（热能工程专业论文）回转式空气预热器密封间隙自控系统的研究与应用.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文对密封间隙自动控制系统在国内的应用现状进行了探讨，提出了采用电感 式传感器作为间隙测量的探头，因为它是整个间隙控制系统的核心部件。系统运行 的好坏，间隙传感器是关键。并重点介绍了间隙传感器的结构和工作原理，以及信 号变送器的设计与测试。 重点对耐高温行程开关的研究作了阐述。在其它各种密封间隙控制系统设备中 都没有这种装置，是具有创新性的。它的研制成功，解决了间隙控制装置无法在空 预器内部安装机械式限位开关问题，从而提高了设备运行的安全性。同时对控制系 统的实现作了详细说明。 关键词：空气预热器漏风自动控制 a b s t r a c t a i rl e a k a g eo ft h ea i rp r e h e a t e ri su b i q u i t o u sa tp r e s e n t t h e yb a d l ya f f e c ts a f ea n d e c o n o m yo fb o i l e ro p e r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n so fa i rp r e h e a t e r , t h ep a p e ra n a l y s i st h er e a s o n so fa i rl e a k a g ei nd e t a i l ，a n dg e to u ta l lk i n d so ff a c t o rf o ra i r l e a k a g ei n c r e a s e r f o re x a m p l e ，b a d l ya t t a i n t e df i xs e a l ，l a r g es e a lg a p ，s i n g l e - t y p es e a l i n ga n d d e f e c to fs e c t o rb o a r ds e a lg a pa u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c ea r et h em a i nf a c t o r t h ea p p l i c a t i o nf o rs e a lg a pa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi sd e t a i l e dd i s c u s s e di nt h ep a p e r b e c a u s ei ti st h ek e yp a r to fs e a lg a pa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，i n d u c t a n c es e n s o ri st a k e na s s e a lg a pm e a s u r e m e n td e v i c e a ts a m _ et i m e ，t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fg a ps e n s o lt h e d e s i g na n dt e s to fs i g n a lt r a n s i t o ra r ep a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e d m a ox i s h u ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f a nl i a n s u o k e y w o r d s ：a i r p r e h e a t e r ；s e a l i n gc l e a r a n c e ：a u t o e o n t r o l 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文蒸汽湿度测量方法研究及实验系 统设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名毛踢辖日期：加多，n z 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：饼 日期：坦尘? 6 导师签名：盘缠 日 期：鑫盟! 立 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的来源及意义 第一章绪论 我国的电力能源消费构成中，燃煤机组的发电量占8 0 以上。由于我国常规能 源结构中，以煤炭为主，在相当长的时期内，这种状况将难以改变，因此研究提高 燃煤电站循环热效率的技术，对于降低发电煤耗，减少环境污染，具有重要的社会 效益和实用价值。 锅炉是火力发电厂的主要设备之一，它的能量转换效率对整个电厂的效率具有 重要影响。