Автоматическое регулирование перегрева пара должно обеспечить поддержание температуры перегретого пара в заданных пределах вне зависимости от нагрузки котельного агрегата. Для обеспечения надежной и экономичной работы котла и турбины отклонение температуры перегрева от номинального значения на котлах среднего и высокого давлений не должно превышать 10оС. При наличии автоматического регулирования эти отклонения могут быть снижены до температуры 5оС.
Необходимость достаточно точного поддержания температуры перегрева вызвана следующими причинами:
- металл труб котельного агрегата находится в особенно тяжелых условиях работы;
- повышение температуры выше допустимых значений может привести к аварии вследствие появления ползучести металла, повышенных тепловых расширений и ряда других причин;
- надежность работы турбины при повышении температуры пара ограничивается предельными тепловыми расширениями ее элементов;
- понижение температуры перегретого пара снижает экономичность работы котла и ТЭС в целом, кроме того, значительное понижение температуры пара перед турбоагрегатом приводит к недопустимому повышению влажности в последних ступенях турбины и эрозии лопаток, следствием чего оказывается увеличение удельного расхода пара, а в некоторых случаях и аварийный останов турбоагрегата.
Из условий прочности металла труб пароперегревателя, паропровода и турбины важно не только обеспечить поддержание температуры в заданных пределах, но и не допустить резких ее изменений.
Характеристики котла как объекта регулирования температуры перегрева пара. Для барабанного парового котла температура перегрева пара в установившемся режиме зависит от распределения общего восприятия тепла между испарительными поверхностями нагрева и пароперегревателями. Распределение это меняется как с изменением нагрузки котла, так и при прочих различных отклонениях эксплутационного режима - шлакования топки, загрязнения поверхностей нагрева, изменения температуры питательной воды, избытка воздуха, угрубления тонины помола пыли, нарушения работы сепарационных устройств.
Зависимость отклонения температуры перегрева пара от каждого из этих факторов в установившихся режимах характеризует статические свойства котельного агрегата, а законы изменения температуры во времени при различных возмущениях – динамические свойства.
Статические характеристики котла. Величина и направление отклонения температуры перегрева пара с изменением нагрузки котла определяется конструкцией пароперегревателя и местом расположения его по газовому тракту.
Для чисто конвективного пароперегревателя температура перегрева резко возрастает с увеличением нагрузки (кривая 1) (Рис. 12.8). Это объясняется тем, что при увеличении нагрузки возрастают объем, скорость и температура продуктов сгорания в газоходах котла и, следовательно, доля тепла, воспринятого конвективными поверхностями нагрева. Тепловосприятие радиационных поверхностей нагрева растет не пропорционально нагрузке (кривая 2), с повышением нагрузки оно изменяется незначительно и при увеличении расхода пара температура его снижается.
Пароперегреватель современного парового котла, расположенный непосредственно за фестоном, воспринимает тепло за счет конвекции и частично за счет радиации. Поэтому рост температуры перегрева пара с увеличением нагрузки значительно сокращается по сравнению с характеристикой чисто конвективного пароперегревателя и не превышает 20-30оС при полном диапазоне изменений нагрузок (кривая 3), т.е. характеристика пароперегревателя способствует поддержанию постоянной температуры, но обеспечить ее не может.
Рис. 12.8 Статическае характеристики пароперегревателя.
Динамические свойства пароперегревателя. Динамические свойства пароперегревателя определяются размерами его поверхностей нагрева, режимами работы и видом возмущения на пароперегреватель.
Нормальными для АСР температуры перегрева пара являются режимы изменения нагрузок от 60 до 100 % для пылеугольных котлов и 30-100 % для газомазутных котлоагрегатов.
Возможные нарушения эксплутационных режимов, вызывающие отклонение температуры перегрева, сводятся к трем основным типам возмущения на пароперегреватель:
- изменение теплосодержания пара на входе в пароперегреватель за счет изменения его температуры или влажности;
- изменение тепловосприятия пароперегревателя за счет изменения температуры или количества греющих газов;
- изменение расхода пара через пароперегреватель.
Особенностью динамических характеристик пароперегревателя при любых возмущениях является наличие запаздывания изменения температуры пара при выходе из пароперегревателя после поступления возмущающего воздействия (рис 12.9).
Рис. 12.9 Динамическая характеристика пароперегревателя.
Наиболее значительно запаздывание при возмущении теплосодержанием пара на входе в пароперегреватель. В зависимости от типа котла емкостное запаздывание может колебаться от 27 до 85 с. Запаздывание объясняется тем, что при снижении температуры пара первые порции охлажденного пара, поступающего в пароперегреватель, нагреваются не только за счет переданного от газов тепла, но и частично за счет тепла, аккумулированного металлом труб пароперегревателя. Время запаздывания τ и время разгона Та тем больше, чем больше толщина стенки и длина труб пароперегревателя.
