回转式空气预热器的智能分析及诊断系统研究

华电滕州新源热电有限公司 闵国政 天津拓科思科技有限公司 曲耀炜 华电电力科学研究院有限公司 王 帅

空气预热器是整个锅炉沿烟气流程的最后一个热交换设备，其出口烟温的高低反映了整个锅炉热效率的高低，而空气预热器的出口风量、风温直接影响炉膛的燃烧和制粉系统的运行，所以空气预热器是锅炉的重要辅助设备[1]。空预器按照传热方式主要分为管式和回转式两大类。相比管式空预器具有传热面密度高、结构紧凑、布置灵活等优点，在大中型燃煤机组中应用广泛；但回转式空气预热器运行过程中也出现了冷端低温腐蚀、积灰堵灰、漏风率高、二次燃烧、排烟温度高、停转等一系列问题，严重威胁了机组的安全和经济运行[2-3]。目前越来越多的研究人员对空气预热器的安全性和经济性进行广泛的研究。闫顺林等通过建立三分仓回转式空预器非热平衡模型[4]，模拟得到了其工质和受热面的三位温度分布规律，为分析低温腐蚀和硫酸氢铵沉积奠定了基础。邹军等针对电站锅炉回转式空气预热器运行时上下表面不可见的问题，提出了一种视频监控与故障分析系统，可直接监测转子表面情况[5]。

实时监测回转式空气预热器的运行状态对电站锅炉的安全运行、节能降耗具有重要的意义。目前几乎所有电厂机组中均配备了DCS 系统，可实现显示数据、事故报警、紧急保护等简单操作，但无法实现数据及变化趋势的系统分析，且无法对空预器的安全和经济性能进行综合评价，运行人员也只是根据经验和监测数据对空预器的故障进行判断[6]。

1 空预器常见故障

空预器低温腐蚀严重、阻力大。回转式空气预热器低温腐蚀和阻力大是目前的普遍现象，低温腐蚀易引起蓄热元件的寿命降低，换热效果较差且加速积灰堵塞；阻力大易引起风机出力增大，机组高负荷运行时风机易失速。主要原因有：发电企业燃用低热值、高灰分、高水分、高硫分的劣质煤；空预器冷端平均温度较低，易引起硫酸氢铵沉积；空预器蒸汽吹灰器运行时疏水温度较低，吹灰蒸汽带水；吹灰频次和吹灰效果较差；暖风器泄露。为控制空预器低温腐蚀和阻力异常升高，有以下防范措施：尽量避免长时间燃用劣质煤；低负荷或冬季时及时投用暖风器，提高空预器冷端平均温度；保证较高的疏水温度，避免吹灰蒸汽带水；阻力较高时适当提高吹灰频次和吹灰压力；必要时增加高压水（离线或在线）冲洗装置。

空预器漏风率高。易引起风机出力升高，导致锅炉效率降低，影响机组的经济性。主要原因有：空气预热器密封元件间隙较大；空气预热器密封结构件异常磨损；空气预热器换热元件异常堵塞造成烟气侧与空气侧压差过大；测点附近膨胀节、挡板或系统管道等泄漏。为控制空气预热器漏风率，有以下防范措施：定期对密封元件的间隙进行调整；及时更换因磨损严重失效的密封结构；降低空气预热器的运行阻力；加强空气预热器进出口风烟系统的漏点检查和补漏。

空预器事故停机。空气预热器在运行过程中可能会出现异常停机，主要有几种类型：空气预热器密封片卡磨引起运行阻力较大；空气预热器入口烟温高于设计值；空气预热器端轴或端轴螺栓出现断裂故障；导向轴承或支撑轴承故障；有异物进到空气预热器中阻碍转子转动；停机程序不当，导致空气预热器热膨胀异常增大而卡磨。为控制空气预热器异常停机有以下防范措施：密封元件的间隙进行合理调整；合理控制空气预热器入口烟温，避免出现二次燃烧；检修时加强对空气预热器端轴或端轴螺栓检查；运行过程密切关注导向轴承或支撑轴承的状态；运行和检修时做好防异物进入的措施；按照运行过程规范启停机操作，避免空预器受热或冷却不均匀。

空预器排烟温度高。会直接影响锅炉运行的经济性，一般排烟温度升高10℃锅炉效率降低0.45%左右。排烟温度较高的原因主要有：发电企业燃用低热值、高灰分、高水分、高硫分的劣质煤；空预器换热元件严重腐蚀和堵灰；空预器蒸汽吹灰器吹灰不彻底；炉膛漏风较多；空气入口温度较高。为控制空气预热器排烟温度有以下防范措施：尽量避免长时间燃用劣质煤；减少空预器腐蚀和堵灰程度；提高空预器蒸汽吹灰器吹灰效果；降低炉膛漏风；适当控制空气入口温度。

