电站锅炉的运行与调节

19.2.2　电站锅炉的运行与调节

根据前面各章所学知识，锅炉的蒸发量取决于燃烧放热量和受热面的换热能力，作为出口蒸汽参数之一的压力决定于锅炉蒸发量与汽轮机蒸汽需求量间的平衡；锅炉出口汽温取决于过热器、再热器受热面的换热量与流经蒸汽吸热量间的平衡；蒸汽品质则取决于锅水含盐量，而锅水含盐量则取决于给水品质和排污量；锅炉的受热面都是承压的，也都工作在接近于与材质相应的许用温度下，必须有足够的汽水流量，才能维持金属不至超温。锅炉的运行特性，或者说满足汽轮发电机要求的能力，以及锅炉运行可靠性、安全性和经济性，在相当程度上取决于锅炉的设计制造，也在一定程度上取决于运行调节。

投入运行后的锅炉机组会受到各种因素的干扰影响。为了提供负荷稳定的、质量合格的蒸汽，锅炉运行人员必须随时根据机组的实际运行情况进行参数调整。蒸汽的质量是以其品质（含杂质量小于要求值）和参数（压力和温度）来衡量的。对于定压运行的锅炉，通常都要求供应一定参数的蒸汽；但当采用变压运行方式时，则要求蒸汽压力随机组负荷而改变。显然，不同的运行方式所需要的调节方法也是不同的。

锅炉运行参数调整的任务主要是：使蒸发量与外界负荷相匹配；均匀地进水，使锅筒（汽包）水位符合规定要求；维持正常的汽温和汽压；保证合格的炉水和蒸汽品质；提高锅炉机组的热效率；确保锅炉机组在安全、经济状况下运行。

为了实现上述调整目标，锅炉运行人员必须实时了解锅炉的运行特性、掌握锅炉的动态特性。只有根据其动态特性进行参数调节，方可避免误操作，提高运行水平。中、小型机组可以部分或全部由人工调节。此时，运行人员必须时刻监视仪表的指示值和检查、巡视设备的运行情况，并根据机组的运行特性进行全面的分析，做出正确的判断和及时的调整。现代大型机组采用集散控制系统，以执行监视、检查和调节的任务，其自动控制装置也必须适应机组的运行特性和要求。因此，不论人工调节或自动调节，都必须以正确了解机组的运行特性为基础，运行特性包括静态特性和动态特性两个方面。当机组运行中发生某些扰动时，哪些方面将受到影响，哪些参数发生变化，以及其变化的方向和最终的变化幅度如何，这类问题都由机组的静态特性所决定。至于在变化的过渡过程中参数的变化速度和波动幅度，亦即参数变量与时间的关系，则属于动态特性研究的问题。所谓动态特性是指热工对象（如锅炉、汽轮机）从一个平衡状态到另一个平衡状态的过渡特性。对锅炉来说，是指受到内、外扰动时，汽水通道内各参数（汽温、汽压、流量）随时间变化的规律。内扰（内部扰动）指锅炉本身受燃料量、送风量、给水量、烟气再循环挡板开度等因素的扰动。外扰（外部扰动）指外界功率、负荷的扰动。锅炉动态特性内容可见参考文献［10］。

锅炉的动态特性及调节稳定性还与锅炉的蓄热能力有关。锅炉降压时附加蒸发蒸汽的能力称为蓄热能力。由于自然循环锅炉与直流锅炉的工作原理及蓄热能力的差异使两者的运行控制也各具特点。自然循环锅炉的蓄热能力大，当受到外界突然扰动（在允许降压速度范围内）时，自行保持负荷及参数的能力就大；并且由于蓄热的放出或储存速度慢，有较充裕的时间进行参数调节，锅炉原有的稳定工况易于维持。但也因蓄热量大，蓄、放速度慢，当锅炉主动变负荷时，负荷及参数的反应较为迟钝，不能迅速跟上工况变动的要求。直流锅炉则与之相反，由于蓄热能力小，在受被动扰动时，自行保持负荷及参数的能力就差，对扰动比较敏感，故对自动调节系统的要求高。但当主动变负荷时，虽然直流锅炉每降1MPa所放出的附加蒸发量少，但释放的速度快，允许的降压速度也大，因而蒸汽参数能迅速跟上变工况的要求，适应尖峰负荷，这是直流锅炉的优越性之一。

