回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器冷端漏風(fēng)原因分析及控制措施

杜艷青，張春暉，楊迪

(上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海　200011)

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器冷端漏風(fēng)原因分析及控制措施

杜艷青，張春暉，楊迪

(上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海200011)

摘要：目前國內(nèi)火電機(jī)組發(fā)電負(fù)荷普遍低于設(shè)計(jì)負(fù)荷，回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器熱變形不充分，致使冷端漏風(fēng)增加，加劇空氣預(yù)熱器冷端腐蝕和堵灰，降低鍋爐效率，增加運(yùn)行成本。針對以上問題，分析了回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器冷端漏風(fēng)的形成機(jī)理，從動密封和靜密封兩方面著手，提出了多種方式相結(jié)合的冷端漏風(fēng)控制方法。

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器；冷端漏風(fēng)；動密封；靜密封

0引言

空氣預(yù)熱器(以下簡稱空預(yù)器)是火力發(fā)電機(jī)組中鍋爐的重要部件之一，其主要作用是利用鍋爐尾部煙氣來加熱鍋爐燃燒所需的空氣，是一種熱交換設(shè)備，包括受熱面回轉(zhuǎn)式(容克式)和風(fēng)罩回轉(zhuǎn)式(羅特繆勒式)兩種設(shè)計(jì)形式，目前國內(nèi)市場上主要使用容克式空預(yù)器。

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器主要由轉(zhuǎn)子和外殼組成，轉(zhuǎn)子框架中疊裝若干蓄熱體，由驅(qū)動裝置驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。煙氣進(jìn)入預(yù)熱器后，加熱轉(zhuǎn)子內(nèi)部的蓄熱元件，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到空氣側(cè)后，將蓄熱元件所帶熱量釋放給流經(jīng)轉(zhuǎn)子的空氣，轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)，換熱過程也持續(xù)進(jìn)行。在考核空預(yù)器性能的各項(xiàng)指標(biāo)中，漏風(fēng)率是其中最重要的指標(biāo)之一。國內(nèi)現(xiàn)有交付運(yùn)行的機(jī)組，1年內(nèi)滿負(fù)荷狀態(tài)下空預(yù)器漏風(fēng)率處于6%以內(nèi)，非滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下漏風(fēng)率大大高于6%。漏風(fēng)率過大，將直接降低鍋爐的運(yùn)行效率，增加燃煤消耗量，因此，降低空預(yù)器漏風(fēng)率對提高火力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。

受空預(yù)器結(jié)構(gòu)所限，各大生產(chǎn)廠商將漏風(fēng)率降低的重點(diǎn)放在空預(yù)器熱端，目前，減少熱端漏風(fēng)的方式多種多樣，如何在空預(yù)器冷端更進(jìn)一步降低漏風(fēng)率，是一個值得重視的方向。

1漏風(fēng)的組成及形成機(jī)理

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器漏風(fēng)主要由攜帶漏風(fēng)和直接漏風(fēng)組成[1]。

1.1攜帶漏風(fēng)

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子各格倉和蓄熱體中的空氣被攜帶到煙氣中，即造成攜帶漏風(fēng)，攜帶漏風(fēng)計(jì)算公式如下。

(1)

式中：D為轉(zhuǎn)子直徑；H為轉(zhuǎn)子高度；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；γ為蓄熱板金屬和灰污所占轉(zhuǎn)子的容積份額。

由上式可知，攜帶漏風(fēng)量與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子容積等有關(guān)，空預(yù)器一旦設(shè)計(jì)完成，結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，其攜帶漏風(fēng)量基本確定，因此，減小攜帶漏風(fēng)量的方式主要在設(shè)計(jì)階段確定。

1.2直接漏風(fēng)

