二次再热机组再热汽温控制方案研究

概述

再热汽温是表征锅炉运行工况的重要参数之一。汽温过高，会使锅炉受热面及蒸汽管道金属的蠕变速度加快，影响锅炉使用寿命；汽温过低将会引起机组热效率降低，使汽耗率增大，还会使汽轮机末级叶片处蒸汽湿度偏大，造成汽轮机末级叶片侵蚀加剧。再热汽温对象具有大延迟、大惯性的特点，而且影响再热汽温变化的因素很多，如机组负荷变化、煤质变化、减温水量、受热面结焦、风煤配比、燃烧工况以及过剩空气系数等，汽温对象在各种扰动作用下反映出非线性、时变等特性，使其控制难度增大。随着电网规模不断增大以及大容量机组在电网中的比例不断增加，电网要求发电机组具有更高的负荷调整范围和调整速率，快速的负荷变化极易导致再热器超温，而大量使用喷水减温又会严重降低机组热效率。如何保证再热汽温自动调节系统正常投用，同时兼顾机组运行的安全性和经济性，是一个长期而复杂的课题。

随着近年来火力发电技术的不断发展，二次再热超超临界发电技术逐渐成熟，国内已有多台二次再热机组在建或即将开建。而二次再热机组锅炉增加了一级二次再热循环，锅炉的受热面布置更加复杂，锅炉汽温控制的复杂性和难度也相应增加，其中最主要的在于两级再热汽温的控制。因此，合理的再热汽温控制是二次再热机组安全性、经济性、可靠性的有力保证。

二次再热机组锅炉特点

二次再热机组锅炉相比一次再热增加了一级再热器，主要的蒸汽参数也有很大差异，下表是典型的二次再热π 型锅炉与常规的一次再热π型锅炉的主要参数对比。

表1 二次再热锅炉与常规一次再热锅炉的主要参数对比

从表1 可以看出，二次再热锅炉具有以下特征：

(1) 增加了一级二次再热循环，主汽流量减少，主汽与再热汽之间的吸热比例发生变化。

(2) 蒸汽温度调节对象由一次再热的主汽温度、再热汽温度变为主汽温度、一次再热汽温度、二次再热汽温度三个，调节方式和系统耦合将更加复杂。

(3) 再热汽温度和给水温度提高，空预器入口的烟温将会提高，导致排烟温度的控制难度增大。

二次再热机组锅炉通过合理调整过热器、再热器的受热面布置，配以合适的汽温调节方式尤其是合适的再热汽温调节方式，适应二次再热机组参数匹配要求。

再热汽温典型控制方案

二次再热机组再热器受热面采用了两级布置，出现了两个再热汽温控制点，调温方式和受热面吸热特性耦合难度增大，合理的锅炉受热面设计以及合适的调温方式成为关键。从国内在建或将建的二次再热超超临界火力发电机组来看，二次再热机组再热汽温控制方案大致分为以下三种：尾部三烟道平行烟气挡板调节为主、引射烟气再循环调节为备用的控制方案( 下称“方案一”) ；燃烧器摆动调整燃烧中心高度、挡板开度调节进入前后分隔烟道中的烟气份额共同调节再热汽温的控制方案( 下称“方案二”) ；烟气再循环进行粗调、双烟道出口烟气挡板调节改变烟气流量分配来细调的控制方案( 下称“方案三”)。

东方 锅炉厂π 型炉

东方 锅炉厂π 型炉采用此方案一。过热器、一次再热为三级布置，二次再热为两级布置。低温过热器布置在炉膛出口烟窗下游的中温烟道内，中、高温过热器均布置在炉膛的高温区；高低压再热器的高温受热面都布置在炉膛出口烟窗下游的中温烟道内，低温受热面布置在低温对流烟道内。尾部烟道通过包墙分隔成三个，分别布置一次低温再热器管组( 前烟道)、二次低温再热器管组( 中烟道) 和低温过热器( 后烟道)。全负荷范围内，再热汽温通过尾部三烟道平行烟气挡板进行调节，而煤质变化范围大时为了提高低负荷挡板调节性能采用烟气引射再循环进行备用调节，再热器事故工况下采用喷水减温装置进行再热汽温调节。该方案通过将锅炉尾部分隔成三个烟道，通过三烟道出口平行烟气挡板调节进行烟气流量分配来进行三个通道之间的热量分配，保证在一定负荷范围内达到额定蒸汽温度。同时利用低负荷时风机裕量来引射烟气进行再循环，作为低负荷调温备用手段，无需增加再循环风机，系统相对简单，减少了初始投资，避免了采用再循环风机因高含尘烟气带来的磨损问题，大大节省运行维护费用。本文所述工程拟采用该方案。

