曹美杰，陳德磊，汪明宇

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

引言

某沿海鋼廠自備電廠為2×300 MW 機組鍋爐為大型亞臨界鍋爐，空氣預(yù)熱器作為鍋爐的主要部件之一，采用的是容克式三分倉回轉(zhuǎn)蓄熱式預(yù)熱器，該空預(yù)器的基本結(jié)構(gòu)是一個裝滿蓄熱元件的巨型轉(zhuǎn)子，通過使蓄熱元件交替通過煙道和風(fēng)道將煙氣中的余熱傳遞給助燃空氣，對鍋爐熱能利用效率和發(fā)電煤耗指標(biāo)有重要影響。該電廠鍋爐空氣預(yù)熱器目前采用的密封形式是固定式密封，正常運行過程中存在漏風(fēng)率大、電流波動大、且運行不穩(wěn)定的情況。因此，需要針對此問題制定改造措施，根據(jù)實時運行工況實現(xiàn)鍋爐空預(yù)器上部徑向密封間隙自動控制調(diào)節(jié)，這對降低鍋爐空預(yù)器漏風(fēng)率、提高熱能利用效率和發(fā)電效益具有重要意義。

1 鍋爐空預(yù)器主體結(jié)構(gòu)及運行介質(zhì)

1.1 鍋爐空預(yù)器主體結(jié)構(gòu)

鍋爐空預(yù)器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該空預(yù)器為容克式三分倉回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，主要由裝滿蓄熱元件的空預(yù)器轉(zhuǎn)子、電機、徑向扇形密封板、轉(zhuǎn)子軸向徑向密封片、圓周密封板、外部殼體等部件組成。高溫?zé)煔馔ㄟ^省煤器和脫硝系統(tǒng)后流經(jīng)空預(yù)器轉(zhuǎn)子，將熱量釋放給蓄熱元件，蓄熱元件通過電機驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到空氣側(cè)（一次冷風(fēng)和二次冷風(fēng)），蓄熱元件在空氣側(cè)將在煙氣中側(cè)得到的熱量釋放給冷空氣，如此周而復(fù)始的循環(huán)，實現(xiàn)煙氣與空氣的熱交換，使一次冷風(fēng)和二次冷風(fēng)溫度達(dá)到工藝要求。

圖1 鍋爐空預(yù)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 空預(yù)器運行介質(zhì)流程

空預(yù)器一次風(fēng)和二次風(fēng)工藝流程如圖2 所示。一次風(fēng)和二次風(fēng)經(jīng)過相應(yīng)暖風(fēng)器調(diào)整，確保進(jìn)入空預(yù)器溫度為30℃，經(jīng)過空預(yù)器預(yù)熱達(dá)到360 ℃后，一次風(fēng)輸出到磨煤制粉系統(tǒng)，為鍋爐提供穩(wěn)定且符合工藝溫度要求的風(fēng)粉混合物，二次風(fēng)輸出到鍋爐二次風(fēng)風(fēng)箱，為鍋爐爐膛提供穩(wěn)定且符合工藝溫度要求的助燃風(fēng)，確保鍋爐內(nèi)燃燒介質(zhì)充分穩(wěn)定燃燒，提高燃燒和能量利用效率。爐膛煙氣高溫?zé)煔饨?jīng)過空預(yù)器后降到130 ℃以下，然后經(jīng)過除塵和脫硫處理后確保煙氣達(dá)標(biāo)排放。

圖2 鍋爐空預(yù)器一次風(fēng)和二次風(fēng)流程

2 空預(yù)器密封間隙控制系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

2.1 空預(yù)器目前存在的問題及影響

容克式空氣預(yù)熱器因其卓越的性能目前已經(jīng)成為主流的空氣預(yù)熱器形式，但是該類型空預(yù)器存在一個特殊的漏風(fēng)問題，這就使部分空氣直接泄露進(jìn)煙道造成能源熱量的損失?？諝忸A(yù)熱器的漏風(fēng)可以分為徑向漏風(fēng)、周向漏風(fēng)和攜帶漏風(fēng)，而徑向漏風(fēng)包括上部徑向漏風(fēng)和下部徑向漏風(fēng)。由于空預(yù)器轉(zhuǎn)子工作時下部溫度低上部溫度高，中間溫度高四周溫度低，致使空預(yù)器轉(zhuǎn)子在正常工況下呈現(xiàn)一種特殊的“蘑菇狀”變形，如圖3 所示?？諝忸A(yù)熱器下部徑向變形泄露的是冷風(fēng)，一般采取預(yù)留間隙的方法；但是上部變形間隙是隨負(fù)荷增大而增大的，這是與高負(fù)荷下需要更大送風(fēng)量的要求相矛盾的，而且上部扇形板泄露的是經(jīng)過預(yù)熱后的熱風(fēng)，熱風(fēng)的大量泄露將直接降低鍋爐的燃燒效率，增加煤耗，造成能源的浪費和發(fā)電成本的提高［1］。因此亟需采取技術(shù)措施解決此問題缺陷，確保鍋爐發(fā)電機組高效穩(wěn)定運行。