При других видах возмущений время запаздывания на порядок меньше и динамические характеристики пароперегревателя близки по своему виду и характеру изменения температуры перегрева пара.
Автоматическая система регулирования температуры перегрева пара предназначена для поддержания заданного температурного режима в паровом тракте котла. С этой целью весь паровой тракт котельного агрегата разбивается на ряд участков. На выходе каждого из них должно поддерживаться заданное значение температуры, определенное заводом-изготовителем или наладочной организацией.
АСР температуры перегрева пара должна гарантировать в регулировочном диапазоне работы котельного агрегата:
- устойчивую работу автоматических регуляторов (отсутствие автоколебаний);
- ограниченную частоту включения регуляторов, которая при постоянной нагрузке не должна превышать шесть включений в минуту;
- поддержание заданного значения температуры перегрева пара при выходе из котла при номинальной нагрузке с максимальным отклонением менее 1 % номинального значения температуры;
- максимальное отклонение температуры при переходных режимах - 8оС – для температуры свежего пара, 10ºС – для температуры пара промежуточного перегрева.
Методы регулирования температуры перегрева пара. Существуют три метода регулирования температуры перегрева пара: смешивания, поверхностного охлаждения и изменения теплового воздействия на пароперегреватель. При регулировании температуры перегрева пара смешиванием в пар впрыскивается питательная вода или конденсат (турбины или собственный), либо вводится пар с меньшей энтальпией.
Принцип действия впрыскивающего пароохладителя основан на изменении энтальпии частично перегретого пара за счет теплоты, отбираемый от него на испарение охладителя, впрыскиваемого в паровой тракт пароперегревателя. Регулирование температуры пара при выходе из пароперегревателя осуществляется изменением количества впрыскиваемого охладителя. За счет этого изменяется температура пара при выходе из пароперегревателя.
Впрыскивающие пароохладители устанавливаются в одном из промежуточных сечений пароперегревателя. Стремление получить хорошее качество регулирования температуры пара и обеспечить надежность металла поверхностей нагрева пароперегревателя привело к применению нескольких впрысков. Чаще всего ограничиваются двумя, так чтобы приращение энтальпии пара в пакете пароперегревателя за впрыском составляло100-200 кДж/кг. Последний по ходу пара впрыск является основным, регулирующим температуру первичного пара.
На рис. 12.10 приведены схемы регулирования температуры перегрева пара методом смешивания путем впрыска питательной воды (а), забираемой из питательной магистрали, собственного конденсата котла, получаемого из насыщенного пара (б) и конденсата турбины (в), подаваемого на впрыск плунжерным насосом.
Схема впрыска (рис. 12.10,а) применяется, когда солесодержание питательной воды не превышает нормы, допустимой по условиям работы котла. Получение собственного конденсата на котлах обеспечивается за счет перепада давления между барабаном котла и местами впрыска (рис. 12.10, б). Часть насыщенного пара из барабана поступает в конденсатор (7), где пар конденсируется за счет отдачи тепла питательной воде после экономайзера. Конденсат стекает в конденсатосборник (8) и поступает на впрыск к регулирующим клапанам (6).
Собственный конденсат содержит меньше солей, чем питательная вода, давление в линии конденсата не зависит от изменения давления на напоре питательного насоса.
Рис. 12.10 Схемы впрыскивающего пароохлаждения.
1- экономайзер, 2-барабан котла, 3-первая (радиационная) ступень пароперегревателя, 4-вторая (конвективная) ступень пароперегревателя, 5-впрыскивающие пароохладители, 6-регулировочные клапаны впрыска, 7- конденсатор, 8-конденсатосборник, 9-плунжерный насос, Dпв - расход питательной воды, Dск - расход собственного конденсата, Dкт - расход конденсата турбины, tпп – температура перегретого пара.
Благоприятным является фактор саморегулирования температуры при изменении нагрузки котла, в лучших условиях работают регулировочные клапаны, но недостатком этого метода является необходимость создания специальной установки для приготовления собственного конденсата и уменьшение располагаемого перепада давлений на клапане впрыска с уменьшением нагрузки котла. При наличии установок для получения конденсата резервным является впрыск питательной водой.
В целом впрыскивающие пароохладители находят наибольшее применение, т.к. они обладают хорошими динамическими свойствами - практическим отсутствием запаздывания и малой инерционностью в регулировании температуры.
Схема впрыскивающего пароохладителя (рис.12.10,в) применяется при отсутствии на котлах установки для приготовления собственного конденсата, а также когда использование для впрыска питательной воды недопустимо. Конденсат для впрыска подается к пароохладителям плунжерным насосом (9).