作为电站锅炉的主要节能设备一一空气预热器，它的热转换效率将直接 影响锅炉的运行效率。据有关资料统计，空气预热器的使用可使锅炉节省燃料8 1 0 ( 排烟温度每降低2 0 ，锅炉热效率大约提高l ) 。以3 5 0 m w 锅炉汽轮发电 机组为例，此效益相当于每年节省标准煤7 万吨，因此提高空气预热器的热转换效 率，对锅炉的经济性及长期运行指标的提高，以及环境保护都有着非常重要的积极 意义1 2 1 。 随着我国电力行业的快速发展，电网的峰谷差逐渐增大，机组非额定负荷下的 运行时间越来越长，一些地方的火电机组全年平均负荷率只有7 0 左右。二十世纪 八、九十年代投产的火电机组，由于受到当时的生产技术发展和制造、安装工艺的 制约，设备、控制手段相对比较落后，机组的变负荷调峰运行经济性较差，供电煤 耗率、厂用电率、补水率等经济技术指标远远大于额定工况下的数值，严重影响了 火电机组的经济性。其中，锅炉风烟系统中的空气预热器漏风较为严重，是调峰运 行机组存在的主要问题之一。有些漏风率在1 5 以上，造成锅炉在满负荷时引风严 重不足。空气预热器漏风大的问题如果不能解决，则锅炉将处于缺氧燃烧状态，严 重影响了机组的安全经济运行。因此，研究和完善空气预热器漏风控制系统对提高 整个机组的效率有着重要的现实意义。空气预热器漏风控制系统主要是通过测量调 节来控制扇形板与转子径向密封片问的间隙，于任何工况下保持该部的最小间隙， 达到控制漏风量的目的，降低能耗，提高整个机组的效率【3 】。 1 2 回转式空气预热器的现状 1 2 1 回转式空气预热器h 在电站锅炉中，空气预热器作为锅炉本体的一部分，起着重要的作用。它主要 利用锅炉尾部烟气的热量来加热燃烧用的空气。由于空气预热器工作在烟气温度最 低的区域，回收了烟气的热量，降低了排烟温度，因而提高了锅炉的热效率；同时 华北电力大学硕士学位论文 由于空气被预热，强化了燃料的着火和燃烧，减少了燃料的不完全燃烧热损失，进 一步提高了锅炉效率。此外，空气预热器还能提高炉膛内烟气温度，强化炉膛内辐 射换热。因此，空气预热器已成为现代锅炉的一个重要组成部分。 按照传热方式，空气预热器可分为传热式和蓄热式两大类。在传热式空气预热 器中，热量连续地通过传热面由烟气传给空气，且烟气和空气各有自己的通路。在 蓄热式空气预热器中，烟气和空气交替地通过受热面。当烟气流过受热面时，热量 由烟气传给受热面金属，并被金属积蓄起来：然后使空气通过受热面，金属就将积 蓄的热量再传给空气，依靠这样连续不断地循环来加热空气。在锅炉总体方案设计 时，选用哪种型式的空气预热器主要取决于下列诸因素： ( 1 ) 尾部烟道中空气预热器的安装空间； ( 2 ) 燃料和灰渣特性： ( 3 ) 技术成熟度： ( 4 ) 运行的安全可靠性： ( 5 ) 技术经济分析和技术可行性。 在现代电站锅炉中，最常用的传热式空气预热器是管式空气预热器，多为中小 容量锅炉所采用。蓄热式则以回转式空气预热器为主。回转式空气预热器因为具有 传热面密度高( 达5 0 0 m 2 m 3 ) ，结构紧凑，体积小( 仅为管式空气预热器1 1 1 0 ) ， 易于布置，制造成本低( 钢材消耗量比管式空气预热器节省3 0 5 0 ) ，安装检 修方便，耐腐蚀，受热面腐蚀和磨损不会增加漏风，寿命长，运行费用低等特点而 被大容量锅炉广泛采用。目前，随着电站锅炉容量增大，电站锅炉空气预热器的趋 向是采用回转式空气预热器。 1 2 2 回转式空气预热器的运行状况陌1 ” ( 1 ) 国内大机组锅炉普遍采用回转式空气预热器，回转式空气预热器主要分 受热面回转式和风罩回转两种形式。 ( 2 ) 从国内运行情况来看，回转式空气预热器在运行中存在的主要问题式漏 风率大，冷端受热面的低温腐蚀和堵灰等。 ( 3 ) 风罩回转式空气预热器的漏风率普遍大于受热面回转式空气预热器。空 气预热器的漏风严重威胁锅炉的安全运行，严重时会使一次风严重不足，迫使锅炉 不得不限出力运行。若漏风问题得不到彻底解决，就不得不增大一次风机和引风机 的容量，使送引风机电耗增加，从而使锅炉的经济性下降。 ( 4 ) 回转式空气预热器冷端受热面的积灰、堵塞和低温腐蚀现象是比较普遍 的。大型锅炉设计排烟温度一般为1 2 0 1 3 0 。c 左右，因而空气预热器冷端的整体 2 华北电力大学硕士学位论文 温度水平较低，容易产生低温腐蚀，使受热面沾污和积灰，两者是相互影响的。堵 灰和低温腐蚀不仅影响受热面的传热，使排烟温度升高，降低锅炉的经济性，而且 还会使烟道阻力增加，致使引风机过载，制约锅炉的出力。当被迫提高风机出力时， 将造成漏风增大，增加了引风机的电耗，降低了锅炉运行的经济性，提高了供电煤 耗。 1 2 3 回转式空气预热器存在的主要缺陷 ( 1 ) 密封挡板失效 国内部分电厂所使用的空气预热器采用可调节的密封挡板，即在空气预热器外 壳和可调密封挡板间使用滑片密封条，以消除可调密封挡板与静态件间的漏风，在 运行中，这些密封条受到磨损和腐蚀，降低了密封作用。 ( 2 ) 自动控制系统工作异常 漏风控制系统使为解决热端径向密封而设计。大型回转式空气预热器由于热端 转子产生蘑菇状变形量较大，多采用可弯曲扇形板结构。