基于激光測(cè)距機(jī)理的空預(yù)器控制系統(tǒng)改造

林光銳，張國(guó)明，蔣贏凱，杜艷青

（1.浙江浙能北侖發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800；2.國(guó)電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800；3.上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海 200011）

0 引言

某發(fā)電廠3號(hào)機(jī)組于1999年正式投產(chǎn)，其空氣預(yù)熱器（以下簡(jiǎn)稱“空預(yù)器”）為ABB AIR PREHEATER公司設(shè)計(jì)的三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器，型號(hào)是31.5-v1-72，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1.1 r/min?？疹A(yù)器漏風(fēng)控制系統(tǒng)為進(jìn)口設(shè)備，采用ALLEN BRADLEY公司的SLC5/04可編程控制器進(jìn)行控制，系統(tǒng)配置機(jī)械式密封間隙檢測(cè)傳感器，由于運(yùn)行年限過(guò)長(zhǎng)，進(jìn)口件維護(hù)不便，近年來(lái)，設(shè)備狀態(tài)較差，漏風(fēng)控制效果不佳，空預(yù)器平均漏風(fēng)率達(dá)到9%～10%，已經(jīng)嚴(yán)重偏離初始設(shè)計(jì)值，給鍋爐效率、風(fēng)機(jī)電流、機(jī)組煤耗帶來(lái)了較大影響。

目前，國(guó)內(nèi)廠商空預(yù)器的設(shè)計(jì)漏風(fēng)率普遍在6%以下，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了諸多的漏風(fēng)控制新技術(shù)，因此，結(jié)合漏風(fēng)控制的相關(guān)理論和機(jī)組實(shí)際情況，提出使用激光傳感器控制系統(tǒng)技術(shù)改造空預(yù)器控制系統(tǒng)，以改善機(jī)組的運(yùn)行狀況。

1 漏風(fēng)機(jī)理及影響

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器漏風(fēng)主要由攜帶漏風(fēng)和直接漏風(fēng)組成[1]。

1.1 攜帶漏風(fēng)

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子各個(gè)格倉(cāng)和蓄熱體中的空氣被攜帶到煙氣中，造成攜帶漏風(fēng)，其計(jì)算公式為：

式中：ΔVxd為攜帶漏風(fēng)；D為轉(zhuǎn)子直徑；H為轉(zhuǎn)子高度；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；γ為蓄熱板金屬和灰污所占轉(zhuǎn)子的容積份額。

1.2 直接漏風(fēng)

由于煙氣、空氣壓差引起的漏風(fēng)叫直接漏風(fēng)，發(fā)生在惰性區(qū)密封間隙處。根據(jù)漏風(fēng)部位，直接漏風(fēng)可分為：熱端和冷端徑向漏風(fēng)、軸向漏風(fēng)、熱端和冷端中心筒漏風(fēng)、熱端和冷端旁路漏風(fēng)。

空預(yù)器直接漏風(fēng)的各種型式中，徑向漏風(fēng)占比較大，達(dá)60%～70%，因此，徑向漏風(fēng)量的降低，對(duì)空預(yù)器換熱效率和鍋爐性能的提高，效果最為顯著。

直接漏風(fēng)Ld按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：k為常數(shù)；A為漏風(fēng)通道面積；ρ為各產(chǎn)生漏風(fēng)部位的實(shí)際空氣密度；ΔP為泄漏縫隙兩側(cè)的壓力差；z為密封道數(shù)。

根據(jù)式（2）可知，空預(yù)器轉(zhuǎn)速，煙氣、空氣壓差和轉(zhuǎn)子容積在空預(yù)器和鍋爐系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后即無(wú)法改變，能控制的因素僅為減小漏風(fēng)間隙和增加密封道數(shù)。

1.3 漏風(fēng)對(duì)換熱及風(fēng)機(jī)功耗的影響

從熱端徑向通道漏入熱端煙氣的漏風(fēng)，因熱風(fēng)溫度低于煙氣入口溫度，導(dǎo)致煙氣入口溫度下降。從換熱計(jì)算來(lái)看，熱端漏風(fēng)過(guò)大導(dǎo)致煙氣入口溫度降低，影響空預(yù)器的整體換熱性能。由于空氣平均溫度小于煙氣平均溫度，攜帶漏風(fēng)漏入煙氣后煙氣溫度有所下降，對(duì)空預(yù)器換熱性能也會(huì)產(chǎn)生影響。