锅炉的运行必须保证用户（汽轮机、热用户等）所需要的蒸发量以及过热蒸汽压力（或高温热水的压力）和温度的稳定。对自然循环锅炉，锅筒是一重要部件，其水位则是运行控制的又一重要参数。能否调整好这些参数取决于送入锅炉的给水量和燃料量能否与送出蒸汽相平衡。因此，可以说，对于被调整的过热蒸汽压力、温度、蒸发量、水位等运行参数，都可通过燃烧调节（压力调节、汽温调节、负荷调节等）和给水调节（水位调节）来实现。

1.燃烧调节

过热蒸汽压力是锅炉安全经济运行的重要指标之一，反映锅炉出力（蒸发量）与用汽量（汽轮机负荷）是否相适应。用汽量增加而供应的燃料量不变时，汽压下降；反之，则汽压上升。对汽压的调节也就是对蒸发量的调节，而蒸发量的大小取决于锅炉运行人员对燃烧的调整，当然，受热面上有积灰或结渣也会影响热交换而直接影响蒸发量，因此运行中还应保持清洁的受热面。

燃烧调节的主要任务是：

（1）调节燃料量，使燃烧放出的热量与外界负荷相适应，维持一定的过热蒸汽压力（燃料量的调节因此常称为压力调节），保持燃烧的稳定性，提高燃烧经济性，并防止烟气侧锅炉受热面的腐蚀和污染。

（2）调节送风量，使空气量适应燃烧要求，炉膛出口过量空气系数保持在最佳值。

（3）调节引风量，使燃烧生成的烟气及时排走，维持一定的炉膛负压（对负压燃烧锅炉而言）。

这三项任务是紧密耦合的，合理改变三个调节量（燃料量、送风量和引风量），就相应地维持了三个被调量（汽压、过量空气系数和炉膛负压），因此，锅炉燃烧自动调节系统是由燃料量调节回路、送风量调节回路和炉膛负压调节回路组成的，燃料量调节回路使锅炉跟踪外界负荷，送风量调节回路维持最高的锅炉热效率，炉膛负压调节回路保持负压稳定。当锅炉的负荷变化时，这三个调节系统协调动作，使燃料量、送风量和引风量协调地改变，既适应负荷变化的需要，又维持汽压、过量空气系数和炉膛负压为一定值。

图19.12　燃烧自动调节系统的组合示意图^［2］

图19.12为燃烧过程自动调节系统的组成示意图。每个调节器改变一个调节量，分别为燃料量、送风量和引风量，以主蒸汽压力（或负荷）、过量空气系数（或烟气含氧量）、炉膛负压作为被调量。三个调节器可组成不同形式的调节系统，系统中调节器的组合方式与锅炉的运行方式、燃料种类、煤粉制备系统、燃烧方式等因素密切相关。

调节过程中，当汽压下降时应强化燃烧，先加大引风，再加大送风，后加大燃料（以避免炉膛正压）；当汽压升高时，应减弱燃烧，先减燃料，再减送风，后减引风，并要平稳，切忌大起大落。特别是低负荷运行时更要谨慎，以免发生灭火爆炸事故。燃料的调节一般是调节给粉机（给粉量），或者调整炉排（有小型链条锅炉）转速。

配直吹式制粉系统的锅炉，负荷变化不大时，通过调整运行制粉系统的出力来满足负荷的要求。负荷变化较大时，需通过启停制粉系统的方式满足负荷要求。配中间储仓式制粉系统的锅炉，负荷变化不大时，通过调整给粉机转速，负荷变化较大时，通过投停给粉机来满足负荷变化对燃料量的需求。燃烧器结构不同，其配风方式和调节的方法会有所不同。一般的燃烧器有一、二、三次风（乏气送粉、直吹式和开式制粉系统无三次风）。有些燃烧器还有周界风、夹心风、顶部燃尽风和分级二次风等，这些均属二次风。有些锅炉（如U型、W型火焰锅炉），还在特定位置设置三次风。对一次风的调节，蜗壳式旋流燃烧器用入口舌形挡板调节其旋流强度；轴向可动叶轮式燃烧器用改变叶轮的轴向位置来改变旋流强度；切向可调叶片燃烧器可以改变切向叶片的倾角来实现旋流强度的调节。对二次风以及直流式燃烧器的一、二次风，只能以风门挡板改变其风量和风速，等等。具体的调节方法取决于锅炉所配燃烧器的结构及制粉系统，一般锅炉运行前都制定了详细的操作规程。