这种结构在空气预热器发 生蘑菇状变形时使扇形板产生同样的曲线变形。采用热端自动控制系统时，可将扇 形板内侧固定，外侧与控制系统的提升机构相连，在夕i t n 施加一作用力使其产生变 形来调整间隙，以达到少漏风的目的。自动跟踪装置虽能有效地降低漏风，但由于 其控制及保安系统较复杂，且测量密封间隙的传感器一般采用接触式，运行中很容 易造成损坏，使测量精度下降，甚至完全失效，无法进行自动跟踪控制，可靠性差， 只能依靠人工粗略调整，造成径向密封间隙增大及二次漏风。因此，此中控制系统 对空气预热器的制造、安装、及运行水平要求较高。 ( 4 ) 周向驱动 这种驱动方式，在转子受热膨胀后易使其周向的围带间隙增大，且易造成转子 偏斜，最终导致漏风增大。用这种驱动方式，即意味着在转子外缘处必须留出一定 的间隙，这相当于又增加了一个漏风环节。而且这种驱动方式，易使传动部件在启 动和运行时承受较大力矩，运转不平稳，较易卡涩。如哈尔滨第三电厂及元宝山电 厂6 0 0 m w 机组的三分仓回转式空气预热器因围带超差，有时需用外力方能启动。 ( 5 ) 膨胀不同步 热端扇形板内侧安装在静密封卷筒上，热端扇形板与径向密封片问的根部间隙 在热态下因受热膨胀而发生不同步变化，使此处磨损，间隙增大，漏风增加。 ( 6 ) 安装问题 安装规程中对上下轴承找中心和转子找平的精度不够，运行中大轴晃动，导致 各间隙发生变化，漏风增加。 华北电力大学硕士学位论文 ( 7 ) 一次风压高 运行人员为避免一次风管积粉或在带有中速磨的直吹系统中减少石子煤量，人 为的提高一次风压，使空气预热器漏风率提高，增加排烟损失及风机电耗。通常， 一次风漏风量占空气预热器漏风量的7 0 8 0 。 1 3 国内间隙控制系统应用现状刊 间隙控制系统主要由间隙测量传感器、自动控制系统主要由间隙测量传感器、 自动控制系统和执行机构等三大部分组成，耐高温的间隙测量传感器与信号变送器 把实测的间隙( 扇形板与转子外缘法兰端面之间) 转换成标准信号送到自动控制系 统，与给定间隙值比较。根据偏差的正负决定机构的动作方向( 提升、下放、不动) ， 由偏差大小决定动作时间，构成了自动间隙控制系统。间隙控制系统的示意图如( 图 卜一1 ) 所示。 假定实测间隙为6 x ，设定值为6 0 ，允许偏差的上限为6 l ，下限为6 2 。当 6 x 6 x o + 6 【 下放扇形板 6 x 6 x o + 6 2提升扇形板 6 0 一6 2 茎3 xs6 x o + 6 l扇形板不动 偏差愈大，动作时间越长，直到进入给定偏差带以内：这种动作规律一般是转 子每转一周进行一次。 图卜1 间隙控制系统示意图 目前国内应用的间隙控制系统主要分为接触式和非接触式两大类。接触式间隙 控制系统是指将机械探杆安装在空预器外部，在实际运行中，定时( 一天深测2 3 次) 将探杆探入空预器内部，以检查转子受热变形情况。这种方法经实践证明效果 不佳。由于该系统对间隙量不是实时的连续进行自动控制，这就降低了整体系统的 控制精度。从长期运行来看，触摸机械总有不同程度的磨损，影响探测精度。非接 触式的间隙控制系统，其间隙传感器主要有电涡流位移传感器和电感式位移传感器 4 华北电力大学硕士学位论文 两种。电涡流位移传感器和电感式位移传感器相比，虽然线性度高，但测量范围小 ( o 1 0 m m ) ，制造工艺复杂，使用寿命短，一般只能维持一年左右。日本三菱公 司生产的位移传感器是电感式的，但其机械限位装置庞大复杂，又不可靠，传感器 的使用寿命也不长。从系统硬件设备上看，目前使用的都是模拟单体控制显示仪表， 限制了系统的整体功能。此外，亦有个别空预器中采用其它方式，如通过声频信号 测量密封间隙的方法，但其效果不佳，己被淘汰。近年来，上海锅炉厂和美国a p c 公司合作开发了温度感应式l c s 系统，取消了原设备中的机械式、电感应式的传感 器，采用通过预热器流体温度来计算预热器的实时转子高度位置。但由于转子及机 架的变形受诸多因素影响，使用效果还有待实践中验证。 电察式传感器的测量范围大，结构工艺较简单，容易保证获得较长的使用寿命， 虽非线性，但可由计算机进行线性处理，因此将电感式位移传感器用于空预器密封 间隙的测量是一个较为理想的选择。 1 4 本文所做的主要工作 为了有效降低空气预热器的漏风率，要求间隙控制系统能够稳定、可靠地工作， 并且具有寿命长，操作及维护方便的特点。因此，在自行研制开发空气预热器的间 隙控制系统的过程中主要完成了以下几个方面内容的工作。 ( 1 ) 电感式位移传感器的设计与制作 ( 2 ) 信号变送器的设计与制作。 ( 3 ) 自动控制部分的设计与实现，包括硬件、软件模块化，系统接1 ：3 的标准 化。 ( 4 ) 搭建模拟空气预热器工况的间隙传感器测试平台，其中完成了包括炉温 调节、模拟转子和扇形板的相对运动与间隙值的测试等工作内容。 ( 5 ) 对间隙传感器的性能及控制系统进行测定，内容包括系统精度、稳定性 测试，以及安全限位和报警功能的实现。 本文研制成功的耐高温行程开关开创性地解决了间隙控制系统在空气预热器 内部无法安装机械式限位开关的这一难题。 华北电力大学硕士学位论文 第二章回转式空气预热器工作原理及漏风原因分析 2 1回转式空气预热器工作原理h 1 目前国内使用的回转式空气预热器主要是三分仓容克式空气预热器，其结构如 ( 图2 一1 ) 所示。