上海锅炉厂塔式炉

上海锅炉厂塔式炉采用此方案二。过热器采用两级布置，高低压再热器采用三级布置( 高温再热器分成冷段和热段两部分)，其中二级过热器和三级再热器交叉布置，部分再热器提前，高低压低温再热器分别并列布置在双烟道的前后烟道，吸收部分辐射热量。再热器的调温方式采用燃烧器摆动加烟气挡板调节的方式。燃烧器设计成能够上下摆动，通过燃烧器的摆动调节燃烧中心的高度，通过燃烧中心高度的调整改变炉膛出口烟温度，影响高温再热器的吸热量，从而调节再热汽温。由于一次高压再热器、二次高压再热器都设置了一部分吸收辐射热的受热面，火焰中心的变化对再热汽温的影响显著，可保证一、二次再热器在较大负荷范围内达到额定汽温。同时配合采用烟气挡板调温方式，通过挡板开度控制进入前后分隔烟道中的烟气份额，改变一、二次再热器间的吸热分配比例来达到调节一、二次再热器出口温度平衡的目的。另外，在再热器的管道上配置喷水减温防止超温情况的发生和有效控制左右侧的蒸汽温度偏差。采用该方案，由于系统也比较简单，初始投资较低。但也存在水冷壁材料选取难度增加、再热器高温氧化等问题。

哈尔滨锅炉厂塔式炉

哈尔滨锅炉厂塔式炉采用此方案三。过热器采用三级布置方式，高、低压再热器系统都布置有两级。高压末级再热器布置在末级过热器下游，高压低温再热器布置在双烟道的后部烟道内。低压末级再热器布置在高压末级再热器的下游，低压低温再热器布置在双烟道的前部烟道内。高低压再热器的两级之间都布置有事故喷水减温器。高低压再热器的调温以烟气再循环为主，即在不同负荷下采用不同的烟气再循环率，来调整烟气携带的热量，同时通过双烟道出口烟气挡板调节进行烟气流量分配来进行高低压再热器之间的热量分配，保证在一定负荷范围内达到额定蒸汽温度。其目的是减少再热的辐射吸热，增加其对流吸热。烟气再循环能够适当降低炉膛的烟温水平，能在一定范围内防止炉内结焦和降低NOx 排放，增强煤种适应性。但该方案系统相对较复杂，增加烟气再循环风机，厂用电增加，初始投资也增加。

某工程再热汽温控制方案

本工程的锅炉使用东方 锅炉厂提供的超超临界参数、直流、单炉膛、二次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、前后墙对冲燃烧方式的π型锅炉。锅炉出口蒸汽参数为32.55 MPa(a)/605℃ /623℃ /623℃。

图1 锅炉受热面总体布置图

其中，一次再热系统分三级布置：一次低温再热器、一次中温再热器、一次高温再热器。二次再热系统分两级布置：二次低温再热器、二次高温再热器。尾部烟道通过包墙分隔成三个，分别布置一次低温再热器管组( 前烟道)、二次低温再热器管组( 中烟道) 和低温过热器( 后烟道)。

一次再热和二次再热系统汽水流程见图2和图3。一次低温再热器至一次中温再热器之间连接管道上布置有事故喷水减温器；二次低温再热器至二次高温再热器间连接管道上布置有再热器事故喷水减温器，在锅炉异常或事故工况时可有效防止再热汽温越限。

