燃煤鍋爐空氣預(yù)熱器傳熱元件生產(chǎn)線

李劍鋒

（上海西重所重型機械成套有限公司，上海 201900）

0 前言

燃煤鍋爐空氣預(yù)熱器的作用是將鍋爐排出的450℃高溫?zé)煔庠谄鋬?nèi)與空氣熱交換，使空氣預(yù)熱到150℃左右，從而達(dá)到降低鍋爐排煙溫度，提高進(jìn)風(fēng)通道熱風(fēng)溫度的預(yù)熱作用，從而提高鍋爐的熱交換性能，達(dá)到節(jié)能效果。傳熱元件是空氣預(yù)熱器的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量直接影響換熱性能，因此，傳熱元件的生產(chǎn)非常重要，本文比較了三代生產(chǎn)線的工藝流程和全自動化控制系統(tǒng)。

1 空氣預(yù)熱器及傳熱元件

目前電站燃煤鍋爐較常采用的是受熱面回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器（圖1），這種預(yù)熱器的工作原理是：預(yù)熱器轉(zhuǎn)子部件由數(shù)以萬計的傳熱元件（圖2）組成，這些傳熱元件兩片一對幾十對一組裝在元件包（圖3）內(nèi)，當(dāng)預(yù)熱器緩慢旋轉(zhuǎn)，鍋爐尾部煙道中的高溫?zé)煔馔ㄟ^內(nèi)部的傳熱元件將進(jìn)入鍋爐前的空氣預(yù)熱到一定溫度，煙氣和空氣逆向交替流經(jīng)空氣預(yù)熱器。傳熱元件在煙氣側(cè)吸熱，在空氣側(cè)放熱。進(jìn)氣溫度提高19℃，鍋爐效率大致提高1%，可節(jié)約標(biāo)煤7 200噸／年。

圖1 空氣預(yù)熱器

圖2 傳熱元件

圖3 傳熱元件包

空氣預(yù)熱器中的傳熱元件的質(zhì)量直接影響換熱效率。傳熱元件本身幾何學(xué)上較小的誤差也會造成預(yù)熱器換熱能力的較大差異，因此，在制造傳熱元件時對單塊傳熱元件的幾何尺寸及波形，以及成對傳熱元件之間內(nèi)部組合尺寸的公差控制都有嚴(yán)格的要求。

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器是圓柱形狀，圖4所示是回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器7.5°角框架內(nèi)填充的傳熱元件包，有A～E五種規(guī)格，每個規(guī)格是兩個直角梯形包拼合成型，360°回轉(zhuǎn)體各種規(guī)格需48組96個包拼合而成。

空氣預(yù)熱器傳熱元件根據(jù)使用的工況分熱端、冷端、脫硫脫硝等幾大類，傳熱元件的花紋及配對板的組成要求一般分為5種形式，為滿足工藝要求，傳熱元件生產(chǎn)線的運行方式有單張板剪切、雙層板剪切、對波峰剪切；裝包方式有傳熱元件與平板組成一對（上、下兩塊板）、有兩個不同波形的板組成一對、有上一塊板的波峰對著下一塊板的平直部分的位置要求。如圖5所示是上下兩塊配對板型一樣的對波峰形式，圖6為上下兩塊配對板型不一樣的對波峰形式。

圖4 空氣預(yù)熱器7.5°角傳熱元件包布置

圖5 上下傳熱元件板型相同時的重疊

圖6 上下傳熱元件板型不同時重疊

對波峰剪切的傳熱元件裝包示意圖，奇數(shù)板波峰對齊，偶數(shù)板波峰對齊，如圖7所示。

圖7 對波峰傳熱元件包

由于鍋爐空氣預(yù)熱器的規(guī)格很多，傳熱元件包的尺寸也很多。傳熱元件生產(chǎn)線涵蓋的范圍很廣，要滿足軋制鋼卷寬度范圍300～1 500 mm，剪切長度范圍110～1 500 mm、厚度范圍0.5～1.2 mm的全部功能需求，為此，傳熱元件生產(chǎn)線也在逐步完善、改進(jìn)和發(fā)展。

