凝汽器胶球清洗装置自动在线清洗系统的监测分析

凝汽器胶球清洗装置自动在线清洗系统的监测分析

针对凝汽器胶球清洗装置自动在线清洗系统的不足，提出了一种新的清洗方法，并研制了控制装置。该凝汽器胶球清洗装置以PLC和工控PC为核心，配备相应的执行部件，组成一控制系统，可自动实现凝汽器铜管的在线清洗，提高生产效益。对污垢测量，清洗参数的确定也作了较深入的研究。现场运行的结果证实了该胶球清洗装置的有效性。

1、凝汽器胶球清洗装置概述

凝汽器是汽轮机组的重要辅机，它在汽轮机组的热力循环中起冷源作用，其性能好坏直接影响汽轮机组的效率。图1为表面式凝汽器结构。

冷却铜管固定在管板上，其排列方式一般有正方形直列、正方形错列等几种。图1右边所示为正方形错列。汽轮机运行时，冷却水从前水室的下半部分进来，通过下半部分冷却水管进入后水室，向上折转，再经上半部分冷却水管流向前水室的上部，最后排出，汽轮机

1.蒸汽入口2.冷却铜管3.管板4.前水室5.后水室6.冷却水入口7.冷却水出口8.凝结水集水箱9.冷却铜管排列方式图

图1表面式凝汽器胶球清洗装置结构图

蒸汽则由进汽口进来，经过冷却水管之间的缝隙往下流动，向管壁放热后凝结为水。在此工作过程中，由于冷却水质的不洁净(冷却水直取自江，河，湖，海及地下水)，热交换时发生化学反应等原因，致使铜管内壁积聚了一些不利于传热的固态混合物(称之为污垢)，污垢的存在，降低了换热面的传热能力，使汽轮机效率降低。对于污垢的清洗，许多电厂采用胶球清洗装置系统，但由于收球率低的问题，不少电厂的胶球清洗系统不能发挥作用。而代之以人工水力冲洗，利用高压喷枪水流的能量对冷却铜管进行清洗。对于大型机组，凝汽器铜管数量多，长度长，因而工人劳动强度大，而且清洗只能在机组停机时进行。针对这种情况，我们研制了一套计算机控制的自动清洗系统。其基本方案是：在凝汽器水室各安装一套固定式高压喷枪三维空间行走机构，在微机控制下，高压喷枪由交流伺服电机和液压缸驱动，根据凝汽器胶球清洗装置的管束布置，沿X方向、Y方向、Z方向精确定位，保证每一根铜管均能得到清洗，而且清洗可在机组运行时进行，过程全自动化，大大提高了生产效率。

2凝汽器胶球清洗装置系统控制原理

2.1污垢的描述与在线测量

对凝汽器而言，一般用端差法、热阻法来测量铜管换热面的污脏程度。端差法虽然简便，但可信度差。热阻法须在铜管内壁埋设铠装热偶，投资大，而且不易实现在线监测。为此，我们采用清洁度这一参数来描述管子的污脏程度，污垢多，则清洁度低，反之清洁度高。通过求取清洁度，实现污垢的在线测量。

2.2喷枪压力、流量、清洗时间的确定

对于积聚有污垢的铜管，要取得良好的清洗效果，除了高压喷枪应具有一定的排出压力和流量外，还须有相应的清洗时间。在凝汽器运行中，污垢成分、特性随季节变化，一般说来，污垢多(即清洁度值cf小)，污垢单向耐压强度大，则喷枪压力和流量应随之增大。喷枪压力、流量愈大，则清洗时引起的机械震动愈大，不利于系统工作。另外，也受到铜管磨损的限制。因此，喷枪压力、流量不可能取得很大，经反复试验，喷枪压力、流量按下式选定：P=0.75#(5)式中：P—喷枪排出的压力；#—污垢单向耐压强度。0=l.33·l0-l6#P0.96!-0.24iI(0).l8(6)式中：0—流量；!—污垢厚度；iI—喷嘴直径；P，0选定后，则清洗效果唯一取决于每根铜管的清洗时间，对同一凝汽设备，污垢的#值和cf不同，取得同样凝汽器胶球清洗装置清洗效果所花费的清洗时间不一样。同样，若cf相同，污垢的#值不同，或者#值相同，而cf不同，其清洗时间也均不一样。

由于难以建立清洗时间与#、cf的精确数学模型，对每管清洗时间的确定采用模糊控制算法。系统采用二维模糊控制器，输入为清洁度值偏差e(e=设定值-实际值)和污垢单向耐压强度#，输出为每管清洗时间t。输入，输出变量均划分为5个模糊子空间{L，ML，M，MS，S}，分别表示{大，中大，中，中小，小}，其隶属度函数选为高斯型。控制规则为IF-THEN形式，共25条，用模糊推理规则进行运算，最大隶属度法进行模糊决策，并根据试验数据进行调整，可得到相应的模糊控制查询表。系统运行时，只要进行查表运算，即可得到每管清洗时间。

