华北电力大学600MW机组集控运行培训班热控单元机组协调控制系统.pptx

1 12-12-12-12-1 概概概概 述述述述2 2一、协调控制的基本概念一、协调控制的基本概念一、协调控制的基本概念一、协调控制的基本概念从大系统理论出发，协调控制是一种解决大系从大系统理论出发，协调控制是一种解决大系统控制问题的基本策略。统控制问题的基本策略。所谓大系统可理解为由若干相互关联子系统组所谓大系统可理解为由若干相互关联子系统组成的复杂系统。应用大系统理论处理这类庞大而复成的复杂系统。应用大系统理论处理这类庞大而复杂系统控制问题的基本方法就是分解杂系统控制问题的基本方法就是分解协调的方协调的方法。所谓分解就是把大系统化为若干子系统，以便法。所谓分解就是把大系统化为若干子系统，以便进行分块的处理与控制，求得各子系统的局部最优进行分块的处理与控制，求得各子系统的局部最优解；而协调则是从系统的全局出发，合理地调整各解；而协调则是从系统的全局出发，合理地调整各子系统之间的关系，求得各子系统之间的和谐与统子系统之间的关系，求得各子系统之间的和谐与统一，进而得到整个大系统的最优解。一，进而得到整个大系统的最优解。3 3大系统中包含的各子系统之间，相互关联的结构大系统中包含的各子系统之间，相互关联的结构有多种多样的形式。其中最为普遍的形式是一种递阶有多种多样的形式。其中最为普遍的形式是一种递阶的结构。在这种递阶的结构中，各子系统处于不同级的结构。在这种递阶的结构中，各子系统处于不同级别的层次中，并具有不同的职能。别的层次中，并具有不同的职能。4 4 协调控制级上的协调控制器要对下一级中的协调控制级上的协调控制器要对下一级中的若干个控制器进行协调。协调的过程是一个多目若干个控制器进行协调。协调的过程是一个多目标决策的过程，也是一个全局优化的过程。标决策的过程，也是一个全局优化的过程。5 5二、单元机组协调控制系统二、单元机组协调控制系统二、单元机组协调控制系统二、单元机组协调控制系统 单元机组协调控制系统把锅炉和汽轮发电机组作单元机组协调控制系统把锅炉和汽轮发电机组作为一个整体进行控制，采用了递阶控制系统结构，把为一个整体进行控制，采用了递阶控制系统结构，把自动调节、逻辑控制、联锁保护等功能有机地结合在自动调节、逻辑控制、联锁保护等功能有机地结合在一起，构成一种具有多种控制功能，满足不同运行方一起，构成一种具有多种控制功能，满足不同运行方式和不同工况下控制要求的综合控制系统。式和不同工况下控制要求的综合控制系统。单元机组协调控制系统的设计充分利用了机炉对单元机组协调控制系统的设计充分利用了机炉对象特性方面的特点，采用了前馈、补偿、多变量解耦象特性方面的特点，采用了前馈、补偿、多变量解耦等控制策略，使控制系统具有合理、可靠、易于维护等控制策略，使控制系统具有合理、可靠、易于维护调整等优点。建立在现代控制理论和方法基础上的单调整等优点。建立在现代控制理论和方法基础上的单元机组协调控制系统也处于研究和发展之中。元机组协调控制系统也处于研究和发展之中。6 6单元机组协调控制系统框图单元机组协调控制系统框图单元机组协调控制系统框图单元机组协调控制系统框图 7 7 单元机组协调控制系统可认为是一种二级递阶单元机组协调控制系统可认为是一种二级递阶控制系统。处于上位级的机炉协调级，也叫作单元控制系统。处于上位级的机炉协调级，也叫作单元机组主控系统，是整个系统的核心部分。处于局部机组主控系统，是整个系统的核心部分。处于局部控制级的子系统包括锅炉燃料控制系统，风量控制控制级的子系统包括锅炉燃料控制系统，风量控制系统，汽轮机功率系统，汽轮机功率/频率调节系统，以及直流锅炉频率调节系统，以及直流锅炉的给水控制系统。的给水控制系统。单元机组主控系统产生指挥机炉控制器动作的单元机组主控系统产生指挥机炉控制器动作的锅炉指令和汽机指令。局部控制级的控制器执行主锅炉指令和汽机指令。局部控制级的控制器执行主控系统发出的指令，完成指定的控制任务。控系统发出的指令，完成指定的控制任务。协调控制主控系统结构框图协调控制主控系统结构框图协调控制主控系统结构框图协调控制主控系统结构框图 8 8负荷管理中心结构图负荷管理中心结构图负荷管理中心结构图负荷管理中心结构图 9 9单元机组协调控制系统简化框图单元机组协调控制系统简化框图单元机组协调控制系统简化框图单元机组协调控制系统简化框图 1010 三、主要特点三、主要特点三、主要特点三、主要特点 （1 1）系统结构先进。