由煙氣和空氣的壓差引起的漏風(fēng)叫直接漏風(fēng)，發(fā)生在惰性區(qū)密封間隙處。根據(jù)漏風(fēng)部位，直接漏風(fēng)分熱端和冷端徑向漏風(fēng)、軸向漏風(fēng)，熱端和冷端中心筒漏風(fēng)，熱端和冷端旁路漏風(fēng)，其中徑向漏風(fēng)占比達(dá)60%～70%，因此，徑向漏風(fēng)量的降低，對空預(yù)器換熱效率和鍋爐性能的提高效果最為顯著。

直接漏風(fēng)量按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：k為常數(shù)；A為漏風(fēng)通道面積；ρ為各漏風(fēng)部位的實(shí)際空氣密度；Δp為泄漏縫隙兩側(cè)的壓力差；z為密封道數(shù)。

根據(jù)以上漏風(fēng)的計(jì)算可知，空預(yù)器轉(zhuǎn)速、煙氣和空氣壓差以及轉(zhuǎn)子容積在空預(yù)器和鍋爐系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后即無法改變，可采取的措施僅有減小漏風(fēng)間隙和增加密封道數(shù)。

空預(yù)器運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子沿?zé)煔庑羞M(jìn)方向溫度逐漸降低，根據(jù)熱脹冷縮的原理，物體受熱形變量與物體比熱、尺寸及溫度變化值呈正相關(guān)關(guān)系。由于空預(yù)器轉(zhuǎn)子熱端溫度高于冷端溫度，熱端金屬變形量大于冷端金屬變形量；同時，在重力的影響下，轉(zhuǎn)子靠近外緣的部分呈下垂?fàn)顟B(tài)：在二者綜合作用下，轉(zhuǎn)子總體呈蘑菇狀變形，煙氣溫度越高，蘑菇狀變形越顯著。在非滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，煙氣進(jìn)口溫度相對較低，轉(zhuǎn)子下彎變形量減少。空預(yù)器設(shè)計(jì)冷端徑向密封時的預(yù)留間隙是以機(jī)組滿負(fù)荷工況時空預(yù)器最大變形量設(shè)定的，在50%負(fù)荷工況下，冷端徑向密封間隙最大處與設(shè)計(jì)值的差值大于10 mm。目前，滿負(fù)荷情況下漏風(fēng)率一般設(shè)計(jì)在6%以下，而50%負(fù)荷情況下，設(shè)計(jì)的理論漏風(fēng)率均在10%以上。因此，在非滿負(fù)荷工況下，冷端徑向漏風(fēng)會大大加劇。滿負(fù)荷及非滿負(fù)荷情況下轉(zhuǎn)子變形后徑向密封間隙示意如圖1、圖2所示。

圖1　轉(zhuǎn)子變形后徑向密封間隙示意(滿負(fù)荷運(yùn)行)

圖2　轉(zhuǎn)子變形后徑向密封間隙示意(非滿負(fù)荷運(yùn)行)

2冷端漏風(fēng)的影響[2]

2.1低溫腐蝕及冷端堵灰

低溫腐蝕導(dǎo)致空預(yù)器受熱面金屬破裂穿孔，使空氣大量泄漏到煙氣中，致使送風(fēng)不足，爐內(nèi)燃燒惡化，鍋爐效率降低；同時，腐蝕也會加重積灰，使煙道阻力增大，造成引風(fēng)機(jī)出力不足，影響燃燒室負(fù)壓的維持，嚴(yán)重影響鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

低溫腐蝕主要是硫酸腐蝕。油、煤等燃料中的硫分經(jīng)過燃燒后產(chǎn)生大量的二氧化硫，其中部分和煙氣中未燃盡的氧氣反應(yīng)生成三氧化硫，和煙氣中的水蒸氣結(jié)合，形成硫酸蒸汽。硫酸蒸汽流經(jīng)空預(yù)器低溫段時，若煙氣溫度低于硫酸露點(diǎn)，硫酸蒸汽會凝結(jié)成腐蝕性液滴，吸附在預(yù)熱器金屬表面，和金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致預(yù)熱器低溫段腐蝕。金屬表面吸附硫酸液滴后，黏附性大大加強(qiáng)，煙氣中灰分向金屬表面的沉積速度加快，最終導(dǎo)致預(yù)熱器冷端堵灰。