图2 一次再热器系统汽水流程图

图3 二次再热器系统汽水流程图

再热汽温控制方案分析

再热汽温总体控制方案如下：全负荷范围再热汽温采用尾部三烟道平行烟气挡板调节；低负荷时采用烟气引射再循环作为备用调节手段，应对煤质变化范围大时提高低负荷挡板调节性能；锅炉异常或事故工况下采用喷水减温装置进行再热汽温调节。

一、尾部三烟道平行烟气挡板调节

锅炉尾部采用三个烟道并列布置，三个烟道内分别布置各级受热面的低温段和省煤器。受热面布置的位置和数量根据吸热比例来确定，本方案中根据各级受热面的吸热量并与高温级受热面布置相匹配，一次低温再热器布置在前烟道内，二次低温再热器布置在中烟道内，低温过热器布置在后烟道内。每个烟道出口分别布置烟气调节挡板，每个烟气挡板配置2 台执行机构。在具体的再热汽温调节过程中，相对固定二次再热器烟气挡板开度，优先调节低温过热器烟气挡板和一次再热器烟气挡板。该方案相对减少了调节对象，使得再热汽温控制变得更加简单。二次再热器烟气挡板开度基本不变的情况下，一次再热器烟气挡板可以控制一次再热器和二次再热器吸热量的偏差，同时用低温过热器烟气挡板来控制一次再热器和二次再热器的总吸热量。低温过热器烟气挡板和一次再热器烟气挡板的控制逻辑见图4、图5。

图4 低温过热器烟气挡板调节逻辑图

图5 一次再热器烟气挡板调节逻辑图

在这种方案下，一次再热器烟气挡板控制一次高温再热器出口汽温与二次高温再热器出口汽温的偏差趋向于零，而低温过热器烟气挡板控制一次再热汽温与二次再热汽温的平均值趋向于设定值。二次再热器烟气挡板在机组正常运行过程中基本维持不动，在锅炉异常或事故工况，根据事先预设的控制指令进行微调，其具体的控制逻辑见图6。

图6 二次再热器烟气挡板调节逻辑图

二、 烟气引射再循环

考虑到本工程实际燃用煤质变化可能较大，为进一步提高低负荷时烟气挡板的调节特性，引入一种无再循环风机的烟气引射再循环系统作为再热汽温备用调节手段。根据伯努利方程，管道中的流体速度升高，静压降低，当静压低至一定程度后，就可以形成引射作用，抽吸气体。在低负荷时，利用一次风机的多余出力，将一部分一次风作为高速介质，从后竖井烟道中靠高速引起的负压抽吸出烟气，混合后作为再循环烟气送入炉膛出口，以达到替代烟气再循环风机的作用。再循环烟气引入炉膛，增加尾部竖井各个烟道的烟气量，可有效改善各烟气挡板的调节特性。

该系统主要由烟气挡板、烟风道、喷嘴和烟气喷射器等组成，基本不增加系统的复杂性。

当不需要启动该系统时，烟侧挡板关闭，一次风入口调节挡板微开，避免烧损。当需要启动该系统时，打开烟侧挡板，通过一次风抽吸省煤器出口烟气，烟风混合物通过烟风道进入炉膛上部前后风箱，由喷嘴喷入炉膛，喷嘴沿炉膛均匀布置。本系统由炉膛上部引入，基本不干扰炉膛燃烧，增加了再循环烟气，增大了对流烟气量，提升了低负荷挡板调温的调节性能。

烟气引射再循环系统利用了低负荷时一次风机裕量来引射烟气作为再循环，作为应对煤质变化范围大时提高低负荷挡板调节特性的备用调温手段，简化了系统复杂性，降低了初期投资成本，也避免了采用再循环风机带来的高含尘烟气磨损问题，大大节省运行维护成本。

事故喷水减温辅助调节手段与常规工程基本一致，不再赘述。

结束语

再热汽温的控制历来都是业界研究的重点，而二次再热机组再热汽温由于其特殊性更是各大锅炉厂和设计院关注的焦点。本文通过对目前在建或即将开建的二次再热机组的再热汽温调节方式进行了梳理和简单比较，介绍了某工程中再热汽温的控制方案，其控制效果要等到机组投运一段时间以后才能完全确定，本文中的控制思路可以为后续的同类型工程提供参考。