燃烧调节通常规定过热蒸汽的工作压力与额定值的偏差不得超过±（0.05～0.1）MPa。当压力上升进而超过允许值时，则过热器的安全阀动作；如果压力继续上升，则锅筒的安全阀动作。

值得指出的是，对于大型电站锅炉，炉膛安全保护系统（FSSS）、炉膛运行监视系统等，也已经成为锅炉燃烧控制系统的重要组成部分。

2.蒸汽温度调节

过热蒸汽的温度是锅炉安全经济运行的又一个重要指标。通常规定其允许偏差为±5℃（也有要求＋5℃和－10℃的），这是因为汽温的波动对锅炉和汽轮机的安全与经济运行有很大影响。蒸汽温度调节包括过热蒸汽温度调节和再热蒸汽温度调节。影响汽温变化的因素及其影响趋势以及具体的调节方法详见第7章。过热蒸汽温度自动调节的任务就是维持过热器出口汽温在允许范围内，采用以减温水量为调节量，以过热汽温作为被调量的调节方式。

由于蒸汽温度的动态特点是时滞较大，因此，要想把蒸汽温度控制在额定值的±5℃范围内，一般除了用被调汽温作为主调节信号之外，还必须用减温后的蒸汽温度或蒸汽温度的变化率及时反映调节的效果（即反馈信号）。为了进一步提高调节质量，有的调节系统中还加入能提前反映汽温变化的信号，如锅炉负荷、汽轮机功率等。

图19.13　过热汽温串级调节系统原理图^［3］

电站锅炉应用最广的是过热蒸汽串级调节系统，如图19.13所示。它以喷水减温器后的汽温作为辅助调节信号（导前汽温信号）。在减温水量扰动下，导前汽温θ_a比主汽温θ₀提前反映。只要θ_a发生变化，副调节器就去改变减温水量，使后段过热器的入口汽温θ_a维持在一定范围内，起粗调作用。而过热器出口汽温θ₀则通过主调节器起校正作用。调节结束后，导前汽温θ_a可能稳定在与原来不同的数值上，而主汽温θ₀则等于给定值。

在串级汽温调节系统中，由于主调节器和主回路的任务是对主汽温起细调作用，维持主汽温θ₀恒定，因而选用具有积分作用的调节器PI或PID。副调节器和副回路的任务是快速消除扰动对主汽温起粗调作用，一般可选用比例调节器（P）或比例微分调节器（PD），也可选用比例积分调节器（PI）。

再热蒸汽温度一般采用烟气侧调节作为主要调节手段，喷水减温只在汽温超过限值时参加调节或作为保护手段。再热汽温自动调节系统通常取再热汽温偏差作为输入信号，引入锅炉送风系统的空气流量或蒸汽流量作为再热汽温调节的导前信号^［3］。

3.水位的调节

上一节已对水位调节的重要性进行了介绍。锅筒在自然循环锅炉中起着封闭循环、贮存汽水、汽水分离、蒸汽净化等重要作用。维持锅筒内的正常水位是保证锅炉安全运行的最重要的条件。水位过高会造成汽带水，使蒸汽质量恶化，过低破坏水循环，甚至出现严重缺水，锅炉运行人员必须严密监视水位。

锅筒的正常水位一般在锅筒中心线至其以下100mm范围内。运行中允许波动在±50mm以内。随着锅炉容量的增大，锅筒容积相对减小，因而存水的容许变动量也小。如果给水中断，可能不到10～30s就会出现危险水位；如果给水量与蒸发量不相适应，几分钟内就可能发生缺水或满水事故。因此，运行中必须严格监视和核对各个水位表的指示，及时防止水位表堵塞或泄漏，使水位在标准线附近作微小波动。