采用了递阶控制结构，在局部）系统结构先进。采用了递阶控制结构，在局部控制级的基础上引入了机炉协调级，把锅炉、汽轮发电控制级的基础上引入了机炉协调级，把锅炉、汽轮发电机组作为一个整体进行控制。控制器设计主要采用了前机组作为一个整体进行控制。控制器设计主要采用了前馈、反馈、补偿以及变结构控制等技术，并充分地利用馈、反馈、补偿以及变结构控制等技术，并充分地利用了机炉动态特性方面的特点，克服系统内部耦合和非线了机炉动态特性方面的特点，克服系统内部耦合和非线性特性，获得优良的控制品质。同时，又保留了控制器性特性，获得优良的控制品质。同时，又保留了控制器结构简单，易于工程实现和参数整定，便于操作、维护结构简单，易于工程实现和参数整定，便于操作、维护等优点。并能直接接收电网自动调度系统指令，为实现等优点。并能直接接收电网自动调度系统指令，为实现电网级自动调度和协调控制奠定了基础。电网级自动调度和协调控制奠定了基础。1111 （2 2）系统功能完善。除了在正常工况下的连续调节）系统功能完善。除了在正常工况下的连续调节功能之外，系统还设计有一整套逻辑控制系统。包括实功能之外，系统还设计有一整套逻辑控制系统。包括实际功率给定逻辑，局部故障处理逻辑，运行方式切换逻际功率给定逻辑，局部故障处理逻辑，运行方式切换逻辑，以及显示报警、监督管理等功能。系统可根据实际辑，以及显示报警、监督管理等功能。系统可根据实际需要和设备状况，选择不同的运行方式，比如机跟炉、需要和设备状况，选择不同的运行方式，比如机跟炉、炉跟机、机炉协调方式；定压运行或滑压运行方式；固炉跟机、机炉协调方式；定压运行或滑压运行方式；固定功率输出或可调功率方式；调频或非调频方式等。适定功率输出或可调功率方式；调频或非调频方式等。适应不同运行工况对控制功能的要求。应不同运行工况对控制功能的要求。（3 3）系统可靠性高。通过设置安全保护系统和采取）系统可靠性高。通过设置安全保护系统和采取一系列可靠性措施，可获得很高的系统可靠性。比如，一系列可靠性措施，可获得很高的系统可靠性。比如，当主机或辅机设备故障时，可自动改变控制方式，对实当主机或辅机设备故障时，可自动改变控制方式，对实际功率指令的幅值和变化速率进行改变，并通过相应的际功率指令的幅值和变化速率进行改变，并通过相应的联锁保护，报警显示等措施，保证机组在安全范围内运联锁保护，报警显示等措施，保证机组在安全范围内运行，并维持最佳的工况。行，并维持最佳的工况。12122-22-22-22-2 单元机组动态特性单元机组动态特性单元机组动态特性单元机组动态特性1313一、单元机组的运行方式一、单元机组的运行方式一、单元机组的运行方式一、单元机组的运行方式 单元机组的运行方式有定压运行和滑压运行两种。单元机组的运行方式有定压运行和滑压运行两种。定压运行是指无论机组负荷怎样变动，始终维持主蒸汽定压运行是指无论机组负荷怎样变动，始终维持主蒸汽压力以及主蒸汽温度为额定值，通过改变汽轮机调节汽压力以及主蒸汽温度为额定值，通过改变汽轮机调节汽门的开度，改变机组的输出功率。门的开度，改变机组的输出功率。滑压运行则是始终保持汽轮机调节汽门全开，在维滑压运行则是始终保持汽轮机调节汽门全开，在维持主蒸汽温度恒定的同时，通过改变主蒸汽压力改变机持主蒸汽温度恒定的同时，通过改变主蒸汽压力改变机组的输出功率。组的输出功率。1414 1 1、滑压运行方式、滑压运行方式、滑压运行方式、滑压运行方式单元机组在滑压运行方式下，保持主汽门和调节汽门单元机组在滑压运行方式下，保持主汽门和调节汽门全开。外界负荷需求变化时，通过调节锅炉的燃料、风量、全开。外界负荷需求变化时，通过调节锅炉的燃料、风量、给水以及相应的输入量，改变锅炉的蒸发量，进而改变汽给水以及相应的输入量，改变锅炉的蒸发量，进而改变汽轮机的进汽压力，在维持汽温为额定值的前提下，使进入轮机的进汽压力，在维持汽温为额定值的前提下，使进入汽轮机蒸汽的能量改变，使汽轮发电机组的输出功率适应汽轮机蒸汽的能量改变，使汽轮发电机组的输出功率适应外界负荷的需求。外界负荷的需求。采取的办法是不使汽轮机调节汽门处于全开的位置，采取的办法是不使汽轮机调节汽门处于全开的位置，而是留出一定的调节余地。当外界负荷需求变更时，首先而是留出一定的调节余地。当外界负荷需求变更时，首先通过调整汽轮机调节汽门的开度，改变进汽量，利用锅炉通过调整汽轮机调节汽门的开度，改变进汽量，利用锅炉内部的蓄热能量，较快地适应外界负荷的需求。