存在漏風(fēng)的最大影響是增加了鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的電耗。風(fēng)機(jī)的作用事實(shí)上是提高輸送氣流的儲(chǔ)能，包括壓能（提升壓頭）、動(dòng)能（增加流速）和勢(shì)能（高度改變）的增減量。按照漏風(fēng)增加引起風(fēng)機(jī)能耗增加量計(jì)算法則[2]：

式中：η為風(fēng)機(jī)效率；AL為漏風(fēng)率；Pfan為風(fēng)機(jī)的總升壓量。

因此可以大致認(rèn)為，增加風(fēng)機(jī)消耗功率AL及Pfan成正比。

根據(jù)以上分析將價(jià)值共創(chuàng)體系價(jià)值創(chuàng)造能力分為體系生存能力、體系適應(yīng)能力、價(jià)值信息協(xié)同感知能力、協(xié)同生產(chǎn)能力、未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)能力5個(gè)維度。每一個(gè)維度的內(nèi)涵如表1所示。

2 機(jī)組現(xiàn)狀

3號(hào)機(jī)組空預(yù)器采用雙道徑向密封（見(jiàn)圖1），該密封型式可在煙氣側(cè)與空氣側(cè)之間增加過(guò)渡區(qū)，在工況相同、密封間隙相同的情況下，漏風(fēng)先從空氣區(qū)泄漏到過(guò)渡區(qū)，再?gòu)倪^(guò)渡區(qū)泄漏到煙氣區(qū)[3]。由式（2）可知，直接漏風(fēng)與密封道數(shù)呈反向趨勢(shì)，在密封道數(shù)增加的情況下，直接漏風(fēng)會(huì)大大降低。

圖1 空預(yù)器雙道徑向密封

但是，并不是密封數(shù)量越多越好。操作空間和制造成本的提高限制了密封數(shù)量，不可能采用多重密封。在工程實(shí)際中，可以設(shè)計(jì)出并非完整的多重密封。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)密封層數(shù)介于單密封和雙重密封之間時(shí)，可以使密封效果與制造成本達(dá)到最優(yōu)[4]。因此，增加徑向密封道數(shù)的方案行不通。

3號(hào)機(jī)組空預(yù)器配置的熱端漏風(fēng)控制系統(tǒng)，通過(guò)定時(shí)控制熱端扇形板下行、減小熱端徑向密封間隙的措施來(lái)控制徑向漏風(fēng)，間隙檢測(cè)傳感器采用機(jī)械式探針傳感器，該傳感器在實(shí)際應(yīng)用中性能可靠，但是，由于有較多的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，探針與轉(zhuǎn)子徑向密封角鋼之間長(zhǎng)期存在機(jī)械摩擦的情況，運(yùn)行工況較差，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行之后，發(fā)現(xiàn)密封間隙檢測(cè)的精度相比初始值存在一定誤差，該誤差是由于探針頭部磨損變形所致。另外，系統(tǒng)采用定時(shí)跟蹤模式，按照系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置，跟蹤時(shí)間間隔設(shè)定為6 h，在機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)頻繁、變動(dòng)速率較大的情況下，在此間隔時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足空預(yù)器漏風(fēng)率控制要求，如果縮短間隔時(shí)間，將會(huì)對(duì)探針造成更加劇烈的磨損，嚴(yán)重減少其壽命，威脅機(jī)組運(yùn)行安全。

由于漏風(fēng)率檢測(cè)是定期進(jìn)行的，并不能對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，在實(shí)際運(yùn)行中，漏風(fēng)率及漏風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于檢測(cè)值。而熱端徑向間隙是空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的主要渠道，轉(zhuǎn)子蘑菇狀下垂量所造成的漏風(fēng)占了熱端漏風(fēng)的絕大部分[4]，熱端漏風(fēng)系數(shù)對(duì)鍋爐性能的影響非常大（如圖2所示），必須嚴(yán)格控制。因此，基于機(jī)組現(xiàn)有情況，改善熱端漏風(fēng)控制系統(tǒng)的性能，尤其是優(yōu)化徑向密封間隙檢測(cè)手段，是一種實(shí)施性強(qiáng)、見(jiàn)效快、性價(jià)比高的途徑。

