基于激光測距機理的空預器控制系統改造

林光銳，張國明，蔣贏凱，杜艷青

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

0 引言

某發電廠3號機組于1999年正式投產，其空氣預熱器（以下簡稱“空預器”）為ABB AIR PREHEATER公司設計的三分倉回轉式空預器，型號是31.5-v1-72，轉子轉速為1.1 r/min。空預器漏風控制系統為進口設備，采用ALLEN BRADLEY公司的SLC5/04可編程控制器進行控制，系統配置機械式密封間隙檢測傳感器，由于運行年限過長，進口件維護不便，近年來，設備狀態較差，漏風控制效果不佳，空預器平均漏風率達到9%～10%，已經嚴重偏離初始設計值，給鍋爐效率、風機電流、機組煤耗帶來了較大影響。

目前，國內廠商空預器的設計漏風率普遍在6%以下，市場上也出現了諸多的漏風控制新技術，因此，結合漏風控制的相關理論和機組實際情況，提出使用激光傳感器控制系統技術改造空預器控制系統，以改善機組的運行狀況。

1 漏風機理及影響

回轉式空預器漏風主要由攜帶漏風和直接漏風組成[1]。

1.1 攜帶漏風

回轉式空預器運行時，轉子各個格倉和蓄熱體中的空氣被攜帶到煙氣中，造成攜帶漏風，其計算公式為：

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

1.2 直接漏風

由于煙氣、空氣壓差引起的漏風叫直接漏風，發生在惰性區密封間隙處。根據漏風部位，直接漏風可分為：熱端和冷端徑向漏風、軸向漏風、熱端和冷端中心筒漏風、熱端和冷端旁路漏風。

空預器直接漏風的各種型式中，徑向漏風占比較大，達60%～70%，因此，徑向漏風量的降低，對空預器換熱效率和鍋爐性能的提高，效果最為顯著。

直接漏風Ld按照以下公式進行計算：

式中：k為常數；A為漏風通道面積；ρ為各產生漏風部位的實際空氣密度；ΔP為泄漏縫隙兩側的壓力差；z為密封道數。

根據式（2）可知，空預器轉速，煙氣、空氣壓差和轉子容積在空預器和鍋爐系統完成設計后即無法改變，能控制的因素僅為減小漏風間隙和增加密封道數。

1.3 漏風對換熱及風機功耗的影響

從熱端徑向通道漏入熱端煙氣的漏風，因熱風溫度低于煙氣入口溫度，導致煙氣入口溫度下降。從換熱計算來看，熱端漏風過大導致煙氣入口溫度降低，影響空預器的整體換熱性能。由于空氣平均溫度小于煙氣平均溫度，攜帶漏風漏入煙氣后煙氣溫度有所下降，對空預器換熱性能也會產生影響。

存在漏風的最大影響是增加了鍋爐煙風系統風機的電耗。風機的作用事實上是提高輸送氣流的儲能，包括壓能（提升壓頭）、動能（增加流速）和勢能（高度改變）的增減量。按照漏風增加引起風機能耗增加量計算法則[2]：

式中：η為風機效率；AL為漏風率；Pfan為風機的總升壓量。

因此可以大致認為，增加風機消耗功率AL及Pfan成正比。

根據以上分析將價值共創體系價值創造能力分為體系生存能力、體系適應能力、價值信息協同感知能力、協同生產能力、未來競爭態勢預測能力5個維度。每一個維度的內涵如表1所示。

2 機組現狀

3號機組空預器采用雙道徑向密封（見圖1），該密封型式可在煙氣側與空氣側之間增加過渡區，在工況相同、密封間隙相同的情況下，漏風先從空氣區泄漏到過渡區，再從過渡區泄漏到煙氣區[3]。由式（2）可知，直接漏風與密封道數呈反向趨勢，在密封道數增加的情況下，直接漏風會大大降低。

圖1 空預器雙道徑向密封

但是，并不是密封數量越多越好。操作空間和制造成本的提高限制了密封數量，不可能采用多重密封。在工程實際中，可以設計出并非完整的多重密封。根據實踐經驗，當密封層數介于單密封和雙重密封之間時，可以使密封效果與制造成本達到最優[4]。因此，增加徑向密封道數的方案行不通。

3號機組空預器配置的熱端漏風控制系統，通過定時控制熱端扇形板下行、減小熱端徑向密封間隙的措施來控制徑向漏風，間隙檢測傳感器采用機械式探針傳感器，該傳感器在實際應用中性能可靠，但是，由于有較多的機械運動部件，探針與轉子徑向密封角鋼之間長期存在機械摩擦的情況，運行工況較差，經過一段時間的運行之后，發現密封間隙檢測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，系統采用定時跟蹤模式，按照系統默認設置，跟蹤時間間隔設定為6 h，在機組負荷變動頻繁、變動速率較大的情況下，在此間隔時間內，系統已經不能滿足空預器漏風率控制要求，如果縮短間隔時間，將會對探針造成更加劇烈的磨損，嚴重減少其壽命，威脅機組運行安全。

由于漏風率檢測是定期進行的，并不能對該指標進行實時檢測，在實際運行中，漏風率及漏風量遠遠大于檢測值。而熱端徑向間隙是空氣預熱器漏風的主要渠道，轉子蘑菇狀下垂量所造成的漏風占了熱端漏風的絕大部分[4]，熱端漏風系數對鍋爐性能的影響非常大（如圖2所示），必須嚴格控制。因此，基于機組現有情況，改善熱端漏風控制系統的性能，尤其是優化徑向密封間隙檢測手段，是一種實施性強、見效快、性價比高的途徑。

