（机械工程专业论文）空气预热器热电偶温度监测系统的研究.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l 页 摘要 电站锅炉空气预热器是广泛应用于火力发电厂的不可缺少的设备。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。因此对空气预热器的热点检 测是必不可少的。大量模拟实验及火灾现场资料表明，大多数空预器起火 常常出现在冷态启动和热备用后的启动期间。这些起火起因于燃料油的不 充分燃烧，其结果是未充分燃烧的燃料油凝结和聚集在空气预热器的部件 上，当进入空气预器的烟气温度增高时，沉积的燃料油被烘烤，当达到一 定温度条件时，则可点燃这些燃料油污沉积物，造成火灾发生，这通常被 称为空气预热器的二次燃烧。如何有效地检测空气预热器表面的燃料油污 沉积物的温度，是防止空气预热器表面起火所必须研究的课题。 本文研究的空气预热器热电偶温度监测系统由熟电偶、可编程控制器 ( p l c ) 、触摸屏三大部分组成，结合配套的处理软件可以对空气预热器的 安全运行状态进行实时监测。如果空预器中的转子在转动过程中有“热点” 产生，该区域的温度就会突然的上升。当t t 如检测到空气出口处的这个 突然产生的温度增加时，并超过报警设定值时，系统就会将报警信号送至 集控室的操作人员。然后由操作人员到现场查看，进行必要的判断并采取 有效措施，以防事故的发生。 关键词：火力发电厂；p l c ；触摸屏；热电偶温度篮测系统 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t p o w e rb o i l e ra i rp r e h e a t e rh o ts p o t sd e t e c t i o ns y s t e mi sai n d i s p e n s a b l e i n s t a l l a t i o nw h i c ha r ea p p l i e di np o w e rp l a n tl a r g e l y i tf i r e se a s i l yf o ra i r p r e h e a t e ri np r a c t i c ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o nb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c i t r e s u l t st r e m e n d o u se c o n o m i cl o s sa n de v e np e r s o n n e l c a s u a l t y s oi t i s n e c e s s a r yf o rp o w e rp l a n tt od e t e c th o ts p o t si na i rp r e h e a t e r f r o ms i m u l a t i o n s a n dd a t ao ff i r es i t e ，m o s ta i rp r e h e a t e rf i r eo f t e na p p e a rw h e nb o i l e ri ss t a r t e d i nc o o ls t a t ea n ds t a n d b yw h i c hf u e l so fi n s u f f i c i e n tc o m b u s t i o nc o a g u l a t ea n d c o n g r e g a t eo nt h ep a r t so fa i rp r e h e a t e r w h e nt h et e m p e r a t u r eo fs m o k e i n p o u r i n ga i rp r e h e a t e ri n c r e a s e s ，a g g r e g a t ef u e l sa n ds e d i m e n t sw i l lc o m b n s t i ns t a t e dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s i ti sc a l l e dt h es e c o n dc o m b u s t i o no fa i r p r e h e a t e r i ti sv e r yi m p o r t a n tp r o b l e mh o wt od e t e c ta g g r e g a t ef u e l sa n d s e d i m e n t st e m p e r a t u r eo na i rp r e h e a t e rp a r t ss u r f a c ee f f e c t i v e l yi no r d e rt o p r e v e n t a i r p r e h e a t e r f r o mf i r e i nt h i s p a p e r , i t i n t r o d u c e st h e w 曙d s 1w h e e l s e tt r e a d st r o u b l ed e