（检测技术与自动化装置专业论文）基于证据理论信息融合的电站锅炉故障诊断.pdf

， j镕tll羞骣一 华北电力大学硕士学位论文 摘要 在电厂锅炉的实际运行中，锅炉风烟系统的关键设备空气预热器经常会发生堵 灰或者漏风的故障，影响锅炉的正常运行，为了保证锅炉机组的效率和安全，需要 快速准确的对空气预热器的故障进行判定，以便及时修复故障。目前，依赖现场运 行人员的经验主观进行故障类型的判定仍然是现场普遍应用的故障诊断方式，由于 锅炉机组传感器数量巨大、信息种类繁多，需要采用多传感器信息融合来对故障进 行综合分析。本文首先对锅炉空气预热器的结构和工作原理进行了详细的介绍和分 析，对空气预热器的常见故障堵灰、漏风等进行了机理分析，然后利用基于d s 证 据理论的信息融合方法，来对锅炉空气预热器的常见故障进行判定，通过m a t l a b 运算程序进行信息融合的结果表明，证据理论具有较好的处理不确定性问题的能 力，能够较好地解决空气预热器的故障的判定问题。 关键词：空气预热器，信息融合，d s 证据理论，故障诊断 a b s t r a c t i nt h ea c t u a lo p e r a t i o no fp o w e r # a n tb o i l e r , a i rp r d l c a t e r , t h ek e ye q u i p m e n to ft h e b o i l e rs y s t e m ，f r e q u e n t l yo c c u r sc l o g g i n go rl e a k a g ef a u l t , a f f e c t i n gt h en o r m a lo p e r a t i o no f t h eb o i l e r i no r d e rt oe l l s u l et h eb o i l e ru n i to p e r a t i o ne f f i c i e n c ya n ds e c u r i t y , i td e m a n d sf o r f a s ta n da c c u r a t et od e t e r m i n ea i rp r e h e a t e rf a u l tf o rt h et i m e l yr e p a i rf a u l t s a tp r e s e n t ， r e l ) ，i n go nt h ee x p e r i e n c eo fo n - s i t eo p e r a t i n gp e r s o n n e lt od e t e r m i n et h et y p eo fs u b j e c t i v e f a u l ti ss t i l lw i d e l yu s e do n - s i t ef a u l td i a g n o s i sm e t h o d d u et oah u g en u m b e ro fb o i l e ru n i t s a n dt h es e n s o rs i g n a l sa n dk i n d so fi n f o r m a t i o n , w en e e dm o r ei n f o r m a t i o nt oa d o p t m u l t i s e n s o rd a t af u s i o nt oac o m p r e h e n s i v ea 砌y s i so ft h ef a u l t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e s t r u c t u r eo ft h eb o i l e ra i rp r e h e a t e ra n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fad e t a i l e dd e s c r i p t i o n 。a n d t h e nt h i sp a p e ra n a l y s i st h em e c h a n i s mo fc o m m o nf a u l t sb l o c ko fa s h , a i rl e a k a g e ，e t c o ft _ h e a i rp r e h e a t e r a tl a s tw e u s i n gd se v i d e n c et h e o r yb a s e d0 1 1d a t af u s i o nm e t h o d , t of o u n dt h e c o l n h l o nf a u l t so nt h eb o i l e ra i r p r e h e a t e r , t h r o u g h t h em a t l a b c o m p u