与此同时，内部的蓄热能量，较快地适应外界负荷的需求。与此同时，调整进入锅炉的输入量，使燃烧率改变，与外界负荷需求调整进入锅炉的输入量，使燃烧率改变，与外界负荷需求达到新的平衡。调节汽门的调节余地也为机组参与电网一达到新的平衡。调节汽门的调节余地也为机组参与电网一次调频创造了条件。次调频创造了条件。1515滑压运行方式具有以下主要特点滑压运行方式具有以下主要特点:（1 1）汽轮机调节汽门保持近似全开将会使进汽节）汽轮机调节汽门保持近似全开将会使进汽节流损失降低。负荷越低，节流损失的降低越明显。另外，流损失降低。负荷越低，节流损失的降低越明显。另外，汽轮机的级效率也要比定压运行时高。例如某机组在汽轮机的级效率也要比定压运行时高。例如某机组在50%50%负荷下，滑压运行级效率比定压运行时要高出负荷下，滑压运行级效率比定压运行时要高出15%15%左左右。右。（2 2）在部分负荷下，主蒸汽和再热蒸汽的压力降低，）在部分负荷下，主蒸汽和再热蒸汽的压力降低，容易保持蒸汽温度不变。可获得较高的循环效率。容易保持蒸汽温度不变。可获得较高的循环效率。（3 3）部分负荷下给水泵的功耗比定压运行时减小。）部分负荷下给水泵的功耗比定压运行时减小。因为滑压运行时给水压力与机组负荷成正比，在相同的因为滑压运行时给水压力与机组负荷成正比，在相同的机组部分负荷条件下，给水泵出口压力比定压运行时要机组部分负荷条件下，给水泵出口压力比定压运行时要低得多。例如，某机组在低得多。例如，某机组在50%50%负荷下，滑压运行时给水负荷下，滑压运行时给水泵的功耗仅相当于定压运行时的泵的功耗仅相当于定压运行时的55%55%。1616 （4 4）调峰停机后再启动快，降低了启动损耗。因）调峰停机后再启动快，降低了启动损耗。因为在低负荷下汽轮机的金属温度基本不变，若在机组为在低负荷下汽轮机的金属温度基本不变，若在机组最低负荷下打闸停机，可以在较高的金属温度下停机最低负荷下打闸停机，可以在较高的金属温度下停机热备用，如重新热态启动，将大大缩短再启动时间，热备用，如重新热态启动，将大大缩短再启动时间，使启动损耗相应地降低。例如，一台使启动损耗相应地降低。例如，一台600MW600MW机组滑压停机组滑压停机机8 8小时以后再启动，从锅炉点火到带额定负荷仅需小时以后再启动，从锅炉点火到带额定负荷仅需3535分钟。使机组的灵活调度能力大为增强。分钟。使机组的灵活调度能力大为增强。（5 5）负荷越低，滑压运行的经济性越显著。其主）负荷越低，滑压运行的经济性越显著。其主要原因是在低负荷下滑压运行的调节阀节流损失比定要原因是在低负荷下滑压运行的调节阀节流损失比定压运行低得多。而在额定负荷下滑压运行的经济效益压运行低得多。而在额定负荷下滑压运行的经济效益则不明显。因此，大容量单元机组参加电网调峰运行则不明显。因此，大容量单元机组参加电网调峰运行时，采用滑压运行方式是极为有利的。时，采用滑压运行方式是极为有利的。1717 2 2、定压运行方式、定压运行方式、定压运行方式、定压运行方式定压运行方式的基本特征是机组负荷在任何稳定定压运行方式的基本特征是机组负荷在任何稳定工况下，均保持主蒸汽压力和温度为额定值。定压运工况下，均保持主蒸汽压力和温度为额定值。定压运行机组的运行方式有机跟炉、炉跟机和机炉协调三种行机组的运行方式有机跟炉、炉跟机和机炉协调三种方式。需要强调的是，使汽轮机调节汽门具有一定调方式。需要强调的是，使汽轮机调节汽门具有一定调节余量的滑压运行方式已不是单纯的滑压运行，也可节余量的滑压运行方式已不是单纯的滑压运行，也可分为机跟炉、炉跟机和机炉协调方式。分为机跟炉、炉跟机和机炉协调方式。（1 1）机跟炉方式）机跟炉方式）机跟炉方式）机跟炉方式外界负荷需求变化时，首先改变锅炉负荷。当主外界负荷需求变化时，首先改变锅炉负荷。当主蒸汽压力产生额定值偏差时，调整汽轮机调节汽门开蒸汽压力产生额定值偏差时，调整汽轮机调节汽门开度，维持汽轮机机前压力恒定。这种方式简单地称为度，维持汽轮机机前压力恒定。这种方式简单地称为锅炉保持负荷、汽机保持压力的方式，也称为锅炉基锅炉保持负荷、汽机保持压力的方式，也称为锅炉基本、汽机跟随方式。该运行方式下，机组对外界负荷本、汽机跟随方式。该运行方式下，机组对外界负荷响应较慢，但主蒸汽压力稳定性好。响应较慢，但主蒸汽压力稳定性好。1818（2 2）炉跟机方式）炉跟机方式）炉跟机方式）炉跟机方式外界负荷需求变化时，首先改变汽轮机调节汽门的外界负荷需求变化时，首先改变汽轮机调节汽门的开度，改变进汽量，使机组输出功率与外界负荷需求相开度，改变进汽量，使机组输出功率与外界负荷需求相适应。