t e c ts y s t e m i ti sas e to fm o d e r n i n t e l l e c t u a lt e s t s y s t e m ，t h i ss y s t e mi s c o n s i s t e do ff o u rp a r t s ：m e a s u r i n g d e v i c e ，s i g n a lb o x ( p r e a m p l i f i e r ) ，s i g n a lp r o c e s s i n gh o s t ，i n f o r m a t i o nr e p e a t e d d i s p l a ys y s t e m w i t hs u p p o r t i n gs i g n a lp r o c e s s i n gs o f t w a r e ，a c q u i s i t i o na n d a n a l y s i so fh i g h c a p a c i t ya n dm u l t i c h a n n e ld y n a m i cs i g n a la l ed o n e , t h e t r o u b l eo ft r a i nw h e e l s e tt r e a da r ed i a g n o s e do u ti nr e a lt i m ea n dd y n a m i c ， a n dp r o m p t l yw a r nt h eo p e r a t o rt oe l i m i n a t et h es a f e t yt r o u b l eo f t h ev e h i c l e t h i sp a p e rs t u d i e st h et h e r m o c o u p l et e m p e r a t u r em o m i t o rd e v i c e ( t m ) w h i c hi sc o m p o s e db yt h e r m o c o u p l e ，p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ( p l c ) a n dt o u c h s c r e e n w i t ht h es u p p o r t i n gs o f t w a r e ，w ec a nr e a l i z et h e r e a l - t i m em o n i t o r i n go f t h ea i rp r e h e a t e r so p e r a t i n g i f a ”h o ts p o t ”h a p p e n si n t h ep r o c e s so fa i rp r e h e a t e rt u r n i n g t h er e g i o n st e m p e r a t u r ew i l lr i s es u d d e n l y w h e nr 啪a tt h ea i ro u t l e td e t e c t ss u d d e nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e , w h i c h 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 e x c e e d st h ea l a r ms e t t i n g s ，s y s t e mw i l ls e n taa l a r ms i g n a lt ot h ec e n t r a l i z e d c o n t r o lr o o m s ot h eo p e r a t o rw i l lc h e c kt h e $ c e n o ，m a k et h en e c e s s a r y j u d g m e n t sa n d t a k ee f f e c t i v em e a s u r e st op r e v e n tt h eo c c b r r e n c eo f a c c i d e n t s k e y w o r d s ：p o w e rp l a n tl a r g e l y ；p l c ；t o u c h s c r e e n ；t h e r m o c o u p l e t e m p e r a t u r em o m i t o r d e v i c e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本入授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密6 t 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：时蕾 日期：a 嘲o 砰 指导老师签名：耀陪 日期：研恨万 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文 中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 用可编程控制器( p l c ) 完成对温度测点的采集、机构控制、故障检测等功 能。 