2 第一代傳熱元件生產(chǎn)線

2006～2008年，上海西重所重型機械成套有限公司開發(fā)了第一代傳熱元件自動生產(chǎn)線，其工藝流程圖如圖1所示。該生產(chǎn)線的特點是先在開卷平板上軋制花紋，花紋板經(jīng)磁性輸入工作臺送入剪板機，設(shè)置在剪板機后部的定長裝置上的檢測傳感器發(fā)出信號，來控制生產(chǎn)線減速、停止并按預(yù)設(shè)的長度剪切。

圖8 第一代傳熱元件生產(chǎn)線工藝流程圖

傳熱元件的參數(shù)是通過觸摸屏輸入，經(jīng)控制系統(tǒng)計算，輸出每塊傳熱元件長度，定長裝置按計算的傳熱元件長度控制伺服電機運行并帶動檢測傳感器移動，剪切的板長精度是±1 mm，每分鐘剪切20次以上。這一代生產(chǎn)線能完成全部5種板型的生產(chǎn)，但在對波峰剪切生產(chǎn)時有修剪過程，除常規(guī)的定長剪切過程以外，每剪一塊板后都需要增加找波峰修剪的過程，產(chǎn)生很多廢料，材料利用率不高。

傳熱元件對波峰傳感器工作示意圖如圖9所示。對波峰過程：

（1）正常定長剪切。磁性輸入工作臺啟動，板進(jìn)入剪板機，定長檢測傳感器發(fā)出信號，進(jìn)料工作臺停止，剪板機剪切。定長檢測傳感器移動到下一張板長度位置；

（2）奇數(shù)板對波峰修剪。磁性輸入工作臺啟動，板進(jìn)入剪板機，奇數(shù)板對波峰傳感器有信號，進(jìn)板停止，剪刀車剪切，把多余的長度修剪掉，使這塊奇數(shù)傳熱元件第一個波峰與板邊的距離為L1；

（3）正常定長剪切。磁性輸入工作臺啟動，板進(jìn)入剪板機，定長檢測傳感器發(fā)出信號，進(jìn)料工作臺停止，剪板機剪切；

（4）偶數(shù)板對波峰修剪。磁性輸入工作臺啟動，板進(jìn)入剪板機，偶數(shù)板對波峰傳感器有信號，進(jìn)板停止，剪刀車剪切，把多余的長度修剪掉，使這塊偶數(shù)傳熱元件第一個波峰與板邊的距離為 L2。

圖9 傳熱元件對波峰傳感器工作示意圖

一個傳熱元件包約150塊傳熱元件按奇數(shù)、偶數(shù)疊起來裝包后如圖7所示。每一塊傳熱元件都必須修剪掉板頭超出L1或L2的長度。經(jīng)計算，這種對波峰方式有18%左右的材料浪費，如果對波峰檢測傳感器的測量正確率或靈敏度低，漏波峰，造成的浪費將更大。

3 第二代傳熱元件生產(chǎn)線

2012年，上海西重所重型機械成套有限公司開發(fā)了第二代傳熱元件生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線的特點是把軋機布置在生產(chǎn)線最末端，即先定長剪切平板，后軋制波紋，不需要修剪廢邊，相較第一代生產(chǎn)線，可以節(jié)省因?qū)Σǚ逍捱吚速M的18%材料。生產(chǎn)線產(chǎn)量按3 000噸／月計算，一個月節(jié)省原材料54 t。傳熱元件對波峰剪切軋制新生產(chǎn)工藝及設(shè)備獲得了2項發(fā)明專利。

3.1 第二代傳熱元件軋制生產(chǎn)線組成

如圖10所示，第二代傳熱元件生產(chǎn)線的工作過程：開卷機1放料→校平機2→檢測3（速度匹配）→輸入工作臺4→高速剪板機5→輸出工作臺6→對中矯正定位輸送裝置7→傳熱元件軋機8。在輸出工作臺上安裝有定長檢測傳感器，定長檢測傳感器根據(jù)設(shè)定的剪切長度自動移動到所需位置，鋼板送到定長檢測裝置的減速傳感器后，輸入工作臺減速運行；鋼板送到定長檢測裝置的停止傳感器后，輸入工作臺停止運行，高速剪板機剪切鋼板，定長平板剪切完成。平板送入對中矯正定位輸送裝置，依靠輸送裝置上的氣動夾子，夾住平板喂入軋機入口。

