凝汽器膠球清洗裝置自動(dòng)在線清洗系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)分析

針對(duì)凝汽器膠球清洗裝置自動(dòng)在線清洗系統(tǒng)的不足，提出了一種新的清洗方法，并研制了控制裝置。該凝汽器膠球清洗裝置以PLC和工控PC為核心，配備相應(yīng)的執(zhí)行部件，組成一控制系統(tǒng)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)凝汽器銅管的在線清洗，提高生產(chǎn)效益。對(duì)污垢測(cè)量，清洗參數(shù)的確定也作了較深入的研究。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的結(jié)果證實(shí)了該膠球清洗裝置的有效性。

1、凝汽器膠球清洗裝置概述

凝汽器是汽輪機(jī)組的重要輔機(jī)，它在汽輪機(jī)組的熱力循環(huán)中起冷源作用，其性能好壞直接影響汽輪機(jī)組的效率。圖1為表面式凝汽器結(jié)構(gòu)。

冷卻銅管固定在管板上，其排列方式一般有正方形直列、正方形錯(cuò)列等幾種。圖1右邊所示為正方形錯(cuò)列。汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，冷卻水從前水室的下半部分進(jìn)來，通過下半部分冷卻水管進(jìn)入后水室，向上折轉(zhuǎn)，再經(jīng)上半部分冷卻水管流向前水室的上部，最后排出，汽輪機(jī)

1.蒸汽入口2.冷卻銅管3.管板4.前水室5.后水室6.冷卻水入口7.冷卻水出口8.凝結(jié)水集水箱9.冷卻銅管排列方式圖

圖1表面式凝汽器膠球清洗裝置結(jié)構(gòu)圖

蒸汽則由進(jìn)汽口進(jìn)來，經(jīng)過冷卻水管之間的縫隙往下流動(dòng)，向管壁放熱后凝結(jié)為水。在此工作過程中，由于冷卻水質(zhì)的不潔凈(冷卻水直取自江，河，湖，海及地下水)，熱交換時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等原因，致使銅管內(nèi)壁積聚了一些不利于傳熱的固態(tài)混合物(稱之為污垢)，污垢的存在，降低了換熱面的傳熱能力，使汽輪機(jī)效率降低。對(duì)于污垢的清洗，許多電廠采用膠球清洗裝置系統(tǒng)，但由于收球率低的問題，不少電廠的膠球清洗系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。而代之以人工水力沖洗，利用高壓噴槍水流的能量對(duì)冷卻銅管進(jìn)行清洗。對(duì)于大型機(jī)組，凝汽器銅管數(shù)量多，長(zhǎng)度長(zhǎng)，因而工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且清洗只能在機(jī)組停機(jī)時(shí)進(jìn)行。針對(duì)這種情況，我們研制了一套計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)清洗系統(tǒng)。其基本方案是：在凝汽器水室各安裝一套固定式高壓噴槍三維空間行走機(jī)構(gòu)，在微機(jī)控制下，高壓噴槍由交流伺服電機(jī)和液壓缸驅(qū)動(dòng)，根據(jù)凝汽器膠球清洗裝置的管束布置，沿X方向、Y方向、Z方向精確定位，保證每一根銅管均能得到清洗，而且清洗可在機(jī)組運(yùn)行時(shí)進(jìn)行，過程全自動(dòng)化，大大提高了生產(chǎn)效率。

2凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)控制原理

2.1污垢的描述與在線測(cè)量

對(duì)凝汽器而言，一般用端差法、熱阻法來測(cè)量銅管換熱面的污臟程度。端差法雖然簡(jiǎn)便，但可信度差。熱阻法須在銅管內(nèi)壁埋設(shè)鎧裝熱偶，投資大，而且不易實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。為此，我們采用清潔度這一參數(shù)來描述管子的污臟程度，污垢多，則清潔度低，反之清潔度高。通過求取清潔度，實(shí)現(xiàn)污垢的在線測(cè)量。