圖3 空預(yù)器轉(zhuǎn)子“蘑菇狀”變形圖

2.2 徑向密封間隙設(shè)備改造優(yōu)化

根據(jù)以上分析，由于空氣預(yù)熱器在熱態(tài)運行時產(chǎn)生蘑菇形變形，造成空氣預(yù)熱器上部徑向間隙熱風(fēng)漏風(fēng)率高、引風(fēng)機電流過大，嚴(yán)重時會影響到機組運行負(fù)荷，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失，所以鍋爐空預(yù)器在正常負(fù)荷工況下上部徑向密封間隙的漏風(fēng)就是問題的關(guān)鍵。為了解決該問題，需要對上部徑向密封形式進(jìn)行改造優(yōu)化，即將原來的上部固定式扇形密封板改造為活動式扇形密封板，如圖4所示，活動式扇形密封板通過調(diào)節(jié)桿與電動執(zhí)行器連接后可為扇形板徑向密封間隙的實時跟蹤調(diào)整和自動控制調(diào)節(jié)創(chuàng)造條件，這對降低空預(yù)器熱風(fēng)漏風(fēng)率和提高鍋爐熱效率具有重要意義。

圖4 空預(yù)器上部徑向密封間隙結(jié)構(gòu)改造優(yōu)化示意圖

2.3 密封間隙控制系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

空預(yù)器上部密封間隙機械結(jié)構(gòu)改造優(yōu)化后，可結(jié)合實際工藝情況和設(shè)備配置情況進(jìn)行相應(yīng)的控制系統(tǒng)設(shè)計改造和實現(xiàn)。間隙控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)是減少電廠鍋爐空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率、實現(xiàn)機組節(jié)能降耗的關(guān)鍵，其控制不是簡單的機構(gòu)上下調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而是涉及整個機組運行安全和有效減少漏風(fēng)的綜合優(yōu)化智能控制系統(tǒng)。

2.3.1 密封間隙自動控制原理

（1）通過渦流式間隙測量傳感器和PLC 控制系統(tǒng)實現(xiàn)空預(yù)器徑向密封間隙的測量和自動控制調(diào)節(jié)。圖5 為自動控制原理框圖，渦流式間隙測量傳感器測量精度高，該傳感器安裝在每臺空預(yù)器內(nèi)部三套扇形板位置，可將間隙的測量值通過變送器轉(zhuǎn)換為4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號傳輸給PLC 控制系統(tǒng)，PLC 控制系統(tǒng)按照設(shè)定周期采集間隙測量值，并通過比較選擇三套扇形板的間隙測量最小值，將該最小間隙測量反饋值與密封間隙目標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行比較計算誤差后，由控制器計算程序根據(jù)誤差值、電動執(zhí)行器拖動扇形板位移速度等已知量分析計算出扇形板位移時間和方向，然后通過D/A 轉(zhuǎn)換器向現(xiàn)場電動執(zhí)行器發(fā)出動作時間和方向控制調(diào)節(jié)指令，電動執(zhí)行器按照程序控制指令通過傳動裝置調(diào)節(jié)密封扇形板位置，從而實現(xiàn)空預(yù)器徑向密封間隙的自動控制和調(diào)節(jié)，確保密封間隙實際值維持在設(shè)定目標(biāo)值范圍之內(nèi)。

圖5 間隙自動控制原理框圖1

（2）通過激光測距儀、絕對位移測量裝置和PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)空預(yù)器徑向密封間隙的測量和自動控制調(diào)節(jié)，自動控制原理框圖如圖6 所示。將正常冷態(tài)情況下激光測距儀測定的轉(zhuǎn)子位移量設(shè)定為0，鍋爐在正常熱負(fù)荷狀態(tài)下空預(yù)器轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生變形，三套扇形板位置安裝的激光測距儀測得變形量后，由控制系統(tǒng)采集并選擇變形量最小值與三套位移傳感器反饋的位移最大值進(jìn)行比較計算誤差值后，由控制器計算程序根據(jù)誤差值、電動執(zhí)行器拖動扇形板位移速度等已知量分析計算出扇形板位移時間和方向，然后通過D/A 轉(zhuǎn)換器向現(xiàn)場電動執(zhí)行器發(fā)出動作時間和方向控制調(diào)節(jié)指令，電動執(zhí)行器按照程序控制指令通過傳動裝置調(diào)節(jié)密封扇形板位置，從而實現(xiàn)空預(yù)器徑向密封間隙的自動控制和調(diào)節(jié)，確保扇形板與轉(zhuǎn)子徑向密封片的間隙在最佳設(shè)定目標(biāo)值范圍之內(nèi)，在確保設(shè)備安全運行的前提下確保漏風(fēng)率達(dá)到最小。

