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摘 要：本文分别介绍了直流锅炉的特点，以及直流锅炉的动态特性，为直流锅炉的进一步研究工作奠定基础。
关键词：直流锅炉；特点；动态特性
在我国，火电行业是绝对的耗能大户，也是污染大户，并且能源利用率明显低于国际先进水平。在火电锅炉控制系统中推广先进控制技术对企业节能和环境保护都有重要意义，但因种种原因所致，国内火电行业先进控制实际成功应用并不多。因此本文对直流锅炉特点及动态特性进行了分析。
1 直流锅炉的特点
直流锅炉的汽水通道的给水从受热面一端进入，在给水泵压头的作用下，从另一端排出。在流动过程中吸收热量，给水变成饱和蒸汽，再变成过热蒸汽。在这一过程中，加热、蒸发、过热三个热交换过程顺序发生，被加热的工质一次通过受热面，全部蒸发完毕。它具有如下特点：
1.1加热区、蒸发区和过热区之间没有固定的分界线，任何一种扰动都会使假想的分界线前移或后移，导致主要被调参数变化。例如：当燃料量增加时，蒸发区和过热区界线向前移动，而当给水流量增加时，蒸发区和过热区的界线向后移动。这些变化都会使分离器出口的蒸汽焓值、蒸汽量、汽压、汽温变化。
1.2直流锅炉没有汽包，锅炉水容积小，蓄热能力低，在受到外界扰动时，自行保持负荷及参数的能力差，对扰动敏感。
1.3直流锅炉在运行中，稳态时燃烧率和给水量必须保持一定比例，瞬态时也必须限制在一定范围内。在稳态时，燃烧率和给水量比值的任何偏离都会使汽温发生变化。一般对于高压直流锅炉来讲，燃烧率和给水量比例变化1%，将使过热汽温变化10℃。因此，直流锅炉调节汽温的主要手段是保持燃烧率和给水量之比恒定。
2 直流锅炉的动态特性
直流锅炉是一个多输入多输出的复杂控制对象，锅炉的燃烧率、给水流量、汽轮机调节汽门开度的变化都会直接影响主汽压力和主汽温度的稳定。下面给出这几个扰动下直流锅炉的动态特性。
2.1燃烧率扰动 正常运行时，进入炉膛的燃料量与风量必须成适当的比例，该比例称为锅炉的燃烧率。由于燃料是由一次风吹进炉膛的，所以燃烧率可用燃料量口代替。燃烧率扰动时，主蒸汽压力P、主蒸汽流量D和过热汽温θ的过渡过程可用曲线表示。
其它条件保持不变，仅燃料量B阶跃增加时，蒸发量在短暂延迟后先上升后下降，最后稳定与给水量保持平衡。因为在扰动开始时炉内热负荷变化，加热段逐步缩短，蒸发段蒸发出更多的饱和蒸汽，使蒸汽流量D增大。当蒸发段和加热段变化到与燃料量相适应时，过热蒸汽流量D重新与给水量相等，蒸汽流量D趋于稳定。
燃料量增加，加热段和蒸发段缩短，过热段加长，必然引起过热汽温升高。但在过渡过程的初始阶段，由于燃料量传输和燃烧延迟，以及过热器管壁金属储热所起的延缓作用，过热汽温经过一段时间延迟后才逐渐上升。当燃料燃烧的发热量与蒸汽带走的热量平衡时.过热汽温最终趋于稳定。
主蒸汽压力在短暂延迟后逐渐上升，最后稳定在较高水平。最初的上升是由于蒸发量的增大，后来压力上升是因汽温升高、蒸汽容积增大而汽轮机调节阀门开度不变所致。
2.2给水流量扰动 给水流量形扰动时，各参数过渡过程可用曲线表示。其它条件保持不变，给水流量W阶跃增加时，由于受热面热负荷未变化，故开始时锅炉的加热段和蒸发段都要伸长，从而推出部分蒸汽，使蒸汽流量增加，最终等于给水流量。主蒸汽压力开始时由于给水压力的提高和蒸汽流量增加而提高，但后来由于过热汽温和容积流量的下降而有所下降。实际蒸汽的容积流量比扰动前增加不多，所以主汽压力保持在比初始值稍高的水平。随着蒸汽流量的逐渐增大和过热段的减小，过热汽温逐渐降低。但在汽温降低时金属放出蓄热，对气温变化速度有一定的减缓作用。
