关键词：空气预热器;漏风;模糊;PLC
1 引言
空气预热器是火力发电厂锅炉设备中的重要组成部分。它是一种利用锅炉尾部烟气的热量来加热燃料燃烧所需空气，以提高锅炉效率的热交换装置。常用的空气预热器有两种：管式和回转式。回转式空气预热器以其传热密度高、结构紧凑、耐腐蚀、寿命长、运行费用低等优点被大中型电厂广泛采用[1]。
但在实际运行中，往往由于各种因素，如积灰等造成不同程度的漏风情况[2]，大部分漏风率在10%左右，也有部分空气预热器的漏风率在20%以上。空气预热器漏风使得送风机、一次风机和引风机的出力大增，增加了能耗。严重时，造成送入炉膛的风量不足，导致锅炉低负荷运行，影响机组安全、经济、稳定的运行。因此，对漏风控制进行研究是一项十分重要的课题。长期以来，工程技术人员都在致力于从结构、安装和运行保护等不同方面来解决这个问题[3,4]。常见的漏风控制系统大体分三种类型：机械式、超声波式和电涡流式。但是，一般认为机械式控制系统无法保证控制的准确度[5]，超声波式控制系统易受空气预热器内吹灰的影响，导致灵敏度比较低[6]，所以当前大多数漏风控制系统采用的都是电涡流式，其具有抗干扰能力强、灵敏度高的特点[7]。同时，基于PLC的漏风控制系统也已经取得了一定的应用[8]。但是，已有的技术方案仍然存在着一些急需解决的问题，主要体现在三个方面：（1）先进的控制策略的运用;（2）网络通讯功能的增强;（3）人机界面的完善。因此，本文针对空气预热器转子热端径向密封间隙，选择先进的高性能高温电涡流传感器，采用PC机、工业控制计算机和PLC组成工业以太网，设计了一个基于三菱FX2N系列PLC的间隙控制系统，并应用模糊控制理论对采集的信号进行PID参数整定。实际运行表明该系统能够有效地降低预热器的漏风，为机组的安全满负荷运行提供了有力的保证。
2 漏风问题分析
回转式空气预热器是冷热介质（空气和烟气）交替地流过受热面而进行热交换的。回转式空气预热器有两种基本类型：受热面回转式（又称容克式）和风罩回转式（又称脱谬勒式）。风罩回转式空气预热器由于漏风率相当大，而且在实际运行中又难以有效的消除，故应用的较少[9]。目前我国的大型发电机组（多为300MW、600MW）绝大多数使用的是容克式空气预热器，其结构如图1所示。
图1 空气预热器原理示意图
Fig.1 Schematic diagram of the principle of air preheater
图2 转子“蘑菇状”变形图
Fig.2 Mushroom distortion chart of the rotor
容克式空气预热器是转子旋转而风罩固定的一种预热器，其主要部件是一个体积较为庞大的（直径10米以上）、作为热交换元件的低速转子（转速≈1 r/min）。高速烟气自下而上流经转子的左侧，加热转子中的蓄热元件（转子扇形隔仓），当已加热的蓄热元件转到右侧（空气侧）时，空气从上往下流经蓄热元件，将热量带走，从而达到预热空气的目的。
空气预热器的漏风主要包括两部分：携带漏风和直接漏风。携带漏风是由于预热器自身旋转时，造成空气随受热面旋转进入烟气侧，形成漏风。这部分漏风是回转式空气预热器本身结构决定的，不可消除。已有的研究表明，其漏风率较小，不是主要的漏风源[10]。直接漏风是由于空气侧与烟气侧的压差以及空气预热器动、静部分之间的间隙所引起的。间隙越大，压差越大，漏风也就越大。这是回转式空气预热器漏风的主要原因，其漏风量占总漏风量的80%～90% [11]。因此控制间隙的大小是控制漏风的关键。
空气预热器在设计上有专门的密封装置减小间隙，以减少漏风。封闭装置一般由七部分组成：热端径向密封、冷端径向密封、轴向密封、冷端旁路密封、热端旁路密封、扇形板密封、中心筒密封。其总漏风量Q总可由（1）式来表示:
Q总 =（Q1 + Q2 + Q3 +…….+ Q7）+ Q8 （1）
式中：Q1 - 热端径向密封漏风 Q2 - 冷端径向密封漏风 Q3 - 轴向密封漏风
Q4 - 热端旁路密封漏风 Q5 - 冷端旁路密封漏风 Q6 - 扇形板密封漏风
Q7 - 中心筒密封漏风 Q8 - 携带漏风
已有的研究结果表明，在引起漏风的各种因素中，热端径向密封漏风是空气预热器漏风的最主要因素，占总量的30%～50% [12]，这是由于预热器转子在热态运行时产生的“蘑菇状”变形导致径向密封间隙增大造成的，如图2所示。转子在运行中受热膨胀，由于转子冷热端存在温度差，一般在250℃左右，使得冷热端的膨胀量不同，造成转子产生蘑菇状变形。变形量可用下式表达[ 11]：
（2）
式中： 为变形量，ε=12×10-6 /℃ （钢材热膨胀系数），H为转子高度，D为转子直径，R为转子半径， 为温差。
因此，漏风控制系统主要是针对控制热端径向密封间隙而设计。这也是本文研究的根本所在，即设计一套控制系统，尽可能地减小热端径向密封间隙，以达到减小漏风的目的。
3 间隙控制系统
3.1 系统的工作原理
间隙控制系统主要由间隙测量机构、操作站（上位机）、主控站（下位机，即PLC系统）、执行机构和保安连锁装置五大部分组成。如图3所示。