圖6 間隙自動控制原理框圖2

2.3.2 密封間隙控制系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計方案和現(xiàn)場控制測點數(shù)量，做好PLC 控制系統(tǒng)硬件選型配置和控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖設(shè)計，為控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供保證。PLC 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖如圖7 所示，PLC 控制系統(tǒng)選用的是西門子S7-1500和S7-200硬軟件系統(tǒng)，

圖7 PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖

并可通過觸摸屏實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控和操作。其中，西門子S7-1500PLC 控制系統(tǒng)配置主要包括導(dǎo)軌、電源、CPU 及I/O 信號模塊，它具有高可靠性、高精度和實時性，其功能包括了數(shù)據(jù)采集、信號處理和通信等，可以簡單實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，適應(yīng)了現(xiàn)代工業(yè)控制發(fā)展需求［2］?？刂票Ｗo需要的空預(yù)器電機電流、鍋爐負(fù)荷信號由電廠DCS 系統(tǒng)通過信號電纜輸入S7-1500 控制系統(tǒng)，同時電廠集控室也可實現(xiàn)對空預(yù)器運行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控；渦流式間隙測量儀表、絕對位移測量儀表、扇形板電動執(zhí)行器通過S7-1500 信號模塊實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)的采集和控制；AB 空預(yù)器的6 臺激光測距儀通過串口通接入S7-200 控制系統(tǒng)，空預(yù)器冷端和熱端的熱電阻熱電偶測得的溫度數(shù)據(jù)通過信號電纜傳入S7-200控制系統(tǒng)，最終所有儀表測量數(shù)據(jù)全部可傳輸?shù)絊7-1500系統(tǒng)。該PLC控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、維護方便的優(yōu)點，尤其是渦流式間隙測量傳感器選用了耐高溫、耐腐蝕、高精度的傳感器設(shè)備，這都為空預(yù)器徑向間隙自動調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)的實現(xiàn)和長期安全高效穩(wěn)定運行提供了保證。

2.3.3 密封間隙控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

（1）通過渦流式間隙測量傳感器和PLC 控制系統(tǒng)實現(xiàn)空預(yù)器徑向密封間隙自動控制調(diào)節(jié)的方案：在空預(yù)器內(nèi)部三個扇形板位置安裝渦流式間隙測量傳感器及變送器，實現(xiàn)空預(yù)器上部徑向間隙的實時測量，PLC 控制系統(tǒng)對空預(yù)器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的間隙信號進(jìn)行實時測量從3個值中找出最小值作為實際測量反饋值，將實際測量最小值與間隙給定目標(biāo)值進(jìn)行比較，得出誤差信號后經(jīng)過控制器程序發(fā)出控制信號給扇形板執(zhí)行器，電動執(zhí)行器按照控制器給的動作時間和方向指令通過調(diào)節(jié)扇形板上下動作使密封間隙值維持在正常狀態(tài)值，系統(tǒng)每60 s 根據(jù)測量的間隙最小值進(jìn)行一次自動調(diào)節(jié)；當(dāng)測量值在給定目標(biāo)值上下0.5 mm 時，被視為在正常狀態(tài)值范圍之內(nèi)，組態(tài)監(jiān)控畫面如圖8所示。

圖8 密封間隙測量和控制組態(tài)畫面

例如如果間隙設(shè)定值為5 mm，間隙偏差值設(shè)定為1 mm，電渦流采樣值為7.5 mm，7.3 mm，7 mm 時，則此時認(rèn)為間隙大，系統(tǒng)會控制扇形板下行，下行距離為最小的間隙采樣值與設(shè)定值的誤差值，本例為7-5=2 mm，該2 mm 由控制器程序根據(jù)電動執(zhí)行器拖動扇形板位移速度可算出電動執(zhí)行器的電機動作時間，扇形板按照程序指令時間進(jìn)行調(diào)整動作即可。同時，控制系統(tǒng)還采取了防干擾技術(shù)措施，通過比較計算可有效避免因干擾信號而導(dǎo)致的無效動作，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，減小機械機構(gòu)的磨損，延長了機構(gòu)的使用壽命。