t i n g p r o c e d u r e i n f o r m a t i o nf u s i o nr e s u l t ss h o wt h a te v i d e n c et h e o r yh a sab e t t e ra b i l i t yt od e a l w i n lu n c e r t a i n t y , b e i n ga b l et os o l v et h ep r o b l e mo f f a u l ti d e n t i f yo f t h ea i rp r e h e a t e r m aw e i ( 陕舰! c b o nt e d n m l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f c h a n gt a i h u a k e y w o r d ：a i rp r e h e a t e r ，i n f o r m a t i o nf u s i o n ，d se v i d e n c et h e o r y , f a u l td i a g n o s i s ， 毽 争 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外研究动态2 1 3 信息融合3 1 4 本文研究的主要内容4 第二章空气预热器。6 2 1 火电机组常用的空气预热器6 2 1 1 管式空气预热器7 2 1 2 回转式空气预热器7 2 2 三分仓回转式空气预热器的主要结构9 2 2 1 转动部件1 0 2 2 2 蓄热元件l o 2 2 3 主轴与驱动装置1 1 2 2 4 轴承润滑装置与吹灰装置1 l 2 2 5 密封装置1 2 2 3 三分仓式空气预热器的运行现状1 3 第三章空气预热器在运行中常见的故障15 3 1 低温腐蚀与堵灰1 5 3 1 1 低温腐蚀1 5 3 1 2 堵灰1 6 3 1 3 堵灰的预防和吹灰装置1 7 3 2 空气预热器的漏风1 7 3 2 1 携带漏风的计算1 8 3 2 3 直接漏风的计算1 9 3 2 3 转子热态变形2 1 3 3 受热面磨损和二次燃烧2 2 第四章d s 证据理论信息融合方法2 3 4 1 证据理论的起源2 3 4 2 证据理论的基本概念2 4 4 2 1 识别框架2 4 4 2 2 基本概率赋值2 4 4 2 3 置信函数2 5 4 2 4 似然函数2 6 4 2 5 置信度区间2 6 4 2 6 基本概率赋值函数与置信函数的关系2 7 4 3 证据理论的组合规则2 8 4 4 实际应用中置信函数的获取2 9 华北电力大学硕士学位论文 4 5 证据理论的发展2 9 第五章证据理论在空气预热器故障诊断中的应用3 1 5 1 空气预热器故障模式的选定3 1 5 2 选取合适的测量信号作为证据3 1 5 3 获取基本概率赋值函数3 3 5 3 1 基于典型样本的获取方法3 3 5 3 2 基于相似度的获取方法：3 4 5 3 3 基于神经网络的获取方法3 6 5 4 实例验证3 8 5 4 1 典型样本方法应用3 9 5 4 2 相似度获取方法应用一4 3 5 4 3 神经网络获取方法应用4 4 第六章总结与展望4 7 参考文献4 9 致谢5 5 在校期间发表论文及参加科研情况5 6 i i 一q耆，； “n”，：1j，jj0l 合国 期后 拯救 严重 影响到了世界上的各个国家，减少温室气体的排放已经上升到了世界各国进行政治 博弈、外交谈判的高度。 能源消费是全世界温室气体的最大排放源，我国是煤炭资源比较丰富的国家， 火力发电是我国现在电力发展的主力军，随着经济发展，电力需求增长，作为火力 发电所需的煤炭消耗量成倍增大，导致温室气体排放量剧增，使大气污染日益严重， 尽管水力发电、风力发电、核电和太阳能等各式的新能源发展迅速，但是我国煤炭 丰富、电力偏紧的资源特征决定了在今后相当长一段时间内，火力发电仍将在电力 工业中占据重要地位。2 0 0 8 年1 1 2 月，全国火力发电量累计产量为2 7 8 ，5 7 3 ，6 8 0 3 7 万千瓦小时，比上年同期增长了3 0 1 。火力发电带来的高能源消耗量以及大气污 染物、温室气体排放量等等问题，我们必须奉行科学发展观的指导思想，走可持续 发展的道路，完成从火力发电产业的生产方式转变，促进整个火力发电的产业结构 优化升级。大型火力发电机组的能源利用效率、经济性能指标、污染物排放指标等 都对我国的节能减排、区域经济发展等有重大的影响。乜1 在火力发电机组的锅炉上采用新的科学技术和设备，可以大大改善发电机组整 体的能源利用效率、降低温室气体、有害物的排放，并能大大提高发电企业的经济 指标。然而对锅炉进行设备改造，例如采用新型的燃烧器、对锅炉炉膛进行改造、 更换送、引风设备等，效果虽然明显，一般能马上提高燃烧性能，但需要大量的资 金投入，另外更换未到使用寿命的设备，也会造成对现有资源的浪费。