基于激光测距机理的空预器控制系统改造

林光锐，张国明，蒋赢凯，杜艳青

（1.浙江浙能北仑发电有限公司，浙江 宁波 315800；2.国电浙江北仑第一发电有限公司，浙江 宁波 315800；3.上海市东方海事工程技术有限公司，上海 200011）

0 引言

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 PREHEATER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]。

1.1 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，其计算公式为：

式中：ΔVxd为携带漏风；D为转子直径；H为转子高度；n为转子转速；γ为蓄热板金属和灰污所占转子的容积份额。

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。

直接漏风Ld按照以下公式进行计算：

式中：k为常数；A为漏风通道面积；ρ为各产生漏风部位的实际空气密度；ΔP为泄漏缝隙两侧的压力差；z为密封道数。

根据式（2）可知，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。按照漏风增加引起风机能耗增加量计算法则[2]：

式中：η为风机效率；AL为漏风率；Pfan为风机的总升压量。

因此可以大致认为，增加风机消耗功率AL及Pfan成正比。

根据以上分析将价值共创体系价值创造能力分为体系生存能力、体系适应能力、价值信息协同感知能力、协同生产能力、未来竞争态势预测能力5个维度。每一个维度的内涵如表1所示。

2 机组现状

3号机组空预器采用双道径向密封（见图1），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[3]。由式（2）可知，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。

图1 空预器双道径向密封

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[4]。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[4]，热端漏风系数对锅炉性能的影响非常大（如图2所示），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。

图2 漏风系数变化量对锅炉效率变化量的影响

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[6]，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如图3中阴影面积所示。

图3 定时跟踪与连续跟踪类型漏风控制系统的区别

从图3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，密封间隙值按式（4）进行计算：

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。具体的参数设定见表1。

表1 扇形板下限及预设形变量

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，通过公式（5）计算。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[2]。

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对比如表2所示，560 MW负荷时系统投运前后三大风机电流对比如表3所示。

表2 3号机组漏风控制系统升级前后空预器漏风率对比

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为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。

表3 漏风控制系统升级改造前后风机电流对比

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。