第二讲 超临界机组系
统特点
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随着锅炉朝着大容量高参数的方向发展，超临界机组 日益显示其诸多优点。火电机组随着蒸汽参数的提高，效 率也相应地提高：
● 亚临界机组（16～17Mpa、538/538℃），净效率约 为37~38%，煤耗330~350g；
● 超临界机组（24～28Mpa、538/538℃），净效率约 为40~41%，煤耗310~320g；
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3．在超临界锅炉中，各区段工质的比热、比容变化剧 烈，工质的传热与流动规律复杂。变压运行时随着负荷的 变化，工质压力将在超临界到亚临界的广泛压力范围内变 化，随之工质物性变化巨大，这些都使得超临界机组表现 出严重非线性。具体体现为汽水的比热、比容、热焓与它 的温度、压力的关系是非线性的，传热特性、流量特性是 非线性的，各参数间存在非相关的多元函数关系，使得受 控对象的增益和时间常数等动态特性参数在负荷变化时大 幅度变化。
（a）燃料量扰动；
（b）给水流量扰动；
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微过热汽温的选择
图. 蒸汽等温线的焓值与汽压的关系
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以微过热汽温作为燃水比的校正信号时，其过热度 的选择是非常重要的。从控制系统品质指标的角度考虑， 所取的微过热汽温过热度越小，迟延越小。然而，若焓 值小于2847kJ／kg（680kcal/kg），则图中虚线以下， 曲线进入明显的非线性区，汽温随焓值变化的放大系数 明显减小，而受汽压变化的影响很大，变得不稳定。这 影响微过热汽温对于燃水比例关系的代表性。
（6）直流锅炉的起动和停炉的时间较短，一般不超 过1小时。汽包锅炉由于汽包壁很厚，为减少由于汽包壁 内外和上下温差而引起的热应力，在起动和停炉时常需 缓慢进行，要用3～10小时之久。
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超临界机组直流炉机组与亚临界汽包炉机组的主要区 别在锅炉本体部分。超超临界机组较超临界机组而言， 只是工艺参数相对高一些，但在热控设计方面两者基本 上没有大的差别。
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当电力系统发生异常情况时，导致须将发电机组与 系统解列，但机组仍在主变出口断路器打开的状态下 继续运行，此时应自启动FCB功能。
FCB动作时，汽机旁路阀打开，形成锅炉带旁路系 统运行。燃烧器只留下规定的对数运行，其余的都退 出。锅炉输入指令也急速递减，控制锅炉到最低稳定 负荷，汽机保持额定转速带厂用电运行。这些动作必 须在各控制子系统中协调进行，即在FSSS中构成FCB Logic,向BPC（Bypass Control System）、 MCS(Modulation Control System)、BMS(Burner Management System)、DEH(Digital Electro-Hydraulic Control)、SCS(Sequence Control System)等输出相应 的指令信号。
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（1）应有高品质的给水：进入锅炉的给水全 部变为蒸汽，给水所含的盐分除少量溶于蒸汽而 被带出外，其余杂质均将沉积在受热管内壁上。
（2）节约钢材：采用小管径而且不用汽包， 就可大量节约钢材。一般直流锅炉大约可节约20 ％～30％的钢材。
（3）由于强制工质流动，蒸发部分的管子允 许有多种布置方式不必象自然循环锅炉那样要用 立置的蒸发管。但蒸发段的最后部分受热面应安 置在热负荷较为温和的地区。
和变成过热蒸汽是一次性连续完成的，随着运行工况 的不同，锅炉将运行在亚临界或超临界压力下，蒸发 点会自发地在一个或多个加热区段内移动。因此，为 了保持锅炉汽水行程中各点的温度、湿度及水汽各区 段的位置为一规定的范围，要求燃水比、风燃比及减 温水等的调节品质相当高。
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2．在超临界直流炉中，由于没有汽包，汽水容积 小，所用金属也少，锅炉蓄能显著减小且呈分布特性。 蓄能以二种形式存在——工质储量和热量储量。工质 储量是整个锅炉管道长度中工质总质量，它随着压力 而变化，压力越高，工质的比容越小，必需泵入锅炉 更多的给水量。在工质和金属中存在一定数量的蓄热 量，它随着负荷非线性增加。由于锅炉的蓄质量和蓄 热量整体较小，负荷调节的灵敏性好，可实现快速启 停和调节负荷。另一方面，也因为锅炉蓄热量小，汽 压对被动负荷变动反映敏感，这种情况下机组变负荷 性能差，保持汽压比较困难。
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图 微过热汽温推荐值与压力的关系
超临界机组控制特点： （1）超临界机组是一个多输入、多输出的被控对象； （2）负荷扰动时，主汽压力反应快，可作为被调量； （3）超临界机组工作时，其加热区、蒸发区和过热区之 间无固定的界限，汽温、燃烧、给水相互关联，尤其是燃 水比不相适应时，汽温将会有显著的变化，为使汽温变化 较小，要保持燃烧率和给水量的适当比例； （4）从动态特性来看，微过热汽温能迅速反应过热汽温 的变化，因此可以该信号来判断给水和燃烧率是否失调； （5）超临界机组的蓄热系数小对压力控制不利，但有利 于迅速改变锅炉负荷，适应电网尖峰负荷的能力强。
