响。缺点是再热器金属消耗量增加，初期投资大。

3.调温系统举例

图7.36示出了DG1900/25.4－Ⅱ1型锅炉（该型锅炉本体布置见图2.11）的汽水系统及调温措施。

锅炉汽水系统包括省煤器、启动系统、水冷壁系统、顶棚过热器、包墙过热器、低温过热器、屏式过热器、高温过热器及连接管、低温再热器、高温再热器及连接管。

自给水管路出来的水由炉前右侧进入位于尾部竖井后烟道下部的省煤器入口集箱。水流经省煤器受热面吸热后，由省煤器出口集箱右端引出经下水连接管进入螺旋水冷壁入口集箱，经螺旋水冷壁管，螺旋水冷壁出口集箱，混合集箱，垂直水冷壁入口集箱，垂直水冷壁管，垂直水冷壁出口集箱后进入水冷壁出口混合集箱汇集后，经引入管引入汽水分离器进行汽水分离。循环运行时从分离器分离出来的水进入储水罐后排往冷凝器，蒸汽则依次经顶棚管，后竖井水平烟道包墙，低温过热器，屏式过热器和高温过热器，进入直流运行时全部工质均通过汽水分离器进入顶棚管。

汽机高压缸排汽进入位于后竖井前烟道的低温再热器和水平烟道内的高温再热器后，从再热器出口集箱引出至汽机中压缸。

过热汽温采用了水煤比调节和两级喷水减温控制方式，第一级减温器位于低温过热器出口集箱与屏式过热器进口集箱的连接管上，第二级减温器位于屏式过热器与末级过热器进口集箱的连接管上。每一级各有两只减温器，分左右两侧分别喷入。第一级减温器用于粗调，并对屏式过热器起保护作用；第二级减温器用于微调过热器温度，使过热蒸汽出口温度维持在额定值。过热蒸汽管道在屏式过热器与高温过热器之间进行一次左右交叉，以减小两侧汽温偏差。

再热蒸汽温度通过布置在低温再热器和省煤器后的平行烟气挡板来调节。再热汽事故喷水减温器布置在低温再热器至高温再热器间连接管道上，分左右两侧喷入。再热器喷水仅用于紧急事故工况、扰动工况或其它非稳定工况。正常情况下通过烟气调节挡板来调节再热器汽温。另外在低负荷时还可以适当增大炉膛进风量，作为再热蒸汽温度调节的辅助手段。

图7.36　DG1900/25.4－Ⅱ1型锅炉的汽水系统及调温措施