基于激光测距机理的空预器控制系统改造
基于激光测距机理的空预器控制系统改造
作者:林光锐;张国明;蒋赢凯;杜艳青;
某发电厂 3 号机组于 1999 年正式投产, 其空气预热器(以下简称“空预器”)为 ABB AIR PRE-HEATER 公司设计的三分仓回转式空预器, 型号是 31.5-v1-72, 转子转速为 1.1 r/min。 空预器漏风控制系统为进口设备, 采用 ALLEN BRADLEY公司的 SLC5/04 可编程控制器进行控制, 系统配置机械式密封间隙检测传感器, 由于运行年限过长, 进口件维护不便, 近年来, 设备状态较差,漏风控制效果不佳, 空预器平均漏风率达到 9%-10%, 已经严重偏离初始设计值, 给锅炉效率、风机电流、 机组煤耗带来了较大影响。目前, 国内厂商空预器的设计漏风率普遍在6%以下, 市场上也出现了诸多的漏风控制新技术, 因此,结合漏风控制的相关理论和机组实际情况, 提出使用激光测距传感器控制系统技术改造空预器控制系统, 以改善机组的运行状况。
1 漏风机理及影响
回转式空预器漏风主要由携带漏风和直接漏风组成。
1.1 携带漏风
回转式空预器运行时, 转子各个格仓和蓄热体中的空气被携带到烟气中, 造成携带漏风。携带漏风与转子转速、 转子容积等有关, 空预器一旦设计完成, 结构参数即确定, 其携带漏风量也基本确定。 因此, 减小携带漏风的方式主要在设计阶段确定。
1.2 直接漏风
由于烟气、 空气压差引起的漏风叫直接漏风,发生在惰性区密封间隙处。 根据漏风部位, 直接漏风可分为: 热端和冷端径向漏风、 轴向漏风、热端和冷端中心筒漏风、 热端和冷端旁路漏风。空预器直接漏风的各种型式中, 径向漏风占比较大, 达 60%~70%, 因此, 径向漏风量的降低, 对空预器换热效率和锅炉性能的提高, 效果最为显著。空预器转速, 烟气、 空气压差和转子容积在空预器和锅炉系统完成设计后即无法改变, 能控制的因素仅为减小漏风间隙和增加密封道数。
1.3 漏风对换热及风机功耗的影响
从热端径向通道漏入热端烟气的漏风, 因热风温度低于烟气入口温度, 导致烟气入口温度下降。 从换热计算来看, 热端漏风过大导致烟气入口温度降低, 影响空预器的整体换热性能。 由于空气平均温度小于烟气平均温度, 携带漏风漏入烟气后烟气温度有所下降, 对空预器换热性能也会产生影响。
存在漏风的最大影响是增加了锅炉烟风系统风机的电耗。 风机的作用事实上是提高输送气流的储能, 包括压能(提升压头)、 动能(增加流速)和势能(高度改变)的增减量。
2 机组现状
3 号机组空预器采用双道径向密封,该密封型式可在烟气侧与空气侧之间增加过渡区, 在工况相同、 密封间隙相同的情况下, 漏风先从空气区泄漏到过渡区, 再从过渡区泄漏到烟气区。直接漏风与密封道数呈反向趋势,在密封道数增加的情况下,直接漏风会大大降低。
但是,并不是密封数量越多越好。 操作空间和制造成本的提高限制了密封数量, 不可能采用多重密封。在工程实际中,可以设计出并非完整的多重密封。 根据实践经验, 当密封层数介于单密封和双重密封之间时,可以使密封效果与制造成本达到最优。因此,增加径向密封道数的方案行不通。
3 号机组空预器配置的热端漏风控制系统,通过定时控制热端扇形板下行、 减小热端径向密封间隙的措施来控制径向漏风, 间隙检测传感器采用机械式探针传感器, 该传感器在实际应用中性能可靠, 但是, 由于有较多的机械运动部件,探针与转子径向密封角钢之间长期存在机械摩擦的情况, 运行工况较差, 经过一段时间的运行之后, 发现密封间隙检测的精度相比初始值存在一定误差, 该误差是由于探针头部磨损变形所致。另外, 系统采用定时跟踪模式, 按照系统默认设置, 跟踪时间间隔设定为 6 h, 在机组负荷变动频繁、 变动速率较大的情况下, 在此间隔时间内,系统已经不能满足空预器漏风率控制要求, 如果缩短间隔时间, 将会对探针造成更加剧烈的磨损, 严重减少其寿命, 威胁机组运行安全。
由于漏风率检测是定期进行的, 并不能对该指标进行实时检测, 在实际运行中, 漏风率及漏风量远远大于检测值。 而热端径向间隙是空气预热器漏风的主要渠道, 转子蘑菇状下垂量所造成的漏风占了热端漏风的绝大部分, 热端漏风系数对锅炉性能的影响非常大, 必须严格控制。 因此, 基于机组现有情况, 改善热端漏风控制系统的性能, 尤其是优化径向密封间隙检测手段, 是一种实施性强、 见效快、 性价比高的途径。
