回轉式空氣預熱器的智能分析及診斷系統研究

華電滕州新源熱電有限公司 閔國政 天津拓科思科技有限公司 曲耀煒 華電電力科學研究院有限公司 王 帥

空氣預熱器是整個鍋爐沿煙氣流程的最后一個熱交換設備，其出口煙溫的高低反映了整個鍋爐熱效率的高低，而空氣預熱器的出口風量、風溫直接影響爐膛的燃燒和制粉系統的運行，所以空氣預熱器是鍋爐的重要輔助設備[1]。空預器按照傳熱方式主要分為管式和回轉式兩大類。相比管式空預器具有傳熱面密度高、結構緊湊、布置靈活等優點，在大中型燃煤機組中應用廣泛；但回轉式空氣預熱器運行過程中也出現了冷端低溫腐蝕、積灰堵灰、漏風率高、二次燃燒、排煙溫度高、停轉等一系列問題，嚴重威脅了機組的安全和經濟運行[2-3]。目前越來越多的研究人員對空氣預熱器的安全性和經濟性進行廣泛的研究。閆順林等通過建立三分倉回轉式空預器非熱平衡模型[4]，模擬得到了其工質和受熱面的三位溫度分布規律，為分析低溫腐蝕和硫酸氫銨沉積奠定了基礎。鄒軍等針對電站鍋爐回轉式空氣預熱器運行時上下表面不可見的問題，提出了一種視頻監控與故障分析系統，可直接監測轉子表面情況[5]。

實時監測回轉式空氣預熱器的運行狀態對電站鍋爐的安全運行、節能降耗具有重要的意義。目前幾乎所有電廠機組中均配備了DCS 系統，可實現顯示數據、事故報警、緊急保護等簡單操作，但無法實現數據及變化趨勢的系統分析，且無法對空預器的安全和經濟性能進行綜合評價，運行人員也只是根據經驗和監測數據對空預器的故障進行判斷[6]。

1 空預器常見故障

空預器低溫腐蝕嚴重、阻力大。回轉式空氣預熱器低溫腐蝕和阻力大是目前的普遍現象，低溫腐蝕易引起蓄熱元件的壽命降低，換熱效果較差且加速積灰堵塞；阻力大易引起風機出力增大，機組高負荷運行時風機易失速。主要原因有：發電企業燃用低熱值、高灰分、高水分、高硫分的劣質煤；空預器冷端平均溫度較低，易引起硫酸氫銨沉積；空預器蒸汽吹灰器運行時疏水溫度較低，吹灰蒸汽帶水；吹灰頻次和吹灰效果較差；暖風器泄露。為控制空預器低溫腐蝕和阻力異常升高，有以下防范措施：盡量避免長時間燃用劣質煤；低負荷或冬季時及時投用暖風器，提高空預器冷端平均溫度；保證較高的疏水溫度，避免吹灰蒸汽帶水；阻力較高時適當提高吹灰頻次和吹灰壓力；必要時增加高壓水（離線或在線）沖洗裝置。

空預器漏風率高。易引起風機出力升高，導致鍋爐效率降低，影響機組的經濟性。主要原因有：空氣預熱器密封元件間隙較大；空氣預熱器密封結構件異常磨損；空氣預熱器換熱元件異常堵塞造成煙氣側與空氣側壓差過大；測點附近膨脹節、擋板或系統管道等泄漏。為控制空氣預熱器漏風率，有以下防范措施：定期對密封元件的間隙進行調整；及時更換因磨損嚴重失效的密封結構；降低空氣預熱器的運行阻力；加強空氣預熱器進出口風煙系統的漏點檢查和補漏。

空預器事故停機。空氣預熱器在運行過程中可能會出現異常停機，主要有幾種類型：空氣預熱器密封片卡磨引起運行阻力較大；空氣預熱器入口煙溫高于設計值；空氣預熱器端軸或端軸螺栓出現斷裂故障；導向軸承或支撐軸承故障；有異物進到空氣預熱器中阻礙轉子轉動；停機程序不當，導致空氣預熱器熱膨脹異常增大而卡磨。為控制空氣預熱器異常停機有以下防范措施：密封元件的間隙進行合理調整；合理控制空氣預熱器入口煙溫，避免出現二次燃燒；檢修時加強對空氣預熱器端軸或端軸螺栓檢查；運行過程密切關注導向軸承或支撐軸承的狀態；運行和檢修時做好防異物進入的措施；按照運行過程規范啟停機操作，避免空預器受熱或冷卻不均勻。

空預器排煙溫度高。會直接影響鍋爐運行的經濟性，一般排煙溫度升高10℃鍋爐效率降低0.45%左右。排煙溫度較高的原因主要有：發電企業燃用低熱值、高灰分、高水分、高硫分的劣質煤；空預器換熱元件嚴重腐蝕和堵灰；空預器蒸汽吹灰器吹灰不徹底；爐膛漏風較多；空氣入口溫度較高。為控制空氣預熱器排煙溫度有以下防范措施：盡量避免長時間燃用劣質煤；減少空預器腐蝕和堵灰程度；提高空預器蒸汽吹灰器吹灰效果；降低爐膛漏風；適當控制空氣入口溫度。

