摘 要：敘述了大型火電機(jī)組空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)問題，重點(diǎn)分析了其產(chǎn)生的原因，提出了一種利用模糊控制器來實(shí)現(xiàn)漏風(fēng)控制的新方法，并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的間隙控制系統(tǒng)。 實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)性能可靠，能夠有效的降低空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)，為機(jī)組的安全滿負(fù)荷運(yùn)行提供了有力的保證。

關(guān)鍵詞：空氣預(yù)熱器;漏風(fēng);模糊;PLC

1 引言

空氣預(yù)熱器是火力發(fā)電廠鍋爐設(shè)備中的重要組成部分。它是一種利用鍋爐尾部煙氣的熱量來加熱燃料燃燒所需空氣，以提高鍋爐效率的熱交換裝置。常用的空氣預(yù)熱器有兩種：管式和回轉(zhuǎn)式。回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器以其傳熱密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)被大中型電廠廣泛采用[1]。

但在實(shí)際運(yùn)行中，往往由于各種因素，如積灰等造成不同程度的漏風(fēng)情況[2]，大部分漏風(fēng)率在10%左右，也有部分空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)率在20%以上。空氣預(yù)熱器漏風(fēng)使得送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的出力大增，增加了能耗。嚴(yán)重時(shí)，造成送入爐膛的風(fēng)量不足，導(dǎo)致鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行，影響機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的運(yùn)行。因此，對(duì)漏風(fēng)控制進(jìn)行研究是一項(xiàng)十分重要的課題。長(zhǎng)期以來，工程技術(shù)人員都在致力于從結(jié)構(gòu)、安裝和運(yùn)行保護(hù)等不同方面來解決這個(gè)問題[3,4]。常見的漏風(fēng)控制系統(tǒng)大體分三種類型：機(jī)械式、超聲波式和電渦流式。但是，一般認(rèn)為機(jī)械式控制系統(tǒng)無法保證控制的準(zhǔn)確度[5]，超聲波式控制系統(tǒng)易受空氣預(yù)熱器內(nèi)吹灰的影響，導(dǎo)致靈敏度比較低[6]，所以當(dāng)前大多數(shù)漏風(fēng)控制系統(tǒng)采用的都是電渦流式，其具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高的特點(diǎn)[7]。同時(shí)，基于PLC的漏風(fēng)控制系統(tǒng)也已經(jīng)取得了一定的應(yīng)用[8]。但是，已有的技術(shù)方案仍然存在著一些急需解決的問題，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：（1）先進(jìn)的控制策略的運(yùn)用;（2）網(wǎng)絡(luò)通訊功能的增強(qiáng);（3）人機(jī)界面的完善。因此，本文針對(duì)空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子熱端徑向密封間隙，選擇先進(jìn)的高性能高溫電渦流傳感器，采用PC機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和PLC組成工業(yè)以太網(wǎng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于三菱FX2N系列PLC的間隙控制系統(tǒng)，并應(yīng)用模糊控制理論對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行PID參數(shù)整定。實(shí)際運(yùn)行表明該系統(tǒng)能夠有效地降低預(yù)熱器的漏風(fēng)，為機(jī)組的安全滿負(fù)荷運(yùn)行提供了有力的保證。

2 漏風(fēng)問題分析

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器是冷熱介質(zhì)（空氣和煙氣）交替地流過受熱面而進(jìn)行熱交換的。回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器有兩種基本類型：受熱面回轉(zhuǎn)式（又稱容克式）和風(fēng)罩回轉(zhuǎn)式（又稱脫謬?yán)帐剑ｏL(fēng)罩回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器由于漏風(fēng)率相當(dāng)大，而且在實(shí)際運(yùn)行中又難以有效的消除，故應(yīng)用的較少[9]。目前我國(guó)的大型發(fā)電機(jī)組（多為300MW、600MW）絕大多數(shù)使用的是容克式空氣預(yù)熱器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空氣預(yù)熱器原理示意圖
Fig.1 Schematic diagram of the principle of air preheater