采用远程监控的方法，配置两台中型PLC监控热端径向密封间隙的各个区段。由一台工业控制计算机作为主机采用循环问答的方式管理下层的PLC，同时担任系统的通信处理机，将采集的现场信号和工作情况向上送至局域网，供进一步处理和使用，也可根据上层指令控制下层PLC和现场设备的工作。同时，本系统扩展了一个HUB接口，可以挂接工业以太网，从而与上级控制站或服务器进行通信。在每个线路的端点，都安装了50欧姆的终止器以增强通信的抗干扰能力。
这种方案具有如下优点：
（1）实现了控制分散，现场分区段控制。
（2）由PLC来控制整个系统的底层数据采集以及必要的数据处理，有利于充分发挥PLC的作用。
（3）工控机与PLC之间采用点对点通讯方式，速度快，可靠性高。
图3 控制系统组成框图
Fig. 3 Frame diagram of control system
3.2. 系统组成
3.2.1 PLC系统
PLC控制系统如图4所示。上位机选用研祥IPC-810工控机，下位机选用三菱 FX2N系列PLC。 I/O模块采用区域控制模块，其优点是可安装在现场，与PLC主机通过一根双绞线进行通信，大大减少了电缆的数量。节约了成本。同时，能尽可能的避免一些干扰信号的引入。这样，就建立了IPC工控机与两台PLC 之间的通信局域网，通信协议采用TCP/IP协议[13]。值得一提的是，由于在本系统中通信层次并不复杂，漏风控制系统中的两台PLC无需同时运作，备用PLC-B在主PLC-A出现故障的情况下自动切换投入使用，任意时刻均只有一台PLC在运行。
图4 PLC控制系统
Fig.4 PLC control system
3.2.2测量机构
测量机构是用来探测扇形板底面与径向密封片之间的最小间隙的。高温电涡流传感器安装于空气预热器内部的调节扇形板并与它刚性地连接在一起，当扇形板上下移动时，它也跟随上下移动。探头信号处理装置把检测的间隙值转换成标准电信号送入主控机，与给定值比较，根据偏差的正负决定执行机构的动作方向（上升、下降、不动），由偏差大小决定动作时间，或者将偏差与设定的偏差带进行比较决定如何执行，从而形成自动的间隙控制系统。其机构如下图5所示：
图5 间隙的测量机构
Fig.5 Measurement unit of gap
3.2.3 执行机构
执行机构是驱动扇形板跟踪转子热态变形的装置，包括行程开关盒、横梁、减速箱、提升机构、传动箱、机架、联接预热器扇形板的拉杆、指示扇形板位置的标尺等部分。每台空气预热器有两个扇形板，共有四路执行机构。采用刚性可调的扇形板，在提升机构的带动下可上下移动。同时，径向密封片在安装时折成折线，热态时近似直线，这样，热态时有助于两者之间的间隙控制在设计指标之内。每路执行机构采用一台电机工作、一台电机备用的双电机驱动结构。通过一套机械传动系统将电机的转动变成扇型板的上下移动，移动速度约为1.5～2mm/min。
3.2.4保安连锁装置
保安连锁装置主要包括转子停转检测开关、间隙上下限行程开关、扇形板极限变形限位开关和电机热过载继电器四种。其主要功能是当系统出现故障时，如预热器主轴停转或转速过低，即发出报警信号。
4 控制算法
由于空气预热器在运行过程中，转子受热后产生的蘑菇状变形的规律较为复杂，其精确的数学模型不易求取。所以在传统的PID控制策略的基础上，提出了采用参数模糊自整定PID控制方法来对径向漏风间隙进行系统的控制。结合PID参数整定的经验知识，确定参数调整的整规则如下：
规则1：当系统输出超过给定值时，减少积分系数KI
规则2：当系统上升时间大于要求上升时间，加大KI;
规则3：在稳态时，系统输出产生波动现象，适当增加微分系数KD;
规则4：系统输出对干扰信号反应灵敏，适当减少KD;
规则5：上升时间过大，增加比例增益系数KP;
规则6：系统输出发生振荡现象，减少KP;
规则7：规则2的优先级高于规则5，即当上升时间过长时，先调整KI，再调整KP。
根据以上规则，采用基于语言控制规则方式的模糊控制策略，设计出修改KP、KI和KD的模糊控制表。其中，输入变量与输出变量的语言值的模糊子集为｛NB++,NB+,NB,NM,NS,NO,PO,PS, PM, PB,PB+, PB++｝。输入变量为漏风间隙与设定值的差E，设误差E的论域为X，控制量u的论域为Y，并将其大小量化为12个等级，则有X=Y=｛-5,-4,-3,-2,-1, -0, +0, +1,+2,+3, +4, +5｝。采用最大隶属度方法选取模糊子集中隶属度最大的元素作为控制量。
为了满足在不同偏差E和偏差变化率△E对PID参数自整定的要求，在运行中通过不断检测E和△E，找出PID三个参数与偏差E和偏差变化率△E之间的模糊关系，然后利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，构建参数模糊自整定PID控制器，最终实现对径向漏风间隙的实时控制。
5 结 论
实践结果表明，该装置投入使用后，系统性能得到明显改善,漏风率降至5%以下，机组运行稳定，提高了锅炉的效率，降低了能耗，减少了运行成本，是一项很可观的节能工程。
本文作者创新点：在分析了大型火电机组空气预热器的漏风原因基础上，提出了一种利用模糊控制器来实现漏风控制的新方法，并设计了一个基于PLC的间隙控制系统。
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