2 用上位计算机完成友好的操作界面以及数据处理任务，包括状态显示、参 数设置、故障显示、历史记录以及火灾的预警和报警功能。 3 上位机与下位机( p l c ) 的通讯通过标准的m o d b u s 协议来完成。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 锅炉控制系统发展概述 进入2 l 世纪以来，人类进入了一个以知识经济为特征的信息时代， 检测技术、计算机技术和通讯技术一起构成现代气息的三大基础【1 】。有的 专家认为：在计算机和自动化领域，8 0 年代的热点是个人计算机，9 0 年 代是计算机网络，而2 l 世纪第一个1 0 年的热点必将是传感、执行和检测。 锅炉自动化控制系统作为传感、执行与检测技术的一个应用方面也必将跨 入数字化、网络化和智能化时代。 锅炉控制系统的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、 由机械到电子的过程。在我国，锅炉的控制大致经历了四个阶段，即手工 控制阶段、专用仪表控制阶段、电动单元组合控制阶段和计算机控制阶段。 在6 0 年代，锅炉的控制还只是实行人工操作，锅炉的燃烧完全是凭司炉工 人的经验，几乎谈不到自动控制。到了7 0 8 0 年代，尤其是1 9 7 2 年能源危 机之前，对锅炉的运行控制大多是注意安全性和可靠性。在越来越重视节 约能源和环境保护的今天，人们则更关注于实现最佳燃烧控制，即把燃烧 过程的热损失控制在最小，使热效率最高，且对环境污染最小的所谓最佳 燃烧状态，因此，对燃煤锅炉实行了自动控制，即由常规检测仪表和调节 仪表构成的模拟控制系统，它具有可靠性高，成本低，易于操作和维护等 优点，在大、中、小工业企业中得到广泛应用，解决了不少自动化方面的 问题。但是，随着生产向连续化、大型化发展，对自动化技术的要求越来 越高，模拟自动控制系统越来越表现出它的局限性。主要表现在( 1 ) 难 以实现复杂的、多变量控制规律，如最优控制、自适应控制、模糊控制以 及实时控制等；( 2 ) 控制参数一旦确定后就难以修改，要改变控制方案比 较困难；( 3 ) 一组仪表只能控制一条回路，难以实现集中监测、管理和操 作：( 4 ) 一次性投资较大；( 5 ) 各个系统之间不便进行通讯联系，难以实 现多级控制。到了9 0 年代，出现了以微机作为自动化工具的过程控制技术， 微机控制系统运算速度快，控制精度高，并且具有分时操作功能，台微 机可代替多台常规装置，计算机具有较强的记忆功能和逻辑判断功能，在 环境或过程参数发生变化时，能及时做出判断，选择最优控制决策 2 】。而 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 在锅炉控制理论方面，也有许多优秀的控制理论相继出现。最为典型的是 p i d 控制，即比例、积分和微分控制。后来，模糊控制理论得到长足发展， 目前已经很好地应用在锅炉控制系统上p 】。 因此，从锅炉控制的发展过程来看，靠人工加常规仪表，不仅难以做 到平稳操作，安全生产也没有确定的保证，工人的劳动强度大，生产条件差， 而且运行热效率低、耗煤量大、浪费能源、污染环境。不改变现有的控制 手段，锅炉的运行很难有满意的效果，尤其是燃烧系统，影响因素多，靠经典 的p i d 控制不易达到最佳的控制状态。为此，我们利用微机的快速性、可靠 性、准确性和多种特殊功能，以改善锅炉的监控品质，提高锅炉的熟效率，节 省能源，减少污染，具有广阔的应用前景 4 1 。目前，利用微机控制系统对锅 炉进行过程控制已经成为使锅炉能长期、稳定、经济地运行的主要控制手 段。 微机控制可根据各电厂要求的控制方式和控制范围有所不同，来实现 不同的检测和控制功能。主要功能有： 1 安全监视、数据处理。包括巡回检测、参数处理、越限报警、参数 显示、制表打印、性能计算等。这是火电厂计算机运用的一种初级和最基 本的功能。 2 正常调节。在正常运行时，对锅炉、汽机、发电机等主辅设备进行 直接或间接控制。 3 管理计算。对生产过程可按数学模型进行计算，寻找最优工况，实 现最优控制；对各运行指标进行计算，改善全厂的运行管理。 4 事故处理。对生产过程进行监视和趋势预报，事故发生时进行分析 和处理，并记录下事故时的设备状态和参数，供运行人员事后分析。 5 机组起停。实现发电机的自动起停。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 图1 - 1 工业锅炉微机控制系统结构框图 1 2 可编程控制技术在工业控制中的应用 在现代锅炉自动控制中，国内外普遍采用以p l c ( 可编程控制器) 为 核心的控制系统。特别是最近几年的冶金行业中，p l c 以其在工业恶劣环 境下仍能高可靠性工作，及抗干扰能力强的特点而获得更为广泛的使用。 p l c 将逻辑控制、过程控制和运动控制集于一体，可以方便、灵活地组合 成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。由于p l c 是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固、体积小巧，是实现机电一 体化的理想控制设备。随着微电子技术的快速发展，p l c 的制造成本不断 下降，而其功能却大大增强。