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1 鍋爐空預器結構和漏風問題
容克式空氣預熱器因其卓越的性能目前已經成為主流的空氣預熱器形式，但是這種空預器存在一個特殊的漏風問題。容克式空氣預熱器的基本結構是一個裝滿蓄熱元件的巨型轉子（如圖1所示）。通過使蓄熱元件交替通過煙道和風道將煙氣中的余熱傳遞給助燃空氣。然而旋轉的轉子與靜止的外殼之間不可避免的存在縫隙，這就使部分空氣直接泄露進煙道造成能源的損失。
圖1 空預器結構圖
容克式空氣預熱器的漏風可以分為徑向漏風、周向漏風和攜帶漏風，而徑向漏風又有上部徑向漏風和下部徑向漏風的分別。由于空預器轉子工作時下部溫度低上部溫度高，中間溫度高四周溫度低，致使空預器轉子工作時呈一種特殊的“蘑菇狀”變形（如圖2所示）。
空氣預熱器下部徑向變形間隙是隨負荷的增加而減小的，而且下部扇型板泄露的是“冷風”，只影響送引風機的出力，一般采取預留間隙的方法。但上部變形間隙是隨負荷的增大而增大的，這是與高負荷下需要更大送風量的要求相矛盾的，而且上部扇型板泄露的是經過預熱后的熱風，熱風的大量泄露將直接降低鍋爐的燃燒效率，增加煤耗。如果不采取措施，滿負荷下將有大約60%的漏風通過上部徑向變形間隙泄露。
圖2 空預器轉子變形圖
以360MW機組為例，轉子上部邊沿的極限變形量為30mm，轉子半徑為5m，按三角型面積公式近似計算一塊扇型板就可以形成0.075m2的漏風面積，如果能測量空預器轉子外沿的變形量，并根據測量的變形量控制機械升降機構提升扇型板上下動作來補償變形間隙，這樣就可以大幅度降低空預器的漏風率（如圖3所示），空預器上部漏風的減小可明顯減小單位千瓦的燃煤消耗。
圖3 密封原理示意圖
2 鍋爐三分倉空預器主流密封方式
目前電廠對空預器徑向采用較多的密封方式，主要分機械密封和采用控制系統控制的密封擋板方式的動態密封。
機械密封方式多采用柔性的密封片分別布置在轉子徑向的隔柵分欄上，通過空預器的轉動，依靠柔性密封片和密封擋板之間的摩擦來達到密封效果。這種密封方式密封效果好，一般密封效果可以達到空預器漏風率5%~6%，但對柔性密封片的要求很高，同時具有磨損性，在機組運行一段時間后，將更換柔性密封片，增加經濟成本，也存在設備一次性投入高的問題。
采用控制系統控制的密封擋板的動態密封方式，一般采用工控機加PLC來控制密封擋板的密封間隙，通過跟蹤對密封擋板和轉子之間的間隙測量，以閉環控制的方式，實時控制空預器的密封間隙，使密封擋板和裝子之間的間隙達到最小。由于投入少，密封效果好，采用控制系統的空預器密封擋板動態密封方式成為常用的控制空預器漏風的手段。
空預器密封控制系統以測量原理分以下幾種控制方式：
(1) 通過機械探針周期性測量密封擋板和轉子間隙的方式。這種方式較早應用于空預器密封控制，缺點是存在機械磨損，對探針的要求較高，而且不是完全的連續測量；
(2) 采用測量空預器內部噪音音譜來實現間隙的測量，實際應用較少；
(3) 采用耐高溫腐蝕和磁感應線圈的方式來測量密封擋板和轉子的間隙，優點是測量較準，但對探頭要求較高；
(4) 采用對空預器轉子的電流的測量來實現對空預器密封的控制。
還有其他的控制方式，如采用跟蹤機組鍋爐負荷的變化，在不同負荷下，計算出的空預器轉子的變形量，根據這種變形量，通過函數曲線的方式設定密封擋板的下降幅度，達到空預器密封的效果。這種方式由于是開環控制，實際應用中，考慮到每次檢修后和長時間運行后，轉子的變形量不一，往往設計有較大的間隙余量，因此效果不是太好。
3 鍋爐空預器密封控制系統應用實例及分析
華能珞璜電廠機組采用法國ALSTOM公司引進的360MW火力發電機組，空預器采用容克式三分倉空預器，一期工程兩臺360MW機組的空預器密封控制系統在引進時采用的是機械探針式的密封控制方式。二期工程兩臺360MW機組的密封控制系統采用的是開環控制方式，即根據鍋爐負荷的變化，固定密封擋板的密封行程的方式，實際密封效果均不理想。
2002年，華能珞璜電廠對空預器密封控制系統進行了改造，采用的是耐高溫腐蝕和磁感應線圈的方式來測量密封擋板和轉子的間隙的方案。
3.1 空預器漏風間隙控制系統原理
空預器漏風間隙控制系統是在空預器上部扇型板上固定一個變形間隙測量探頭，由該探頭連續的測量扇型板與空預器轉子外沿法蘭之間的漏風間隙。如果漏風間隙因熱變形發生變化，則測量探頭就可以將這個變化反饋給控制計算機，由計算機控制執行機構上電機的動作來調節扇型板的位置使漏風間隙始終維持在不使扇型板與轉子發生激烈摩擦的最小間隙值。
