基于GEFanuc系列90-30PLC的电站锅炉空预器热点检测系统

1．引言

电站锅炉空气预热器（以下简称空预器）是利用锅炉的排烟余热加热空气的 热交换器。空预器使锅炉燃烧和制粉系统需要的空气温度得到提高，同时进一步 降低排烟温度，减少排烟热损失。目前国内 200 MW 以上机组锅炉通常采用结构 紧凑、重量较轻、节约场地、布置方便的回转式空预器。但是当空预器受热面上 积聚的可燃物（包括碳黑和油滴）经氧化升温，达到着火温度就会导致空预器本 身的燃烧事故。空预器燃烧有两个条件：受热面上积存有可燃物；空预器内空气、 烟气流速低或不均匀，导致散热条件变差。当没有燃烧或部分燃烧的燃料，特别 是雾化不良的油气凝聚在空气预热器的传热部件上，温度升高到 350°C 左右时， 沉积物会被烘干并点着。由于着火初期范围较小，很难被发现，当元件温度继续 上升至 700°C 时，就足以导致钢制蓄热元件及整个空预器起火，从而影响整个机 组的正常运行。这种燃烧被称为空预器的再燃烧（又称二次燃烧）。此类事故近 年在国内湖南石门电厂、广东湛江电厂、沙角电厂等电厂都先后发生过。空预器 发生再燃烧，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。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纹板箱至少需要 60～90min，从一个波纹板箱扩展至相邻波 纹板箱所需的时间则更长，大约需要 3～4h。由此可见，只要能在空预器发生再 燃烧的早期做出准确判断，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，有必要采用着火探测装置，提早采取有效的 防火措施。

本文介绍了基于 GE Fanuc 系列 90-30 PLC 的电站锅炉空气预热器热点检测系 统，PLC 完成对专用机械式移动装置的运动控制；红外探头和热电偶实时检测空预器内部温度场的变化，并采用基于支持向量机的智能决策方法进行综合判断，大大提高了空气预热器热点检测的精度。

2．系统的主要结构与内容

2.1  系统的总体结构

空预器热点检测系统的总体结构如图 1 所示。本系统的电控部分由布置在集控室的一个主控柜和布置在就地的两个就地操作箱构成。系统中测温的传感 器采用热电偶和红外传感器。每台预热器上部二次风侧均匀分布有三个热电偶 (200MW,300MW)，对于 600MW 和 1000MW 的机组布置有四个热电偶。在预热 器下部安装有专用的机械执行机构，执行机构的小车上安装有两个红外传感器， 同时配套有相应的供电、循环水以及吹扫装置。上部的热电偶用来检测空预器上 部的温度场分布，下部的红外探头由执行机构驱动往复的运动，配合预热器转子 的转动，可以扫描整个转子蓄热元件受热面，从而获得转子内部的温度场分布。 红外探头的安装位置及执行机构的示意图如图 2 所示。

图 1 空气预热器热点检测系统结构示意图

图 2  红外探头的安装位置及执行机构的示意图

2.2  系统的主控制器结构

本系统的主控制器结构采用上位-下位机的形式，上位机采用工业控制机， 完成系统的操作界面、数据的存储和设定、与下位机的通讯等功能。下位机选用GE Fanuc 系列 90-30 PLC。

2.3 GE Fanuc 系列 90-30 PLC 及完成的主要功能

PLC 系统选用 GE Fanuc 的系列 90-30 PLC 系列控制系统，性能优良，性价比 高。 PLC 系统具有双机热备功能，实现 PLC 主机冗余、电源冗余、通讯模块和通讯总线冗余，主机、从机可无扰动切换，增加了系统的可靠性。上位机与 PLC 之间通过 10Mb/S 的高速以太网 ETHERNET 实现数据的采集和传输，保证数据 传输的高速、可靠。系统具有强大的通讯功能，支持多种通讯总线协议，具有开 放的网络结构，可与其它厂家的 PLC 和 DCS 进行通讯。系统具有容错能力和强 大的自诊断功能。 