圖10 第二代傳熱元件生產(chǎn)線工藝流程圖

3.2 對波峰先剪后軋的工作要點

（1）傳熱元件長度計算。把一包傳熱元件的長度根據(jù)工藝圖紙要求通過觸摸屏送入控制系統(tǒng)中并保存，每包可以設(shè)置20級不同的斜率，每級輸入第一塊板長度L1、最后一塊板長度L2、塊數(shù)N，第n塊傳熱元件的長度即為Ln＝L1＋（L2－L1）／N?？梢詢Υ?0套包的傳熱元件規(guī)格數(shù)據(jù)。

（2）展開平板的計算。因要考慮整塊傳熱元件中有包含幾個高波峰，高波峰和低波峰展開長度系數(shù)有區(qū)別，計算出來的平板剪切長度并不是有規(guī)則的遞增關(guān)系。

先剪后軋的關(guān)鍵是：何時將傳熱元件喂入軋機，使軋制的傳熱元件奇數(shù)板第一個波峰離板邊L1mm，偶數(shù)板第一個波峰離板邊L2mm，裝入包后奇數(shù)波峰、偶數(shù)波峰分別對齊。

由于鋼板的厚度不同，延展性也不同，軋機上下軋輥的間隙波動等因素，都會影響傳熱元件成品的長度換算到平板的長度值，考慮到這些不穩(wěn)定因素，因此，在觸摸屏上有一個參數(shù)修正畫面，如圖11所示，由用戶根據(jù)實際測量值修正計算系數(shù)。

圖11 參數(shù)設(shè)定修正系數(shù)畫面

4 第三代傳熱元件生產(chǎn)線

2016年，上海西重所重型機械成套有限公司開發(fā)了第三代傳熱元件生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線與前兩代生產(chǎn)線不同：兩層板單獨送料、分層剪切。既可以用剪板機前送料皮帶計算長度定長剪切，也可以用剪板機后定長裝置的激光傳感器檢測長度定長剪切；既能剪切直角梯形包傳熱元件板，也能剪切等腰梯形包傳熱元件板；上、下兩層既可以剪切同長度同寬度傳熱元件板，也可以剪切不同長度不同寬度的波紋板；生產(chǎn)線既能單層工作，也能雙層同時工作。

4.1 雙層傳熱元件生產(chǎn)線設(shè)備組成

如圖12所示，第三代傳熱元件生產(chǎn)線工作過程。

圖12 第三代傳熱元件生產(chǎn)線工藝流程圖

（1）開卷機1、軋機3、4是上層送料軋制設(shè)備，在開卷上1的鋼卷經(jīng)軋機3、4軋制復(fù)合花紋后送入皮帶送料機構(gòu)6的上層皮帶。

（2）開卷機2、軋機5是下層送料軋制設(shè)備，在開卷機2上的鋼卷經(jīng)軋機5軋制花紋后送入皮帶送來機構(gòu)6的下層皮帶。

（3）雙層皮帶送料機構(gòu)6是上層、下層獨立運行，由伺服電機驅(qū)動，可以分別控制送料長度。

（4）雙層高速剪板機7分上、下兩個剪切口，送料機構(gòu)上層皮帶的板送上層剪切口，下層皮帶的板送下層剪切口，傳熱元件板送出剪板機到計算長度停止送料，上、下兩層同時剪切。

（5）選擇前定位，傳熱元件板長度由雙層皮帶送料機構(gòu)6的伺服電機計長；選擇后定位，輸出及定長裝置8的伺服機構(gòu)驅(qū)動激光傳感器移動到計算長度，通過激光傳感器檢測傳熱元件板位置控制送料機構(gòu)減速、停止。