当给水流量扰动时，蒸发量、汽温和汽压的变化都存在延迟。这是因为自扰动开始，给水从入口流动到加热段末段需要一定的时间，因而蒸发量产生迟延，蒸发量迟延又引起汽压和汽温的迟延。
2.3负荷扰动 外界负荷需求变化一般是通过汽轮机调节汽门开度的变化来反映的，在调节汽门开度的扰动下，主蒸汽压力、主蒸汽流量、过热汽温的过渡过程曲线可用图表示。
保持其它条件不变，当汽轮机调节汽门阶跃开大时，蒸汽流量立即增加，过热器出口压力P开始有较大的下降趋势，随着汽压下降、饱和温度下降，金属释放蓄热，产生附加蒸发量，抑制汽压下降。随后，蒸汽流量因汽压降低而逐渐减少，最终与给水量相等，保持平衡，同时汽压降低速度也趋缓，最后达到稳定值。
调节汽门开大减小了汽轮机侧的流动阻力，主蒸汽压力稳定在较扰动前低的水平上。若燃料量和给水流量未变，过热蒸汽的焓值未变，过热汽温随压力下降会略有下降。
从上述的分析可以看出：①单独改变燃烧率或给水流量，动态过程中汽温、汽压、蒸汽流量都有显著变化，尤其是汽温的变化更加突出。因此，變负荷过程中，给水量必须与燃料量保持适当比例协调动作。②负荷扰动时，汽压的变化没有迟延，且变化幅度较大，这是因为直流锅炉没有汽包，蓄热能力小的缘故。③过热汽温对燃料量和给水量扰动都有很大迟延，为了稳定汽温，必须有提前反应燃料量和给水量扰动的汽温信号。一般选择汽水分离器出口蒸汽温度作为中间点温度，以此作为燃水比校正依据。燃水比例变化后，中间点汽温变化的迟延比过热蒸汽温度变化的迟延要小很多，这对于稳定过热汽温，提高锅炉调节过程品质非常重要。
关键词：直流锅炉；特点；动态特性
在我国，火电行业是绝对的耗能大户，也是污染大户，并且能源利用率明显低于国际先进水平。在火电锅炉控制系统中推广先进控制技术对企业节能和环境保护都有重要意义，但因种种原因所致，国内火电行业先进控制实际成功应用并不多。因此本文对直流锅炉特点及动态特性进行了分析。
1 直流锅炉的特点
直流锅炉的汽水通道的给水从受热面一端进入，在给水泵压头的作用下，从另一端排出。在流动过程中吸收热量，给水变成饱和蒸汽，再变成过热蒸汽。在这一过程中，加热、蒸发、过热三个热交换过程顺序发生，被加热的工质一次通过受热面，全部蒸发完毕。它具有如下特点：
1.1加热区、蒸发区和过热区之间没有固定的分界线，任何一种扰动都会使假想的分界线前移或后移，导致主要被调参数变化。例如：当燃料量增加时，蒸发区和过热区界线向前移动，而当给水流量增加时，蒸发区和过热区的界线向后移动。这些变化都会使分离器出口的蒸汽焓值、蒸汽量、汽压、汽温变化。
1.2直流锅炉没有汽包，锅炉水容积小，蓄热能力低，在受到外界扰动时，自行保持负荷及参数的能力差，对扰动敏感。
1.3直流锅炉在运行中，稳态时燃烧率和给水量必须保持一定比例，瞬态时也必须限制在一定范围内。在稳态时，燃烧率和给水量比值的任何偏离都会使汽温发生变化。一般对于高压直流锅炉来讲，燃烧率和给水量比例变化1%，将使过热汽温变化10℃。因此，直流锅炉调节汽温的主要手段是保持燃烧率和给水量之比恒定。
2 直流锅炉的动态特性