圖2 漏風(fēng)系數(shù)變化量對(duì)鍋爐效率變化量的影響

近年來(lái)，多種測(cè)距技術(shù)應(yīng)用在空預(yù)器漏風(fēng)控制領(lǐng)域，如電渦流傳感器測(cè)距技術(shù)、激光測(cè)距技術(shù)、光纖測(cè)距技術(shù)等。受限于產(chǎn)品技術(shù)性能和實(shí)際工況，激光測(cè)距技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外有很多激光測(cè)距產(chǎn)品的精度達(dá)到了毫米級(jí)[6]，其輸入、輸出信號(hào)處理及制式已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，完全滿足發(fā)電廠控制標(biāo)準(zhǔn)要求，關(guān)鍵是能夠?qū)崿F(xiàn)漏風(fēng)控制系統(tǒng)的在線連續(xù)跟蹤，大大減小實(shí)際運(yùn)行中的漏風(fēng)量。因此，確定采用激光測(cè)距傳感器對(duì)現(xiàn)有空預(yù)器漏風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。

3 實(shí)施方案

根據(jù)前述相關(guān)理論，本次技術(shù)升級(jí)方案主要在空預(yù)器熱端徑向密封系統(tǒng)實(shí)施，通過(guò)減小徑向漏風(fēng)間隙來(lái)達(dá)到降低熱端徑向漏風(fēng)的目的。

對(duì)熱端徑向密封間隙，采用激光傳感器對(duì)轉(zhuǎn)子變形量進(jìn)行檢測(cè)。激光傳感器采用激光飛行時(shí)間測(cè)距方法進(jìn)行密封間隙測(cè)量，該方法通過(guò)發(fā)出已調(diào)制的高頻率激光束，接收從被測(cè)物返回的有相對(duì)位移的光，與參考信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)相對(duì)差得到測(cè)量結(jié)果，其測(cè)量精度可達(dá)到毫米級(jí)。冷態(tài)時(shí)，采集激光傳感器到轉(zhuǎn)子角鋼平面的距離作為零位基準(zhǔn)值；熱態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子受熱向下變形，測(cè)出激光傳感器到轉(zhuǎn)子角鋼平面的距離；冷、熱態(tài)激光測(cè)距值之差即為轉(zhuǎn)子實(shí)際形變量。

相比采用機(jī)械探針傳感器的漏風(fēng)控制系統(tǒng)，采用激光傳感器的控制系統(tǒng)具有更高的檢測(cè)精度，當(dāng)鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化、空預(yù)器轉(zhuǎn)子形變量改變時(shí)，該系統(tǒng)能更快響應(yīng)。2種系統(tǒng)產(chǎn)生的漏風(fēng)控制效果差別如圖3中陰影面積所示。

圖3 定時(shí)跟蹤與連續(xù)跟蹤類型漏風(fēng)控制系統(tǒng)的區(qū)別

從圖3可以看出，采用激光測(cè)距的連續(xù)調(diào)節(jié)跟蹤系統(tǒng)相比定時(shí)調(diào)節(jié)跟蹤，更接近轉(zhuǎn)子實(shí)際的變形曲線，因此對(duì)徑向直接漏風(fēng)的控制效果更加明顯，空預(yù)器整體漏風(fēng)會(huì)更小。

在采用激光傳感器進(jìn)行密封間隙檢測(cè)時(shí)，扇形板位置的實(shí)時(shí)反饋是非常重要的。系統(tǒng)采用閉環(huán)模式，扇形板位置通過(guò)電位器進(jìn)行反饋。改造后的控制邏輯主要依據(jù)轉(zhuǎn)子形變量與扇形板位移差，通過(guò)對(duì)計(jì)算出的間隙值與設(shè)定間隙值進(jìn)行比較來(lái)調(diào)整扇形板的位置，密封間隙值按式（4）進(jìn)行計(jì)算：