圖2 漏風系數變化量對鍋爐效率變化量的影響

近年來，多種測距技術應用在空預器漏風控制領域，如電渦流傳感器測距技術、激光測距技術、光纖測距技術等。受限于產品技術性能和實際工況，激光測距技術得到了廣泛應用。目前，國內外有很多激光測距產品的精度達到了毫米級[6]，其輸入、輸出信號處理及制式已經標準化，完全滿足發電廠控制標準要求，關鍵是能夠實現漏風控制系統的在線連續跟蹤，大大減小實際運行中的漏風量。因此，確定采用激光測距傳感器對現有空預器漏風控制系統進行技術改造。

3 實施方案

根據前述相關理論，本次技術升級方案主要在空預器熱端徑向密封系統實施，通過減小徑向漏風間隙來達到降低熱端徑向漏風的目的。

對熱端徑向密封間隙，采用激光傳感器對轉子變形量進行檢測。激光傳感器采用激光飛行時間測距方法進行密封間隙測量，該方法通過發出已調制的高頻率激光束，接收從被測物返回的有相對位移的光，與參考信號進行比較，根據相對差得到測量結果，其測量精度可達到毫米級。冷態時，采集激光傳感器到轉子角鋼平面的距離作為零位基準值；熱態運行時，轉子受熱向下變形，測出激光傳感器到轉子角鋼平面的距離；冷、熱態激光測距值之差即為轉子實際形變量。

相比采用機械探針傳感器的漏風控制系統，采用激光傳感器的控制系統具有更高的檢測精度，當鍋爐負荷發生變化、空預器轉子形變量改變時，該系統能更快響應。2種系統產生的漏風控制效果差別如圖3中陰影面積所示。

圖3 定時跟蹤與連續跟蹤類型漏風控制系統的區別

從圖3可以看出，采用激光測距的連續調節跟蹤系統相比定時調節跟蹤，更接近轉子實際的變形曲線，因此對徑向直接漏風的控制效果更加明顯，空預器整體漏風會更小。

在采用激光傳感器進行密封間隙檢測時，扇形板位置的實時反饋是非常重要的。系統采用閉環模式，扇形板位置通過電位器進行反饋。改造后的控制邏輯主要依據轉子形變量與扇形板位移差，通過對計算出的間隙值與設定間隙值進行比較來調整扇形板的位置，密封間隙值按式（4）進行計算：

計算值大于設定值時系統驅動扇形板下行，小于設定值時上行。具體的參數設定見表1。

表1 扇形板下限及預設形變量

當計算出的間隙值大于設定范圍，且持續1 min時，扇形板向下運動。當間隙值小于設定范圍，且持續5 s（安全起見）時，扇形板向上運動。

激光傳感器采集轉子旋轉一周的最小間隙值，通過公式（5）計算。通過最小間隙值與設定間隙值的比較，判斷出密封間隙大小，控制扇形板的上行和下行。扇形板動作時間根據電機的額定轉速計算得出，使扇形板行至預設位置，從而保持預設間隙值。

在該控制模式下，系統能夠始終保持扇形板與徑向密封片處于設定最佳間隙值，并且能夠設定一定的動作區間，在該設定區間內，扇形板不動作，一旦檢測的間隙值超出設定區間，驅動系統則驅動扇形板動作。該功能可以兼顧機械系統的使用壽命，避免機械系統因過于頻繁的運動而產生磨損問題。

另外，系統還具備溫控功能。當激光傳感器出現故障時，系統即自動轉入溫度控制模式。該裝置由安裝在煙氣進口處的熱電偶來采集溫度信號，直接送至PLC（可編程邏輯控制器）進行數據處理。根據煙氣進口溫度來控制扇形板的位置，不同的溫度區間對應相應的位置預設值。溫控模式可以保證在傳感器發生故障時，系統仍然維持一定的漏風控制能力，是有效的輔助控制裝置。

4 改造效果

按照典型機組漏風率變化與機組能耗的關系，對600 MW機組而言，漏風率變動1%，對應的發電煤耗上升0.055 g/kWh[2]。

系統投用后，A側、B側空預器漏風控制有明顯改善。經測試，3號機組漏風控制系統升級改造前后漏風率對比如表2所示，560 MW負荷時系統投運前后三大風機電流對比如表3所示。

表2 3號機組漏風控制系統升級前后空預器漏風率對比

由于同時進行了電除塵器的進出口擋板拆除改造，引風機電流下降較多。排除電除塵器的進出口擋板拆除對引風機電流影響后，通過計算，在不同出力系數下，三大風機平均每小時節電量為880 kWh，按運行5 000 h計算，1年節電量為440萬kWh，節省電費約130萬元。

表3 漏風控制系統升級改造前后風機電流對比

5 結語

根據空預器漏風形成機理及漏風對機組運行帶來的影響，結合發電廠機組實際運行工況，提出了一種可行的技術升級改造方案。根據改造后的運行狀況來看，改造后空預器漏風率明顯下降，風機電流有了大幅度下降，機組性能得到了有效提高，起到了很好的節能效果。