在先进工业国家中p l c 已成为工业控制的标 准设备，应用几乎覆盖了所有工业企业，日益跃居现代工业自动化三大支 柱( p l c 、r o b o t 、c a o c a m ) 的主导地位【”。 可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、控制技术、 通信技术等高新技术，而在近年发展极为迅速，应用面极广的一类工业控 制装置。大量的实践证明，可编程序控制器不仅可以作为单一的机电控制 设备，而且，作为通用的自动控制装置，它也被用于过程工业的自动控制。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 可编程序控制器自诞生后，就受到工业界的欢迎。目前在世界先进工 业国家，可编程序控制器己成为工业控制的标准设备，它的应用几乎覆盖 了所有的工业企业。显然，可编程序控制器已成为当今世界的潮流。作为 工业自动化三大支柱之一的可编程序控制器技术将会跃居主导地位。 1 2 1 可编程序控制器发展的特征 可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、 数字技术、通信技术、网络技术等高新技术的发展息息相关。可编程序控 制器发展的特征表现在下列几方面。 1 功能的发展。可编程序控制器从简单的逻辑运算功能，发展到数 据传送、数据比较、数据运算，直到通信功能：从1 位处理器，发展到8 位， 直n 1 6 位、3 2 位，存储容量也有相应的扩展。 2 适应控制要求。随着控制要求的提高，对控制的精度和功能的要 求也有了提高，采用简单的逻辑运算已不能满足过程控制的要求，从而开 发了运算功能较强的数字运算等功能。随着对运算速度的要求提高，对处 理器的运算速度和存储器容量也提出了更高的要求，推动了计算机技术的 发展，同时又得益于计算机技术的发展，使可编程序控制器上了一个等级。 因此，可编程序控制器的发展是适应了过程发展的要求而发展的。它的发 展是其他高新科学技术发展的产物，同时，推动了其他科学技术的发展。 3 适应工业环境的要求。可编程序控制器与通用计算机的一个重要区 别就是可编程序控制器能应用在恶劣的工业环境。也正是由于它的环境适 应性强，才使它得到广泛的工业运用嘲。 1 2 2 可编程序控制器的主要功能和应用 p l c 的主要功能和应用如下： 1 开关逻辑和顺序控制：p l c 最广泛的应用场合是在开关逻辑和顺序 控制领域。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制【7 】。 2 模拟控制：在过程控制点数不多，开关量控制较多时，p l c 也用于 作为模拟量控翩的控制装置。 3 信号联锁系统：信号联锁是安全生产所需的。在信号联锁系统中， 采用高可靠性的p l c 是安全生产的要求。对安全要求高的系统还可采用多 重的检出元件和联锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余的p l c 实 现。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 4 通信：把p l c 作为下位机，与上位机或同级的p l c 进行通信，完成 数据的处理和信息的交换。实现对整个生产过程的信息控制和管理【8 1 。 1 3 本论文的研究背景 大型发电机组锅炉空气预热器是广泛应用于火力发电厂的不可缺少 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。因此对空气预热 器的热点检测是不可缺少的。大量模拟实验及火灾现场资料表明，大多数 空气预热器起火常常出现在冷态启动和热备用后的启动期间。这些起火起 因子燃料油的不充分燃烧，其结果是未充分燃烧的燃料油凝结和聚集在空 气预热器的部件上，当进入空气预器的烟气温度增高时，沉积的燃料油被 烘烤，当达到一定温度条件时，则可点燃这些燃料油污沉积物，造成火灾 发生，这通常被称为空气预热器的二次燃烧。如何有效地监测空气预热器 表面的燃料油污沉积物的温度，是防止空气预热器表面起火所必须考虑的 问题。 1 4 国内外的研究现状 根据美国a b b 空气预热器公司统计资料显示，锅炉回转式空气预热器 的着火并不常见，特别是燃煤锅炉的空预器着火更是少见。然而近几年国 内却连续发生数次大型燃煤锅炉回转式空气预热器二次燃烧的事故，损失 严重，己引起各方面的注意。这些发生火灾的电厂包括珠江电厂，哈尔滨 三电厂以及广东湛江电厂等，火灾的发生不但会对人员造成伤亡，而且还 会对国民经济带来巨大的经济损失。因此对空预器发生二次燃烧的机理进 行深入的研究，并提出切实可行的预防和检测火灾发生的方法和设备就显 得非常的迫切和必要。 国外对空预器发生二次燃烧的研究开展的比较早。a b b 、c e 、三菱等 公司都先后开发出了应用于回转式空气预热器的热点检测系统，这些系统 都是选用红外传感器作为测温元件，来检测空预器蓄热元件的内部温度， 当测得的温度超过报警值，则触发报警信号。国内哈尔滨锅炉厂也开发出 了类似的产品1 9 】【1 们。系统基本上由以下几个部分构成。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 图l - 2 热点检测系统的基本构成 目前现有的空预器热点检测系统普遍存在的一个问题是报警机理简 单。