锅炉空预器密封间隙控制系统设计及实现

曹美杰，陈德磊，汪明宇

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

引言

某沿海钢厂自备电厂为2×300 MW 机组锅炉为大型亚临界锅炉，空气预热器作为锅炉的主要部件之一，采用的是容克式三分仓回转蓄热式预热器，该空预器的基本结构是一个装满蓄热元件的巨型转子，通过使蓄热元件交替通过烟道和风道将烟气中的余热传递给助燃空气，对锅炉热能利用效率和发电煤耗指标有重要影响。该电厂锅炉空气预热器目前采用的密封形式是固定式密封，正常运行过程中存在漏风率大、电流波动大、且运行不稳定的情况。因此，需要针对此问题制定改造措施，根据实时运行工况实现锅炉空预器上部径向密封间隙自动控制调节，这对降低锅炉空预器漏风率、提高热能利用效率和发电效益具有重要意义。

1 锅炉空预器主体结构及运行介质

1.1 锅炉空预器主体结构

锅炉空预器的结构示意图如图1所示。该空预器为容克式三分仓回转式结构，主要由装满蓄热元件的空预器转子、电机、径向扇形密封板、转子轴向径向密封片、圆周密封板、外部壳体等部件组成。高温烟气通过省煤器和脱硝系统后流经空预器转子，将热量释放给蓄热元件，蓄热元件通过电机驱动转子转动到空气侧（一次冷风和二次冷风），蓄热元件在空气侧将在烟气中侧得到的热量释放给冷空气，如此周而复始的循环，实现烟气与空气的热交换，使一次冷风和二次冷风温度达到工艺要求。

图1 锅炉空预器结构示意图

1.2 空预器运行介质流程

空预器一次风和二次风工艺流程如图2 所示。一次风和二次风经过相应暖风器调整，确保进入空预器温度为30℃，经过空预器预热达到360 ℃后，一次风输出到磨煤制粉系统，为锅炉提供稳定且符合工艺温度要求的风粉混合物，二次风输出到锅炉二次风风箱，为锅炉炉膛提供稳定且符合工艺温度要求的助燃风，确保锅炉内燃烧介质充分稳定燃烧，提高燃烧和能量利用效率。炉膛烟气高温烟气经过空预器后降到130 ℃以下，然后经过除尘和脱硫处理后确保烟气达标排放。

图2 锅炉空预器一次风和二次风流程

2 空预器密封间隙控制系统设计实现

2.1 空预器目前存在的问题及影响

容克式空气预热器因其卓越的性能目前已经成为主流的空气预热器形式，但是该类型空预器存在一个特殊的漏风问题，这就使部分空气直接泄露进烟道造成能源热量的损失。空气预热器的漏风可以分为径向漏风、周向漏风和携带漏风，而径向漏风包括上部径向漏风和下部径向漏风。由于空预器转子工作时下部温度低上部温度高，中间温度高四周温度低，致使空预器转子在正常工况下呈现一种特殊的“蘑菇状”变形，如图3 所示。空气预热器下部径向变形泄露的是冷风，一般采取预留间隙的方法；但是上部变形间隙是随负荷增大而增大的，这是与高负荷下需要更大送风量的要求相矛盾的，而且上部扇形板泄露的是经过预热后的热风，热风的大量泄露将直接降低锅炉的燃烧效率，增加煤耗，造成能源的浪费和发电成本的提高［1］。因此亟需采取技术措施解决此问题缺陷，确保锅炉发电机组高效稳定运行。

图3 空预器转子“蘑菇状”变形图

2.2 径向密封间隙设备改造优化

根据以上分析，由于空气预热器在热态运行时产生蘑菇形变形，造成空气预热器上部径向间隙热风漏风率高、引风机电流过大，严重时会影响到机组运行负荷，导致巨大的经济损失，所以锅炉空预器在正常负荷工况下上部径向密封间隙的漏风就是问题的关键。为了解决该问题，需要对上部径向密封形式进行改造优化，即将原来的上部固定式扇形密封板改造为活动式扇形密封板，如图4所示，活动式扇形密封板通过调节杆与电动执行器连接后可为扇形板径向密封间隙的实时跟踪调整和自动控制调节创造条件，这对降低空预器热风漏风率和提高锅炉热效率具有重要意义。

图4 空预器上部径向密封间隙结构改造优化示意图

2.3 密封间隙控制系统设计及实现

空预器上部密封间隙机械结构改造优化后，可结合实际工艺情况和设备配置情况进行相应的控制系统设计改造和实现。间隙控制调节系统是减少电厂锅炉空气预热器漏风率、实现机组节能降耗的关键，其控制不是简单的机构上下调节系统，而是涉及整个机组运行安全和有效减少漏风的综合优化智能控制系统。