空預器驅動電機電流波動。空預器驅動電機電流在特殊情況下會快速或大幅波動，嚴重影響空預器的安全和穩定運行，主要有以下類型：空氣預熱器密封片卡磨引起運行阻力較大；空氣預熱器入口煙溫高于設計值；空氣預熱器產生明顯的不均勻熱膨脹；外力引起空預器轉子或外殼產生偏斜；存在膨脹受阻的地方。為控制空氣預熱器驅動電機電流波動有以下防范措施：密封元件的間隙進行合理調整；合理控制空氣預熱器入口煙溫，避免出現二次燃燒；按照運行過程規范啟停機操作，避免空預器出現明顯的不均勻熱膨脹；運行過程密切關注轉子和外殼的偏斜狀態；消除膨脹受阻的地方，確保能自由膨脹。

2 智能分析及診斷系統

回轉式空氣預熱器的智能分析及動態診斷系統主要包括安全子系統和經濟子系統。安全子系統包括電機及傳動模塊、軸承及潤滑模塊、火災報警模塊、吹灰器模塊；經濟子系統包括空預器漏風率、煙氣側阻力、排煙溫度、煙氣側換熱效率等經濟指標。電機及傳動模式包括電流狀態、停轉狀態、變頻器狀態等參數，軸承及潤滑模塊包括軸承溫度、油泵狀態、潤滑油壓等參數；火災報警模塊包括空預器進口煙溫和空預器出口煙溫；吹灰器模塊包括吹灰蒸汽溫度、吹灰蒸汽壓力、吹灰疏水溫度、吹灰時間、氨逃逸高聯動、聲波吹灰器聯動等。空預器漏風率、煙氣側阻力、排煙溫度、煙氣側換熱效率、電機電流狀態、停轉狀態、變頻器狀態、軸承溫度、油泵狀態、潤滑油壓、吹灰蒸汽溫度、吹灰蒸汽壓力、吹灰疏水溫度、吹灰時間、氨逃逸高聯動、聲波吹灰器聯動等均輸入到計算機智能分析及動態診斷系統。

計算機智能分析及動態診斷系統通過大數據及趨勢分析對空預器安全和經濟性能進行評估，得到優秀、良好和較差的評價等級，相應地顯示出“綠色”、“黃色”及“紅色”標識。優秀評價等級指安全子系統中所有參數及設備狀態均無異常；經濟子系統中空預器漏風率與設計值偏差在2%以內，煙氣側阻力與設計值偏差在400Pa 以內，折算BMCR工況下72h 增加不超過30Pa，排煙溫度與設計值偏差在10℃以內，煙氣側換熱效率與設計值偏差在5%以內。良好評價等級指安全子系統中重要參數及主要設備狀態（指易導致機組停運的）均無異常；經濟子系統中空預器漏風率與設計值偏差為2%～5%，煙氣側阻力與設計值偏差為400Pa～800Pa，折算BMCR 工況下72h 增加不超過60Pa，排煙溫度與設計值偏差為10～20℃，煙氣側換熱效率與設計值偏差在5%～10%。較差評價等級指安全子系統中重要參數或主要設備狀態（指易導致機組停運的）存在異常。

經濟子系統中空預器漏風率與設計值偏差大于5%，煙氣側阻力與設計值偏差大于800Pa，折算BMCR 工況下72h 增加不超過100Pa，排煙溫度與設計值偏差大于20℃，煙氣側換熱效率與設計值偏差大于10%。電機及傳動模式中電機電流較額定電流波動超過3%持續時間超過10分鐘或10分鐘內波動超過3次，電流狀態異常報警信號發出。火災報警模塊中空預器進口煙溫超過350℃或溫度變化速率超過10℃/min、空預器出口煙溫超過200℃時或溫度變化速率超過10℃/min，火災報警信號發出。

系統運行狀況如下：情況一。智能分析及動態診斷系統對空預器的運行參數及其變化趨勢進行實時監控和分析，如果安全子系統中所有參數及設備狀態均無異常報警信號發出，且經濟子系統中所有經濟指標達到優秀值域，系統判斷空預器性能優秀，發出“綠色”標識；情況二。智能分析及動態診斷系統對空預器的運行參數及其變化趨勢進行實時監控和分析，如果安全子系統中潤滑油壓較低（或降低速率超過報警值）、吹灰蒸汽溫度較低或軸承溫度較高（或升高速率超過報警值）等非主要報警信號發出，或經濟子系統中所有經濟指標達到良好值域，系統判斷空預器性能良好，發出“黃色”標識；情況三。智能分析及動態診斷系統對空預器的運行參數及其變化趨勢進行實時監控和分析，如果安全子系統中電機停轉（或電流波動速率超過報警值）、油泵故障停運或火災等主要報警信號發出，或經濟子系統中所有經濟指標達到較差值域，系統判斷空預器性能較差，發出“紅色”標識。

3 系統應用及效果評估

通過空預器智能分析及診斷系統研究，形成了一套針對空預器運行數據顯示、重要數據及變化趨勢智能分析、運行安全性及經濟性評估、異常事故診斷及預警、緊急保護操作指導等全方位的智能控制系統，可為發電企業空預器的安全、經濟、穩定運行提供重要保障，實現空預器運行指標的實時統計和動態分析，給出全方位的性能診斷評估，對空預器運行狀態進行預判及預警，并指導空預器的優化運行及故障處理，應用效果非常好，可以有效地指導空預器的實際運行。