现在的报警方法都是采用设定一个门限报警值，当检测元件测得的温 度高于报警值对则报警，反之，则不报警。由于实际的报警值难以实际确 定，这样的报警方法容易造成误报和漏报火灾。同时没有考虑多个检测元 件的关联作用，将检测元件简单的孤立开来，使得现有的检测系统误报率 和漏报率较高。 1 5 本论文的主要工作 综上所述，研制高可靠性的空预器温度监测系统对于预防空预器二次 燃烧的发生以及减小火灾发生后的损失都具有非常重要的意义。因此确定 本论文的主要内容为： 1 在查阅了大量国内外相关文献和现场调研的基础上，对国内外电厂 锅炉微机控制的发展概况、现状作了比较详细的介绍，分析了锅炉自动化 控制发展的趋势。 2 根据目前我国发电厂的情况研制可投入使用的空预器温度监测系 统，包括整个系统的硬件以及软件开发。 ( 1 ) 用可编程控制器( p l c ) 完成对温度测点的采集、机构控制，故 障检测等功能。 ( 2 ) 用上位计算机完成友好的操作界面以及数据处理任务，包括状 态显示、参数设置、故障显示、历史记录以及火灾的预警和报警功能。 ( 3 ) 上位机与下位机( p l c ) 的通讯通过标准的m o d b u s 协议来完成， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 第2 章空气预热器的原理及研究 2 1电站锅炉燃烧过程 电站锅炉是利用燃料燃烧产生的热量加热给水来输出满足一定压力 和温度要求的主蒸汽，是电厂火力发电机组中的主要能量转换设备，其燃 烧系统设备众多，结构复杂，系统组成如图2 1 所示 主蒸汽 图2 - i 电站锅炉燃烧系统结构图 图中：卜一次风机：2 一送风机( 二次风机) ；3 一二次风箱；4 给煤机；5 - - 磨煤机； 6 一二次挡风板；7 一燃烧器；8 一炉膛：9 一汽包：1 0 一过热器；1 l 一再熟器；1 2 一 省煤器；1 3 一空气预热器；1 4 一引风机；1 5 一烟囱；b 一燃料量；v ，一一次风量；v 。一 二次风量；6 一引风量 首先给煤机将锅炉燃烧所需的燃料送入磨煤机，燃料在磨煤机中被磨 制成一定细度的煤粉。一次风机从大气中吸入的输送燃料所需的一次风分 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 为两路，一路经空气预热器加热后作为热一次风进入磨煤机，另一路作为 冷次风直接进入磨煤机，冷、热一次风在磨煤机中与煤粉混合后将煤粉 经燃烧器送入炉膛：同时送风机将燃料燃烧所需的二次风送入空气预热 器，加热后的二次风经过二次风箱和二次风挡板后进入炉膛与煤粉进行充 分混合，以保证煤粉的完全燃烧。燃烧过程中产生的热量加热给水使汽包 输出满足一定压力和温度要求的主蒸汽，将燃料燃烧的热能转换为蒸汽动 能为汽轮发电机组提供动力。煤粉与空气混合燃烧产生的高温烟气在烟道 中经过过热器、再热器、省煤器和空气预热器迸行热量交换，以充分利用 高温烟气携带的热量，最后在引风机的作用下经烟囱排入大气。 2 2 空气预热器的工作原理 空气预热器是利用锅炉尾部烟气热量来加热锅炉燃烧所用空气的一 种换热设备。它具有以下几个方面的作用：降低排烟温度，提高锅炉效率， 节省燃料：提高空气温度，改善燃烧条件，降低不完全燃烧损失：提高炉膛 温度，增加炉膛传热：改善引风机的工作条件。 按空气预热器的传热方式可将空气预热器分为导热式和再生式两大 类。 在导热式空气预热器中最常用的是管式空气预热器。管式预热器随着 锅炉参数的提高和容量的增加，管式空气预热器的受热面积也增大，这给 尾部受热面的布置带来很大的困难。回转式空气预热器是再生式空气预热 器的最常见形式，它是利用烟气和空气交替通过转子中的传热元件来加热 空气。回转式空气预热器由于结构紧凑、外形尺寸较小、质量较轻、单位 体积的受热面积大等优点在现代火力发电机组中广泛应用。 回转式空气预热器是一种逆流方式运行的换热设备。采用垂直轴受热 面回转式的型式，主要由圆筒形转子和固定的圆筒形外壳及驱动装置组 成。空气预热器内部的圆筒形转子是转动的，圆筒形外壳和烟道及风道均 不动。 下面以l a p l 0 3 2 0 3 8 8 3 这种三分仓回转式空气预热器为例来介绍其 工作原理。空气预热器为三分仓结构，空气预热器的两半侧分别为烟气和 空气通道，空气侧又分为一次风通道和二次风通道。空气预热器的结构图 如2 2 所示。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 圆筒形转子由径向和切向隔板分成许多扇形通道，扇形通道内装满了 传热元件( 波形薄钢板，又称蓄热版) ，传热元件分层安装在圆筒形转子内， 外壳的顶板与底板上各有三个连接管道，一个与烟道相连接，一个与次 风道相连接，另一个与二次风道相连接，整个转子用轴来支撑，轴由上、 下轴承定位，在转子的圆筒的外周装有环形围带，该围带与空气预热器驱 动装置的齿轮相啮合。 图2 2 三分仓回转式空气预热器 当空气预热器的驱动电机启动后，电动机通过减速箱及围带带动空气 预热器的转子转动。烟气从空气预热器上方的烟道入口进入空气预热器， 当烟气穿过转子的传热元件后，从空气预热器下方的烟道出口排出，在烟 气经过空气预热器的传热元件时，将热量传给传热元件，使传热元件的温 度升高，传热元件起到了蓄热的作用。由于空气预热器转子在转动，经过 烟气加热的传热元件已经转到空气侧，当空气从空气预热器下方的风道进 入空气预热器后，传热元件将热量传给空气，使空气的温度升高，传熟元 件温度降低，温度升高的空气从预热器上方的风道排出。