近年来, 多种测距技术应用在空预器漏风控制领域, 如电涡流传感器测距技术、 激光测距技术、 光纤测距技术等。 受限于产品技术性能和实际工况, 激光测距技术得到了广泛应用。 目前, 国内外有很多激光测距产品的精度达到了毫米级,其输入、 输出信号处理及制式已经标准化, 完全满足发电厂控制标准要求, 关键是能够实现漏风控制系统的在线连续跟踪, 大大减小实际运行中的漏风量。 因此,确定采用激光测距传感器对现有空预器漏风控制系统进行技术改造。
3 实施方案
根据前述相关理论, 本次技术升级方案主要在空预器热端径向密封系统实施, 通过减小径向漏风间隙来达到降低热端径向漏风的目的。对热端径向密封间隙, 采用激光传感器对转子变形量进行检测。 激光传感器采用激光飞行时间测距方法进行密封间隙测量, 该方法通过发出已调制的高频率激光束, 接收从被测物返回的有相对位移的光, 与参考信号进行比较, 根据相对差得到测量结果, 其测量精度可达到毫米级。 冷态时, 采集激光传感器到转子角钢平面的距离作为零位基准值; 热态运行时, 转子受热向下变形, 测出激光传感器到转子角钢平面的距离; 冷、热态激光测距值之差即为转子实际形变量。
相比采用机械探针传感器的漏风控制系统,采用激光传感器的控制系统具有更高的检测精度, 当锅炉负荷发生变化、 空预器转子形变量改变时, 该系统能更快响应。 2 种系统产生的漏风控制效果差别可以看出, 采用激光测距的连续调节跟踪系统相比定时调节跟踪, 更接近转子实际的变形曲线, 因此对径向直接漏风的控制效果更加明显, 空预器整体漏风会更小。
在采用激光传感器进行密封间隙检测时, 扇形板位置的实时反馈是非常重要的。 系统采用闭环模式, 扇形板位置通过电位器进行反馈。 改造后的控制逻辑主要依据转子形变量与扇形板位移差, 通过对计算出的间隙值与设定间隙值进行比较来调整扇形板的位置, 密封间隙值进行计算封间隙值=激光测距值-激光零位值-扇形板绝对位置-转子预设形变量 。
计算值大于设定值时系统驱动扇形板下行,小于设定值时上行。 当计算出的间隙值大于设定范围, 且持续 1 min 时, 扇形板向下运动。 当间隙值小于设定范围, 且持续 5 s(安全起见)时, 扇形板向上运动。
激光传感器采集转子旋转一周的最小间隙值,通过最小间隙值与设定间隙值的比较, 判断出密封间隙大小, 控制扇形板的上行和下行。 扇形板动作时间根据电机的额定转速计算得出, 使扇形板行至预设位置, 从而保持预设间隙值。
在该控制模式下, 系统能够始终保持扇形板与径向密封片处于设定最佳间隙值, 并且能够设定一定的动作区间, 在该设定区间内, 扇形板不动作, 一旦检测的间隙值超出设定区间, 驱动系统则驱动扇形板动作。 该功能可以兼顾机械系统的使用寿命, 避免机械系统因过于频繁的运动而产生磨损问题。另外, 系统还具备温控功能。 当激光传感器出现故障时, 系统即自动转入温度控制模式。 该装置由安装在烟气进口处的热电偶来采集温度信号, 直接送至 PLC(可编程逻辑控制器)进行数据处理。 根据烟气进口温度来控制扇形板的位置,不同的温度区间对应相应的位置预设值。 温控模式可以保证在传感器发生故障时, 系统仍然维持一定的漏风控制能力, 是有效的辅助控制装置。
4 改造效果
按照典型机组漏风率变化与机组能耗的关系, 对 600 MW 机组而言, 漏风率变动 1%, 对应的发电煤耗上升 0.055 g/kWh。
系统投用后, A 侧、 B 侧空预器漏风控制有明显改善。 经测试, 3 号机组漏风控制系统升级改造前后漏风率, 560 MW 负荷时系统投运前后三大风机电流对比。由于同时进行了电除尘器的进出口挡板拆除改造, 引风机电流下降较多。 排除电除尘器的进出口挡板拆除对引风机电流影响后, 通过计算,在不同出力系数下, 三大风机平均每小时节电量 880 kWh, 按运行 5 000 h 计算, 1 年节电量为440 万 kWh, 节省电费约 130 万元。
5 结语
根据空预器漏风形成机理及漏风对机组运行带来的影响, 结合发电厂机组实际运行工况, 提出了一种可行的技术升级改造方案。 根据改造后的运行状况来看, 改造后空预器漏风率明显下降,风机电流有了大幅度下降, 机组性能得到了有效提高, 起到了很好的节能效果。
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