2.2噴槍壓力、流量、清洗時(shí)間的確定

對(duì)于積聚有污垢的銅管，要取得良好的清洗效果，除了高壓噴槍應(yīng)具有一定的排出壓力和流量外，還須有相應(yīng)的清洗時(shí)間。在凝汽器運(yùn)行中，污垢成分、特性隨季節(jié)變化，一般說來，污垢多(即清潔度值cf小)，污垢單向耐壓強(qiáng)度大，則噴槍壓力和流量應(yīng)隨之增大。噴槍壓力、流量愈大，則清洗時(shí)引起的機(jī)械震動(dòng)愈大，不利于系統(tǒng)工作。另外，也受到銅管磨損的限制。因此，噴槍壓力、流量不可能取得很大，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，噴槍壓力、流量按下式選定：P=0.75#(5)式中：P—噴槍排出的壓力；#—污垢單向耐壓強(qiáng)度。0=l.33·l0-l6#P0.96!-0.24iI(0).l8(6)式中：0—流量；!—污垢厚度；iI—噴嘴直徑；P，0選定后，則清洗效果唯一取決于每根銅管的清洗時(shí)間，對(duì)同一凝汽設(shè)備，污垢的#值和cf不同，取得同樣凝汽器膠球清洗裝置清洗效果所花費(fèi)的清洗時(shí)間不一樣。同樣，若cf相同，污垢的#值不同，或者#值相同，而cf不同，其清洗時(shí)間也均不一樣。

由于難以建立清洗時(shí)間與#、cf的精確數(shù)學(xué)模型，對(duì)每管清洗時(shí)間的確定采用模糊控制算法。系統(tǒng)采用二維模糊控制器，輸入為清潔度值偏差e(e=設(shè)定值-實(shí)際值)和污垢單向耐壓強(qiáng)度#，輸出為每管清洗時(shí)間t。輸入，輸出變量均劃分為5個(gè)模糊子空間{L，ML，M，MS，S}，分別表示{大，中大，中，中小，小}，其隸屬度函數(shù)選為高斯型。控制規(guī)則為IF-THEN形式，共25條，用模糊推理規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，最大隸屬度法進(jìn)行模糊決策，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，可得到相應(yīng)的模糊控制查詢表。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，只要進(jìn)行查表運(yùn)算，即可得到每管清洗時(shí)間。

3凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.l總體方案

膠球清洗裝置系統(tǒng)采用分布式控制方式，由l臺(tái)上位機(jī)和4臺(tái)下位機(jī)組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。4臺(tái)下位機(jī)安放在凝結(jié)器現(xiàn)場(chǎng)，其核心為可編程控制器(PLC)，分別控制4個(gè)水室噴槍三維行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。上位機(jī)置于主控室，其核心為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)，負(fù)責(zé)清潔度、噴槍壓力、流量、清洗時(shí)間的計(jì)算，下位機(jī)的參數(shù)預(yù)置和狀態(tài)監(jiān)控，具有動(dòng)畫顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表打印等功能。上、下位機(jī)之間通過RS—485標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行通信，

圖2膠球清洗裝置系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

可使數(shù)據(jù)在較遠(yuǎn)距離準(zhǔn)確傳輸。下位機(jī)還可獨(dú)立運(yùn)行，便于故障檢測(cè)與調(diào)試。

3.2上位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

上位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3上位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用研華IPC，并配以多功能采集卡PCL—818L和485接口卡CP5611，PCL—818L具有16路A/D輸入和16路數(shù)字輸入輸出。冷卻水入口溫度、出口溫度、凝汽器壓力等信號(hào)通過變送器變?yōu)?~20mA電流信號(hào)，經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換，輸入到PCL—818L中，A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)，再根據(jù)經(jīng)化學(xué)分析求得的污垢單向耐壓強(qiáng)度值，可得出清潔度、噴槍壓力、流量及每管清洗時(shí)間。IPC通過485接口卡與下位機(jī)通信完成參數(shù)預(yù)置和狀態(tài)監(jiān)控。若下位機(jī)出現(xiàn)故障，上位機(jī)接收故障信息，并通過PCL—818L控制聲光報(bào)警電路，同時(shí)啟動(dòng)打印機(jī)，打印故障類型和有關(guān)數(shù)據(jù)。

3.3下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，它包括如下幾個(gè)部分。

圖4下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

(1)PLC系統(tǒng)：膠球清洗裝置系統(tǒng)選用西門子S7—200系列可編程控制器，中央處理單元為CPU226。本機(jī)集成24入/16出數(shù)字輸入/輸出點(diǎn)。此外，還擴(kuò)展了24入/24出數(shù)字輸入/輸出點(diǎn)。為了調(diào)整噴槍壓力及檢測(cè)模擬量故障信息，擴(kuò)展了模擬量模塊，共8路輸入，2路輸出。為了顯示相關(guān)狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)了液晶顯示器。