2.3.1 密封间隙自动控制原理

（1）通过涡流式间隙测量传感器和PLC 控制系统实现空预器径向密封间隙的测量和自动控制调节。图5 为自动控制原理框图，涡流式间隙测量传感器测量精度高，该传感器安装在每台空预器内部三套扇形板位置，可将间隙的测量值通过变送器转换为4～20 mA 标准电流信号传输给PLC 控制系统，PLC 控制系统按照设定周期采集间隙测量值，并通过比较选择三套扇形板的间隙测量最小值，将该最小间隙测量反馈值与密封间隙目标设定值进行比较计算误差后，由控制器计算程序根据误差值、电动执行器拖动扇形板位移速度等已知量分析计算出扇形板位移时间和方向，然后通过D/A 转换器向现场电动执行器发出动作时间和方向控制调节指令，电动执行器按照程序控制指令通过传动装置调节密封扇形板位置，从而实现空预器径向密封间隙的自动控制和调节，确保密封间隙实际值维持在设定目标值范围之内。

图5 间隙自动控制原理框图1

（2）通过激光测距仪、绝对位移测量装置和PLC控制系统实现空预器径向密封间隙的测量和自动控制调节，自动控制原理框图如图6 所示。将正常冷态情况下激光测距仪测定的转子位移量设定为0，锅炉在正常热负荷状态下空预器转子会产生变形，三套扇形板位置安装的激光测距仪测得变形量后，由控制系统采集并选择变形量最小值与三套位移传感器反馈的位移最大值进行比较计算误差值后，由控制器计算程序根据误差值、电动执行器拖动扇形板位移速度等已知量分析计算出扇形板位移时间和方向，然后通过D/A 转换器向现场电动执行器发出动作时间和方向控制调节指令，电动执行器按照程序控制指令通过传动装置调节密封扇形板位置，从而实现空预器径向密封间隙的自动控制和调节，确保扇形板与转子径向密封片的间隙在最佳设定目标值范围之内，在确保设备安全运行的前提下确保漏风率达到最小。

图6 间隙自动控制原理框图2

2.3.2 密封间隙控制系统的设计

根据控制系统设计方案和现场控制测点数量，做好PLC 控制系统硬件选型配置和控制网络构架图设计，为控制系统的实现提供保证。PLC 控制系统网络构架图如图7 所示，PLC 控制系统选用的是西门子S7-1500和S7-200硬软件系统，

图7 PLC控制系统网络构架图

并可通过触摸屏实现对现场设备的监控和操作。其中，西门子S7-1500PLC 控制系统配置主要包括导轨、电源、CPU 及I/O 信号模块，它具有高可靠性、高精度和实时性，其功能包括了数据采集、信号处理和通信等，可以简单实现联网，适应了现代工业控制发展需求［2］。控制保护需要的空预器电机电流、锅炉负荷信号由电厂DCS 系统通过信号电缆输入S7-1500 控制系统，同时电厂集控室也可实现对空预器运行状态的远程监控；涡流式间隙测量仪表、绝对位移测量仪表、扇形板电动执行器通过S7-1500 信号模块实现仪表数据的采集和控制；AB 空预器的6 台激光测距仪通过串口通接入S7-200 控制系统，空预器冷端和热端的热电阻热电偶测得的温度数据通过信号电缆传入S7-200控制系统，最终所有仪表测量数据全部可传输到S7-1500系统。该PLC控制系统具有系统结构简单、可靠性高、维护方便的优点，尤其是涡流式间隙测量传感器选用了耐高温、耐腐蚀、高精度的传感器设备，这都为空预器径向间隙自动调节和控制系统的实现和长期安全高效稳定运行提供了保证。

2.3.3 密封间隙控制系统的实现

（1）通过涡流式间隙测量传感器和PLC 控制系统实现空预器径向密封间隙自动控制调节的方案：在空预器内部三个扇形板位置安装涡流式间隙测量传感器及变送器，实现空预器上部径向间隙的实时测量，PLC 控制系统对空预器转子旋转一周的间隙信号进行实时测量从3个值中找出最小值作为实际测量反馈值，将实际测量最小值与间隙给定目标值进行比较，得出误差信号后经过控制器程序发出控制信号给扇形板执行器，电动执行器按照控制器给的动作时间和方向指令通过调节扇形板上下动作使密封间隙值维持在正常状态值，系统每60 s 根据测量的间隙最小值进行一次自动调节；当测量值在给定目标值上下0.5 mm 时，被视为在正常状态值范围之内，组态监控画面如图8所示。