它是一种以逆流方式运行的再生热交换器，加工成特殊波纹的金 属蓄热元件被紧密地放置在转子扇形隔仓内。转子以一定的转速旋转，其左右两半 部分分别为烟气和空气通道，空气侧又分一次风通道和二次风通道，当烟气流经转 子时，烟气将热量释放给蓄热元件，烟气温度降低，当蓄热元件旋转到空气侧时， 又将热量释放给空气，空气温度升高，如此周而复始地循环，实现了烟气与空气的 热交换。 6 b 1 导向轴承 封问障 。径向密封片 5 转子 7 支承轴承 2 右扇形板 4 左扇形板 6 蓄热网板 8 壳体 转子左侧示意图为冷态位置 转子右侧示意图为热态变形位置 图2 - i 回转式空气预热器结构示意图 回转式空气预热器主要部件如( 图2 ，2 ) 所示。 6 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2 回转式空气预热器的主要部件 ( 1 ) 转子 转子采用模数仓格结构。全部蓄热元件分别装在仓格内，每个模数仓格利 用一个定位销与中心简连接，中心简上、下两端分别用螺栓连接上轴与下轴，转子 7 华北电力大学硕士学位论文 外围下部装有一圈传动围带，转子上下端最大直径处设置的t 型钢是旁路密封元件， 上端最大直径处的加工平面为热态下测量转子热变形的基准面。转子由设置于下粱 中心的推力轴承及置于上梁中心的导向轴承支撑，为缘轴线方向及圆周方向分别设 置有径向、轴向及盘路密封装置，如( 图2 - 3 ) 所示。 厂 艮、磊 眵蹙 沁 ( 2 ) 蓄热元件 。 蓄热元件有冷端蓄热元件及热端蓄热元件。由碳钢板轧制而成，均按模数 仓格内小仓格的形状和尺寸制成各种规格的组件，每一组件都是有一块具有垂直大 波纹的定位板和一块扰动斜波的定位板、一个平板交替层叠捆扎而成。 ( 3 ) 梁与扇形板 华北电力大学硕士学位论文 上梁、下梁和主壳板连接组成一个密封框架，成为支撑预热器转动件的主要结 构，上梁和下梁分隔了烟气和空气，上部小梁和下部小梁又将空气分隔成为一次风 侧和二次风侧，分别形成烟气和一、二次风进出口通道。上下梁及上下小梁装有扇 形密封挡板( 扇形板) ，扇形板与转子上的径向密封片之间形成预热器的主要密封 一一径向密封。扇形板可作少量调整，它与梁之间有固定密封装置，分别设在烟气 侧和二次风侧。热端扇形板有三个支点，内侧一点，p b 仞j 2 点，内侧支点是一个滚 柱，支撑在中心密封筒上，可随主轴热膨胀而上下移动，从而保证热端扇形板内侧 可跟踪转子的变形，外侧两个支点通过吊杆与控制系统中的执行器相联，运行中有 跟踪调整系统对热端扇形板进行自动控制，适应转子热态“蘑菇状”变形。冷端扇 形板也有三个支点，全部支撑在梁上，每个支点采用不同厚度垫片组合对扇形板的 位置进行调整。 ( 5 ) 密封系统 空气预热器设置有径向密封、旁路密封、轴向密封及固定密封来保证四个部位 的密封。 2 2 回转式空气预热器漏风原因分析“”2 1 2 2 1 回转式空气预热器漏风的构成 回转式空气预热器的漏风一般情况下分为携带漏风和直接漏风。携带漏风是空 气预热器自身转动所引起，是其固有的。携带漏风量与空气预热器转子的直径、高 度等因素有关。转子旋转越快，携带漏风量越大，转子中受热面的充满度越高，携 带漏风量越小。一般情况下，携带漏风量是不大的，当机组选用的空气预热器确定 后，它的变化较小。携带漏风量可由式( 2 - 1 ) 计算： q i2 v - ”见 ( 2 1 ) 式中：蝎：携带漏风量，k g h ； v ：空气预热器的空间容积，m 3 ； n ：转速，r h ； 岛：空气的密度，k g m 3 。 携带漏风量一般约占空气预热器总漏风量的1 5 左右。 直接漏风是由于空气侧与烟气侧间存在的静压差所引起的，它约占总漏风量的 8 5 ，因此是影响回转式空气预热器漏风率的主要因素。由于回转式空气预热器本 身是转动机械，动静部件间留有间隙。尽管这些间隙有密封装置，但也不可能将这 些间隙堵死。当有压差作用时，就会造成漏风。压力高的一次风同时向二次风和烟 9 华北电力大学硕士学位论文 气侧漏风，压力较高的二次风也会向烟气侧漏风，直接漏风的大小由式( 2 - 2 ) 计算 得出： q 25 a - a 1 9 6 9 p o a p ( 2 2 ) 式中：q 2 ：直接漏风量，k g h ； a ：流量系数； a ：正常运行时的间隙面积，m 2 ； 印：两流体间的压力差，p a ； g ：重力加速度，m s 2 ： p o ：空气的密度，k g m 3 。 由式( 2 - 2 ) 可知，直接漏风量与间隙面积和空气侧与烟气侧之间的压差的平方 根成正比。间隙越大，空气侧与烟气侧的压差越大，直接漏风量也越大。 受热面回转式空气预热器在热态运行中，转子上下存在较大的温差，热端温度 高，转子径向膨胀大；冷端温度低，径向膨胀小。同时，中，1 5 , 轴向上膨胀，热端相 对冷端膨胀较多。另外，当转子的温度身高后转子的刚性会降低，加之转子本身的 重量很大，所以，当转子受热后会出现转子外围向下的“蘑菇状”变形，这将会使 其热端径向间隙增大，漏风率提高。