此时势必造成机前压力偏离额定值。锅炉依据机适应。此时势必造成机前压力偏离额定值。锅炉依据机前压力偏差调整燃烧率和给水流量，消除主蒸汽压力偏前压力偏差调整燃烧率和给水流量，消除主蒸汽压力偏差，达到新的能量平衡。这种方式称为汽机保持负荷、差，达到新的能量平衡。这种方式称为汽机保持负荷、锅炉保持压力方式。也称为汽机基本、锅炉跟随方式。锅炉保持压力方式。也称为汽机基本、锅炉跟随方式。这种运行方式的特点是机组响应外界负荷的速度快，但这种运行方式的特点是机组响应外界负荷的速度快，但机前压力的波动性大。机前压力的波动性大。（3 3）机炉协调方式）机炉协调方式）机炉协调方式）机炉协调方式当外界负荷需求变化时，同时改变机炉的负荷。既当外界负荷需求变化时，同时改变机炉的负荷。既考虑到机组响应外界负荷的快速性，又不致造成机前压考虑到机组响应外界负荷的快速性，又不致造成机前压力的过分波动，使机炉之间出现的能量不平衡程度尽可力的过分波动，使机炉之间出现的能量不平衡程度尽可能小，时间尽可能短，这样的运行方式则称之为机炉协能小，时间尽可能短，这样的运行方式则称之为机炉协调运行方式。调运行方式。1919 3 3、联合运行方式、联合运行方式、联合运行方式、联合运行方式综合以上滑压和定压两种运行方式的特点，不难发综合以上滑压和定压两种运行方式的特点，不难发现在低负荷时滑压运行有利，在高负荷时定压运行方式现在低负荷时滑压运行有利，在高负荷时定压运行方式具有其优越性。比如，可有效地利用锅炉蓄热，提高对具有其优越性。比如，可有效地利用锅炉蓄热，提高对外界负荷需求的响应速度。如果根据机组的不同负荷水外界负荷需求的响应速度。如果根据机组的不同负荷水平，在低负荷下采用滑压运行方式，在高负荷下采用定平，在低负荷下采用滑压运行方式，在高负荷下采用定压运行方式，就构成联合运行方式。压运行方式，就构成联合运行方式。4 4、调频运行方式、调频运行方式、调频运行方式、调频运行方式电网规模的扩大和对供电质量的更高要求，对大机电网规模的扩大和对供电质量的更高要求，对大机组参加电网调频的要求愈来愈迫切。单元机组参加电网组参加电网调频的要求愈来愈迫切。单元机组参加电网调频的方式分为一次调频和二次调频。一次调频是指汽调频的方式分为一次调频和二次调频。一次调频是指汽轮机电液调速系统根据电网频率的变化，自动地改变一轮机电液调速系统根据电网频率的变化，自动地改变一部分负荷，以减小电网频率的波动。部分负荷，以减小电网频率的波动。2020一次调频特性示意图一次调频特性示意图一次调频特性示意图一次调频特性示意图 2121 二、直流锅炉的结构特点二、直流锅炉的结构特点二、直流锅炉的结构特点二、直流锅炉的结构特点 随着锅炉朝着大容量高参数的方向发展，直流锅炉由随着锅炉朝着大容量高参数的方向发展，直流锅炉由于其自身的许多优点，而被日益广泛地采用。于其自身的许多优点，而被日益广泛地采用。由于直流锅炉与汽包锅炉相比，存在着结构上的差异，由于直流锅炉与汽包锅炉相比，存在着结构上的差异，使得在运行特性和控制特性上都有其自身的特点。使得在运行特性和控制特性上都有其自身的特点。1.1.锅炉按水循环方式分类锅炉按水循环方式分类锅炉按水循环方式分类锅炉按水循环方式分类 (1)(1)水循环过程水循环过程水循环过程水循环过程 锅锅炉炉的的受受热热面面，包包括括加加热热水水的的省省煤煤器器、使使水水汽汽化化的的蒸蒸发发受受热热面面和和加加热热蒸蒸汽汽的的过过热热器器，一一侧侧由由烟烟气气侧侧吸吸收收热热量量，另一侧把热量传给给水或蒸汽。另一侧把热量传给给水或蒸汽。2222 不不论论哪哪种种受受热热面面，都都应应能能随随时时把把热热量量带带走走以以保保证证受受热热面面金金属属的的正正常常工工作作，所所以以内内部部工工质质应应不不断断流流动动。水水在在省省煤煤器器中中和和蒸蒸汽汽在在过过热热器器中中均均为为单单相相工工质质，只只是是一一次次通通过过受受热热面面。给给水水流流经经省省煤煤器器的的阻阻力力要要由由给给水水泵泵的的压压头头来来克克服服，故故省省煤煤器器进进口口的的压压力力高高于于蒸蒸发发面面中中的的压压力力。过过热热器器中中蒸蒸汽汽的的流流动动阻阻力力是是由由压压力力降降来来克克服服的的，即即在在过过热热器器进进口口和和出出口口之之间间也也有有压压力力差差。