如果能更多 地依赖于检测、控制、操作、决策等，虽然风险较大、理论上不够成熟，但在实际 的生产应用中也能获得更大的性价比，具有更为广阔的发展前景。 所以，本文基于某电厂历史数据中锅炉空气预热器中各传感器采集到的热工信 号，利用多传感器信息融合方法中的d e m p s t e r - s h a f e r 证据理论来处理关于锅炉空气 预热器漏风、堵灰等故障的监测与诊断等问题。这样对数据进行处理的“软”检测 既能节省设备投入，又能发现机组故障，改善机组运行状况，降低碳排放，可谓一 举多得。 1 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 近年来，国内外的专家学者对火力发电机组中锅炉各系统的故障诊断技术做出 了很多创新与改进，许多新的方法运用到了锅炉的故障诊断与检测中来，旧有的方 法与技术也日趋完善。 通常锅炉系统中被诊断的对象的输入输出的量值变化是在一定范围之内的，如 果超出了该范围，可认为故障已经或者将要发生。电站锅炉的测点报警就属于这种 范围。 而对锅炉系统的输入输出信号进行小波变换，然后利用该变换求出输入输出信 号的奇异点，然后去除由于输入突变引起的极值点，则其余的极值点对应于系统的 故障。吕伯权等成功地将该方法应用锅炉管道泄漏的故障诊断中。嘲 如果对高度相关的测量数据进行分析，将高维信息压缩到低维子空间，并从中 获取了重要信息，主要有主元分析法、部分最小二乘法和f i s h e r 判别法。王兵树等 使用主元分析法监控热力系统的可测变量，考虑变量之间的相关关系，有效地解决 了确定故障发生的可能性大小的问题。h 1 基于解析模型的方法以系统的测量数据为基础，使用反映诊断对象行为的数学 模型来生成一些特征，常用的特征包括残差、参数估计和状态估计，通过直接地或经 变换后把测得的特征与正常条件的特征进行比较，故障就能被检测和诊断出来。使 用该方法诊断锅炉系统的故障时，焦点问题是如何确定诊断对象的故障特征。王斌 忠提出了以背火侧鳍端温度作为诊断炉内结渣严重程度的故障特征。常宝成等提出 了以过热器出口管壁金属温度作为过热器泄漏模型的故障特征。儿町 杨黎明等建立了一个锅炉运行故障诊断专家系统，知识库包括深、浅两层知识。 在不同的知识库中使用不同的推理策略。夏朝阳等提到了利用深浅知识结合的模型 对循环流化床锅炉进行状态监测与故障诊断的专家系统。口儿刚 神经网络是由大量的神经元广泛互连而成的网络，模拟人的大脑神经元结构特 性而建立的一种非线性动态网络系统。李晓辕等针对自然循环煤粉锅炉热工生产过 程的特点，提出了采用b p 网络的方法诊断锅炉系统四管泄漏故障。g u g l i e l m ig 等使 用多层前馈和r b f 网络诊断火力发电厂锅炉系统的故障。嘲n o 】 许多被诊断对象的故障状态是模糊的，诊断这类故障的一个有效方法是应用模 糊理论。赵丽敏等以反映煤灰特性常用指标和反映锅炉运行情况的两个指标构成结 渣判别指标，利用模糊理论方法建立综合评判模型，以此判断锅炉的结渣倾向。该方 法的优点是不需要建立精确的数学模型，适当地运用隶属函数和模糊规则，进行模 糊推理就可以实现模糊诊断的智能化。n u 而本文主要应用的基于证据理论的信息融合方法则是一种针对不确定性的推 理方法，从不确定性的仞始证据出发，推理得出合理的结论。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 3 信息融合 信息融合技术( i n f o r m a t i o nf u s i o n ) 是伴随着检测技术、计算机和网络技术、 人工智能和系统工程的快速发展而发展起来的。信息融合技术最早应用于军事情报 搜集领域，但现在已广泛应用与工业生产、机器人、航天科技等领域。n 2 1 目前，我国的火力发电机组广泛应用d c s ( 分散控制系统) 来实现过程控制自 动化，s i s ( 厂级信息监控系统) 的建设也正在广泛的开展，使得火力发电实现了信 息自动化和管理自动化，也使得对锅炉进行性能分析、控制优化、故障诊断等更为 方便。随着大型的火力发电机组朝着高参数、大容量的方向发展，电站锅炉系统已 经发展得极为复杂，设备大多处在高温、高压的工作环境，其故障的发生率高，且 危害性极大，一旦设备发生故障，所造成的损失也将成十成百倍地增加，维修费用 和时间也成倍增长因此，实时监测火电机组运行时锅炉系统的热力参数，并根据 热力参数的异常变化能对设备的运行状态，进行快速、准确的诊断以保证机组不发 生事故，是火电机组运行中十分重要的问题。n 3 1 在本文中，我们将具体讨论利用信 息融合方法对锅炉的空气预热器进行故障诊断的相关问题。 在实际诊断过程中，虽然利用一种信息有时可以判断锅炉的一些故障，但在许 多情况下，仅由此得出的诊断结果并不可靠。比如，利用锅炉的工作压力对锅炉工作 状态进行诊断时，由于信号类型单一，能够提供的信息较少，来判别和查明某一故障 的存在往往显得不够充分和准确，诊断的结论难以有说服力j 何况正常运行的设备 中，某些非故障原因也会产生工作压力异常，有时这种非故障原因产生的压力异常 甚至超过标准中的注意值。