空预器驱动电机电流波动。空预器驱动电机电流在特殊情况下会快速或大幅波动，严重影响空预器的安全和稳定运行，主要有以下类型：空气预热器密封片卡磨引起运行阻力较大；空气预热器入口烟温高于设计值；空气预热器产生明显的不均匀热膨胀；外力引起空预器转子或外壳产生偏斜；存在膨胀受阻的地方。为控制空气预热器驱动电机电流波动有以下防范措施：密封元件的间隙进行合理调整；合理控制空气预热器入口烟温，避免出现二次燃烧；按照运行过程规范启停机操作，避免空预器出现明显的不均匀热膨胀；运行过程密切关注转子和外壳的偏斜状态；消除膨胀受阻的地方，确保能自由膨胀。

2 智能分析及诊断系统

回转式空气预热器的智能分析及动态诊断系统主要包括安全子系统和经济子系统。安全子系统包括电机及传动模块、轴承及润滑模块、火灾报警模块、吹灰器模块；经济子系统包括空预器漏风率、烟气侧阻力、排烟温度、烟气侧换热效率等经济指标。电机及传动模式包括电流状态、停转状态、变频器状态等参数，轴承及润滑模块包括轴承温度、油泵状态、润滑油压等参数；火灾报警模块包括空预器进口烟温和空预器出口烟温；吹灰器模块包括吹灰蒸汽温度、吹灰蒸汽压力、吹灰疏水温度、吹灰时间、氨逃逸高联动、声波吹灰器联动等。空预器漏风率、烟气侧阻力、排烟温度、烟气侧换热效率、电机电流状态、停转状态、变频器状态、轴承温度、油泵状态、润滑油压、吹灰蒸汽温度、吹灰蒸汽压力、吹灰疏水温度、吹灰时间、氨逃逸高联动、声波吹灰器联动等均输入到计算机智能分析及动态诊断系统。

计算机智能分析及动态诊断系统通过大数据及趋势分析对空预器安全和经济性能进行评估，得到优秀、良好和较差的评价等级，相应地显示出“绿色”、“黄色”及“红色”标识。优秀评价等级指安全子系统中所有参数及设备状态均无异常；经济子系统中空预器漏风率与设计值偏差在2%以内，烟气侧阻力与设计值偏差在400Pa 以内，折算BMCR工况下72h 增加不超过30Pa，排烟温度与设计值偏差在10℃以内，烟气侧换热效率与设计值偏差在5%以内。良好评价等级指安全子系统中重要参数及主要设备状态（指易导致机组停运的）均无异常；经济子系统中空预器漏风率与设计值偏差为2%～5%，烟气侧阻力与设计值偏差为400Pa～800Pa，折算BMCR 工况下72h 增加不超过60Pa，排烟温度与设计值偏差为10～20℃，烟气侧换热效率与设计值偏差在5%～10%。较差评价等级指安全子系统中重要参数或主要设备状态（指易导致机组停运的）存在异常。

经济子系统中空预器漏风率与设计值偏差大于5%，烟气侧阻力与设计值偏差大于800Pa，折算BMCR 工况下72h 增加不超过100Pa，排烟温度与设计值偏差大于20℃，烟气侧换热效率与设计值偏差大于10%。电机及传动模式中电机电流较额定电流波动超过3%持续时间超过10分钟或10分钟内波动超过3次，电流状态异常报警信号发出。火灾报警模块中空预器进口烟温超过350℃或温度变化速率超过10℃/min、空预器出口烟温超过200℃时或温度变化速率超过10℃/min，火灾报警信号发出。

系统运行状况如下：情况一。智能分析及动态诊断系统对空预器的运行参数及其变化趋势进行实时监控和分析，如果安全子系统中所有参数及设备状态均无异常报警信号发出，且经济子系统中所有经济指标达到优秀值域，系统判断空预器性能优秀，发出“绿色”标识；情况二。智能分析及动态诊断系统对空预器的运行参数及其变化趋势进行实时监控和分析，如果安全子系统中润滑油压较低（或降低速率超过报警值）、吹灰蒸汽温度较低或轴承温度较高（或升高速率超过报警值）等非主要报警信号发出，或经济子系统中所有经济指标达到良好值域，系统判断空预器性能良好，发出“黄色”标识；情况三。智能分析及动态诊断系统对空预器的运行参数及其变化趋势进行实时监控和分析，如果安全子系统中电机停转（或电流波动速率超过报警值）、油泵故障停运或火灾等主要报警信号发出，或经济子系统中所有经济指标达到较差值域，系统判断空预器性能较差，发出“红色”标识。

3 系统应用及效果评估

通过空预器智能分析及诊断系统研究，形成了一套针对空预器运行数据显示、重要数据及变化趋势智能分析、运行安全性及经济性评估、异常事故诊断及预警、紧急保护操作指导等全方位的智能控制系统，可为发电企业空预器的安全、经济、稳定运行提供重要保障，实现空预器运行指标的实时统计和动态分析，给出全方位的性能诊断评估，对空预器运行状态进行预判及预警，并指导空预器的优化运行及故障处理，应用效果非常好，可以有效地指导空预器的实际运行。