传热元件不断的 由烟气加热，然后由空气冷却，将烟气的热量通过传热元件传给空气，使 风温升高，烟温下降。转子每转一圈完成一个循环，在每一个循环中传热 元件吸、放热各一次。转子不停的转动，烟气的热量不断的交换到冷空气， 完成热交换，从而达到加热冷空气的目的。图2 3 为空气预热器的工作 原理图。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l o 页 图2 3 空气预热器工作原理 2 3 空预器发生二次燃烧的机理分析 2 3 1 空预器发生二次燃烧的原因 干净的空预器内不可能发生二次燃烧。锅炉在较高负荷稳定运行时， 即使空预器换热面不干净，也不可能发生二次燃烧。空预器发生二次燃烧 是由多方面的原因引起的，但根本的原因是有可燃物质沉积在空预器换热 面上，形成了二次燃烧的物质基础。锅炉启停炉过程中，炉膛温度较低， 容易造成燃烧不完全。大量可燃物( 未完全燃烧煤粉或油滴) 被带至空预器 并沉积在换热西上：锅炉低负荷运行时，炉膛温度同样较低，燃烧不甚充 分，也容易造成可燃物在空预器换热面上沉积。特别是煤粉燃烧器或油枪 带病运行时更会造成大量碳黑或油滴沉积在空预器换热面上。一般来讲， 锅炉启停愈频繁，空预器发生二次燃烧的危险性愈大：锅炉低负荷运行时 间越长，空预器发生二次燃烧的可能性就大。尽管油滴凝结并粘贴在空预 器换热面上，使得空预器发生二次燃烧的危险性增加，但在大多数情况下， 造成空预器二次燃烧的物质还是那些精细的炭黑，而且绝大多数空预器二 次燃烧事故是发生在停炉后1 2 1 【1 3 】。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 1 页 2 3 2 空预器发生二次燃烧的机理及发展过程 空预器的二次燃烧实际上就是沉积在换热面上的碳黑及粘附在换热 面上的油滴的自燃过程。当空预器某一部位沉积的碳黑及油滴发生氧化反 应所析出的热量大子散热量时，该部位的温度将不断升高，最后达到稍稍 高于着火温度时就发生燃烧。 但是这些沉积在换热面上的可燃物并不是在所有部位都发生自燃，而 只是在换热面的一些特定部位，在一定的条件下才发生自燃，进而从这些 特定部位不断加强燃烧强度并向四周蔓延。在大多数情况下，自燃过程十 分缓慢，并不会影响换热面金属而造成火灾。 锅炉正常运行时，空预器内烟气、空气的流速较高，散热条件较好， 沉积可燃物的氧化反应所析出的热量很快被烟气和空气带走，不会着火燃 烧。但是，停炉后空预器内的烟气及空气的流速极慢，接近停滞状态，散 热条件又很差，在沉积可燃物质较多的地方就可能着火发生二次燃烧。 当锅炉在较低受荷运行时，空预器内的烟气及空气流速较慢，加之速 度的不均匀性，个别地方的散热条件很差，另外空预器换热面局部堵塞， 也会造成一些部位的烟气及空气流速减缓，散热条件变差。当这些部位的 沉积可燃物很厚时，就可能引发二次燃烧，最后导致火灾。 空预器发生二次燃烧，并造成火灾是一个缓慢发展过程，它要经历碳 黑及油滴的氧化反应到自燃，从一个波形板箱的燃烧蔓延至相邻波形板 箱，并不断扩大这样一个过程，这个过程往往需要好几个小时。据国外的 一些研究和试验表明，从某一部位发生自燃到蔓延至整个波形板箱至少需 要6 0 至9 0 分钟，从一个波形板箱扩展至相邻波形板箱所需的时间则更长， 大约需要3 至4 个小时。由此可见，只要能在空预器发生二次燃烧的早期 作出准确判断，并及时采取有效措施，空预器二次燃烧造成的火灾损失是 可以控制在很小程度内的。 2 3 3 空预器二次燃烧的预防、控制及灭火方法 为了防止空预器发生二次燃烧并将火灾发生所造成的损失降到最低， 在工程实际中，一般采用以下的措施： 1 合理布置吹灰装置 每台空预器应装设两台吹灰器，一台装在烟气进口侧，一台装在烟气 出口侧。要根据空预器的具体情况合理选用吹灰介质参数、吹灰行程等， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 2 页 以保证空预器的整体吹灰效果。 2 在烟气进、出口侧均要布置固定式水清洗装置 根据换熟面高度正确选取清洗水压力( 当换热面高度小于1 3 7 2 耻时， 清洗水压以不低于0 6 m p a 为宜：当换热面高度大于1 3 7 2 咖时，清洗水压 应大于1 2 胛) ，以保证必要时能对空预器换热面进行有效的清洗。根 据各个电厂的具体情况，还可配置单喷嘴、高压清洗装置，以便在特殊情 况下( 如用固定式清洗装置难以达到较为理想的清洗效果时) 使用。 3 装设完备的消防系统 装设蒸汽灭火设施。当吹灰介质为蒸汽时可利用蒸汽吹灰器兼做蒸汽 消防设施，利用固定式清洗装置兼做消防设施。空预器发生二次燃烧，火 灾较为严重时，转子可能会被卡涩，这时利用上述消防设施只能对空预器 的局部进行灭火，故在空预器上部还必须装设环形消防管( 环形管上均布 小喷嘴或在各分仓的上部装设能覆盖整个分仓的消防喷嘴) 。消防系统水 源可靠，最好设计布置备用水源，阀门的布置应满足快捷方便操作的需要。 4 安装窥视镜 在空预器烟侧下部适当部位安装窥视镜，以便对空预器是否发生二次 燃烧进行直接观察和判断。 5 配重热点监测设备 该设备采用红外探测技术或热电偶测温技术，在空预器运行状态下可 以实时准确地检测空预器内部的温度场分布。当空预器内部温度异常升高 时，系统发出报警信号，确保运行人员在二次燃烧发生的初期就能够采取 相应措施。 我们就是采用配置热点监测设备实时监测空预器内部的温度，预防它 的二次燃烧。 