因此，在实际判断设备有无故障时，应将系统的各项主要 指标( 工作压力，工作温度，应力、应变，裂纹情况，腐蚀情况等) 与标准中所列的注 意值进行比较。工作压力超标不能作为唯一判据，需要综合考虑温度信息、应力应 变信息、无损检测信息、设备腐蚀情况等来确定设备内部是否有故障。所以我们利 用信息融合来进行锅炉的故障诊断，即通过获取锅炉运行时的状态信息，经过对这 些信息进行融合，判定锅炉是否正常运行，并对锅炉性能进行评价。n 铂具体到锅炉 的空气预热器这一重要辅助设备，堵灰与漏风是运行中最为常见的故障，我们将在 本文中以实际的例子来将信息融合方法应用到堵灰与漏风的故障判定上来。 从故障诊断学的角度来看，只有从多方面获得关于同一对象的多维信息，并加 以融合利用，才能对锅炉进行更可靠更准确的监测与诊断。在故障诊断的过程中可 用信息种类很多，层次不一，如何对大量信息进行处理和综合利用是锅炉故障诊断 技术需要重点研究的问题。而将多传感器信息融合系统应用在大型火力发电机组的 锅炉系统中，是解决锅炉系统故障诊断的一种行之有效的方法。锅炉故障诊断中利 用信息融合技术进行诊断的研究方法和技术手段，为锅炉故障诊断以及相关事故的 预防提供一个新的手段和途径。在本文中，我们将对锅炉的空气预热器的故障诊断 3 华北电力大学硕士学位论文 进行详细的介绍，我们将经过认真分析，选取空气预热器运行中合适的传感器信号来 加以融合利用。 信息融合的计算方法也受到广泛的关注，在近年来得到快速的发展。卡尔曼滤波、 贝叶斯估计、神经网络、模糊推理以及d s 证据理论等方法都得到了广泛的研究与应用。 这些方法各有优势，比如卡尔曼滤波器的实时性较好，贝叶斯估计适合于多假设情况， 神经网络能有效的处理不确定信息，模糊推理允许存在不确定的表示。而证据理论不仅 能处理不确定的信息，也适合处理高层次冗余互补信息。具体在锅炉的监测系统中，因 为各工况信号依赖数量巨大的传感器来获得，这些传感器提供的信号直接反映的信息对 故障诊断问题来说一般是不完整、不精确、模糊的，甚至有时可能是互相矛盾的，即包 含着大量的不确定性进行信息融合时不得不依据这些不确定性信息进行推理，已达到 故障诊断的目的。d - s 证据理论是常用的不确定性推理方法，可处理这样的由“不知道 所引起的不确定性的问题。我们将在后面的章节详细介绍d s 证据理论这一信息融合的方 法。并将该方法实际应用于锅炉的空气预热器故障诊断问题。n 幻 1 4 本文研究的主要内容 本文以信息融合为锅炉空气预热器故障诊断的主要思路，使用d s 证据理论， 以m 州t l a b 平台为工具，处理历史数据，有针对性地处理当前大型火电机组所面 临的故障难以通过人工直接进行判定的闯题，快速、准确地进行故障的判定，提高 了机组的经济效益本文在理论方面的研究涉及：锅炉空气预热器的工作原理的详 细介绍、空气预热器漏风与堵灰的机理分析、多传感器信息融合以及d s 证据理论 等相关知识。并将这些理论研究和用历史数据进行了计算机仿真，两者互相结合， 获得了不错的仿真效果。 本文的具体内容包括以下几章： 第一章为绪论部分：简要介绍了当前国际、国内在气候变化、环境保护等方面 所面临的问题，说明了锅炉性能优化、故障诊断等措施在目前的紧迫性和必要性。 然后简要介绍了信息融合的知识和d s 证据理论。并对本文研究的主要内容做了简 单的说明。 第二章为锅炉空气预热器的简要介绍：首先介绍了火电机组中常见的管式空气 预热器和回转式空气预热器，然后详细介绍了三分仓回转式空气预热器的结构，包 括三分仓式空气预热器的转动部分、蓄热元件、主轴、传动装置、密封装置以及吹 灰装置，以便能全面的了解三分仓式空气预热器的运行原理以及运行中存在的问 题，能够对三分仓式空气预热器有一个更加深刻印象，方便在后面的章节对该空气 预热器的故障进行分析和诊断。 第三章为空气预热器的常见故障：在前面第二章对三分仓式空气预热器结构和 4 华北电力大学硕士学位论文 工作运行原理介绍的基础上，进一步介绍了空气预热器的低温腐蚀与堵灰、漏风、 受热面磨损等常见的故障，对这些常见故障进行了机理分析，并对空气预热器漏风 的分布和漏风的计算进行了详细的介绍。为后面的章节对空气预热器进行故障诊断 打好基础，做好铺垫。 第四章为证据理论基础部分：介绍了证据理论的提出过程，从不确定性理论角 度出发，详细介绍证据理论的基本概念、基本理论以及对d e m p s t e r 合成规则做了详 细的说明，并对证据理论在国内国外的发展以及其在各方面的应用加以详细的介 绍并列举了置信函数和似然函数的相互关系，对证据理论的d 睨n p s t o r 合成规则进 行简要说明。 第五章为证据理论在空气预热器故障诊断中的应用：本章是在本文前面几章介 绍的理论基础上，将证据理论方法实际应用到故障诊断中去。本章从证据理论的理 论基础出发，详细介绍了如何选定空气预热器故障模式、如何选取合适的测量信号 作为证据、以及如何获取合适的基本概率赋值函数。并应用实际的故障状态下的证 据信号测量值作为证据理论待融合的数据，应用三种不同的获取基本概率赋值的方 法进行信息融合，对空气预热器的故障进行了分析和判定。