流流经经蒸蒸发发受受热热面面的的工工质质为为水和汽的混合物。水和汽的混合物。(2)(2)锅炉分类锅炉分类锅炉分类锅炉分类 汽汽水水混混合合物物可可能能一一次次或或多多次次流流经经蒸蒸发发受受热热面面，对对于于结结构构不不同同的的锅锅炉炉，推推动动汽汽水水混混合合物物流流动动的的方方式式也也不不一一样样，按按此此可可把把锅锅炉炉分分为为几几种种类类型型：自自自自然然然然循循循循环环环环锅锅锅锅炉炉炉炉、强强强强制制制制循循循循环环环环锅炉锅炉锅炉锅炉和和直流锅炉直流锅炉直流锅炉直流锅炉。2323图图图图.蒸汽锅炉蒸发部分的几种类型蒸汽锅炉蒸发部分的几种类型蒸汽锅炉蒸发部分的几种类型蒸汽锅炉蒸发部分的几种类型（a a）自然循环；（）自然循环；（）自然循环；（）自然循环；（b b）多次强制循环；（）多次强制循环；（）多次强制循环；（）多次强制循环；（c c）直流式）直流式）直流式）直流式11给水泵；给水泵；给水泵；给水泵；22省煤器；省煤器；省煤器；省煤器；33汽包；汽包；汽包；汽包；44下降管；下降管；下降管；下降管；55联箱；联箱；联箱；联箱；66蒸发管；蒸发管；蒸发管；蒸发管；77过热器；过热器；过热器；过热器；88强制循环泵强制循环泵强制循环泵强制循环泵2424 1 1）自然循环锅炉和多次强制循环锅炉）自然循环锅炉和多次强制循环锅炉）自然循环锅炉和多次强制循环锅炉）自然循环锅炉和多次强制循环锅炉 共共同同特特点点是是都都有有汽汽包包。汽汽包包将将省省煤煤器器、蒸蒸发发部部分分和和过过热热器器分分隔隔开开，并并使使蒸蒸发发部部分分形形成成密密闭闭的的循循环环回回路路。汽汽包包内内的的大大容容积积能能保保证证汽汽和和水水的的良良好好分分离离。但但是是汽汽包包锅炉只适用于临界压力以下的工作压力。锅炉只适用于临界压力以下的工作压力。2 2）直流锅炉）直流锅炉）直流锅炉）直流锅炉 如如图图（C C），直直流流锅锅炉炉没没有有汽汽包包，工工质质一一次次通通过过蒸蒸发发部部分分，即即循循环环倍倍率率等等于于1 1。直直流流锅锅炉炉的的另另一一特特点点是是：在在省省煤煤器器、蒸蒸发发部部分分和和过过热热器器之之间间没没有有固固定定不不变变的的分分界界点点，水水在在受受热热蒸蒸发发面面中中全全部部转转变变为为蒸蒸汽汽，沿沿工工质质整整个个行行程程的的流流动动阻阻力力均均由由给给水水泵泵来来克克服服。直直流流锅锅炉炉既既可可用于临界压力以下，也可设计为超临界压力。用于临界压力以下，也可设计为超临界压力。2525 3 3）复合循环锅炉）复合循环锅炉）复合循环锅炉）复合循环锅炉 在在自自然然循循环环和和多多次次强强制制循循环环锅锅炉炉中中，水水要要多多次次流流经经蒸蒸发发部部分分才才能能完完全全转转变变为为蒸蒸汽汽；在在直直流流锅锅炉炉中中，水水只只一一次次通通过过蒸蒸发发部部分分就就全全部部汽汽化化。所所谓谓复复合合循循环环锅锅炉炉是是在在一一台锅炉上具有这两种循环方式的锅炉。台锅炉上具有这两种循环方式的锅炉。图图图图.复合循环系统复合循环系统复合循环系统复合循环系统l-8l-8一同图一同图一同图一同图5-15-1；9 9一混合器；一混合器；一混合器；一混合器；1010一止回阀；一止回阀；一止回阀；一止回阀；1111一汽水分离器；一汽水分离器；一汽水分离器；一汽水分离器；1212一调节阀一调节阀一调节阀一调节阀 2626 图（图（a a）为亚临界压力低负荷再循环系统，锅炉在低）为亚临界压力低负荷再循环系统，锅炉在低负荷时由蒸发部分流入分离器的为湿蒸汽，经分离后蒸负荷时由蒸发部分流入分离器的为湿蒸汽，经分离后蒸汽流入过热器，而水则由循环泵送回到省煤器进口，这汽流入过热器，而水则由循环泵送回到省煤器进口，这时流经蒸发部分的工质流量超过流出的蒸汽量，即循环时流经蒸发部分的工质流量超过流出的蒸汽量，即循环倍率大于倍率大于1 1。高负荷时由蒸发部分出来的是微过热蒸汽，。高负荷时由蒸发部分出来的是微过热蒸汽，这时循环泵停用，锅炉按纯直流方式工作。这时循环泵停用，锅炉按纯直流方式工作。图（图（b b）示出超临界压力下的复合循环系统，它不用）示出超临界压力下的复合循环系统，它不用汽水分离器，只是在低负荷时开启调节阀汽水分离器，只是在低负荷时开启调节阀1212使较多的工使较多的工质流经蒸发部分；但在高负荷时关闭调节阀，锅炉按纯质流经蒸发部分；但在高负荷时关闭调节阀，锅炉按纯直流方式工作。不论在低负荷或高负荷时再循环泵均在直流方式工作。不论在低负荷或高负荷时再循环泵均在工作。