4.2 第三代軋制生產(chǎn)線性能

該生產(chǎn)線整線布置、設(shè)備功能、伺服送料系統(tǒng)、控制工藝等各方面自動化程度更高，性能更加優(yōu)越、材料使用范圍更廣，產(chǎn)品品質(zhì)以及生產(chǎn)穩(wěn)定性得以很大的提升，具有較高的生產(chǎn)率和剪切精度。

生產(chǎn)線采用PLC集中控制，手動／自動雙模式運行，觸摸屏顯示操作狀態(tài)，可方便地實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換、長度設(shè)定、剪切計數(shù)等操作。送料方式分：遞增、遞減、等長、直角梯形、等腰梯形等多種模式，每種送料模式尺寸參數(shù)均可通過觸摸顯示屏操作設(shè)定。上下雙層（或分層）同步（或異步）生產(chǎn)，生產(chǎn)方式多樣化，效率高。定尺采用雙層履帶式送料機和后定位傳感器檢測兩種方式，定尺準(zhǔn)確，適應(yīng)性強，維護(hù)方便，減少了定員，減輕了工人的勞動強度。

剪板機采用雙層氣動機械結(jié)構(gòu)，動作平穩(wěn)可靠，剪切速度快（每分鐘120次）。

生產(chǎn)線采用三菱Q系列PLC控制，配以三菱變頻調(diào)速和三菱伺服送料裝置，運行速度方便調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)抗干擾能力強，帶自診斷功能，可幫助快速查詢故障原因。

工作畫面－主要參數(shù)選擇和顯示、工作模式選擇如圖13所示。

圖13 觸摸屏工作畫面

工作畫面上有上層（簡稱A）傳熱元件板產(chǎn)品參數(shù)和設(shè)定長度、實際送料長度顯示，下層（簡稱B）傳熱元件板產(chǎn)品參數(shù)和設(shè)定長度、實際送料長度顯示。

速度設(shè)定：自動工作速度設(shè)定、手動運行速度設(shè)定。

定長模式選擇：“前定位模式”，傳熱元件板剪切通過送料皮帶控制長度；切換到“后定位模式”，傳熱元件板剪切長度通過后定位裝置的激光開關(guān)檢測控制。

A層、B層工作選擇：按“A禁止”按鈕，切換到“A允許”，A層進(jìn)入工作狀態(tài)。按“B禁止”按鈕，切換到“B允許”，B層進(jìn)入工作狀態(tài)。

用戶參數(shù)設(shè)定畫面如圖14所示，設(shè)定一個包11級不同遞增步長的波紋板，快選剪切模式共有7個模式，常用4個模式，即定長、遞增、直角遞增、等腰梯形遞增，其中直角遞增、等腰梯形遞增2種模式是用于對波峰剪切。系統(tǒng)共可以設(shè)定1～10號包的參數(shù)并保存，需要時隨時調(diào)用，上層和下層可以調(diào)用相同的序號（即相同尺寸），也可以調(diào)用不同序號。

圖14 用戶參數(shù)設(shè)定畫面

第三代波紋板軋制生產(chǎn)線大大提高了生產(chǎn)效率，從前兩代生產(chǎn)線單張剪切模式提高到兩張同時剪切。增加前定位模式，解決了以前生產(chǎn)線最小剪切長度的瓶頸，任意長度都能生產(chǎn)。

5 結(jié)束語

從2006年開始開發(fā)國內(nèi)首條全自動燃煤鍋爐空氣預(yù)熱器傳熱元件生產(chǎn)線，經(jīng)不斷研發(fā)改進(jìn)，到2016年第三代雙層傳熱元件生產(chǎn)線投入運行，歷時10年共有10條傳熱元件生產(chǎn)線投入運行，提升了整個行業(yè)傳熱元件生產(chǎn)線的裝備水平，顯著提高了生產(chǎn)效率，正逐步發(fā)展成為智能化的生產(chǎn)線?，F(xiàn)正在研發(fā)機器人裝包，實現(xiàn)一條生產(chǎn)線只需一個遠(yuǎn)程操作員控制啟、停操作，達(dá)到工業(yè)4.0智能化無人化生產(chǎn)線的要求。

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