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1 鍋爐空預(yù)器結(jié)構(gòu)和漏風(fēng)問題
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，但是這種空預(yù)器存在一個特殊的漏風(fēng)問題。容克式空氣預(yù)熱器的基本結(jié)構(gòu)是一個裝滿蓄熱元件的巨型轉(zhuǎn)子（如圖1所示）。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。然而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)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(yù)器結(jié)構(gòu)圖
容克式空氣預(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)又有上部徑向漏風(fēng)和下部徑向漏風(fēng)的分別。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)子工作時呈一種特殊的“蘑菇狀”變形（如圖2所示）。
空氣預(yù)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(fēng)”，只影響送引風(fēng)機的出力，一般采取預(yù)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(fēng)量的要求相矛盾的，而且上部扇型板泄露的是經(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。如果不采取措施，滿負荷下將有大約60%的漏風(fēng)通過上部徑向變形間隙泄露。
圖2 空預(yù)器轉(zhuǎn)子變形圖
以360MW機組為例，轉(zhuǎn)子上部邊沿的極限變形量為30mm，轉(zhuǎn)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(fēng)面積，如果能測量空預(yù)器轉(zhuǎn)子外沿的變形量，并根據(jù)測量的變形量控制機械升降機構(gòu)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(yù)器的漏風(fēng)率（如圖3所示），空預(yù)器上部漏風(fēng)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(yù)器主流密封方式
目前電廠對空預(yù)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(tǒng)控制的密封擋板方式的動態(tài)密封。
機械密封方式多采用柔性的密封片分別布置在轉(zhuǎn)子徑向的隔柵分欄上，通過空預(yù)器的轉(zhuǎn)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(yù)器漏風(fēng)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(jīng)濟成本，也存在設(shè)備一次性投入高的問題。
采用控制系統(tǒng)控制的密封擋板的動態(tài)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(zhuǎn)子之間的間隙測量，以閉環(huán)控制的方式，實時控制空預(yù)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(tǒng)的空預(yù)器密封擋板動態(tài)密封方式成為常用的控制空預(yù)器漏風(fēng)的手段。
空預(yù)器密封控制系統(tǒng)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(zhuǎn)子間隙的方式。這種方式較早應(yīng)用于空預(yù)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(xù)測量；
(2) 采用測量空預(yù)器內(nèi)部噪音音譜來實現(xiàn)間隙的測量，實際應(yīng)用較少；
(3) 采用耐高溫腐蝕和磁感應(yīng)線圈的方式來測量密封擋板和轉(zhuǎn)子的間隙，優(yōu)點是測量較準，但對探頭要求較高；
(4) 采用對空預(yù)器轉(zhuǎn)子的電流的測量來實現(xiàn)對空預(yù)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(yù)器轉(zhuǎn)子的變形量，根據(jù)這種變形量，通過函數(shù)曲線的方式設(shè)定密封擋板的下降幅度，達到空預(yù)器密封的效果。這種方式由于是開環(huán)控制，實際應(yīng)用中，考慮到每次檢修后和長時間運行后，轉(zhuǎn)子的變形量不一，往往設(shè)計有較大的間隙余量，因此效果不是太好。
3 鍋爐空預(yù)器密封控制系統(tǒng)應(yīng)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(fā)電機組，空預(yù)器采用容克式三分倉空預(yù)器，一期工程兩臺360MW機組的空預(yù)器密封控制系統(tǒng)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(tǒng)采用的是開環(huán)控制方式，即根據(jù)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(yù)器密封控制系統(tǒng)進行了改造，采用的是耐高溫腐蝕和磁感應(yīng)線圈的方式來測量密封擋板和轉(zhuǎn)子的間隙的方案。
3.1 空預(yù)器漏風(fēng)間隙控制系統(tǒng)原理
空預(yù)器漏風(fēng)間隙控制系統(tǒng)是在空預(yù)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(xù)的測量扇型板與空預(yù)器轉(zhuǎn)子外沿法蘭之間的漏風(fēng)間隙。如果漏風(fēng)間隙因熱變形發(fā)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(zhí)行機構(gòu)上電機的動作來調(diào)節(jié)扇型板的位置使漏風(fēng)間隙始終維持在不使扇型板與轉(zhuǎn)子發(fā)生激烈摩擦的最小間隙值。
3.2 空預(yù)器漏風(fēng)間隙控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
空預(yù)器間隙控制系統(tǒng)采用工業(yè)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(nèi)的計算機和PLC根據(jù)間隙測量值和設(shè)定值比較產(chǎn)生扇型板的調(diào)節(jié)信號驅(qū)動機械提升結(jié)構(gòu)的電機產(chǎn)生動作，達到穩(wěn)定漏風(fēng)間隙的目的。