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燃烧率和给水量并行控制
燃烧率 锅炉指令控制
由锅炉指令形成燃水比指令控制
燃料量测量 热量信号
经过磨煤机模型的给煤机转速
风量控制 燃烧率指令乘风燃比
燃烧率指令乘风燃比
过热汽温控制 给水量控制
减温喷水 控制汽包水位（三冲量）
燃水比协调减温喷水
锅炉指令形成燃水比指令，加上对燃水 比的修正
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直流锅炉动态特性
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直流锅炉没有汽包，整个锅炉是由许多管子并联， 然后用联箱连接串联而成。在给水泵的压头作用下， 工质顺序一次通过加热、蒸发和过热受热面。进口工 质为水，出口工质为过热蒸汽。由于没有汽包，所以 在加热和蒸发受热面之间，以及在蒸发和过热受热面 之间都没有固定的分界线。
加热区和过热区中的参数变化同自然循环锅炉相 同；在蒸发区中由于流动阻力，压力有所降低，相应 的饱和温度也有所下降。
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汽机调 门 开度
主汽 压力
主汽 流量
过热 汽温
功率
燃料
给水流
量
量
主汽
主汽
压力
流量
主汽
主汽
流量
压力
过热
过热
汽温
汽温
功率
功率
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直流锅炉微过热汽温动态特性
过热蒸汽温度能正确反映燃水比例的改变，但存在 较大的迟延，通常为 400s左右；因此不能以过热蒸汽温 度作为燃水比例的控制信号，通常采用微过热汽温作为 燃水比例的校正信号。在这个意义下，微过热汽温的动 态特性具有特殊的重要性。
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（4）直流锅炉不受工作压力的限制，而且更适于超 高压力和超临界压力，因为随压力的提高以及水和汽的 比容差的减小，工质的流动更为稳定。
（5）锅炉储存的热量少。当外界负荷变化较快而燃 烧和给水调整赶不上时，汽压和汽温的波动较大。但是 正因为储热少，对调节的反映也快，如配有灵敏的调节 设备，可适应外界负荷变动。
经验证明，微过热蒸汽的焓值在2847kJ/kg左右时， 其特性比较稳定。
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Байду номын сангаас 按照反应较快和便于检测等条件，通常在过热段的 起始部分选取一个合适的地点，根据该点工质温度来控 制燃水比。这一点称为中间点，中间点汽温变化的时滞 应不超过30～40s。但应说明，在不同负荷时，中间点 的汽温不是固定不变，而是机组负荷的函数。
从控制特性角度来看，直流锅炉与汽包锅炉的主 要不同点表现在燃水比例的变化，引起锅炉内工质储 量的变化，从而改变各受热面积比例。
影响锅炉内工质储量的因素很多，主要有外界负 荷、燃料流量和给水流量。
对于不同压力等级的直流锅炉，各段受热面积比 例不同。压力越高，蒸发段的吸热量比例越小，而加 热段与过热段吸热量比例越大。因而，不同压力等级 直流锅炉的动态特性通常存在一定差异。
4．超临界机组采用直流锅炉，因而不象汽包炉那样， 由于汽包的存在解除了蒸汽管路与水管路及给水泵间的耦 合，直流炉机组从给水泵到汽机，汽水直接关联，使得锅 炉各参数间和汽机与锅炉间具有强烈的耦合特性，整个受 控对象是一多输入多输出的多变量系统。
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热力学理论认为，在22.129MPa、温度374℃时，水 的汽化会在一瞬间完成，即在临界点时饱和水和饱和蒸 汽之间不再有汽、水共存的两相区存在，两者的参数不 再有区别。由于在临界参数下汽水密度相等，因此在临 界压力下无法维持自然循环，只能采用直流炉。超临界 直流炉的汽水行程如图1所示。
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FCB技术 单元机组考虑了机组自动快速降低负荷（FCB），
使机组维持空转，锅炉处于最低稳燃负荷，或只带厂 用电运行的功能。当电网出现故障或其它原因要求机 组快速地将负荷降至最低限时，需要快速甩负荷。快 速甩负荷的实现对机组的可控性要求很高，所有控制 子系统必须处于正常工作状态，并应配备完备的旁路 系统。
● 超超临界机组（主蒸汽压力大于等于27 MPa或主蒸 汽温度、再热蒸汽温度高于593℃。两个条件满足其一）， 净效率约为44~46%，煤耗280~300g。
由于效率的提高，不仅煤耗大大降低，污染物排量也 相应减少，经济效益十分明显。
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一、超临界机组的特点 1．超临界直流炉没有汽包环节，给水经加热、蒸发
机组发电量控制 锅炉指令
蒸汽负荷和主汽压
汽包炉机组
独立控制回路（含MW、 一级压力和频率参量）
经过蓄能和滑压动态补偿后 的压比信号，由燃料偏差和 风量偏差进行保护性限制
燃烧率控制
超临界直流炉机组
独立控制回路（含MW、一级压力和频 率参量）
经过蓄能和滑压动态补偿后的压比信号，加上 主汽压偏差的调节修正，由燃料偏差、风量偏 差和给水量偏差进行保护性限制