(2)噴槍行走控制：為了保證每一根銅管均能得到清洗，噴槍的精確定位是該系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)選用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，并配以光電編碼器組成一局部反饋系統(tǒng)，解決了開環(huán)控制的失步問題。經(jīng)計(jì)算產(chǎn)生的脈沖自PLC高速脈沖端輸出，通過驅(qū)動(dòng)電源，控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)經(jīng)減速，變向裝置帶動(dòng)精密滾珠絲杠，可使噴槍沿X軸、"軸行走。增量式光電編碼器作為角位移傳感器，其輸出為兩個(gè)相互之間相移為90度的脈沖序列，PLC中高速計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)光電編碼器輸出的脈沖數(shù)，軟件根據(jù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值來判斷是否失步。若失步，則作相應(yīng)調(diào)整，若失步過多，且調(diào)整無效，則視為故障。

(3)噴水控制部分：PLC接收到清洗信號(hào)后，啟動(dòng)高壓水泵電機(jī)。PLC根據(jù)上位機(jī)傳送來的噴槍壓力值控制壓力調(diào)節(jié)閥閥門開度，使噴槍壓力達(dá)到設(shè)定值，其調(diào)節(jié)規(guī)律為PID算法。待噴槍定位完畢，Z向液壓缸電磁閥動(dòng)作，噴嘴與銅管對(duì)接，之后，高壓水噴槍電磁閥動(dòng)作，開始對(duì)銅管進(jìn)行清洗。清洗完畢，噴嘴與銅管退出對(duì)接，噴槍行走，定位下一根銅管。

(4)狀態(tài)、故障信息檢測(cè)：在膠球清洗裝置自動(dòng)在線清洗時(shí)，噴槍的行走，對(duì)接，噴水均在密閉的水室中進(jìn)行，因此相關(guān)狀態(tài)信息及主要部件的故障檢測(cè)與保護(hù)不可缺少。

PLC檢測(cè)到故障信息，處理方法有如下兩種：無條件停機(jī)和有條件停機(jī)。有條件停機(jī)即判斷此類故障系統(tǒng)是否允許，如短暫過電流，這時(shí)需延時(shí)一段時(shí)間后，再作判斷處理。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1下位機(jī)軟件

根據(jù)PLC編程語言STEP7的特點(diǎn)，將下位機(jī)程序分為多個(gè)功能模塊，并由組織模塊統(tǒng)一管理，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

(1)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：在該模塊中，采取了“核步”算法解決了伺服電機(jī)的失步處理問題。設(shè)置了間隙補(bǔ)償程序以補(bǔ)償由于機(jī)械傳動(dòng)間隙而引起的定位誤差。對(duì)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采取軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)的方法，減少了機(jī)械震動(dòng)，保證了噴槍的精確定位控制。

(2)故障信息檢測(cè)與處理模塊：對(duì)模擬量故障信息的檢測(cè)與處理采用內(nèi)部定時(shí)中斷的方法，對(duì)某些重要的數(shù)字量故障信息采取即時(shí)中斷處理。

圖5下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

5膠球清洗裝置主要問題的處理

5.1行走機(jī)構(gòu)防卡塞

由于行走機(jī)構(gòu)在水中工作，行走機(jī)構(gòu)不卡塞變?yōu)槭滓�任�?wù)。為此，除在機(jī)械配合上作重點(diǎn)考慮外，還采取加裝刮刀、高壓水噴洗，伺服電機(jī)變轉(zhuǎn)矩控制等措施，取得良好效果。

5.2吸渣處理

對(duì)于直接取自江河的冷卻水，水中含有大量雜質(zhì)，如草、塑料片等，這些雜質(zhì)積附于冷卻水進(jìn)口水室管壁，減少了進(jìn)入凝汽器的冷卻水量。在洪水季節(jié)這種現(xiàn)象尤甚。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種吸渣裝置，利用噴射器產(chǎn)生負(fù)壓，將雜質(zhì)清理出凝汽器。吸渣頭由液壓馬達(dá)控制，360旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)大面積的有效吸渣。

所述凝汽器膠球清洗裝置在目前還是一個(gè)新的應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行表明：該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，效果明顯，大大減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效益，具有良好的應(yīng)用前景。本清洗裝置同樣適用于其他行業(yè)的大型換熱器。