圖2 轉(zhuǎn)子“蘑菇狀”變形圖
Fig.2 Mushroom distortion chart of the rotor

容克式空氣預(yù)熱器是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而風(fēng)罩固定的一種預(yù)熱器，其主要部件是一個(gè)體積較為龐大的（直徑10米以上）、作為熱交換元件的低速轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)速≈1 r/min）。高速煙氣自下而上流經(jīng)轉(zhuǎn)子的左側(cè)，加熱轉(zhuǎn)子中的蓄熱元件（轉(zhuǎn)子扇形隔倉），當(dāng)已加熱的蓄熱元件轉(zhuǎn)到右側(cè)（空氣側(cè)）時(shí)，空氣從上往下流經(jīng)蓄熱元件，將熱量帶走，從而達(dá)到預(yù)熱空氣的目的。

空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)主要包括兩部分：攜帶漏風(fēng)和直接漏風(fēng)。攜帶漏風(fēng)是由于預(yù)熱器自身旋轉(zhuǎn)時(shí)，造成空氣隨受熱面旋轉(zhuǎn)進(jìn)入煙氣側(cè)，形成漏風(fēng)。這部分漏風(fēng)是回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器本身結(jié)構(gòu)決定的，不可消除。已有的研究表明，其漏風(fēng)率較小，不是主要的漏風(fēng)源[10]。直接漏風(fēng)是由于空氣側(cè)與煙氣側(cè)的壓差以及空氣預(yù)熱器動(dòng)、靜部分之間的間隙所引起的。間隙越大，壓差越大，漏風(fēng)也就越大。這是回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的主要原因，其漏風(fēng)量占總漏風(fēng)量的80%～90% [11]。因此控制間隙的大小是控制漏風(fēng)的關(guān)鍵。

空氣預(yù)熱器在設(shè)計(jì)上有專門的密封裝置減小間隙，以減少漏風(fēng)。封閉裝置一般由七部分組成：熱端徑向密封、冷端徑向密封、軸向密封、冷端旁路密封、熱端旁路密封、扇形板密封、中心筒密封。其總漏風(fēng)量Q總可由（1）式來表示:

Q總 =（Q1 + Q2 + Q3 +…….+ Q7）+ Q8 （1）

式中：Q1 - 熱端徑向密封漏風(fēng) Q2 - 冷端徑向密封漏風(fēng) Q3 - 軸向密封漏風(fēng)

Q4 - 熱端旁路密封漏風(fēng) Q5 - 冷端旁路密封漏風(fēng) Q6 - 扇形板密封漏風(fēng)

Q7 - 中心筒密封漏風(fēng) Q8 - 攜帶漏風(fēng)

已有的研究結(jié)果表明，在引起漏風(fēng)的各種因素中，熱端徑向密封漏風(fēng)是空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的最主要因素，占總量的30%～50% [12]，這是由于預(yù)熱器轉(zhuǎn)子在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的“蘑菇狀”變形導(dǎo)致徑向密封間隙增大造成的，如圖2所示。轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中受熱膨脹，由于轉(zhuǎn)子冷熱端存在溫度差，一般在250℃左右，使得冷熱端的膨脹量不同，造成轉(zhuǎn)子產(chǎn)生蘑菇狀變形。變形量可用下式表達(dá)[ 11]：

（2）

式中： 為變形量，ε=12×10^-6 /℃ （鋼材熱膨脹系數(shù)），H為轉(zhuǎn)子高度，D為轉(zhuǎn)子直徑，R為轉(zhuǎn)子半徑， 為溫差。

因此，漏風(fēng)控制系統(tǒng)主要是針對(duì)控制熱端徑向密封間隙而設(shè)計(jì)。這也是本文研究的根本所在，即設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)，盡可能地減小熱端徑向密封間隙，以達(dá)到減小漏風(fēng)的目的。

3 間隙控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的工作原理

間隙控制系統(tǒng)主要由間隙測(cè)量機(jī)構(gòu)、操作站（上位機(jī)）、主控站（下位機(jī)，即PLC系統(tǒng)）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和保安連鎖裝置五大部分組成。如圖3所示。