图8 密封间隙测量和控制组态画面

例如如果间隙设定值为5 mm，间隙偏差值设定为1 mm，电涡流采样值为7.5 mm，7.3 mm，7 mm 时，则此时认为间隙大，系统会控制扇形板下行，下行距离为最小的间隙采样值与设定值的误差值，本例为7-5=2 mm，该2 mm 由控制器程序根据电动执行器拖动扇形板位移速度可算出电动执行器的电机动作时间，扇形板按照程序指令时间进行调整动作即可。同时，控制系统还采取了防干扰技术措施，通过比较计算可有效避免因干扰信号而导致的无效动作，提高系统调节的稳定性，减小机械机构的磨损，延长了机构的使用寿命。

（2）通过激光测距仪、绝对位移测量装置和PLC控制系统实现空预器径向密封间隙自动控制调节的方案：每台空预器设计安装了3 套（对应3 套扇形板装置）激光测距仪，可实现对空预器转子在正常热负荷工况下转子上部因热胀产生的变形量的检测监控，组态监控画面如图9 所示，每台空预器的3套激光转子变形检测传感器通过串口通信将各扇形板处转子实际变形量数据准确实时传送到PLC控制系统，作为扇形板执行器位移量调节的依据；而根据扇形板执行机构安装的具体形式，还设计安装了绝对位移检测机构，用于精确检测扇形板的实际位移量和实际位置，并通过变送器将各扇形板的实际位置和位移量反馈到PLC 控制系统，控制系统按照控制采样周期选取3 个位移量最大值与3 个激光测距仪测得的变形量最小值对比计算误差，然后控制器程序对误差值进行计算处理发出位移方向和时间指令，实现闭环控制，确保扇形板能够根据转子变形情况实现精确调节，系统依然是每60 s 根据测量的变形量最小值进行一次自动调节；该控制方案也可作为空预器径向密封间隙自动调节的冗余备用控制方式，消除了涡流式间隙测量装置一旦发生故障无法在线处理影响空预器正常运行的隐患。

图9 转子变形位移测量和控制组态画面

（3）系统联锁保护方案：在实现空预器径向密封间隙自动控制调节的同时，还要制定联锁保护方案，保证生产和设备运行安全。该系统主要设计有主电机电流过载、转子停转、电涡流传感器故障保护等。当电机实际电流超过电流保护定值时，触发电流过载保护，则电机停止运行，扇形板开始上行，直到电流过载信号消失为止，然后系统再重新进行自动检测功能；当转子的转速小于设定最小转速值时，则触发停转联锁保护，扇形板将依次提高至上限并禁止自动下放，停转信号消失后才可以进行其他操作；当检测到涡流传感器故障信号时，则系统会退出自动运行模式，此时可转为其他自动运行模式或手动控制运行模式，确保设备和生产运行安全。

3 效果分析

该改造项目完成后，在正常负荷下对2#锅炉空预器漏风率做了试验测试，所用的烟气分析仪表仪器均在使用（校准）有效期内，测量数据准确可靠。用烟气分析仪测量锅炉空器预热器入口和出口烟气中含氧量（O2），测点采用网格法测量，连续24 h对其进行数据采集监测，试验期间，定时记录DCS 画面上的运行参数。试验后计算空气预热器的漏风率。漏风率试验结果数据如下表1所示。

表1 漏风率试验结果数据

从测试结果数据可以看出，锅炉在正常负荷工况下，A 空预器漏风率为6.67%，B 空预器漏风率为6.99%，实现了漏风率≤7%的目标，较改造之前的空预器漏风率下降约3%，锅炉热效率大大提高，发电煤耗明显下降，经济效益显著；漏风率的降低也可减少空气和烟气流量，降低送风机、引风机电耗。

4 结束语

该改造项目完成后，实现了空预器径向密封间隙的自动调整和实时数据监控，有利于提高运行人员工作效率、降低运行人员劳动强度，对热电主汽轮发电机组高效安全稳定运行、推进能源系统降本增效工作具有重要意义；而且通过该项目的实施还对空预器一次风、二次风、烟气各分仓的冷热端增加了温度测量监控系统，一方面为以后的空预器密封间隙的温控模式设计和实现提供了条件，另一方面还有利于监控空预器蓄热元件、密封材料、控制系统等关键设备材料的运行状态和性能，对及时发现处理设备隐患、保证主体设备运行安全也有重要意义。