并对这三种方法进行了 比较。 第六章为总结与展望部分：对前几章进行总结，并针对证据理论的研究及在该 理论在空气预热器故障诊断中应用进行了展望。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章空气预热器 2 1 火电机组常用的空气预热器 空气预热器是电站锅炉的重要辅助设备，如图2 。1 所示，一般位于锅炉的尾部 受热面。空气预热器利用锅炉尾部排出的烟气的热量来加热即将参与燃烧反应的冷 空气，空气经过预热再送入炉膛去参加燃烧。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，因而提高了电站锅炉的效率。同时， 也由于空气被预热，强化了燃料的着火和燃烧过程，减少了燃料不完全燃烧热损失， 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，强化炉内辐 射换热。因此空气预热器已经成为现代锅炉的一个重要组成部分。n 耵 图2 - 1 空气预热器在锅炉热力系统中的位置 目前，常见的空气预热器，按照换热方式的不同可主要分为传热式和蓄热式两 种。在传热式空气预热器中，热量是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 烟气通过受热面时，热量由烟气传给受热面金属，并被金属蓄积起来。然后是空气 流经金属受热面，金属就将积蓄的热量再传给空气。依靠这样连续不断的循环，来 达到加热空气的目的。 上述两种不同换热方式的空气预热器中，传热式最常见的为管式预热器，蓄热 式最常见的为回转式预热器。下面简单介绍一下管式预热器与回转式预热器的结构 及工作方式。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 1 管式空气预热器 管式空气预热器是由直管制成，直管焊接在管板上，形成一个立方体管箱，承 受预热器重量的下管板通过支架支撑在锅炉的钢架上，在管式空气预热器中，烟气 和空气各行其道：烟气在管内自上而下纵向流动，空气在管外绕管子横向流动，与 烟气的流动方向形成交叉流动。预热器管内烟气流动时连续不问断地加热管壁传热 面，管外的空气流动时连续不间断地吸收传热面的热量。 。、 按照空气流程的不同，管式空气预热器又分为单道和多道。当受热面积不变时， 通道数目的增加会使每一个通道的高度减小，因而使空气流速增大。另外，通道数 目的增加，也使交叉流动的次数增多，使得空气预热器的传热效果更加接近逆流工 况，从而可以得到较大的平均稳压。按照进风方式的不同，管式空气预热器又可分 为单面进风、双面进风和多面进风几种进风面增多，使得空气流通面积增大，降 低空气流通速度。总的来说，管式空气预热器具有结构简单、工作稳定、制造安装 方便等特点。但其占地面积较大，换热能力与回转式空气预热器相比较为薄弱，所 以现在大型火电机组都采用回转式空气预热器。n 钉 2 1 2 回转式空气预热器 回转式空气预热器是一种典型的蓄热式空气预热器，它利用烟气和空气交替冲 刷金属受热面来加热空气。回转式空气预热器中烟气与空气是以逆流方式运行的， 烟气从上而下流动、空气从下而上流动。 与前面介绍的管式预热器相比，回转式预热器采用逆流方式加强了预热器的换 热能力，减小了预热器的占地面积。 此外，回转式空气预热器的传热面密度，与管式预热器相比要大的多，在同等 条件下，回转式预热器空气侧与烟气侧的对流换热系数之比约为1 0 ，而管式预热 器空气侧与烟气侧的对流换热系数之比约为1 8 ，n 羽所以回转式空气预热器的金属 传热面壁温要比管式预热器的金属受热面壁温高出1 0 - 1 5 ( 2 ，这对防止预热器金属 传热面的低温腐蚀是非常有利的，现场应用的经验也表明回转式空气预热器的金属 受热面的烟气腐蚀现象比管式预热器少很多。n 钉 而按照转动部分的不同，回转式预热器又分为风罩回转式和转子回转式。这两 种空气预热器都有转动部件，转动部件与静止部件总会存在间隙。且空气预热器的 热烟气侧为负压，而冷空气侧为正压，冷空气与热烟气之间的压力差会使更多的冷 空气漏至烟气侧。所以，漏风量大是回转式空气预热器无法回避的缺点。除此之外， 这两种回转式空气预热器还存在一些构造与性能上的差异。 7 华北电力大学硕+ 学位论文 图2 - 2 风罩回转式空气预热器 如图2 2 所示，风罩式空气预热器的转动部件为静止烟道上下两侧的风罩，所 以密封装置沿上下风罩的圆周布置，密封周线过大、且密封装置较难调节，调整机 构较为复杂。 而转子回转式空气预热器的转动部件为金属受热面所在的圆筒形转子，该圆筒 形转子又依次分为烟气侧、一次风侧、二次风侧等几个空仓，所以又叫三分仓回转 式空气预热器。三分仓回转式空气预热器的密封周线比风罩式空气预热器的密封周 线要短，而且可以设置漏风控制系统来调节空气预热器的漏风量。所以，同风罩回 转式相比，三分仓回转式空气预热器的结构特点是运行稳定，漏风率小，维护方便， 且市场需求越来越大，在老机组改造，国内早期生产的风罩回转式空气预热器已逐 步被转子回转式空气预热器所替换。