其变形规律可由式( 2 - 3 ) 计算： g = o 0 0 6 a t h x r 2 ( 2 3 ) 式中：g ：转子变形量，m m ： 出：空气预热器冷、热端温差，； 日：转子高度，m ： r ：转子半径，m 。 上式表明，随着温度升高，转子直径的变大，转子的变形量也增大，这将使空 气预热器的漏风量相应变大。设空气预热器冷热端温差为3 0 0 。c 左右，回转面高度 2 5 m ，转子半径r = 5 m ，则： g = o ，0 0 6 3 0 0 2 5 5 2 = 1 8 r a m 可见其变形量是很大的，将形成个大的三角形漏风区。若不加控制，造成的 泄漏将非常大。 2 2 2 回转式空气预热器漏风的主要原因 ( 1 ) 自动间隙控制系统不可靠 主要原因是检测装置可靠性差，经常损坏。由于产品难以在高温环境中正常工 作，运行中经常损坏，造成空气预热器密封间隙自动控制系统不能正常投入。控制 1 0 华北电力大学硕士学位论文 装置设计不完善，缺乏应有的保护功能，一旦控制装置失灵，容易造成空气预热器 卡死或间隙调整至虽大，甚至造成密封片损坏。 ( 2 ) 固定密封使用寿命短 由于固定密封仅采用两块几个毫米厚的钢板搭接构成，密封效果差，漏风量大， 且由于热一、二次风中含有灰尘，在产生漏风的同时还发生严重磨损，密封板寿命 短，特别是一次风与烟气侧，密封板经常使用三个月就磨损出孔洞，使漏风急剧增 加，为主要漏风点。 ( 3 ) 扇形板端部密封效果差 扇形板内侧端部为一铰轴座在中心筒上，外侧端部由调整装置拉杆拉动，热态 转子热变形调整时运动轨迹是一个曲面，运动轨迹难以确定，无法采取有效的密封 形式，仅采取一块挡板进行密封，漏风大，使用寿命短，是主要漏风点之一。 ( 4 ) 下部径向间隙设置过大 下部径向密封片预留转子热态时“蘑菇状”变形间隙，预留值偏大时，也是一 个主要漏风点。 ( 5 ) 上部径向密封片损坏频繁 由于扇形板自动跟踪调整装置不可靠，致使扇形板过调，扇形板与密封片摩擦， 密封片损坏。另原因为固定密封板寿命短，密封板脱落在扇形板处导致密封片挤 坏。 ( 6 ) 上扇形板底部密封面损坏 由于漏风吹蚀及动静摩擦等原因，上扇形板密封面损坏严重，平面凹凸不平， 次风与烟气侧扇形板底部密封面曾多次磨穿形成孔洞，致使径向密封失效，漏风 严重。 华北电力大学硕士学位论文 第三章空气预热器间隙传感器设计 3 1间隙传感器工作原理。 电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量的变化转换成线圈的自感或 互感变化的机电转换装置。它常用来检测位移、振动、力、应变、流量、比重等物 理量。 电感式传感器具有以下优点：结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨 率高：测量精度高，线形好；性能稳定，重复性好，输出阻抗小，输出功率大；抗 干扰能力强，特别适合在恶劣环境中工作。 因此选用了电感式传感器作为空气预热器间隙的测量探头。电感式传感器的种 类很多。根据传感器转换原理不同，可分为自感式、互感式、涡流式、压磁式和感 应同步器等。根据结构形式不同，可分为气隙式和螺管式两种。根据改变的参数不 同，又分为变气隙厚度式、变气隙面积式、变铁心导磁率式。 电感式传感器的结构如( 图3 一1 ) 所示，它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁都是由导磁材料如硅钢片、软铁、坡莫合金制成。铁芯上绕有线圈，铁 芯与活动衔铁之间有气隙6 ，衔铁与被测体相连。当衔铁产生位移时，气隙厚度j 或 铁芯与衔铁的覆盖面积4 发生变化，从而导致自感三变化，然后通过测量电路转换 成与位移成正比的电量，实现非电量到电量的转换。 图3 - 1 电感式传感器结构 由磁路欧姆定律可知，磁路中的磁通西与磁势f 成正比，与磁路的磁阻心成 反比。即匝数为的铁芯线圈通上电流i 之后，磁路中的交变磁通为 1 2 华北电力大学硕士学位论文 巾：盟 氏 则线圈中的感生电势为 p ，：一上堕：一塑 dtm 由式( 3 - 1 ) 和式( 3 - 2 ) ，可得线圈的自感为 三：竺 如 而磁路中的总磁阻可写为 r 。= r f + r 6 而 耻者+ 去 r 。：旦 。肺爿 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 式中：l 为线圈的电感； n 为线圈的匝数；昂为铁磁材料的磁阻；为气隙 磁阻；、f 2 、丑、4 、h 、心分别为铁芯和衔铁的磁路长度、面积及磁导率；占、 a 、, u o 分别为空气隙的厚度、面积和磁导率。 由于砟 见，故r f 常常被忽略，即 心2 廓+ b b 2 鬲2 6 因此，司得到线圈自感 上：竺。竺：竺型 如2 6 2 6 ( 3 7 ) 式中：, u o2 4 万。l o 。h m ，为空气的磁导率。 根据式( 3 - 7 ) 可知，当线圈匝数n 确定之后，只要改变j 、a 和l 均导致电感 变化a 因此，电感式传感器又可分为变气隙厚度式( 艿) 电感式传感器、变气隙面 积式( a ) 电感式传感器、变铁芯导磁率式( ) 电感式传感器。前者自感系数l 与 气隙厚度j 成反比，灵敏系数 。