水位的变化反映了给水量与蒸发量之间的平衡关系。锅炉负荷、燃烧和给水压力的变化都会导致水位的变化，特别是锅炉负荷（供汽量）的突然变化，还会造成虚假水位的出现。当供汽量突然增大时，因压力下降，锅水体积立即膨胀，以致水位迅速上升，形成假水位，然后逐渐恢复真实水位；如突然停止供汽，由于压力上升，锅水收缩又会导致水位迅速下降，这也是假水位，然后再逐渐回升至真实水位。突然的加大或停止供汽都会有明显的虚假水位出现，即开汽阀水位先升后降，关汽阀则水位先降后升，因此开关主汽阀都应缓慢进行。

所谓水位调节就是调节进入锅炉的给水量，以适应锅炉负荷的需要，保证锅炉水位在允许的范围内波动。

锅筒水位调节系统的被控对象是锅筒，被调量是水位，调节量是给水流量。实现水位自动调节的原则性系统主要有单冲量给水调节系统、双冲量、三冲量给水调节系统和全程给水控制系统等。这里的冲量一词指的是变量。

单冲量给水自动调节系统中的单冲量即指锅筒水位H，是最简单的单回路定值给水自动调节系统。双冲量给水自动调节系统中，给水调节器接受锅筒水位H和蒸汽流量D两个信号。单冲量调节系统容易由于在产生“虚假水位”的情况下引起给水调节机构误动作，双冲量调节系统存在不能妥善考虑给水管路的自发性内扰动影响等问题，因此都已经很少被采用。

电站锅炉的给水调节系统常采用由锅筒水位H、蒸汽流量D和给水流量W这三个信号构成的三冲量给水自动调节系统，较大地提高了水位控制的质量。蒸汽流量和给水流量信号起到粗调作用，缓解对水位的冲击。常用的有单级三冲量和串级三冲量两种结构形式，如图19.14所示。单级三冲量方案结构简单，只需要一台多通道调节器，整个系统可看作是三冲量的综合信号为被控变量的单回路控制系统，但这种控制方案的弊端是调节器参数难以整定。目前采用较多的是串级控制方案，该系统是在单级三冲量的基础上增加了一个调节器构成的，使主调节器的输入仅为水位偏差信号，主回路用于直接控制水位，维持稳态水位不变，而副回路起到一个快速调节输入输出流量平衡的作用。由于两个调节器分工明确，所以调节器参数整定简单，系统运行稳定。

图19.14　三冲量给水调节系统原理图^［3］

（a）单级三冲量给水自动调节系统；（b）串级三冲量给水自动调节系统

在机组不同负荷的运行阶段，调节对象的动态特性不同，故单一的控制系统结构、单一的调节器参数不能满足负荷大范围变动的实际工况，因此，上述的各种调节系统均只能适用于机组带基本负荷的工况，属于局部自动控制方式，在机组运行的其他阶段仍为运行人员的手动调节。随着单元机组容量的不断增加和运行参数的不断提高，在机组的启停过程中运行人员需要进行的操作越来越繁重，为了减轻运行人员的负担，保证机组的安全经济运行，十分有必要实现全程给水调节。

全程给水调节是指锅炉从启动到正常运行再到停炉冷却的全过程都实现锅筒水位的自动调节。如图19.15所示，全程给水调节一般需要设置两套调节系统。一套为单冲量系统，即系统只取水位信号，构成单回路调节系统，它用于锅炉低负荷条件下。因为在锅炉低负荷时，给水流量和蒸汽流量测量误差大，而且锅炉的排水、疏水等操作较多，蒸汽量和给水量已不能反映锅筒的物质平衡状况。另一套为三冲量调节系统，它用于锅炉高负荷条件下。两个系统的调节器分别整定，以适应不同负荷的需要。可见，全程给水调节实际上是分段调节，在机组运行的不同阶段需要不同的调节机构、不同的调节系统，根据负荷大小相互切换，因此，还需要保证在系统控制方式切换中对给水流量不产生扰动。

图19.15　全程给水调节系统原理图^［2］