采用遠(yuǎn)程監(jiān)控的方法，配置兩臺(tái)中型PLC監(jiān)控?zé)岫藦较蛎芊忾g隙的各個(gè)區(qū)段。由一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為主機(jī)采用循環(huán)問答的方式管理下層的PLC，同時(shí)擔(dān)任系統(tǒng)的通信處理機(jī)，將采集的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和工作情況向上送至局域網(wǎng)，供進(jìn)一步處理和使用，也可根據(jù)上層指令控制下層PLC和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作。同時(shí)，本系統(tǒng)擴(kuò)展了一個(gè)HUB接口，可以掛接工業(yè)以太網(wǎng)，從而與上級(jí)控制站或服務(wù)器進(jìn)行通信。在每個(gè)線路的端點(diǎn)，都安裝了50歐姆的終止器以增強(qiáng)通信的抗干擾能力。

這種方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)了控制分散，現(xiàn)場(chǎng)分區(qū)段控制。

（2）由PLC來控制整個(gè)系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)采集以及必要的數(shù)據(jù)處理，有利于充分發(fā)揮PLC的作用。

（3）工控機(jī)與PLC之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式，速度快，可靠性高。

圖3 控制系統(tǒng)組成框圖
Fig. 3 Frame diagram of control system

3.2. 系統(tǒng)組成

3.2.1 PLC系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)如圖4所示。上位機(jī)選用研祥IPC-810工控機(jī)，下位機(jī)選用三菱 FX2N系列PLC。 I/O模塊采用區(qū)域控制模塊，其優(yōu)點(diǎn)是可安裝在現(xiàn)場(chǎng)，與PLC主機(jī)通過一根雙絞線進(jìn)行通信，大大減少了電纜的數(shù)量。節(jié)約了成本。同時(shí)，能盡可能的避免一些干擾信號(hào)的引入。這樣，就建立了IPC工控機(jī)與兩臺(tái)PLC 之間的通信局域網(wǎng)，通信協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議[13]。值得一提的是，由于在本系統(tǒng)中通信層次并不復(fù)雜，漏風(fēng)控制系統(tǒng)中的兩臺(tái)PLC無需同時(shí)運(yùn)作，備用PLC-B在主PLC-A出現(xiàn)故障的情況下自動(dòng)切換投入使用，任意時(shí)刻均只有一臺(tái)PLC在運(yùn)行。

圖4 PLC控制系統(tǒng)
Fig.4 PLC control system

3.2.2測(cè)量機(jī)構(gòu)

測(cè)量機(jī)構(gòu)是用來探測(cè)扇形板底面與徑向密封片之間的最小間隙的。高溫電渦流傳感器安裝于空氣預(yù)熱器內(nèi)部的調(diào)節(jié)扇形板并與它剛性地連接在一起，當(dāng)扇形板上下移動(dòng)時(shí)，它也跟隨上下移動(dòng)。探頭信號(hào)處理裝置把檢測(cè)的間隙值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)送入主控機(jī)，與給定值比較，根據(jù)偏差的正負(fù)決定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作方向（上升、下降、不動(dòng)），由偏差大小決定動(dòng)作時(shí)間，或者將偏差與設(shè)定的偏差帶進(jìn)行比較決定如何執(zhí)行，從而形成自動(dòng)的間隙控制系統(tǒng)。其機(jī)構(gòu)如下圖5所示：