如果空预器发生二次燃烧应采取以下措施灭火： 1 当发现空预器有一侧排烟温度不正常升高而怀疑空预器发生二次 燃烧时，应打开空预器入孔门，对空预器内部着火情况、着火部位和着火 程度进行检查。 2 对于运行锅炉，发现预热器二次燃烧，应立即手动m f t ( 锅炉主燃 料跳闸系统) ，紧急停炉；立即停用所有吸风机、送风机和一次风机。紧 急退出电除尘器各电场的运行；关闭烟、风挡板，严禁对空预器通风。 3 打开蒸汽吹灰装置对空预器吹扫同时打开水冲洗系统阀门进行水 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 3 页 冲洗，打开空预器下部灰斗排水口排水。为防止导向轴承油室着火，应采 取措施对导向轴承油室进行水浇降温。 4 将可调节扇形板提升到“紧急提舞”位置，调整弧形板，加大辖向 密封的间隙；维持空预器转动。当遇到空预器跳闸、主副电机启动不起来 时，应手动盘转空预器，在盘不动时，应打开侧壳体板上的人孔门，用撬 杠进行左右盘转。 5 在二次燃烧比较严重、内部水冲洗系统水量较小时，可紧急接通厂 区消防水系统，对空预器进行灌灭。 6 只有确认二次燃烧已被彻底扑灭后，才能停止蒸汽吹扫和关闭水冲 洗阀门。在进入空预器内部检查时，应手持灭火器材，扑灭残存火源。 7 待二次燃烧全部扑灭后，检查转子和密封系统损坏和变形情况，制 定出合理的修复计划。 8 在空预器不能盘动的情况下，转子变形已在所难免，此时应果断采 取水冲洗的办法进行灭火，以将空预器损坏或变形程度降低到最低。 2 4 空气预热器的温度检测 根据前面对空气预热器二次燃烧发展过程的介绍，我们知道空预器发 生再燃烧并造成火灾是一个缓慢发展的过程，它要经历碳黑及油滴的氧化 反应到自燃，从一个波纹板箱的燃烧蔓延至相邻波纹板箱，并不断扩大这 样一个过程，这个过程往往需要好几个小时。由此可见，只要能在空气预 热器发生再燃烧的早期做出准备判断，并及时采取有效措施，空预器再燃 烧造成的火灾损失是可以控制在很小程度内的，因此有必要采用热点监测 装置，提早采取有效的防火措施。我们可以利用温度传感器来监测空气预 热器的温度，这也是目前常用的方法。下面我们对常用的温度传感器及典 型的温度测量方法作以简单介绍。 温度传感器的组成：现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组 成。温度测量方法按感温元件是否与被测介质接触分成接触式测温和非接 触式测温两大类。接触式测温是使测温敏感元件和被测介质接触，当被测 介质与感温元件达到热平衡时，温度感温元件与被测介质的温度相等。这 类温度传感器结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低、应用广 泛。非接触式测温是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 可测高温、腐蚀、有毒、运动物体和固体、液体表面的温度，但精度低， 使用不方便。 对应的接触式仪器又可分为：膨胀式温度计( 包括液体和固体膨胀式 温度计、压力式温度计) 、电阻式温度计( 包括金属热电阻温度计和半导体 热敏电阻温度计) 、燕电式温度计( 包括热电电偶p - n 结温度计) 以及其它 原理的温度计。非接触式温度计又可分为辐射温度计、亮度温度计和比色 温度计，由于它们都是见光辐射为基础，故也按统称为辐射温度计。常用 测温仪器有：熟电偶、热电阻、热敏电阻、晶体管、p n 结、热膨胀型、双 金属、压力式、示温涂料型、液晶型、热噪声型、辐射式、热释电式、n q r 、 电容型、光纤【1 4 】 1 5 】 1 6 l 。 1 膨胀式温度计 膨胀式温度计包括液体和固体膨胀式温度计，压力式温度计。液体温 度计工作物质主要有水银、甲苯、乙醇、煤油、石油醚、戊烷。测温范围 一般在负凡十摄氏度至一百或者几百摄氏度。其中水银温度计应用最为广 泛。固体膨胀式有双金属温度计等，这类温度计自带示值，适合对温度测 量精度要求不高的场合。 2 辐射测温法 在测温学中，就温度传感器或温度计与被测温场之间的关系而言，测 温方法可以分两类：接触测温法和非接触铡温法。后者也可称为辐射测温 法。具体方法也很多如光测高温法、红外测温法、光谱测温法、全辐射测 温法等等。辐射测温直接应用辐射定律，因此可直接测量热力学温度。优 点是不干扰温场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度。两且没 有理论上限，易于快速与动态测量温度。主要缺点在于，它不能直接测量 被测对象的实际温度。要得到实际温度需要进行材料的发射率修正，而发 射率是一个影响因素相当复杂的参数。辐射测温主要应用于高温物体的温 度场测量领域。 3 电阻式温度计 金属、半导体等的电阻会随温度的变化而变化，利用金属、合金、半 导体的电阻变化来测量温度的仪器叫电阻温度计。电阻温度计使用方便， 易于实现自动测量和控制，已经得到广泛应用。 适合作测温元件的金属主要有铂( p t ) ，铜( c u ) 、镍( ( n i ) 、钨( ( w ) 等， 铂最好，其次是铜。目前铂电阻为最常用的电阻式温度计。