3.2 空預器漏風間隙控制系統結構
空預器間隙控制系統采用工業計算機和高可靠的PLC作為控制器。由扇型板上安裝的密封間隙測量裝置將測量的信號傳送到主控制柜，由柜內的計算機和PLC根據間隙測量值和設定值比較產生扇型板的調節信號驅動機械提升結構的電機產生動作，達到穩定漏風間隙的目的。
圖4 空預器密封控制系統結構圖
3.3 系統的間隙調節原理
控制系統對預熱器轉子旋轉一周的間隙信號進行實時測量，從中找出最小值（即轉子法蘭面與扇形板之間的最小間隙值）作為調節依據。將測量的最小值與間隙給定值進行比較，當測量值大于給定值0.3mm時，輸出間隙大信號；當測量值小于給定值0.2mm時，給出間隙小信號；當測量值在給定值上0.3mm，下0.2mm之間時輸出間隙正常信號。例如：當給定值為7.0mm時，間隙信號在6.8mm~7.3mm之間為正常，在7.3mm以上為間隙大，在6.8mm以下為間隙小。在測量信號與給定值相比大或小時，如果系統處于自動狀態，系統會自動調整扇形板到正常狀態。系統每60s根據測量的間隙最小值進行一次調節，調節時間與間隙偏差的大小有關，偏差越大調節時間越長，但每次最大調節時間均小于12s，對應調節距離為1mm。
為提高系統間隙調節的穩定性，防止干擾引起的執行機構頻繁動作，調節規律中增加了調節的滯后啟動功能。當回路狀態由“正常”變為“大”或“小”的第一個周期并不立即進行調節，等待第二個周期的狀態，如果第二個周期的狀態恢復為“正常”則認為第一個周期“大”或“小”狀態是由干擾引起的，如果第二個周期的狀態與第一個周期的狀態一致則按照相應的規律進行調節。這樣做既可以有效的防止干擾又不會降低調節的響應速度。由于防止了干擾引起的執行機構頻繁動作，因此提高了系統調節的穩定性，減小了機械機構的磨損，有效延長了機構的使用壽命。
3.4 系統的過電流調節原理
系統還可以根據空預器主電機電流的大小自動設定間隙信號的給定值。確定給定值時系統依次分別下放同一個空預器上的扇型板，在下放某塊扇型板的過程中當空預器主電機驅動電流大于正常工作值3A且持續時間超過0.5s時，系統將提升該扇形板，直到電流恢復到設定值以下，再延時提升0.5mm停止。然后以此時的間隙信號測量值作為間隙信號給定值使系統投入自動。這樣就可以使密封間隙始終維持在0.5mm左右，達到減小漏風的目的，這就是“過電流調節”。過電流調節不但可以自動確定間隙給定值還可以修正來自測量信號的漂移。這項功能結合了非接觸式調節與接觸式調節的優點，提高了系統的安全性，而且可最大限度的減小預熱器的漏風量，使系統達到最佳的漏風控制效果。
3.5 控制系統的特點
由于在工作過程中扇型板與轉子之間無磨損，探頭與轉子之間也無磨損，所以在一個檢修周期內漏風率可以始終維持在最低值，沒有漏風率隨設備磨損而增加的問題（如圖5所示）。同時由于無磨損扇型板和密封片的使用壽命成倍增加，減少了機械設備的維護費用。
圖5 漏風控制趨勢圖
3.6 空預器密封控制系統投入前后效果
根據權威測試單位對電廠空預器漏風測試數據，空預器密封控制系統投入前，左側空預器漏風率為16.4%，右側空預器漏風率為14.1%，空預器密封控制系統投入后，左側空預器漏風率為9.04%，右側空預器漏風率為8.92%，鍋爐空預器漏風率從投入前的15.25%下降到8.98%，顯著的控制了鍋爐空預器的漏風情況，極大的降低了能源消耗，提高了鍋爐效率。
3.7 存在的問題和優化
① 控制系統對磁感應探頭的要求較高，一旦磁感應探頭出現問題，空預器的密封效果無法實現。因此在空預器密封控制中，建議采用神經元方式，結合風溫、風壓、煙溫、煙壓、鍋爐負荷等現場的參數，建立具有自學習功能的密封擋板控制系統的數學模型，與帶密封擋板間歇測量的控制系統相接合，消除當測量元件不可靠時的控制空白，實現空預器密封的全程智能可靠的控制。
② 現場采用較多的電纜，結合目前現場總線的發展，建議采用現場總線的控制方式，實現智能的現場控制，同時也實現對現場設備狀態的在線檢測，將空預器控制系統同DCS系統集成在一起，實現一體化控制，同時也節約費用。
4 結論和展望
采用磁感應探頭測量的空預器密封控制方式具有較好的實際密封效果，但對探頭的可靠性要求較高。在現有空預器密封控制系統采用閉環控制方式的基礎上，融合具備自學習功能的智能密封控制系統和采用現場總線的控制方式，對空預器密封進行綜合控制，具有較好的空預器漏風率的控制效果，并且可以降低發電成本，實現較好的經濟效益，這是空預器密封控制系統的發展方向。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號