圖5 間隙的測(cè)量機(jī)構(gòu)
Fig.5 Measurement unit of gap

3.2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)扇形板跟蹤轉(zhuǎn)子熱態(tài)變形的裝置，包括行程開關(guān)盒、橫梁、減速箱、提升機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)箱、機(jī)架、聯(lián)接預(yù)熱器扇形板的拉桿、指示扇形板位置的標(biāo)尺等部分。每臺(tái)空氣預(yù)熱器有兩個(gè)扇形板，共有四路執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采用剛性可調(diào)的扇形板，在提升機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下可上下移動(dòng)。同時(shí)，徑向密封片在安裝時(shí)折成折線，熱態(tài)時(shí)近似直線，這樣，熱態(tài)時(shí)有助于兩者之間的間隙控制在設(shè)計(jì)指標(biāo)之內(nèi)。每路執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用一臺(tái)電機(jī)工作、一臺(tái)電機(jī)備用的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。通過一套機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)變成扇型板的上下移動(dòng)，移動(dòng)速度約為1.5～2mm/min。

3.2.4保安連鎖裝置

保安連鎖裝置主要包括轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)檢測(cè)開關(guān)、間隙上下限行程開關(guān)、扇形板極限變形限位開關(guān)和電機(jī)熱過載繼電器四種。其主要功能是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，如預(yù)熱器主軸停轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速過低，即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4 控制算法

由于空氣預(yù)熱器在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子受熱后產(chǎn)生的蘑菇狀變形的規(guī)律較為復(fù)雜，其精確的數(shù)學(xué)模型不易求取。所以在傳統(tǒng)的PID控制策略的基礎(chǔ)上，提出了采用參數(shù)模糊自整定PID控制方法來對(duì)徑向漏風(fēng)間隙進(jìn)行系統(tǒng)的控制。結(jié)合PID參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，確定參數(shù)調(diào)整的整規(guī)則如下：

規(guī)則1：當(dāng)系統(tǒng)輸出超過給定值時(shí)，減少積分系數(shù)K_I

規(guī)則2：當(dāng)系統(tǒng)上升時(shí)間大于要求上升時(shí)間，加大K_I;

規(guī)則3：在穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)輸出產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象，適當(dāng)增加微分系數(shù)K_D;

規(guī)則4：系統(tǒng)輸出對(duì)干擾信號(hào)反應(yīng)靈敏，適當(dāng)減少K_D;

規(guī)則5：上升時(shí)間過大，增加比例增益系數(shù)K_P;

規(guī)則6：系統(tǒng)輸出發(fā)生振蕩現(xiàn)象，減少K_P;

規(guī)則7：規(guī)則2的優(yōu)先級(jí)高于規(guī)則5，即當(dāng)上升時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，先調(diào)整K_I，再調(diào)整K_P。

根據(jù)以上規(guī)則，采用基于語言控制規(guī)則方式的模糊控制策略，設(shè)計(jì)出修改K_P、K_I和K_D的模糊控制表。其中，輸入變量與輸出變量的語言值的模糊子集為｛NB++,NB+,NB,NM,NS,NO,PO,PS, PM, PB,PB+, PB++｝。輸入變量為漏風(fēng)間隙與設(shè)定值的差E，設(shè)誤差E的論域?yàn)閄，控制量u的論域?yàn)閅，并將其大小量化為12個(gè)等級(jí)，則有X=Y=｛-5,-4,-3,-2,-1, -0, +0, +1,+2,+3, +4, +5｝。采用最大隸屬度方法選取模糊子集中隸屬度最大的元素作為控制量。

為了滿足在不同偏差E和偏差變化率△E對(duì)PID參數(shù)自整定的要求，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)E和△E，找出PID三個(gè)參數(shù)與偏差E和偏差變化率△E之間的模糊關(guān)系，然后利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，構(gòu)建參數(shù)模糊自整定PID控制器，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)徑向漏風(fēng)間隙的實(shí)時(shí)控制。

5 結(jié) 論

實(shí)踐結(jié)果表明，該裝置投入使用后，系統(tǒng)性能得到明顯改善,漏風(fēng)率降至5%以下，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，提高了鍋爐的效率，降低了能耗，減少了運(yùn)行成本，是一項(xiàng)很可觀的節(jié)能工程。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在分析了大型火電機(jī)組空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)原因基礎(chǔ)上，提出了一種利用模糊控制器來實(shí)現(xiàn)漏風(fēng)控制的新方法，并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的間隙控制系統(tǒng)。

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