圖4 空預(yù)器密封控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.3 系統(tǒng)的間隙調(diào)節(jié)原理
控制系統(tǒng)對預(yù)熱器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的間隙信號進行實時測量，從中找出最小值（即轉(zhuǎn)子法蘭面與扇形板之間的最小間隙值）作為調(diào)節(jié)依據(jù)。將測量的最小值與間隙給定值進行比較，當(dāng)測量值大于給定值0.3mm時，輸出間隙大信號；當(dāng)測量值小于給定值0.2mm時，給出間隙小信號；當(dāng)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(dāng)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(tǒng)處于自動狀態(tài)，系統(tǒng)會自動調(diào)整扇形板到正常狀態(tài)。系統(tǒng)每60s根據(jù)測量的間隙最小值進行一次調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時間與間隙偏差的大小有關(guān)，偏差越大調(diào)節(jié)時間越長，但每次最大調(diào)節(jié)時間均小于12s，對應(yīng)調(diào)節(jié)距離為1mm。
為提高系統(tǒng)間隙調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，防止干擾引起的執(zhí)行機構(gòu)頻繁動作，調(diào)節(jié)規(guī)律中增加了調(diào)節(jié)的滯后啟動功能。當(dāng)回路狀態(tài)由“正常”變?yōu)椤按蟆被颉靶 钡牡谝粋€周期并不立即進行調(diào)節(jié)，等待第二個周期的狀態(tài)，如果第二個周期的狀態(tài)恢復(fù)為“正常”則認為第一個周期“大”或“小”狀態(tài)是由干擾引起的，如果第二個周期的狀態(tài)與第一個周期的狀態(tài)一致則按照相應(yīng)的規(guī)律進行調(diào)節(jié)。這樣做既可以有效的防止干擾又不會降低調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度。由于防止了干擾引起的執(zhí)行機構(gòu)頻繁動作，因此提高了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，減小了機械機構(gòu)的磨損，有效延長了機構(gòu)的使用壽命。
3.4 系統(tǒng)的過電流調(diào)節(jié)原理
系統(tǒng)還可以根據(jù)空預(yù)器主電機電流的大小自動設(shè)定間隙信號的給定值。確定給定值時系統(tǒng)依次分別下放同一個空預(yù)器上的扇型板，在下放某塊扇型板的過程中當(dāng)空預(yù)器主電機驅(qū)動電流大于正常工作值3A且持續(xù)時間超過0.5s時，系統(tǒng)將提升該扇形板，直到電流恢復(fù)到設(shè)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(tǒng)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(fēng)的目的，這就是“過電流調(diào)節(jié)”。過電流調(diào)節(jié)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(jié)合了非接觸式調(diào)節(jié)與接觸式調(diào)節(jié)的優(yōu)點，提高了系統(tǒng)的安全性，而且可最大限度的減小預(yù)熱器的漏風(fēng)量，使系統(tǒng)達到最佳的漏風(fēng)控制效果。
3.5 控制系統(tǒng)的特點
由于在工作過程中扇型板與轉(zhuǎn)子之間無磨損，探頭與轉(zhuǎn)子之間也無磨損，所以在一個檢修周期內(nèi)漏風(fēng)率可以始終維持在最低值，沒有漏風(fēng)率隨設(shè)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(shè)備的維護費用。
圖5 漏風(fēng)控制趨勢圖
3.6 空預(yù)器密封控制系統(tǒng)投入前后效果
根據(jù)權(quán)威測試單位對電廠空預(yù)器漏風(fēng)測試數(shù)據(jù)，空預(yù)器密封控制系統(tǒng)投入前，左側(cè)空預(yù)器漏風(fēng)率為16.4%，右側(cè)空預(yù)器漏風(fēng)率為14.1%，空預(yù)器密封控制系統(tǒng)投入后，左側(cè)空預(yù)器漏風(fēng)率為9.04%，右側(cè)空預(yù)器漏風(fēng)率為8.92%，鍋爐空預(yù)器漏風(fēng)率從投入前的15.25%下降到8.98%，顯著的控制了鍋爐空預(yù)器的漏風(fēng)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(yōu)化
① 控制系統(tǒng)對磁感應(yīng)探頭的要求較高，一旦磁感應(yīng)探頭出現(xiàn)問題，空預(yù)器的密封效果無法實現(xiàn)。因此在空預(yù)器密封控制中，建議采用神經(jīng)元方式，結(jié)合風(fēng)溫、風(fēng)壓、煙溫、煙壓、鍋爐負荷等現(xiàn)場的參數(shù)，建立具有自學(xué)習(xí)功能的密封擋板控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，與帶密封擋板間歇測量的控制系統(tǒng)相接合，消除當(dāng)測量元件不可靠時的控制空白，實現(xiàn)空預(yù)器密封的全程智能可靠的控制。
② 現(xiàn)場采用較多的電纜，結(jié)合目前現(xiàn)場總線的發(fā)展，建議采用現(xiàn)場總線的控制方式，實現(xiàn)智能的現(xiàn)場控制，同時也實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)的在線檢測，將空預(yù)器控制系統(tǒng)同DCS系統(tǒng)集成在一起，實現(xiàn)一體化控制，同時也節(jié)約費用。
4 結(jié)論和展望
采用磁感應(yīng)探頭測量的空預(yù)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(xiàn)有空預(yù)器密封控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式的基礎(chǔ)上，融合具備自學(xué)習(xí)功能的智能密封控制系統(tǒng)和采用現(xiàn)場總線的控制方式，對空預(yù)器密封進行綜合控制，具有較好的空預(yù)器漏風(fēng)率的控制效果，并且可以降低發(fā)電成本，實現(xiàn)較好的經(jīng)濟效益，這是空預(yù)器密封控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號