（2）通過激光測距儀、絕對位移測量裝置和PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)空預(yù)器徑向密封間隙自動控制調(diào)節(jié)的方案：每臺空預(yù)器設(shè)計安裝了3 套（對應(yīng)3 套扇形板裝置）激光測距儀，可實現(xiàn)對空預(yù)器轉(zhuǎn)子在正常熱負(fù)荷工況下轉(zhuǎn)子上部因熱脹產(chǎn)生的變形量的檢測監(jiān)控，組態(tài)監(jiān)控畫面如圖9 所示，每臺空預(yù)器的3套激光轉(zhuǎn)子變形檢測傳感器通過串口通信將各扇形板處轉(zhuǎn)子實際變形量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確實時傳送到PLC控制系統(tǒng)，作為扇形板執(zhí)行器位移量調(diào)節(jié)的依據(jù)；而根據(jù)扇形板執(zhí)行機構(gòu)安裝的具體形式，還設(shè)計安裝了絕對位移檢測機構(gòu)，用于精確檢測扇形板的實際位移量和實際位置，并通過變送器將各扇形板的實際位置和位移量反饋到PLC 控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)按照控制采樣周期選取3 個位移量最大值與3 個激光測距儀測得的變形量最小值對比計算誤差，然后控制器程序?qū)φ`差值進(jìn)行計算處理發(fā)出位移方向和時間指令，實現(xiàn)閉環(huán)控制，確保扇形板能夠根據(jù)轉(zhuǎn)子變形情況實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)，系統(tǒng)依然是每60 s 根據(jù)測量的變形量最小值進(jìn)行一次自動調(diào)節(jié)；該控制方案也可作為空預(yù)器徑向密封間隙自動調(diào)節(jié)的冗余備用控制方式，消除了渦流式間隙測量裝置一旦發(fā)生故障無法在線處理影響空預(yù)器正常運行的隱患。

圖9 轉(zhuǎn)子變形位移測量和控制組態(tài)畫面

（3）系統(tǒng)聯(lián)鎖保護方案：在實現(xiàn)空預(yù)器徑向密封間隙自動控制調(diào)節(jié)的同時，還要制定聯(lián)鎖保護方案，保證生產(chǎn)和設(shè)備運行安全。該系統(tǒng)主要設(shè)計有主電機電流過載、轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)、電渦流傳感器故障保護等。當(dāng)電機實際電流超過電流保護定值時，觸發(fā)電流過載保護，則電機停止運行，扇形板開始上行，直到電流過載信號消失為止，然后系統(tǒng)再重新進(jìn)行自動檢測功能；當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于設(shè)定最小轉(zhuǎn)速值時，則觸發(fā)停轉(zhuǎn)聯(lián)鎖保護，扇形板將依次提高至上限并禁止自動下放，停轉(zhuǎn)信號消失后才可以進(jìn)行其他操作；當(dāng)檢測到渦流傳感器故障信號時，則系統(tǒng)會退出自動運行模式，此時可轉(zhuǎn)為其他自動運行模式或手動控制運行模式，確保設(shè)備和生產(chǎn)運行安全。

3 效果分析

該改造項目完成后，在正常負(fù)荷下對2#鍋爐空預(yù)器漏風(fēng)率做了試驗測試，所用的煙氣分析儀表儀器均在使用（校準(zhǔn)）有效期內(nèi)，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。用煙氣分析儀測量鍋爐空器預(yù)熱器入口和出口煙氣中含氧量（O2），測點采用網(wǎng)格法測量，連續(xù)24 h對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測，試驗期間，定時記錄DCS 畫面上的運行參數(shù)。試驗后計算空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)率。漏風(fēng)率試驗結(jié)果數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 漏風(fēng)率試驗結(jié)果數(shù)據(jù)

從測試結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，鍋爐在正常負(fù)荷工況下，A 空預(yù)器漏風(fēng)率為6.67%，B 空預(yù)器漏風(fēng)率為6.99%，實現(xiàn)了漏風(fēng)率≤7%的目標(biāo)，較改造之前的空預(yù)器漏風(fēng)率下降約3%，鍋爐熱效率大大提高，發(fā)電煤耗明顯下降，經(jīng)濟效益顯著；漏風(fēng)率的降低也可減少空氣和煙氣流量，降低送風(fēng)機、引風(fēng)機電耗。

4 結(jié)束語

該改造項目完成后，實現(xiàn)了空預(yù)器徑向密封間隙的自動調(diào)整和實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，有利于提高運行人員工作效率、降低運行人員勞動強度，對熱電主汽輪發(fā)電機組高效安全穩(wěn)定運行、推進(jìn)能源系統(tǒng)降本增效工作具有重要意義；而且通過該項目的實施還對空預(yù)器一次風(fēng)、二次風(fēng)、煙氣各分倉的冷熱端增加了溫度測量監(jiān)控系統(tǒng)，一方面為以后的空預(yù)器密封間隙的溫控模式設(shè)計和實現(xiàn)提供了條件，另一方面還有利于監(jiān)控空預(yù)器蓄熱元件、密封材料、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備材料的運行狀態(tài)和性能，對及時發(fā)現(xiàn)處理設(shè)備隱患、保證主體設(shè)備運行安全也有重要意義。