工作。27272.2.直流炉的结构直流炉的结构直流炉的结构直流炉的结构左图为直流锅炉汽水流左图为直流锅炉汽水流程布置图。一次工质在给水程布置图。一次工质在给水泵压力作用下，经省煤器加泵压力作用下，经省煤器加热后，进入热后，进入下辐射区下辐射区下辐射区下辐射区蒸发为蒸发为湿蒸汽，再经湿蒸汽，再经对流过渡区对流过渡区对流过渡区对流过渡区、上辐射区上辐射区上辐射区上辐射区和和对流过热区对流过热区对流过热区对流过热区加热加热成过热蒸汽，送至汽轮机。成过热蒸汽，送至汽轮机。可见，直流锅炉是由各受热可见，直流锅炉是由各受热面及连接这些受热面的的管面及连接这些受热面的的管道组成。其汽水流程中没有道组成。其汽水流程中没有汽包和锅内小循环回路。汽包和锅内小循环回路。图图图图.直流锅炉简图直流锅炉简图直流锅炉简图直流锅炉简图ll省煤器；省煤器；省煤器；省煤器；22下辐射区；下辐射区；下辐射区；下辐射区；33对流过对流过对流过对流过渡区；渡区；渡区；渡区；44上辐射区；上辐射区；上辐射区；上辐射区；55对流过热区；对流过热区；对流过热区；对流过热区；6 6 空气预热器空气预热器空气预热器空气预热器2828 直直流流锅锅炉炉没没有有汽汽包包，整整个个锅锅炉炉是是由由许许多多管管子子并并联联，然然后后用用联联箱箱连连接接串串联联而而成成。在在给给水水泵泵的的压压头头作作用用下下，工工质质顺顺序序一一次次通通过过加加加加热热热热、蒸蒸蒸蒸发发发发和和过过过过热热热热受受受受热热热热面面面面。进进口口工工质质为为水水，出出口口工工质质为为过过热热蒸蒸汽汽。由由于于没没有有汽汽包包，所所以以在在加加热热和和蒸蒸发发受受热热面面之之间间，以以及及在在蒸蒸发发和和过过热热受受热热面面之之间间都都没没有固定的分界线。有固定的分界线。图图图图.直流锅炉工作原理直流锅炉工作原理直流锅炉工作原理直流锅炉工作原理焓；焓；焓；焓；压力；压力；压力；压力；比容；比容；比容；比容；温度；温度；温度；温度；2929 3.3.3.3.结构特点结构特点结构特点结构特点 上图示出沿直流锅炉管子工质的状态和参数的变化：上图示出沿直流锅炉管子工质的状态和参数的变化：加热区和过热区中的参数变化同自然循环锅炉相同；在蒸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。有所下降。（1 1）应有高品质的给水应有高品质的给水：进入锅炉的给水全部变为蒸汽：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，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。均将沉积在受热管内壁上。（2 2）节节约约钢钢材材：采采用用小小管管径径而而且且不不用用汽汽包包，就就可可大大量量节节约钢材。一般直流锅炉大约可节约约钢材。一般直流锅炉大约可节约20203030的钢材。的钢材。（3 3）因因强强制制工工质质流流动动，蒸蒸发发部部分分的的管管子子允允许许有有多多种种布布置置方方式式不不必必象象自自然然循循环环锅锅炉炉那那样样要要用用立立置置的的蒸蒸发发管管。但但蒸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发段的最后部分受热面应安置在热负荷较为温和的地区。3030 （4 4）直直流流锅锅炉炉不不受受工工作作压压力力的的限限制制，而而且且更更适适于于超超高高压压力力和和超超临临界界压压力力，因因为为随随压压力力的的提提高高以以及及水水和和汽汽的的比容差的减小，工质的流动更为稳定。比容差的减小，工质的流动更为稳定。（5 5）锅锅炉炉储储存存的的热热量量少少。当当外外界界负负荷荷变变化化较较快快而而燃燃烧烧和和给给水水调调整整赶赶不不上上时时，汽汽压压和和汽汽温温的的波波动动较较大大。但但是是正正因因为为储储热热少少，对对调调节节的的反反映映也也快快，如如配配有有灵灵敏敏的的调调节节设备，可适应外界负荷变动。设备，可适应外界负荷变动。（6 6）直直流流锅锅炉炉的的起起动动和和停停炉炉的的时时间间较较短短，一一般般不不超超过过1 1小小时时。汽汽包包锅锅炉炉由由于于汽汽包包壁壁很很厚厚，为为减减少少由由于于汽汽包包壁壁内内外外和和上上下下温温差差而而引引起起的的热热应应力力，在在起起动动和和停停炉炉时时常常需需缓慢进行，要用缓慢进行，要用3 31010小时之久。