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 常用电阻式温度计如图2 - 4 所示： l 常用电阻式温度计l l l l l 标准铂电阻温魔计l 茸他的电阻温度计 l 标准套管s p 盯i 高温铂电阻温度计 l 粝雅长杆s 瞰l 工业铂电阻温度计i l 标准高温s p 盯 j l 热最宅腿卜j 图2 4 常用电阻式温度计 标准铂电阻温度计( s p r t ) 的电阻和温度关系在i t s - 9 0 国际温标中已 经给出。包括参考函数和偏差函数，偏差函数中几个温度系数对于不同的 铂电阻温度计数值不同。标准铂电阻温度计依据自身特点分标准套管铂电 阻湿度计、标准长杆铂电阻温度计、标准高温铂电阻温度计三静。其中标 准铂电阻温度计的测温精度最高，标准铂电阻温度计在o 一3 0 的扩展不 确定度可达到0 8 m k 。标准铂电阻在常温下测量精度是目前已知的温度传 感器测量精度最高的。 高温铂电阻温度计是在t t s - 9 0 国际温标中将标准铂电阻温度计向上 延伸取代热电偶作为锑凝固点和金凝固点之阃的内插仪器。工业铂电阻温 度计的温度曲线是一元二次方程，即克林达尔公式。因此，要比标准铂电 阻精度低。热敏电阻是一种新型半导体测温元件，它的电阻特性不同予普 通热电阻，具有负的温度系数，当温度升高、它的阻值减小。温度系数绝 对值大灵敏度高，缺点是非线性度大、稳定性和复现性差。热敏电阻具有 坚固性、耐久性以及在一定范围之内的准确度。哈特公司的标准等级的热 敏电阻短期不确定度为2 到3 m k 。一年的漂移在2 到5 m l ( 之间。工作在0 到1 0 0 之间时，这种热敏电阻标准有很好的使用价值。 4 热电偶温度计 热电偶测温的基本原理是热电效应。两种不同材料的导体或半导体焊 接起来，组成回路。当两个结合点存在温差时，会在回路内产生热电势。 两种不同的金属互相接触时，在它们的接触面上产生一个接触电位差( 拍 耳贴电动势) ；同一种金属两端处于不同的温度下也会产生一个电位差( 汤 姆逊电动势) 。热电偶所产生的温差电动势是这两种电动势之和，它与温 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 度有判1 7 】。 热电偶产生热电势必须具备的两个条件： ( 1 ) 热电偶必须用不同的热电极材料构成； ( 2 ) 热电偶的两个接点必须具有不同的温度。 国际电工委员会( i e c ) 为性能较好的8 种热电偶制定了统一标准。这 8 种热电偶分别是：s 、r 、b 、k 、n 、e 、j 、t 型热电偶，其中n 型热电偶 是最新国际标准化的热电偶。8 种一等国际标准化热电偶使用范围等特性 比较如表2 - i 所示。 表2 - 18 种一等国际标准化热电偶使用范围等特性比较 型使用温度 号 材料允许偏差优点不足 范围 稳定性好，抗氧电势小，灵敏 s 铂铑1 0 - 铂0 - 1 1 0 0 - 4 - i 化度低 稳定性，复现性电势小、灵敏 r铂铑1 3 - 铂0 - 1 1 0 0 1 好度低 b 铂铑3 0 一铂6 0 0 一1 7 0 0 稳定、灵敏、均电势小，灵敏 铑6 0 2 5 t i匀度低 - 4 0 - 11 0 0 k 镍铬一镍硅1 5 稳定、准确不抗还原 镍铬硅一镍 一4 0 一11 0 0 电势大、稳定、 n1 5 不抗还原 硅 灵敏 电势最大、稳定不抗还原不 e 镍铬一铜镍 - 4 0 - 8 0 0 士1 5 抗氧化 均匀 电势较大，较稳 j 铁一铜镍 - 4 0 7 5 0 1 5 抗氧化还原 定 电势大、稳定、 i 铜一铜镍 一4 0 3 5 0 1 5 测温范围小 线性好 b 一热电偶二等是最高等级，允许偏差为二等的偏差范围。 通过比较可知t 型热电偶由于热电势大、稳定性最好、均匀性好、线 性度好、适于在常温下进行精密测温，并可以在低温可作标准进行低温量 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 7 页 值传递。在温度量传体系中热电偶的测温精度不是很高，其优点在于温区 范围大。 热电偶在整个测温区内，它的测温精度无法和铂电阻家族相比。已有 科学实验表明，测量热电偶的稳定性4 - 1 7 m k 。但是在一些特殊的应用领 域，热电偶也有它独特的应用。目前许多领域都尝试利用热电偶的热电特 性自制感温元件，满足特殊需要。目前在扫描探针显微镜上安装微细热电 偶可以获得被测微型物体的温度分布。依据这些实验尝试，可以估计在极 窄温区内热电偶的也可能达到很高的测量精度。目前人们在继续寻感温性 能更好的热电偶材料【1 8 】【1 9 1 。 综上所述，可实现常温下高精度测量的标准温度计只有标准铂电阻温 度计，其中热敏电阻和热电偶可以依据应用场合可以尝试进行高精度温度 测量。我们研制的t t m d 温度监测系统中用的温度传感器就是w r n 一4 3 0 和 w r n t 一0 l 型热电偶。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 8 页 第3 章空气预热器热电偶温度监测系统的 总体设计 大型发电机组锅炉的空气预热器，存在未燃尽成分特别是油燃料残余 在受热面上沉积，有引起火灾的潜在危险。现场使用经验表明，大多数的 起火，首先是在预热器传热元件局部区域发生。假如燃烧着的“热点”使 受热元件温度上升到7 0 0 以上时，这些“热点”可以导致钢制元件维持 自燃。在运行过程中为了防止着火燃烧，特配用热电偶温度监测系统。 热电偶温度监测系统是保证空预器安全运行的关键设备，适用于 3 0 0 m w 、6 0 0 m w 等机组空预器的配套和改造，并可广泛应用于其它热点监 测