晗们 现在，大型电站锅炉采用的空气预热器多为三分仓转子回转式的空气预热器。 下面将重点介绍一下三分仓回转式空气预热器的工作原理与性能特点。三分仓回转 式预热器将加工成特殊波纹板的金属蓄热元件紧密的布置在圆筒形的转子内。圆筒 形的转子又由径向和切向的隔板分割成多个扇形通道，转子外的金属外壳的顶部与 底部都各有三个连接通道，将转子内部的各扇形通道分为烟气侧、空气侧和密封区 几部分，其中空气侧又分为一次风侧和二次风侧。整个转子由轴和上下中心梁来支 撑，电驱动装置安装在转子下中心梁的下部，通过与转子中心长轴的连接，来带动 转子进行低速转动。而风烟通道及与之相连接的转子外壳则保持固定不动，这样安 装在转子内部的金属受热面不断地交替转过烟气流通区和一次风、二次风流通区。 当金属受热面转动至烟气侧时，高温烟气自上而下冲刷受热面，其中的蓄热元件波 纹板因吸收高温烟气的热量而被加热；当预热器转子内部的受热面转到空气流通区 时，蓄热元件把此前吸收到的热量传给自下而上流经受热面的冷空气，从而完成整 华北电力大学硕士学位论文 个热交换的过程。由于烟气的容积流量比空气大，烟气流通区常占到转子端面总截 面的5 0 ，而空气通道仅占3 0 4 0 ，其余的部分为两者之间的密封区。密封区以及 转子上、下两端、转子外侧轴线方向、转子圆周方向都分别设有径向、轴向及周向 密封装置，这些密封装置可以有效地防止空气向烟气侧泄漏。口妇 = 次风 图2 3 三分仓回转式空气预热器 尽管回转式空气预热器因为转动部件与静止部件之间存在间隙，漏风率比管式 预热器高1 0 2 5 左右口幻，且回转式空气预热器由于蓄热元件为金属波纹板，加之 预热器内部气流扰动较大，堵灰现象要比管式预热器严重的多，磨损程度也较管式 预热器厉害，但回转式空气预热器的蓄热元件更换比管式预热器更加容易、方便。 【l i j 同时，回转式空气预热器在钢材使用上，重量比管式少一半以上，体积也只约为 管式的三分之一，无论从设备制造生产投资上还是占地面积上，回转式空气预热器 都有明显的优点。所以，在大型电站锅炉上多采用回转式预热器。 接下来我们将对三分仓回转式空气预热器的主要结构和重要的组成部分如转 动部件、传热元件、密封装置、吹灰装置等做一个详细介绍，以便迸一步了解空气 预热器运行情况。 2 2 三分仓回转式空气预热器的主要结构 如图2 4 所示，我们可以看到三分仓回转式空气预热器的内部构造，因为烟气 由上往下流经空气预热器，所以上烟风道连接的转子部分称为热端，而下烟风道连 接转子部分的称为冷端。热端平均温度高，经过烟气放热给转子中的蓄热元件，所 以冷端的平均温度低。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 转动部件 图2 - 4 空气预热器的主要结构 转动部件一般又称作空气预热器的转子，转子由上轴、下轴、中心筒、外围筒、 模数仓格、蓄热元件及围带组成。转子的上轴、下轴位于转子的中心筒内，然后上 下两端分别用合金钢螺栓来连接，整体构成空气预热器的回转主轴的一部分。转子 主轴由置于下梁中心的推力轴承和置于上梁中心的导向轴承来支撑。 转子内全部的蓄热元件被分别安装在2 4 个扇形仓格内，每一个扇形仓格为1 5 。在模数仓格的内侧安装定位销和固定销来使每个仓格都与转子中心筒相连，而相 邻的模数仓格之间则用金属螺栓相连接，仓格的外侧与转子外围筒焊在一起。转子 的外周下部装有一圈传动围带，围带与仓格对应，也分成2 4 段。整个转子沿预热 器的高度方向分成四层，上层为热端，下层为冷端。在转子热端的仓格内有三条切 向隔板，将2 4 个仓格分成四层一共9 6 个小仓格。在预热器组装时，热端的三层传 热元件是从上部装入的，冷端的传热元件则从模数仓格外周开设的门孔装入。乜3 1 2 2 2 蓄热元件 前面已经提到，三分仓回转式空气预热器的蓄热元件为经过特殊加工工艺制成 的金属波纹板。将波纹板按设计好的转子模数仓的小格仓的尺寸与形状，制成符合 要求的组件。每一个组件都是由一块具有垂直大波纹和扰动斜波的定位板，与另一 块具有同样斜波的波纹板，交替层叠捆扎而成。为了增强流经空气预热器的烟气流 的扰动，改善空气预热器的传热效果，一般要求波纹板上的斜波纹与烟气流动方向 成3 0 。夹角。定位板不仅是用来固定两块波纹板之间的距离，同时也具有蓄热、传 1 0 华北电力大学硕士学位论文 热的能力，并能使烟气流有一定的流通截面。因为转子热端、冷端的蓄热、传热要 求不同，所以蓄热板一般分成三部分来安装，从上到下依次分为热端、中间热端和 冷端。因为热端和中间热端的烟气温度较高，为了使换热能力尽可能的高，蓄热组 件采用较薄的金属蓄热板；而冷端的蓄热元件工作环境温度较低，容易发生低温腐 蚀。所以采用较厚的波纹板。若转子的传热元件发生烟气冲刷造成的磨损或低温腐 蚀时，可在检修中将传热元件倒置后继续使用。 l- ， 2 2 3 主轴与驱动装置 空气预热器的主轴分三段组成，由上至下分别是最上段的短轴、中间转子部分 和下段的空心轴啪1 这三段的相互连接处必须是完全加工面，以保证运行安全， 并且对加工精度要求比较高，同时必须要求有较高的机械性能。