高，但有非线性误差：后者自感系数与气隙面积 a 成正比，呈线性关系，但灵敏系数a 哇低。利用某些铁磁材料的压磁效应改变磁 导率，可构成压磁式传感器。 空气预热器间隙传感器采用的是变气隙厚度式( 艿) 电感传感器，采用了参比 式结构，即在传感器内装有两个完全相同且对称安装的电感线圈，如( 图3 - 2 ) 所 华北电力大学硕士学位论文 示。其中一个电感量是固定不变的，大小为厶。另一个电感线圈的电感量t 随传感 器的衔铁与线圈的相对位置而变化。 。蓬、 、 1 固定衔铁 4 可动衔铁 2 铁芯 磊固定间隙 3 线圈 t 可变间隙 图3 - 2 变气隙厚度式电感传感器 初始时，假设传感器输出电感为厶。工作时，传感器的衔铁从初始位置向上移 动时，则占变成8 - a 8 ，传感器输出电感为 t 却啦怒2 厶走 当j 0 占时，上式右边可用泰勒级数展开为 t = 厶+ 址= 厶 + 等+ ( 等 2 + ( 等) 3 + 人 忽略高次项后得 由式( 3 - 1 0 ) 可得传感器的灵敏度和非线形误差 1 4 ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 1 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 址 k ：上：! 66 儿：竽l o o d ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 上述分析说明，变气隙厚度式电感传感器的输出一输入特性是非线性的，由式 ( 3 - 1 1 ) 可知，减小气隙厚度占，可以提高传感器的灵敏度，但由式( 3 - 1 2 ) 可看 出减小气隙厚度占的同时会增加非线性误差。为保证一定的测量范围与线性度，常 取占= 0 1 0 5 r a m ，占= ( 0 1 0 2 ) d 。 交流电桥电路是电感传感器的主要测量电路，如( 图3 - 3 ) 所示。z i 、z 2 为t 作臂，即线圈阻抗，厶为不变电感，t 为可变电感，r 1 、r 2 为电桥的平衡臂，d 为 桥路电源，为输出的交流电压信号，乏为负载阻抗。 3 2 间隙传感器的结构及特- 陛分析 ( 1 ) 探头结构 探头结构见( 图3 4 ) 。它由电感铁芯、电感线圈、导线、固定支架、固定间隙 铁板、外套等部件组成。 + 图号1 3 、电感铁芯： 它是探头电感线圈的铁芯。用材质为d 4 4 0 、厚度为o 3 5 r a m 的冷轧硅硅钢 片5 6 5 7 片铆接而成，截面积为2 0 1 5 r a m 2 、中心长度为1 1 1 r a m 。 图号4 、耐高温线圈，有骨架和耐高温导线组成： 电感线圈骨架：由一对对称的工字形骨架组成。用材质为h 6 2 、厚度为 o 8 m m 的冷轧铜板制成。 华北电力大学硕士学位论文 高温导线：它是用来绕制电感线圈的。用中o 5 5 m m 的镀银铜丝，在外面 加上耐高温玻璃纤维编制的绝缘护套，在铁芯上共绕6 0 0 匝。 图号5 、磁力线隔离铜板： 其作用是隔离探头内测量电感与固定电感的相互影响。用材质为h 6 2 、厚度为 3 r a m 的冷轧铜板制成。 图号6 、线圈安装固定支架： 其作用是固定探头内铁芯中的线圈、磁力线隔离板等组件的相对位置。用 h 6 2 、厚度为2 r a m 的冷轧铜板制成。 图号7 、线圈定位铜块： 与线圈安装固定支架一起固定探头内铁芯中的线圈、磁力线隔离板等组件 的相对位置。用h 6 2 、厚度为5 m m 的冷轧铜板制成。 图号1 0 、固定间隙铁板： 其作用是与固定电感铁芯构成磁回路，在其与固定电感铁芯之间有一个 3 m m 固定厚度的云母片层，用4 5 撑钢板制成。 图号1 2 、固定间隙压紧铜板： 它与一个碟形弹簧一起压紧固定间隙铁板、3 m m 厚度的云母片层，使固定 间隙铁板与固定电感铁芯之间的位置保持不变。用材质为h 6 2 、厚度为4 m m 的冷轧 铜板制成。 图号3 、探头外套： 探头外套由外套简体、外套盖、引出线固定螺帽、外套底板组成，其中除 外套底板是用材质为h 6 2 、厚度为6 r a m 的轧铜板制成，其余均用不锈钢为材料。 ( 2 ) 探头结构分析 探头是空预器间隙控制系统中最关键的部件，系统的精度、稳定性、寿命，探 头起着决定性的作用。 固定间隙值的确定：空预器在正常运行时，密封间隙一般定在4 毫米左右， 因此固定间隙值设定为3 毫米。为了使它在高温状态下保持不变，在固定间隙内， 用云母片( 图号9 ) 作为填料。用碟形压紧弹簧( 图号1 1 ) 加压在固定间隙压紧铁 板( 图号1 2 ) 上，这样就避免了零件受热变形对固定间隙值的影响。 铜线的防腐蚀：空预器内充满高温废气，它含有硫等成份，对导线起腐蚀 作用，因此探头的密封性好坏，是保证探头寿命的关键。为了使外界气体与探头内 部铜线隔离，整个探头内部填满氧化镁，电线从探头引出部分用无缝金属软管保护， 所有可能产生泄漏的结合面间均用耐高温填料堵塞。 华北电力大学硕士学位论文 导线的绝缘：在铜线外编织耐高温的玻璃丝护套。 减少温度对探头精度的影响：在探头内部，基准铁芯和测量铁芯的对称性， 是达到自身温度补偿的重要条件，所以要求零件加工一定保证精度，装配一定保证 质量。 