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锅炉空气预热器间隙控制系统设计29672锅炉空气预热器间隙控制系统设计测控技术与仪器专业张建行（069064031）指导教师：马明前副教授摘要：提高回转式空气预热器的效能对电站锅炉乃至整个火电厂的安全、经济运行具有重要意义。论文从工程实际需求出发，从降低回转式空预器漏风和减小空预器密封间隙着手，设计和开发了回转式空气预器间隙控制系统，并在实际工程应用中取得了较好的效果。本文首先概述了回转式空预器的工作原理、相关技术及发展趋势，接着阐述了提高回转式空预器效能的思路和方法，并提出了降低空预器漏风和减小空预器密封间隙的整体设计方案。在此基础上，论文第四章、第五章分别从硬件设计和软件设计等方面系统阐述了回转式空预器漏风控制系统的设计方案。本系统针对工业组态软件MCGS和现场主控元件PLC做了重点讲述：选用MCGS组态软件来实现现场画面的监控、数据显示、报警输出等功能；采用西门子S7—300系列PLC来完成对现场设备的控制，并将现场控制效果反馈到监控画面中，实现调节扇形板与转子之间密封间隙的功能。关键词：空气预热器；可编程控制器PLC；传感器；间隙控制；MCGSAbstract：Increasingefficiencyofrotaryairpreheaterhasveryimportantsignificancetodevelopsafeandeconomicalrunningoftheboiler，evenalloverthepowerplant.Thepaperisestablishedonpracticalrequirementofengineering.Anoptimizecontrolsystemusedtoincreasetheefficiencyofrotaryairpreheaterisdesignedanddevelopedontheprincipleofdecreasingairleakageandashjamofairpreheater.Andithasacquiredfavorableeffectonapracticalengineeringuse.Atfirstthepapersurveystheworks，thetechniqueandthedevelopmenttrendofrotaryairpreheater.Andthenitexpoundsthethoughtandmethodofdevelopingrotaryaipreheaterefficiencyandputsforwardthedevelopmentdirectionofdecreasingairleakageandairsealclearanceofairpreheatertheoveralldesign.Atthebaseofthis，thefourthchapterandthefifthchapter，respectively，explainsthedesignplanoftheairleakagecontrolsystemoftherotaryairpreheateraccordingtohardwaredesignandsoftwaredesign.Thesystemconfigurationsoftwarefortheindustryandon-sitemasterdevicePLCMCGSdohighlight：MCGSselectedscreenconfigurationsoftwaretoachieveon-sitemonitoring，datadisplay，alarmoutputfunction；withSiemensS7-300seriesPLCtocompletetheon-siteequipmentcontrol，andfieldcontroleffectoffeedbacktothecontrolscreen，whichautomaticallyadjustsealgapbetweenfan-shapedplateandrotor.Keyword：Airpreheater；programmablecontrollerPLC；sensor；gapcontrol；MCGS一、绪论本章首先介绍了现代火力发电厂中锅炉空气预热器应用背景及意义，然后分析了空预器的国内发展状况，最后阐述了论文的主要工作。（一）课题的背景与意义锅炉是现代火力发电厂三大主力机组之一。锅炉运行时需要消耗大量燃料，其排烟热损失是锅炉热损失中最大的一项。降低排烟热损失是提高锅炉效率的有效途径，回转式空气预热（以下简称优秀本科毕业设计（论文）汇编29682空预器）是目前600，300，200MW电站锅炉中广泛使用的一种节能设备。它的主要功能是利用锅炉燃烧排放的废烟气来预热即将进入锅炉燃烧的空气。它在锅炉中所处位置如图1.1所示图1.1火电厂锅炉系统空预器由转动的筒形转子和固定的外壳组成。装有传热元件的转子可重达几百吨，直径可近20米。高温烟气自上而下流经转子的一侧，加热传热元件，当已加热的传热元件转到另一侧时，空气自下而上流经传热元件把热量带走，从而达到预热空气的目的。由于空预器是承受冷热交替变化的一个大型回转体，低温的支座和高温侧金属膨胀的同时存在，转子内存在的温度梯度使其发生蘑菇状变形（如图1.2所示），图1.2空预器转子“蘑菇状”变形在实际的锅炉运行中，由于各种因素，如积灰等造成不同程度的漏风。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。以300MW机组为例，转子上部边沿的极限变形量为30mm转子半径5米，按三角型面积公式计算一块扇型板就可以形成0.075平方米的漏风面积，如果能测量空预器转子外沿的变形量，并根据测量的变形量控制机械升降机构提升扇型板上下动作来补偿变形间隙，这样就可以大幅度降低空预器的漏风率，控制效果如图1.3所示[1]。