PLC  的微处理器选用高性能的 INTEL  处理器，系统运行速度高，可达0.22ms/K 指令。能快速执行 PID 算法，并实时刷新计算输出。PLC 具有功能强 大的梯形图编程软件 Versa Pro。

本系统选用的 GE Fanuc  系列 90-30 PLC 配置如下：

1．电源模块：PWR321

2．CPU 模块：CPU351

3．模拟量输入模块：ALG223

4．开关量输入模块：MDL645(两块)

5．开关量输出模块：MDL940(两块)

GE Fanuc  系列 90-30 PLC 作为下位控制器，完成的主要功能有：

1．利用 PLC 实现对执行机构驱动电机的控制，从而能够使红外传感器在固 定的轨道上往复运行，实现对空气预热器转子温度场的实时监控。

1)  当系统投入自动运行时，判断执行机构是否在后位，如果不在则驱动电 机立刻反向运动，使红外探头向后运行并到后位，然后往返运行；此时，检修状态的前进与后退按钮无效；当探头离开后位开关向前运行时，系统自动打开吹气 阀，吹扫红外探头表面的灰尘。

2) 当系统发生综合故障时，系统自动投入检修状态运行，即使“自动/检修”旋钮打在自动状态，系统也进入手动运行。

3) 程控柜与就地操作箱上按钮的功能相同，其 PLC 的逻辑功能已通过硬件 电路达到统一。 

2．利用 PLC 实现对红外传感器、热电偶、前/后位开关、接触器、电源等 元件的故障检测。故障包括：

1) 红外传感器的故障可分为断线、温度突变、失效故障；

2) 前/后位开关故障可分为短路、断路故障；

3) 电源故障包括+24V 和士 15V 电源的故障检测；

3．利用 PLC 实现空气预热器的火灾报警、预警。目前国内外已经先后研制 出空预器热点检测系统并已投入使用[1-4]。这些检测系统均采用红外传感器或热电偶作为测温元件，将测到的温度值与事先设定的报警阈值相比较，从而判断是 否有火情发生。报警阈值的设定过多的依赖于经验和现场工况，容易发生漏报和误报。本系统采用支持向量机[5] (Support vector machines, SVM)这一新的分类和回 归工具完成空预器火情的智能决策。支持向量机通过结构风险最小化原理来提高泛化能力，较好的解决了小样本、非线性、高维数、局部极小点等实际问题。本系统结合多年对电站锅炉空预器研究的经验基础上，将支持向量机这种机器学习 方法应用于空预器热点检测系统的研究，取得了满意的效果。

3．本系统的应用情况

从 1996 年开始，以西安理工大学信息与控制工程研究中心为技术依托，以 东方锅炉股份有限公司所属预热器工程分公司为成果转化基地，对空气预热器热 点检测问题进行深入、系统的研究。十几年来，参加研制工作的科研人员在对问 题的形成机理充分研究的基础上，先后就恶劣环境下的信号检测与处理方法、机 械机构的设计与制造、计算机系统的软硬件设计与实现开展了攻关，相继成功研 制出了 HSDS-10、HSDS-20 型电站锅炉空气预热器热点检测系统，并在实际应 用中不断改进和完善，形成了具有自主知识产权的成果。截止 2006 年9月已在印度督伽坡(Durgapur)电厂 1 号(300MW)，印度撒伽迪(Sagardighi)电厂 1，2，3 号(300MW)，内蒙包二电厂 3，4 号机(200MW)，华能岳阳电厂 1，2 号(600MW)， 安徽宿州电厂1，2 号(600MW)，内蒙乌海发电厂 1，2 号(300MW)等十余台 200MW 以上机组上推广应用，取得了很好的社会效益和经济效益，GE Fanuc  可靠的产 品质量、友好的用户开发环境以及较高的性价比得到了用户的认可和肯定。