8 o i 一引出线密封、固定螺母 己一探头项盖 3 一探头外亮简体 4 一耐高温线圈 5 一磁力线隔离铜板 6 一线圈按装固定支架 7 一线固定位铜块 8 一探头底部密封铜板 9 一固定间隙埴料一云母片 o 1 0 一固定间隙铁板 i l 一蝶形压紧弹簧 1 2 一固定间隙压紧铜板 1 3 一电感铁芯 1 4 一电感线圈引出线 图0 4 探头结构 图3 4探头结构 _ ： 华北电力大学硕士学位论文 3 3 间隙传感器的设计指标 根据对空气预热器间隙传感器的设计要求，制订出探头的设计性能指标如下： ( 1 ) 冷态测试下的性能指标要求： 将3 根引出线中任意一根，用摇表对探头外壳测量绝缘，其电阻应大于5 0 m 0 ； 用万用表测量两组线圈的电阻，应分别在6 0 q 0 5 0 ： 将探头置于测试台的测量支架上，根据测试台升、降机构上的百分表读数， 先将问隙值调到3 m m ，用电感表对两组线圈的电感值进行测量，分别应在5 4 m h 2 m h 。再将间隙值升至2 0 r a m ，再次测量两组线圈的电感值，此时固定线圈的电感 量应没有变化，而测量线圈的电感量应在4 2 m h 2 m h 。应重视的指标是，测量线 圈的电感量在间隙3 m m 和2 0 m m 二点的电感量的差值应大于8 m h 。 ( 2 ) 热态测试下的性能指标要求 将探头置于烘箱内加热至2 8 0 。c 左右，然后冷却到常温。重复这一过程2 3 遍， 再按冷态测试的步骤测试，各项参数应没有很大差别。 3 4 间隙传感器的性能测试结果及分析 ( 1 ) 将间隙测量探头置入恒温箱内，加热到3 5 0 c ，恒温7 2 小时后，探头完 好无损。 ( 2 ) 用摇表( 2 5 0 v ) 测量探头对地绝缘：热态阻值为3 0 mq ，冷态阻值为无 穷大。 ( 3 ) 将探头固定在轴向位移调试装置上，7 5 v a c 电源加至探头两端。间隙调 在3 m m ，用电感表测得电感为5 2 毫亨。间隙调在2 0 m m ，测量得电感为4 3 毫亨。 两端电感相差9 毫亨 探头样机的测试结果的分析： 探头能在3 5 0 。c 高温下工作完好无损，绝缘性能没有发生变化，表明导线外 套选用玻璃纤维编制的绝缘护套，垫片选用云母片是合理的，即能耐高温且能保持 良好的绝缘性能。 从测得的电感值，证明线圈匝数、铁芯截面积及结构的设计和工艺是正确的， 实测数据完全符合设计要求。 华北电力大学硕士学位论文 第四章空气预热器密封间隙信号变送器设计 4 1 信号变送器的设计 8 墨 8 垂 图4 1 信号变送器原理图 华北电力大学硕士学位论文 空预器密封间隙的测量，首先由探头测得空预器扇形板和受热面径向密封片间 的间隙电感量，然后将此信号由专用屏蔽线送至信号变送器，将其转换成4 2 0 毫 安电流信号，提供给控制系统进行密封间隙的自动控制和运行状态的监视，使间隙 值保持在设定值，保证空预器的正常运行。 信号变送器电路图如( 图4 1 ) 所示，电感线圈由基准电感线圈l z 和测量电感 线圈l 1 组成，分别接在信号变送器桥路的两臂；信号变送器通过整流、c w 7 8 0 9 稳压、i c l 8 0 3 8 振荡器8 0 0 h z 供叫”】。 4 2 信号变送器的测试 4 2 1 测试方法 试验条件： 环境温度：2 1 2 5 ； 相对湿度：4 0 8 5 供电电源：交流电压2 1 8 v 2 2 2 v4 9 5 h z 5 0 5 h z 装置预热时间：不大于0 5 h ； 所需仪器仪表： o 5 级直流毫安表：o m a 2 5 m a 5 0m a 恒温箱：2 2 0 v 或3 8 0 v 04 c 6 0 0 。c 以上1 5 k v a 以上 探头轴向位移测试装置( 图4 2 ) ；0 m m 5 0m m 温度表：0 * c 8 0 0 。c1 0 级 稳压电源：交流电压2 2 0 v 2 2 0 v 功率3 0 0 w 以上 百分表：o m m 2 0 m m 以上 数字万用表： 兆欧表：2 5 0 v 1 块 1 只 l 台 1 支 1 台 1 只 1 块 1 块 华北电力大学硕士学位论文 1 、百分表0 3 0 m m2 、内i l 带内螺纹的涡轮3 、蜗杆及手柄 4 、温度计0 5 0 0 5 、恒温箱2 2 0 v1 ，5 k v a6 、移动铁板 7 、探头8 、探头固定架9 、探头引出线 1 0 、间隙变送单元1 1 、直流毫安表1 2 、电感表 1 3 、丝杆 图4 2 探头轴向位移测试装置 4 2 2 测试结果及分析 间隙变送器的基本误差试验： 在间隙变送器输入端( 探头电感线圈引出线) 并接上电感表，输出端接上0 5 级直流毫安表，探头实际间隙从3 m m 逐渐加大到2 0 m m 。电感线圈的电感量从5 2 毫亨变化到4 3 毫亨。每隔一个毫亨变化，记录该点的变送器输出电流值( 毫安d c ) ， 然后用同样的方法将电感线圈的电感量从4 3 毫亨变化到5 2 毫亨，记录下所有变送 器的输出电流值。其数据列表如下： 表4 1 间隙变送器基本误差测试数据 电感量 。 输出电未 5 25 15 04 94 84 74 64 54 44 3 。