3凝汽器胶球清洗装置系统硬件设计

3.l总体方案

胶球清洗装置系统采用分布式控制方式，由l台上位机和4台下位机组成，结构如图2所示。4台下位机安放在凝结器现场，其核心为可编程控制器(PLC)，分别控制4个水室喷枪三维行走机构的运行。上位机置于主控室，其核心为工业控制计算机(IPC)，负责清洁度、喷枪压力、流量、清洗时间的计算，下位机的参数预置和状态监控，具有动画显示、历史数据存储、报表打印等功能。上、下位机之间通过RS—485标准接口进行通信，

图2胶球清洗装置系统总体结构图

可使数据在较远距离准确传输。下位机还可独立运行，便于故障检测与调试。

3.2上位机硬件设计

上位机硬件结构如图3所示。

图3上位机硬件结构

工业控制计算机采用研华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输入和16路数字输入输出。冷却水入口温度、出口温度、凝汽器压力等信号通过变送器变为4~20mA电流信号，经I/V转换，输入到PCL—818L中，A/D转换后送入计算机，再根据经化学分析求得的污垢单向耐压强度值，可得出清洁度、喷枪压力、流量及每管清洗时间。IPC通过485接口卡与下位机通信完成参数预置和状态监控。若下位机出现故障，上位机接收故障信息，并通过PCL—818L控制声光报警电路，同时启动打印机，打印故障类型和有关数据。

3.3下位机硬件设计

下位机硬件结构如图4所示，它包括如下几个部分。

图4下位机硬件结构图

(1)PLC系统：胶球清洗装置系统选用西门子S7—200系列可编程控制器，中央处理单元为CPU226。本机集成24入/16出数字输入/输出点。此外，还扩展了24入/24出数字输入/输出点。为了调整喷枪压力及检测模拟量故障信息，扩展了模拟量模块，共8路输入，2路输出。为了显示相关状态信息，设计了液晶显示器。

(2)喷枪行走控制：为了保证每一根铜管均能得到清洗，喷枪的精确定位是该系统正常工作的基础。凝汽器胶球清洗装置系统选用交流伺服电机作为驱动部件，并配以光电编码器组成一局部反馈系统，解决了开环控制的失步问题。经计算产生的脉冲自PLC高速脉冲端输出，通过驱动电源，控制伺服电机的旋转。伺服电机经减速，变向装置带动精密滚珠丝杠，可使喷枪沿X轴、"轴行走。增量式光电编码器作为角位移传感器，其输出为两个相互之间相移为90度的脉冲序列，PLC中高速计数器统计光电编码器输出的脉冲数，软件根据计数器计数值来判断是否失步。若失步，则作相应调整，若失步过多，且调整无效，则视为故障。

(3)喷水控制部分：PLC接收到清洗信号后，启动高压水泵电机。PLC根据上位机传送来的喷枪压力值控制压力调节阀阀门开度，使喷枪压力达到设定值，其调节规律为PID算法。待喷枪定位完毕，Z向液压缸电磁阀动作，喷嘴与铜管对接，之后，高压水喷枪电磁阀动作，开始对铜管进行清洗。清洗完毕，喷嘴与铜管退出对接，喷枪行走，定位下一根铜管。

(4)状态、故障信息检测：在胶球清洗装置自动在线清洗时，喷枪的行走，对接，喷水均在密闭的水室中进行，因此相关状态信息及主要部件的故障检测与保护不可缺少。

PLC检测到故障信息，处理方法有如下两种：无条件停机和有条件停机。有条件停机即判断此类故障系统是否允许，如短暂过电流，这时需延时一段时间后，再作判断处理。

4软件设计

4.1下位机软件

根据PLC编程语言STEP7的特点，将下位机程序分为多个功能模块，并由组织模块统一管理，其结构如图5所示。

(1)交流伺服电机驱动模块：在该模块中，采取了“核步”算法解决了伺服电机的失步处理问题。设置了间隙补偿程序以补偿由于机械传动间隙而引起的定位误差。对伺服电机的驱动采取软启动、软制动的方法，减少了机械震动，保证了喷枪的精确定位控制。

(2)故障信息检测与处理模块：对模拟量故障信息的检测与处理采用内部定时中断的方法，对某些重要的数字量故障信息采取即时中断处理。

图5下位机软件结构

5胶球清洗装置主要问题的处理

5.1行走机构防卡塞

由于行走机构在水中工作，行走机构不卡塞变为首要任务。为此，除在机械配合上作重点考虑外，还采取加装刮刀、高压水喷洗，伺服电机变转矩控制等措施，取得良好效果。

5.2吸渣处理

对于直接取自江河的冷却水，水中含有大量杂质，如草、塑料片等，这些杂质积附于冷却水进口水室管壁，减少了进入凝汽器的冷却水量。在洪水季节这种现象尤甚。为此，我们设计了一种吸渣装置，利用喷射器产生负压，将杂质清理出凝汽器。吸渣头由液压马达控制，360旋转，可实现大面积的有效吸渣。

所述凝汽器胶球清洗装置在目前还是一个新的应用。现场调试运行表明：该系统设计合理，运行可靠，效果明显，大大减轻了工人劳动强度，提高了生产效益，具有良好的应用前景。本清洗装置同样适用于其他行业的大型换热器。