锅炉空气预热器间隙控制系统设计29692图1.3上部变形间隙跟踪控制处理漏风的关键在于调整好各个密封间隙，密封间隙过大，增大了漏风量；密封间隙过小，则会加速密封元件的磨损，在转子有热变形时甚至还会引起卡涩。本文所述的回转式空预器间隙控制系统，就是通过测量调节密封间隙来控制上部扇形板与转子上部径向密封板之间的间隙，在任何运行工况下，能保持该部的最小间隙，配合其它的密封措施，减少漏风量，达到节能降耗、提高整个机组的运行效率的目的.系统同时可以检测多路故障（如转子停转、传感器异常、电机过载等），并进行故障处理和报警。基于PLC的漏风控制系统已被广泛应用于火力发电厂空预器漏风检测与控制，具有测量精度准确，运行状态显示直观，人机界面的完善，可靠性高，使用维护方便等优点。实践结果表明，基于PLC的空气预热器间隙控制系统投入使用后，系统性能得到明显改善，抗干扰能力增强，有效地控制了空气预热器上部扇形板与转子上部径向密封板之间的间隙，达到减小漏风量、节能降耗、提高整个机组运行效率的目的，取得了良好的经济效率。（二）锅炉空气预热器的国内发展状况及趋势随着我国电力工业的迅速发展，火力发电厂的装机容量和单机容量都日益增大，锅炉空预器间隙控制系统系统的规模也大幅度的上升。对其控制方式、运行水平的要求也越来越高。锅炉空预器间隙控制系统主要是以可编程控制器（PLC）为主，实现控制系统的自动化控制。与传统的以单片机为核心的控制相比，在技术上具有控制功能强，编程简单，实现工艺联锁方便，可省去大量的硬接线，维护方便，可在线修改等特点。PLC不仅能完成复杂的继电器控制逻辑，而且也能实现模拟量的控制，甚至智能控制；并能实现远程通讯，联网及上位机监控等。近十几年来，国外PLC技术取得了飞跃，其容量成倍扩大、体积不断缩小、功能不断增强，不但具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，还具有PID等特殊控制功能。与此同时，PLC技术在电厂的锅炉控制系统中亦得到了广泛的应用。（三）论文的主要工作锅炉空预器间隙控制系统是现代电厂锅炉的的不可缺少的设备，但是由于其自身的工作特性所决定，空气预热器比较容易起火，这将对发电厂造成巨大的经济损失，甚至造成人员伤亡。因此提高回转式空气预热器的效能对电站锅炉乃至整个火电厂的安全、经济运行具有重要意义。优秀本科毕业设计（论文）汇编29702本论文是作者在考察了马鞍山万能达电厂的基础上，首先学习回转式空预器的工作原理、相关技术，接着分析提高回转式空预器效能的思路和方法，最后确定锅炉空预器间隙控制系统的整体设计方案。系统是基于PLC和工业控制计算机的新型控制系统。工业控制计算机对整个系统进行监控管理，下位机（西门子S7-300PLC）对间隙实行控制，并与上位机进行通讯，接受控制命令并向上位机反馈实际的控制果，便于上位机对空气预热器上的多个扇形板进行协调管理。在整体设计方案的基础上，又分别从硬件设计和软件设计等方面阐述了回转式空预器漏风控制系统的设计方案。本空预器间隙控制系统硬件主要由高温间隙传感器、扇形板提升机构、转子停转检测开关和控制柜等四部分组成，并对系统的间隙测量装置做了重点研究。在软件方面，系统选用工业组态软件MCGS和现场主控元件西门子S7—300系列PLC。采用MCGS工业组态软件建立了五个监控画面：系统主界面、系统调节控制画面、系统报警显示画面、系统数据显示画面、系统安全机制画面。这些监控画面可以实现现场画面监控、数据显示、报警输出等功能。西门子S7—300系列PLC完成对现场设备的控制，它既可独立对扇形板与转子之间密封间隙实行控制，又可与上位机进行通讯，并向上位机反馈实际的控制效果，便于上位机对空气预热器上的多个扇形板进行协调管理。系统采用SIMATICS的STEP7编程软件，使用面向对象编程，采用模块化、人性化设计，根据系统的软件结构及间隙调节流程图编写了梯形图程序并下载到PLC的PCRAM存储器中，此程序完成系统硬件自检、给定值在线输入与更改、间隙巡回检测显示、采样及滤波处理、系统故障判断及应答等控制功能。二、锅炉空预器间隙控制系统的工艺分析空气预热器安装在锅炉排烟道尾部，利用排烟的热量加热锅炉助燃所需空气的一种节能设备。本章介绍了锅炉空预器间隙控制系统的的工作原理，接着分析了系统漏风的原因，最后重点阐述了减小回转式空气预热器漏风的措施。（一）概述空气预热器是热电厂锅炉的重要部件之一，是利用锅炉尾气的烟气热量加热锅炉燃烧时用的一种热交换装置。它一般安置在锅炉排烟的尾部。对于600、300、200MW机组多采用“三分仓”式结构的空气预热器。这种空气预热器由可转动的筒形转子和固定的圆筒形外壳等组成[2]。回转式空气预热器是一种转动机构，转动部分与固定部分存在一定间隙。另外，流经空气预热器的空气与烟气之间存在压差，也存在气流间的相互泄漏，因此需要采取密封措施以减少泄漏损失。热态运行时，由于转子内部存在热交换，上部平均温度高（热端），下部平均温度低（冷端），因此会产生（蘑菇状）变形，造成有的地方间隙变大（如热端外侧），直接影响空气预热器的工作效率；有的地方间隙变小（如冷端外侧），会造成扇形板与转子发生摩擦，主机电流增大，损坏电机。对于轴向、旁路及冷端径向间隙均可采用在冷态下预留间隙的方法，使在转子热态变形后仍可获得满意的密封间隙[3]。间隙控制系统则是为解决空气预热器热端径向密封而设计，控制系统主要是对扇形板底面和径向密封片之间的密封间隙进行自动跟踪控制，使密封间隙保持在设定范围内，从而达到对空气预热器漏风量进行自动控制的目的，提高整个机组的运行效率。（二）空预器间隙控制系统的工作原理系统通过安装在空气预热器扇形板上的高温间隙传感器检测出扇形板对转子法兰面间的间隙值，经转换单元转换为标准电信号送到可编程序控制器（PLC）系统.PLC系统对采集到的间隙信号与给定值进行比较，根据偏差的正负决定机构的动作方向（提升、下放、不动），由偏差大小决锅炉空气预热器间隙控制系统设计29712定动作时间，形成自动的间隙调