a d c 、 第一次 1 8 1 32 3 9 43 0 3 l36 6 24 _ 3 3 65 0 0 25 6 7 76 3 6 47 0 8 27 2 3 4 第二次 1 7 9 72 3 9 33 0 2 l3 6 8 44 3 4 45 0 0 75 6 8 96 3 6 57 0 9 87 2 3 7 误差 o 0 1 60 0 0 l00 1 00 0 2 20 0 0 80 0 0 50 0 0 lo 0 0 10 0 1 60 0 0 3 最大误差为o 0 2 2 试验结果证明，探头电感量和变送器输出电流，两次重复测量，其最大误差为 o 0 2 2m a d c ，说明变送器具有较高的稳定性，其性能完全符合设计要求。 华北电力大学硕士学位论文 第五章空气预热器密封间隙控制系统设计 5 ，1 密封间隙控制系统的功能需求 能 根据空气预热器的运行要求，密封间隙控制系统在自动状态下时应具有下述功 ( 1 ) 间隙自动调节功能 当间隙偏离设定值并超出设定范围时，系统将自动操作执行机构使间隙回到设 定值。 ( 2 ) 紧急提升功能 当间隙进入非安全状态，即下限越位或探头异常时，系统将发出紧急提升命令， 操作执行机构提升到最高位，同时，打开报警窗1 2 1 。相关内容闪光报警，报警状态 记录到状态变化档案。随后，自动系统进入复位状态，直到操作人员排除故障，经 操作人员按下复位按钮确认后，返回自动控制状态，同时，将排除故障过程中的工 况状态变化，记录到状态变化档案。 ( 3 )自动修正温度对电感量影响的功能 探头在空预器内随着温度的变化，铁芯导磁率、导线电阻、零件的尺寸等引起 微量变化，致使电感值同常温状态下相比，发生了差值，此时计算机根据安装在空 预器内的热电偶测温计的温度信息，按照探头在各种温度值下用实验方法测得的电 感量进行修正。 ( 4 )空气预热器状态显示功能 在系统切上电源并进入运行状态后，电脑显示主画面一动态工控圈( 图5 - 1 ) a 当间隙进入非安全状态，系统发出紧急提升命令时，电脑自动打开报警窗口，相关 内容闪光报警( 图5 2 ) 。 ( 5 ) 手动操作功能 执行机构提升或下降以调整间隙大小，可以进行手动操作。 2 2 华北电力大学硕士学位论文 图5 - i 动态工控圈 华北电力大学硕士学位论文 图5 - 2 报警窗口 5 2 密封间隙控制系统的组成结构 整套控制系统由间隙探头、间隙变送器、扇形板升降机构、主控制盘、辅助盘、 2 4 华北电力大学硕士学位论文 工控主控机等组成。 ( 1 ) 自动控制部分 以一台奔腾级的工控计算机为核心，辅以必须的a d 转换，i o 通道组成。 ( 2 ) 于动操作部分 由系统手自动切换开关、上升、下降、复位等按钮，报警、光字牌、电机转动 及数字显示器等组成。 ( 3 ) 传感部分 由电感式间隙测量探头、间隙的上下限、下下限限位装置、热电偶等组成。 ( 4 ) 执行机构部分 由电机、扇形板升降螺旋副、接触器、热继电器等组成。 ( 5 ) 整套装置系统组成结构 如( 图5 3 ) ，表示了整套间隙自控系统的组成结构，主要由集控室中央主控盘 和辅助盘及现场接线盒组成。 操作界面，界面的具体内容见如( 图5 - 4 ) 所示。 辅助盘( 就地柜) ：它是工控机、手动操作系统与现场联系的信号传输中枢， 它包括： 间隙变送单元：将现场间隙测量探头测得的间隙信号转换成标准的直流电流 信号输出到主控盘的工控机。 温度变送器单元：将空预器扇形板冷侧温度测量信号转换成标准的直流电流 信号输出到工控机。 接触器：接受系统发出的执行机构动作命令，去驱动电动执行机构动作。另 外，现场安全联锁信号也是通过这里与系统相连的。 现场接线盒：一次元件检测到的现场工况信号通过该接线盒里的端子排连接 到辅助盘内，现场电动执行机构的电源也是由接线盒里的端子排用导线与现场电动 执行机构相连接。 华北电力大学硕士学位论文 图5 - 3 间隙自控系统组成结构 删 测 蜊 幂脚 磊掣皑瑁 竖卜卜，卜，叫 水骓篷巨 华北电力大学硕士学位论文 图5 4 主控盘界面 5 3 密封间隙控制系统的工作原理 空预器间隙测量信号及设备的其它状态信号通过工控机的a d 接口及开关量输 入接口送至计算机，作为计算机软件的输入数据。计算机软件是模块化的，它的核 心是空预器的控制实时数据库管理软件，输入、输出模块中的输入部分将输入接口 卡采集的数据进行信号软件预处理、工程量的标度换算等后，送至系统实时数据库， 而输出部分将策略模块的运算结果产生的操作命令通过开关量输出接口卡输出到 外围设备上，使控制系统按系统要求动作，同时运行策略模块根据运行结果还会产 生一些报警信号，系统动作历史数据档案记录等也送入人机对话界面模块。 间隙密封控制模块的主要功能： 2 7 华北电力大学硕士学位论文 当手自动切换开关打至”自动”状态时，整个间隙自控装置投入”自动”运行， 此时若测得的间隙值偏离设定值某允许波动范围时，系统将自动操作执行机构使间 隙回到原正常设定值；当间隙进入异常状态，即下限越位或下下限越位、探头异常 时，控制系统发出紧急提升命令，并自动操作执行机构提升到最高位( 2 0 m m ) ，同 时打开报警窗口，相关内容闪光报警、将报警内容记录到状态变化档案，随后自动