凝汽器膠球清洗裝置自動在線清洗系統(tǒng)的監(jiān)測分析

針對凝汽器膠球清洗裝置自動在線清洗系統(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)，可自動實現(xiàn)凝汽器銅管的在線清洗，提高生產(chǎn)效益。對污垢測量，清洗參數(shù)的確定也作了較深入的研究。現(xiàn)場運行的結(jié)果證實了該膠球清洗裝置的有效性。

1、凝汽器膠球清洗裝置概述

凝汽器是汽輪機組的重要輔機，它在汽輪機組的熱力循環(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、正方形錯列等幾種。圖1右邊所示為正方形錯列。汽輪機運行時，冷卻水從前水室的下半部分進來，通過下半部分冷卻水管進入后水室，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

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

蒸汽則由進汽口進來，經(jīng)過冷卻水管之間的縫隙往下流動，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，使汽輪機效率降低。對于污垢的清洗，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冷卻銅管進行清洗。對于大型機組，凝汽器銅管數(shù)量多，長度長，因而工人勞動強度大，而且清洗只能在機組停機時進行。針對這種情況，我們研制了一套計算機控制的自動清洗系統(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構(gòu)，在微機控制下，高壓噴槍由交流伺服電機和液壓缸驅(qū)動，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，而且清洗可在機組運行時進行，過程全自動化，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量

對凝汽器而言，一般用端差法、熱阻法來測量銅管換熱面的污臟程度。端差法雖然簡便，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，而且不易實現(xiàn)在線監(jiān)測。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，實現(xiàn)污垢的在線測量。

2.2噴槍壓力、流量、清洗時間的確定

對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)的清洗時間。在凝汽器運行中，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，則清洗時引起的機械震動愈大，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，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間，對同一凝汽設(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的清洗時間不一樣。同樣，若cf相同，污垢的#值不同，或者#值相同，而cf不同，其清洗時間也均不一樣。

由于難以建立清洗時間與#、cf的精確數(shù)學(xué)模型，對每管清洗時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-實際值)和污垢單向耐壓強度#，輸出為每管清洗時間t。輸入，輸出變量均劃分為5個模糊子空間{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)則進行運算，最大隸屬度法進行模糊決策，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行調(diào)整，可得到相應(yīng)的模糊控制查詢表。系統(tǒng)運行時，只要進行查表運算，即可得到每管清洗時間。

3凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)硬件設(shè)計

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臺上位機和4臺下位機組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。4臺下位機安放在凝結(jié)器現(xiàn)場，其核心為可編程控制器(PLC)，分別控制4個水室噴槍三維行走機構(gòu)的運行。上位機置于主控室，其核心為工業(yè)控制計算機(IPC)，負責(zé)清潔度、噴槍壓力、流量、清洗時間的計算，下位機的參數(shù)預(yù)置和狀態(tài)監(jiān)控，具有動畫顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲、報表打印等功能。上、下位機之間通過RS—485標準接口進行通信，

圖2膠球清洗裝置系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

可使數(shù)據(jù)在較遠距離準確傳輸。下位機還可獨立運行，便于故障檢測與調(diào)試。

3.2上位機硬件設(shè)計

上位機硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3上位機硬件結(jié)構(gòu)

工業(yè)控制計算機采用研華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、凝汽器壓力等信號通過變送器變?yōu)?~20mA電流信號，經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換，輸入到PCL—818L中，A/D轉(zhuǎn)換后送入計算機，再根據(jù)經(jīng)化學(xué)分析求得的污垢單向耐壓強度值，可得出清潔度、噴槍壓力、流量及每管清洗時間。IPC通過485接口卡與下位機通信完成參數(shù)預(yù)置和狀態(tài)監(jiān)控。若下位機出現(xiàn)故障，上位機接收故障信息，并通過PCL—818L控制聲光報警電路，同時啟動打印機，打印故障類型和有關(guān)數(shù)據(jù)。

3.3下位機硬件設(shè)計

下位機硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，它包括如下幾個部分。

圖4下位機硬件結(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。本機集成24入/16出數(shù)字輸入/輸出點。此外，還擴展了24入/24出數(shù)字輸入/輸出點。為了調(diào)整噴槍壓力及檢測模擬量故障信息，擴展了模擬量模塊，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)選用交流伺服電機作為驅(qū)動部件，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)計算產(chǎn)生的脈沖自PLC高速脈沖端輸出，通過驅(qū)動電源，控制伺服電機的旋轉(zhuǎn)。伺服電機經(jīng)減速，變向裝置帶動精密滾珠絲杠，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，其輸出為兩個相互之間相移為90度的脈沖序列，PLC中高速計數(shù)器統(tǒng)計光電編碼器輸出的脈沖數(shù)，軟件根據(jù)計數(shù)器計數(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接收到清洗信號后，啟動高壓水泵電機。PLC根據(jù)上位機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向液壓缸電磁閥動作，噴嘴與銅管對接，之后，高壓水噴槍電磁閥動作，開始對銅管進行清洗。清洗完畢，噴嘴與銅管退出對接，噴槍行走，定位下一根銅管。

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

PLC檢測到故障信息，處理方法有如下兩種：無條件停機和有條件停機。有條件停機即判斷此類故障系統(tǒng)是否允許，如短暫過電流，這時需延時一段時間后，再作判斷處理。

4軟件設(shè)計

4.1下位機軟件

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

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

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

圖5下位機軟件結(jié)構(gòu)

5膠球清洗裝置主要問題的處理

5.1行走機構(gòu)防卡塞

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

5.2吸渣處理

對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)積附于冷卻水進口水室管壁，減少了進入凝汽器的冷卻水量。在洪水季節(jié)這種現(xiàn)象尤甚。為此，我們設(shè)計了一種吸渣裝置，利用噴射器產(chǎn)生負壓，將雜質(zhì)清理出凝汽器。吸渣頭由液壓馬達控制，360旋轉(zhuǎn)，可實現(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新的應(yīng)用。現(xiàn)場調(diào)試運行表明：該系統(tǒng)設(shè)計合理，運行可靠，效果明顯，大大減輕了工人勞動強度，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。