为了保证传热性能， 空气预热器的转子材料采用屈服极限吒为1 8 0 m p a 的低碳钢。而短轴和联结螺栓的 材料采用屈服极限吒为8 3 5 m p a 的合金材料4 0 c r m n m o ，是因为空气预热器的输入 扭矩是通过短轴直接传递到转子上，再由转子传到空心轴上。4 0 c r m n m o 合金屈服 极限较高，能保证在较大的输入扭矩作用下，仍能安全的连续运行。乜钉 在空气预热器转动时，由于上部短轴与下部的空心轴没有办法保证为同一轴j 度，并且驱动装置输入的扭矩又是从空气预热器的上部传递下来的，因此，空气预：7 热器的转动部分并不是平稳均匀的转动，而是在空间中扭摆舞动着转动的。但空气 预热器的整体却还能保持正常转动是因为转子的转速很低，最大外圆处的速度仅为 4 5 m m i n ，相当于人的正常步行速度，转动产生的离心力很小，可以忽略不计，并 且空气预热器转子的重心落在主轴下梁中心推力轴承的直径之内。 主轴与驱动装置中的电动机相连，由电动机带动主轴转动来使得空气预热器正 常运行。为保证空气预热器能够安全稳定的运行，一般每台空气预热器均配有两套 独立的电动机驱动装置和一套气动马达装置，电驱动装置减速箱则同时接入这两个 独立电源的电动机。在这两套电动机驱动装置中，主驱动电机采用电厂的厂用电源， 辅驱动电机则采用保安电源，一旦厂用电消失或主电机事故跳闸，保安电源自动接 通辅助电机，维持空气预热器的低速转动。当两套电机均无法正常启动时，气动马 达装置就会自动启动，以维持空气预热器的低速转动。 2 2 4 轴承润滑装置与吹灰装置 因为回转式空气预热器在运行中需要保证转动装置的正常转动，空气预热器需 要有良好的润滑条件，所以回转式空气预热器都配有润滑装置稀油站。空气预热器 的上、下轴承分别安装了独立的稀油站装置，上部的导向轴承稀油站采用了双泵结 构，下部的推力轴承稀油站则采用了单泵结构。两套装置的机构基本相同，均由油 l l 华北电力大学硕士学位论文 泵、网片式过滤器、温度计、压力表管道、阀门等组成。当轴承的工作油温超过了 设定值，油循环冷却系统就自动启动，使工作油得以循环冷却。 回转式空气预热器的蓄热元件布置的较为紧密，波纹蓄热板问的气流通道狭窄 而又曲折，烟气中的飞灰极易沉积在蓄热板受热面上造成堵灰现象，影响空气预热 器和风机的工作。 因此，在空气预热器的烟气侧冷端必须装有吹灰器，吹灰器采用电动机驱动。 锅炉中预热器吹灰的频率取决于传热元件的堵灰情况。为了防止未完全燃烧的燃料 在空气预热器内积聚并引起二次燃烧，锅炉启停时，必须对空气预热器进行吹灰。 但是如果经过实践操作发现，附在预热器受热面上的沉积物不管怎样加强吹灰，也 不可能除去时，或者预热器的烟风阻力已比设计值高出7 0 - - 1 0 0 毫米水柱时，就需 要在正常停炉时，对预热器进行一次清洗。 空气预热器除了装有吹灰装置外，在空气预热器烟气侧冷端和热端各装有一个 固定式清洗管。 2 2 5 密封装置 为了防止空气泄露到烟气侧，造成空气预热器的漏风，需要对空气预热器的各 部件间的缝隙加装密封装置。通常采用径向密封、轴向密封、旁路密封( 也称为周向 密封) 等方法对空气预热器进行密封，以减小空气预热器的漏风量。这里所说的径向 密封、轴向密封、旁路密封是针对密封片的放置位置而言。 径向密封是防止空气穿过转子与扇形板的密封区进入烟气侧，径向密封的方法 是在转子的仓格板上、下两侧装有径向密封片。空气预热器在运行过程中，当转子 转动使得径向隔板经过密封区域时，径向密封片与上、下扇形板之间构成了密封。 密封片与扇形板的问隙必须控制在合适的范围之内，如果间隙过大，则会导致漏风 量较大；如果间隙太小，会造成密封片与扇形板接触产生摩擦，造成噪音并且使空 气预热器的驱动电机电流增大。 为了保证合适的空气预热器的径向密封间隙，在空气预热器上部扇形板的外缘 安装有间隙调整装置，可以自动调节径向间隙。该装置采用自动的密封控制系统来 跟踪转子的热变形i 使得转子热端扇形板与转子径向密封片的间隙在运行过程中始 终维持在冷态设定值的范围内。这个密封控制系统由传感器、执行机构、转子停转 报警器、密封间隙自动控制装置组成。其原理是基于热膨胀，选用进口烟气温度和 空气出口温度作为两个输入量，使扇形板的调节量与转子热端外缘间隙值相吻合， 达到所要求的密封运行间隙。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 5 空气预热器的密封装置 旁路密封也叫做周向密封或者环向密封，旁路密封是防止空气从转子外圆筒的 上、下两个端部泄漏到转子外圆筒与空气预热器外壳之间的间隙造成空气预热器漏 风。 轴向密封是为了防止空气预热器的周向密封不严时，空气会漏入到转子的外圆 筒与空气预热器外壳之间的间隙内，然后漏入烟气侧，造成空气预热器的漏风。 2 3 三分仓式空气预热器的运行现状 从前面的介绍可以看出，因为具有传热效果好、占地面积小以及抗低温腐蚀等 优点，并且安装检修方便，抗冲刷耐磨损，具有清灰防堵等功能，所以近些年来， 大、中型锅炉已经普遍采用三分仓式空气预热器，其应用前景广阔。