小时之久。3131 从从控控制制特特性性角角度度来来看看，直直流流锅锅炉炉与与汽汽包包锅锅炉炉的的主主要要不不不不同同同同点点点点表表表表现现现现在在在在燃燃燃燃水水水水比比比比例例例例的的的的变变变变化化化化，引引引引起起起起锅锅锅锅炉炉炉炉内内内内工工工工质质质质储储储储量的变化，从而改变各受热面积比例量的变化，从而改变各受热面积比例量的变化，从而改变各受热面积比例量的变化，从而改变各受热面积比例。影影响响锅锅炉炉内内工工质质储储量量的的因因素素很很多多，主主要要有有外外界界负负荷荷、燃料流量燃料流量和和给水流量给水流量。对对于于不不同同压压力力等等级级的的直直流流锅锅炉炉，各各段段受受热热面面积积比比例例不不同同。压压力力越越高高，蒸蒸发发段段的的吸吸热热量量比比例例越越小小，而而加加热热段段与与过过热热段段吸吸热热量量比比例例越越大大。因因而而，不不同同压压力力等等级级直流锅炉的动态特性通常存在一定差异。直流锅炉的动态特性通常存在一定差异。下图为直流锅炉动态特性曲线：下图为直流锅炉动态特性曲线：三、单元机组动态特性分析三、单元机组动态特性分析三、单元机组动态特性分析三、单元机组动态特性分析 3232图图图图.直流锅炉动态特性曲线直流锅炉动态特性曲线直流锅炉动态特性曲线直流锅炉动态特性曲线(a)(a)(a)(a)调节汽门开度扰动；（调节汽门开度扰动；（调节汽门开度扰动；（调节汽门开度扰动；（b b b b）燃料量扰动；）燃料量扰动；）燃料量扰动；）燃料量扰动；(c)(c)(c)(c)给水量扰动给水量扰动给水量扰动给水量扰动 实线实线实线实线一般一般一般一般直流锅炉；直流锅炉；直流锅炉；直流锅炉；虚线虚线虚线虚线带分带分带分带分离器的苏尔离器的苏尔离器的苏尔离器的苏尔寿直流锅炉寿直流锅炉寿直流锅炉寿直流锅炉 3333 1.1.外部负荷扰动下直流锅炉动态特性外部负荷扰动下直流锅炉动态特性外部负荷扰动下直流锅炉动态特性外部负荷扰动下直流锅炉动态特性 上上图图(a)(a)所所示示为为外外部部负负荷荷扰扰动动下下直直流流锅锅炉炉有有关关参参数数响响应应曲曲线线。假假定定汽汽机机耗耗汽汽量量正正比比于于调调节节阀阀开开度度 与与蒸蒸汽汽压压力力 的的乘乘积积，在在 阶阶跃跃增增加加的的情情况况下下，蒸蒸汽汽流流量量阶阶跃跃增增加加，使使得得蒸蒸汽汽压压力力开开始始时时以以一一定定速速度度下下降降。由由于于给给水水流流量量和和燃燃料料流流量量没没有有变变，蒸蒸汽汽流流量量逐逐渐渐回回落落至至与与给给水水流流量量相相应应的的值值，蒸蒸汽汽压压力力则则逐逐渐渐稳稳定定。汽汽机机功功率率的的变变化化与与蒸蒸汽汽流流量量成成比比例例，其其增增加加的的总总能能量量来来自自锅锅炉炉金金属属和和工工质质所所释释放放的的蓄蓄热热量量。过过热热蒸蒸汽汽温温度度在在蒸蒸汽汽流流量量增增加加之之后后，先先以以一一定定速速度度下下降降，随随着着蒸蒸汽汽流流量量降降至至原原来来的的值值而而回回升升至至原原来来的的值值。这这反反映映锅锅炉炉燃燃水水比比例例没没有有改改变变。即即总总蒸蒸发发量量与与各各受受热热面面吸吸热热量量比比例例没没有改变。有改变。3434 2.2.燃料量扰动下直流锅炉动态特性燃料量扰动下直流锅炉动态特性燃料量扰动下直流锅炉动态特性燃料量扰动下直流锅炉动态特性 图图(b)(b)所所示示为为燃燃料料量量扰扰动动 下下直直流流锅锅炉炉有有关关参参数数响响应应曲曲线线。在在燃燃料料量量阶阶跃跃增增加加的的情情况况下下，经经过过短短暂暂迟迟延延后后，各各受受热热面面吸吸热热量量迅迅速速增增加加，使使蒸蒸汽汽流流量量迅迅速速增增加加（通通常常称称之之为为附附加加蒸蒸发发量量）。对对过过热热段段受受热热面面来来说说，吸吸热热量量与与蒸蒸汽汽流流量量同同时时增增加加，使使得得开开始始时时过过热热汽汽温温基基本本不不变变。由由于于给给水水流流量量没没有有改改变变，附附加加蒸蒸发发量量使使锅锅炉炉内内工工质质储储量量减减少少，加加热热与与蒸蒸发发受受热热面面积积减减少少，蒸蒸汽汽流流量量经经过过一一个个峰峰值值后后逐逐渐渐减减少少，直直至至与与给给水水流流量量相相等等。同同时时，过过热热段段受受热热面面的的增增加加及及炉炉膛膛发发热热量量增增加加，过过热热蒸蒸汽汽温温度度经经过过一一端端时时间间迟迟延延后后迅迅速速上上升升，最最后后的的明明显显偏偏差差反反映映了了燃燃水水比比例例的的变化。变化。