計(jì)算值大于設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)扇形板下行，小于設(shè)定值時(shí)上行。具體的參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 扇形板下限及預(yù)設(shè)形變量

當(dāng)計(jì)算出的間隙值大于設(shè)定范圍，且持續(xù)1 min時(shí)，扇形板向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)間隙值小于設(shè)定范圍，且持續(xù)5 s（安全起見(jiàn)）時(shí)，扇形板向上運(yùn)動(dòng)。

激光傳感器采集轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的最小間隙值，通過(guò)公式（5）計(jì)算。通過(guò)最小間隙值與設(shè)定間隙值的比較，判斷出密封間隙大小，控制扇形板的上行和下行。扇形板動(dòng)作時(shí)間根據(jù)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速計(jì)算得出，使扇形板行至預(yù)設(shè)位置，從而保持預(yù)設(shè)間隙值。

在該控制模式下，系統(tǒng)能夠始終保持扇形板與徑向密封片處于設(shè)定最佳間隙值，并且能夠設(shè)定一定的動(dòng)作區(qū)間，在該設(shè)定區(qū)間內(nèi)，扇形板不動(dòng)作，一旦檢測(cè)的間隙值超出設(shè)定區(qū)間，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則驅(qū)動(dòng)扇形板動(dòng)作。該功能可以兼顧機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命，避免機(jī)械系統(tǒng)因過(guò)于頻繁的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生磨損問(wèn)題。

另外，系統(tǒng)還具備溫控功能。當(dāng)激光傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)即自動(dòng)轉(zhuǎn)入溫度控制模式。該裝置由安裝在煙氣進(jìn)口處的熱電偶來(lái)采集溫度信號(hào)，直接送至PLC（可編程邏輯控制器）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)煙氣進(jìn)口溫度來(lái)控制扇形板的位置，不同的溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)相應(yīng)的位置預(yù)設(shè)值。溫控模式可以保證在傳感器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍然維持一定的漏風(fēng)控制能力，是有效的輔助控制裝置。

4 改造效果

按照典型機(jī)組漏風(fēng)率變化與機(jī)組能耗的關(guān)系，對(duì)600 MW機(jī)組而言，漏風(fēng)率變動(dòng)1%，對(duì)應(yīng)的發(fā)電煤耗上升0.055 g/kWh[2]。

系統(tǒng)投用后，A側(cè)、B側(cè)空預(yù)器漏風(fēng)控制有明顯改善。經(jīng)測(cè)試，3號(hào)機(jī)組漏風(fēng)控制系統(tǒng)升級(jí)改造前后漏風(fēng)率對(duì)比如表2所示，560 MW負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)投運(yùn)前后三大風(fēng)機(jī)電流對(duì)比如表3所示。

表2 3號(hào)機(jī)組漏風(fēng)控制系統(tǒng)升級(jí)前后空預(yù)器漏風(fēng)率對(duì)比

由于同時(shí)進(jìn)行了電除塵器的進(jìn)出口擋板拆除改造，引風(fēng)機(jī)電流下降較多。排除電除塵器的進(jìn)出口擋板拆除對(duì)引風(fēng)機(jī)電流影響后，通過(guò)計(jì)算，在不同出力系數(shù)下，三大風(fēng)機(jī)平均每小時(shí)節(jié)電量為880 kWh，按運(yùn)行5 000 h計(jì)算，1年節(jié)電量為440萬(wàn)kWh，節(jié)省電費(fèi)約130萬(wàn)元。

表3 漏風(fēng)控制系統(tǒng)升級(jí)改造前后風(fēng)機(jī)電流對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)空預(yù)器漏風(fēng)形成機(jī)理及漏風(fēng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)的影響，結(jié)合發(fā)電廠機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況，提出了一種可行的技術(shù)升級(jí)改造方案。根據(jù)改造后的運(yùn)行狀況來(lái)看，改造后空預(yù)器漏風(fēng)率明顯下降，風(fēng)機(jī)電流有了大幅度下降，機(jī)組性能得到了有效提高，起到了很好的節(jié)能效果。