从统计结果来 看，三分仓式空气预热器的市场占有率，在美国市场几乎为1 0 0 ，在欧洲市场约 占9 0 ，在我国也被广泛的使用。上海锅炉厂生产的空气预热器中，转子回转式占 9 5 以上，东方锅炉厂生产的空气预热器中，转子回转式占9 8 以上。乜5 3 三分仓式空气预热器在运行时也存在一些问题，其中最主要的问题就是漏风率 高。这是由三分仓式空气预热器的自身结构特点所决定的，因为转子回转时的携带 漏风不可避免，且转子与外壳间的间隙也必定存在。此外，在三分仓空气预热器运 行一段时间后，由于一次风漏风会逐渐增大，容易导致机组一次风机容量严重不足， 较长时间限制出力运行。若漏风问题得不到彻底解决，就不得不增大一次风机和引 1 3 华北电力大学硕士学位论文 风机的容量，增加送引风机电耗，从而使锅炉经济性和安全性下降。据统计，3 0 0 m w 机组预热器漏风率每降低1 ，将使机组煤耗降低0 1 6 6 9 ( k w h ) ，全年将会节约1 2 0 万元1 9 1 。 另一个问题是堵灰和低温腐蚀，由于大型电站锅炉运行过程中的排烟温度很 低，因而空气预热器冷端受热面壁温较低，容易产生低温腐蚀，使受热面沾污和积 聚灰尘。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，而且还将引起烟道阻力剧增，致使引风机过载，制约锅炉出力，必须引起足 够的重视。 在下一章，将重点介绍三分仓转予回转式空气预热器在运行中常会出现的漏 风、堵灰和低温腐蚀等现象，对这些故障现象进行机理分析，并将给出空气预热器 的漏风模型。通过建立模型和机理分析，方便我们找出合适的数据作为待融合的信 息，然后使用证据理论信息融合方法来对空气预热器的漏风、堵灰故障进行诊断。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章空气预热器在运行中常见的故障 我国大型火电站锅炉燃用的动力用煤普遍质量偏低，且品质波动较大，灰分含 量和硫分含量均较高，尾部的受热面因而会容易形成堵灰、腐蚀、磨损等现象，严 重时即造成空气预热器故障。瞰r 一 空气预热器作为锅炉尾部的受热面，受热面温度较低，且前面介绍过三分仓回 转式空气预热器的蓄热元件为金属波纹板，所以流经空气预热器受热面的烟气中的 灰渣等成分会很容易沉积在空气预热器的蓄热板上，从而影响空气预热器的正常运 行。使空气预热器发生故障，影响锅炉正常的运行，降低锅炉的出力，甚至造成停 炉。接下来将具体分析空气预热器在运行中常见的几种故障。 3 1 低温腐蚀与堵灰 锅炉空气预热器的低温腐蚀与堵灰现象是两种常见的且会产生相互作用的问 题。所以我们将这两种现象放在一起介绍。 3 1 1 低温腐蚀 锅炉的烟气中含有大量的水蒸气和硫分燃烧形成的二氧化硫气体。其中部分的 二氧化硫氧化成三氧化硫气体，三氧化硫与烟气中的水蒸气结合变为硫酸蒸汽。当 炉膛燃烧排出的烟气进入空气预热器时，烟气放热降低温度或者烟气接触到了温度 较低的受热面，使得烟气温度接近甚至低于烟气的酸露点温度时，烟气中的硫酸蒸 汽就开始凝结在空气预热器的受热面上，对受热面造成腐蚀。这种现象称为低温腐 蚀。水蒸气与三氧化硫气体结合生成硫酸蒸汽的反应是一种放热反应，当烟气温度 在2 0 0 以上时，反应很慢，当烟温低于1 1 0 时，全部反应生成硫酸蒸汽。烟气在 流经温度低于露点的金属受热面时，硫酸蒸汽在金属面上凝结成硫酸溶液，腐蚀受 热面的金属成分。如图2 4 所示，酸液浓度在1 5 0 左右最高，而电站锅炉的排烟 温度一般低于1 5 0 ，因此低温腐蚀一般在空气预热器的冷端经常发生。而从图2 。5 上可以看出对于一般碳钢，硫酸溶液浓度在6 0 以上时，腐蚀性不大，而在5 2 5 6 的硫酸溶液浓度下对金属的腐蚀速度最大，在酸液浓度小于5 0 时，腐蚀速度随酸 液浓度呈线性下降。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 ； ， 。 ? 。 。 - ，一_ 一一_ 一 3 1 2 堵灰 硫酸溶液浓度【】 图3 1 金属蓄热板温度对硫酸溶液浓度的影响 为了提高空气预热器的传热性能，三分仓回转式空气预热器采用的受热面是由 厚度为o 5 1 2 r a m 的钢板轧制成波纹板后，叠压在一起组装而成。所以造成带灰的 烟气流经空气预热器时，烟气在预热器中的流通渠道变得很狭窄，部分灰粒会沉积 在空气预热器受热面上，因此很容易产生堵灰现象，这是锅炉运行中，很常见的现 象。与其他受热面相比较，在锅炉运行中，回转式空气预热器的吹灰次数与消耗都 要大的多，而且空气预热器堵灰对锅炉的运行的经济性和安全性的影响也大得多。 因为当灰粒在受热面上沉积后，由于其导热系数很低，热阻很大，致使传热恶化， 从而导致排烟温度升高，降低了锅炉机组整体运行的经济性和安全性。而且会影响 烟气的流通，严重的堵灰还会堵塞烟气管道，为了使锅炉维持所需负荷，必须增加 燃料量，、排灰量也随之增多，形成恶性循环，导致其他事故发生。据统计，全国有 2 ( p o 的火电厂锅炉因为空气预热器堵灰严重产