3535 蒸汽压力首先是随着蒸汽流量增加而上升，随蒸汽压力首先是随着蒸汽流量增加而上升，随后虽然蒸汽流量逐步下降，但蒸汽温度升高而造成后虽然蒸汽流量逐步下降，但蒸汽温度升高而造成蒸汽容积流量的增大、沿程压力降的增加而使蒸汽蒸汽容积流量的增大、沿程压力降的增加而使蒸汽压力保持较大的偏差。与此相似，机组功率的增加压力保持较大的偏差。与此相似，机组功率的增加是蒸汽流量的暂时增加与蒸汽温度的升高的综合效是蒸汽流量的暂时增加与蒸汽温度的升高的综合效果，其根本原因还在于燃料量增加后，工质总吸热果，其根本原因还在于燃料量增加后，工质总吸热量的增加。量的增加。3636 3.3.给水流量扰动下直流锅炉动态特性给水流量扰动下直流锅炉动态特性给水流量扰动下直流锅炉动态特性给水流量扰动下直流锅炉动态特性 给给水水流流量量扰扰动动 下下直直流流锅锅炉炉动动态态特特性性如如图图(c)(c)所所示示。由由于于水水是是不不可可压压缩缩的的，所所以以给给水水流流量量的的变变化化瞬瞬间间即即可可影影响响到到加加热热段段各各受受热热面面内内工工质质流流量量。但但蒸蒸汽汽是是可可压压缩缩的的，给给水水流流量量扰扰动动对对蒸蒸发发段段和和过过热热段段蒸蒸汽汽流流量量的的直直接接影影响响是是有有迟迟延延的的。给给水水流流量量增增加加，使使之之大大于于蒸蒸发发量量会会造造成成蒸蒸发发段段长长度度的的改改变变而而产产生生附附加加蒸蒸发发量量，这这个个过过程程同同样样具具有有一一定定惯惯性性迟迟延延。因因此此，在在给给水水流流量量阶阶跃跃增增加加的的情情况况下下，蒸蒸汽汽流流量量的的增增加加有有一一定定的的迟迟延延和和惯惯性性；而而过过热热汽汽温温的的变变化化与燃料量扰动下相似，在较大的迟延。与燃料量扰动下相似，在较大的迟延。3737 给给水水流流量量扰扰动动最最终终改改变变各各受受热热面面积积比比例例，过过热热汽汽温温呈呈现现的的较较大大稳稳态态偏偏差差反反映映燃燃水水比比例例的的改改变变。蒸蒸汽汽流流量量的的增增加加，造造成成蒸蒸汽汽压压力力随随着着上上升升，之之后后由由于于温温度度下下降降而而下下降降，最最终终由由于于工工质质总总吸吸热热量量不不变变，而而蒸蒸汽汽流流量量增增加加造造成成排排汽汽损损失失增增加加从从而而使使蒸蒸汽汽压压力力略略低于扰动前的值。低于扰动前的值。3838四、直流炉与汽包炉机组动态特性区别四、直流炉与汽包炉机组动态特性区别四、直流炉与汽包炉机组动态特性区别四、直流炉与汽包炉机组动态特性区别 直流锅炉单元机组的汽水流程如下图所示。在直直流锅炉单元机组的汽水流程如下图所示。在直流锅炉中，锅炉给水转变为蒸汽的过程是一次性完成流锅炉中，锅炉给水转变为蒸汽的过程是一次性完成的。锅炉的蒸发量除了受燃烧率影响外，与给水流量的。锅炉的蒸发量除了受燃烧率影响外，与给水流量直接有关。当给水流量和燃烧率的比例改变时，锅炉直接有关。当给水流量和燃烧率的比例改变时，锅炉汽水流程中各个段的界面就发生移动。比如，给水流汽水流程中各个段的界面就发生移动。比如，给水流量减小，将使蒸发段向给水侧移动，汽水流程中各点量减小，将使蒸发段向给水侧移动，汽水流程中各点的工质焓值将有所提高，汽温会随之上升。因此，在的工质焓值将有所提高，汽温会随之上升。因此，在直流锅炉单元机组中，还应当把给水流量直流锅炉单元机组中，还应当把给水流量WW和主蒸汽温和主蒸汽温度或中间点温度度或中间点温度T T也做为控制量和被控量。也做为控制量和被控量。3939直流锅炉汽水流程示意图直流锅炉汽水流程示意图直流锅炉汽水流程示意图直流锅炉汽水流程示意图 直流锅炉单元受控对象模型直流锅炉单元受控对象模型直流锅炉单元受控对象模型直流锅炉单元受控对象模型 如果能做到燃水比恒定，就可由燃料量如果能做到燃水比恒定，就可由燃料量B B代表给水代表给水量，相应地可保持汽水流程中各点温度的稳定。这样，量，相应地可保持汽水流程中各点温度的稳定。这样，就可以把直流锅炉单元机组受控对象简化为与汽包锅炉就可以把直流锅炉单元机组受控对象简化为与汽包锅炉机组相类似的双输入、双输出模型。机组相类似的双输入、双输出模型。4040图图图图.汽包锅炉与直流锅炉单元机组动态响应曲线比较汽包锅炉与直流锅炉单元机组动态响应曲线比较汽包锅炉与直流锅炉单元机组动态响应曲线比较汽包锅炉与直流锅炉单元机组动态响应曲线比较1 1 1 1汽包锅炉响应曲线；汽包锅炉响应曲线；汽包锅炉响应曲线；汽包锅炉响应曲线；2 2 2 2直流锅炉响应曲线直流锅炉响应曲线直流锅炉响应曲线直流锅炉响