Регулирование температуры перегрева пара путем смешивания пара с различной энтальпией (байпасирование) применяется в основном при промежуточном перегреве пара.
При поверхностном охлаждении (рис. 12.11,а) регулирование температуры перегрева пара осуществляется количеством воды, подаваемой в поверхностный пароохладитель. Этот метод применяется для регулирования температуры пара в барабанных котлах среднего и высокого давления в тех случаях, когда нельзя использовать для впрыска питательную воду из-за ее повышенного солесодержания, а установки для приготовления собственного конденсата отсутствуют.
Рис. 12.11 Схемы регулирования температуры перегрева пара.
а) поверхностным охладителем, б) изменением теплового воздействия. ПО – пароохладитель, ПП – пароперегреватель, DП – расход пара, Dв – расход воды, Dг – количество газов, t1, t2 – температура пара на входе и выходе, tв – температура воды, tг – температура газов.
В сравнении с впрыскивающими поверхностные пароохладители имеют большую инерционность и конструктивно сложнее. В паротурбинных энергоблоках эта схема не применяется.
При газовом регулировании температуры перегрева пара (рис. 12.11,б) изменение теплового восприятия поверхностями нагрева пароперегревателя (ПП) выполняется либо изменением расхода дымовых газов, омывающих пароперегреватель, либо рециркуляцией дымовых газов, или перераспределением дымовых газов по газоходам.
Первый вариант реализуется поворотом горелок или переключением горелок при многоярусном их расположении. При втором варианте часть дымовых газов из конвективной шахты котла специальным дымососом возвращается в топку.
В третьем варианте схема регулирования температуры реализуется с помощью регулирующих заслонок для дымовых газов, проходящих через газоход, в котором расположен пароперегреватель.
Недостатками схем газового регулирования является большая инерционность, кроме того, регулирующие заслонки работают в тяжелых температурных условиях. В целом газовое регулирование температуры перегрева пара реализуется в сочетании с впрыском.
Схема автоматического регулирования температуры перегрева пара с применением впрыскивающих пароохладителей. Из всего разнообразия методов регулирования температуры перегрева пара наибольшее применение получил метод смешивания. Общепринятой служит схема АСР, в которой регулятор температуры перегрева пара получает основной сигнал по отклонению температуры пара при выходе из пароперегревателя и дополнительный – пропорциональный скорости изменения температуры пара в промежуточной точке непосредственно за впрыском (Рис. 12.12).
Пароперегреватель имеет два самостоятельных потока пара. В каждом из них установлен пароохладитель впрыскивающего типа. Из-за тепловых перекосов по ширине газохода котла температура пара в потоках пароперегревателя может изменяться неодинаково, поэтому работой каждого пароохладителя управляет свой регулятор.
Сигналы по изменению температуры за ступенями пароперегревателя θ1 и θ2 и скорости изменения температуры пара за впрыском 
и 
поступают к регулятору (7), далее на исполнительные механизмы (8). Клапаны впрыска (9), жестко связанные с исполнительными механизмами, изменяют расход охладителя.
Чтобы исключить влияние на работу АСР температуры перегрева пара колебаний тепловосприятие второй ступени пароперегревателя, на вход регулятора впрыска первой ступени подают сигнал «люфт» от регулятора впрыска второй ступени. Сигнал «люфт» поступает лишь в случае, когда регулирующий клапан впрыска второй ступени пароперегревателя займет положение близкое к полному открытию, примерно 85 % полного хода. При этом подается сигнал на увеличение открытия клапана первого впрыска, что позволяет ввести второй впрыск в диапазон регулирования.
Рис. 12.12Принципиальная схема автоматического регулирования температуры перегрева пара.
1 – экономайзер, 2 – барабан котла, 3 – первая (радиационная) ступень пароперегревателя, 4 – вторая (конвективная) ступень пароперегревателя, 5 – впрыскивающий пароохладитель, 6 – дифференциаторы, 7 – регуляторы, 8 – исполнительные механизмы, 9 – клапаны впрыска. Dпв – расход питательной воды, Dпп – расход перегретого пара, Dв – расход воды на впрыск, θ1, θ2 – температуры пара за первой и второй ступенью пароперегревателя, , – скорость изменения температуры пара после первого и второго впрыска.
В элементный состав АСР температуры перегрева входят: датчики температуры (термопары), дифференциаторы, пропорционально-интегральные регуляторы, регулировочные клапаны – игольчатые, скальчатые, поворотные или шиберные. Последние выгодно отличаются от клапанов других типов отсутствием заедания, малым нерегулируемым пропуском, большими допустимыми перепадами давления (до 5 МПа).
Расход охладителя на впрыск составляет 5-6 % от расхода питательной воды на котел.