直流锅炉是一个多输入多输出的复杂控制对象，锅炉的燃烧率、给水流量、汽轮机调节汽门开度的变化都会直接影响主汽压力和主汽温度的稳定。下面给出这几个扰动下直流锅炉的动态特性。
2.1燃烧率扰动 正常运行时，进入炉膛的燃料量与风量必须成适当的比例，该比例称为锅炉的燃烧率。由于燃料是由一次风吹进炉膛的，所以燃烧率可用燃料量口代替。燃烧率扰动时，主蒸汽压力P、主蒸汽流量D和过热汽温θ的过渡过程可用曲线表示。
其它条件保持不变，仅燃料量B阶跃增加时，蒸发量在短暂延迟后先上升后下降，最后稳定与给水量保持平衡。因为在扰动开始时炉内热负荷变化，加热段逐步缩短，蒸发段蒸发出更多的饱和蒸汽，使蒸汽流量D增大。当蒸发段和加热段变化到与燃料量相适应时，过热蒸汽流量D重新与给水量相等，蒸汽流量D趋于稳定。
燃料量增加，加热段和蒸发段缩短，过热段加长，必然引起过热汽温升高。但在过渡过程的初始阶段，由于燃料量传输和燃烧延迟，以及过热器管壁金属储热所起的延缓作用，过热汽温经过一段时间延迟后才逐渐上升。当燃料燃烧的发热量与蒸汽带走的热量平衡时.过热汽温最终趋于稳定。
主蒸汽压力在短暂延迟后逐渐上升，最后稳定在较高水平。最初的上升是由于蒸发量的增大，后来压力上升是因汽温升高、蒸汽容积增大而汽轮机调节阀门开度不变所致。
2.2给水流量扰动 给水流量形扰动时，各参数过渡过程可用曲线表示。其它条件保持不变，给水流量W阶跃增加时，由于受热面热负荷未变化，故开始时锅炉的加热段和蒸发段都要伸长，从而推出部分蒸汽，使蒸汽流量增加，最终等于给水流量。主蒸汽压力开始时由于给水压力的提高和蒸汽流量增加而提高，但后来由于过热汽温和容积流量的下降而有所下降。实际蒸汽的容积流量比扰动前增加不多，所以主汽压力保持在比初始值稍高的水平。随着蒸汽流量的逐渐增大和过热段的减小，过热汽温逐渐降低。但在汽温降低时金属放出蓄热，对气温变化速度有一定的减缓作用。
当给水流量扰动时，蒸发量、汽温和汽压的变化都存在延迟。这是因为自扰动开始，给水从入口流动到加热段末段需要一定的时间，因而蒸发量产生迟延，蒸发量迟延又引起汽压和汽温的迟延。
2.3负荷扰动 外界负荷需求变化一般是通过汽轮机调节汽门开度的变化来反映的，在调节汽门开度的扰动下，主蒸汽压力、主蒸汽流量、过热汽温的过渡过程曲线可用图表示。
保持其它条件不变，当汽轮机调节汽门阶跃开大时，蒸汽流量立即增加，过热器出口压力P开始有较大的下降趋势，随着汽压下降、饱和温度下降，金属释放蓄热，产生附加蒸发量，抑制汽压下降。随后，蒸汽流量因汽压降低而逐渐减少，最终与给水量相等，保持平衡，同时汽压降低速度也趋缓，最后达到稳定值。
调节汽门开大减小了汽轮机侧的流动阻力，主蒸汽压力稳定在较扰动前低的水平上。若燃料量和给水流量未变，过热蒸汽的焓值未变，过热汽温随压力下降会略有下降。
从上述的分析可以看出：①单独改变燃烧率或给水流量，动态过程中汽温、汽压、蒸汽流量都有显著变化，尤其是汽温的变化更加突出。因此，變负荷过程中，给水量必须与燃料量保持适当比例协调动作。②负荷扰动时，汽压的变化没有迟延，且变化幅度较大，这是因为直流锅炉没有汽包，蓄热能力小的缘故。③过热汽温对燃料量和给水量扰动都有很大迟延，为了稳定汽温，必须有提前反应燃料量和给水量扰动的汽温信号。一般选择汽水分离器出口蒸汽温度作为中间点温度，以此作为燃水比校正依据。燃水比例变化后，中间点汽温变化的迟延比过热蒸汽温度变化的迟延要小很多，这对于稳定过热汽温，提高锅炉调节过程品质非常重要。