露點(diǎn)是衡量低溫腐蝕的重要依據(jù)，對于某種固定煤種，其硫分、灰分、水分確定，露點(diǎn)基本確定，因此，影響硫酸蒸汽凝結(jié)的主要因素就是溫度。另外，煙氣含氧量對低溫積灰、腐蝕會產(chǎn)生一些影響。圖3給出了煤粉空預(yù)器在不同煙氣含氧量情況下的積灰速度變化規(guī)律。從圖3可見，煙氣含氧量越高，積灰速度越快。

圖3　含氧量對空預(yù)器積灰速度的影響

由于空氣進(jìn)口處壓力遠(yuǎn)大于煙氣出口處壓力，故冷端直接漏風(fēng)表現(xiàn)為冷空氣由空氣側(cè)向煙氣側(cè)泄漏，導(dǎo)致排煙溫度下降。該溫度下降并非是空預(yù)器換熱效率增加的表現(xiàn)，相反，由于冷端溫度下降，轉(zhuǎn)子低溫段增高，冷端波形板產(chǎn)生結(jié)露的區(qū)域增加，硫酸凝結(jié)區(qū)域增大，低溫腐蝕影響加劇。另外，冷端堵灰區(qū)域增大，最終帶來煙空氣流通速度下降、壓力不足、風(fēng)機(jī)負(fù)載過大、吹灰器吹灰效果下降、傳熱元件損傷等不利影響。

低負(fù)荷或調(diào)峰運(yùn)行時，冷端漏風(fēng)將導(dǎo)致空預(yù)器溫度較設(shè)計(jì)值偏低，沉積區(qū)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)大，對吹灰產(chǎn)生不利影響。

2.2其他影響

(1)冷端漏風(fēng)增大，導(dǎo)致進(jìn)入爐膛的空氣量減少，增加了飛灰含碳量，減小了鍋爐出力。

(2)漏風(fēng)增大，提高了排煙熱損失和鍋爐不完全燃燒熱損失，因此，降低了鍋爐效率。

(3)冷端徑向漏風(fēng)增大，將導(dǎo)致一次風(fēng)和二次風(fēng)風(fēng)量損失，為彌補(bǔ)這種損失，只能提高風(fēng)機(jī)功率，消耗更多的電能，增加廠用電。對于風(fēng)量設(shè)計(jì)裕度偏緊的風(fēng)機(jī)，亦可能發(fā)生風(fēng)機(jī)喘振，甚至失速。

(4)漏風(fēng)增加，煙氣出口流量提高，空預(yù)器下游的所有設(shè)備磨損增大，其維護(hù)量增大。

機(jī)組非滿負(fù)荷運(yùn)行時，冷端漏風(fēng)對機(jī)組的安全運(yùn)行和鍋爐的效率帶來諸多不利影響，在目前我國機(jī)組負(fù)荷普遍不滿的情況下，降低冷端漏風(fēng)率，可有效提高鍋爐整體效率、降低機(jī)組煤耗。

3空預(yù)器密封形式

根據(jù)容克式空預(yù)器的結(jié)構(gòu)及漏風(fēng)計(jì)算理論，空預(yù)器采用了多種多樣的密封形式。空預(yù)器的密封裝置分動密封和靜密封兩類：動密封指轉(zhuǎn)子和密封板之間的密封，靜密封指密封板和預(yù)熱器固定殼體之間的密封。

3.1動密封

大型預(yù)熱器的動密封件包括中心筒密封、徑向密封、軸向密封和旁路密封，如圖4所示。

圖4　空預(yù)器密封結(jié)構(gòu)

3.2靜密封

靜密封包括扇形板靜密封和軸向密封板靜密封，即在各運(yùn)動副之間焊接固定密封板，以起到密封作用。密封板要考慮金屬構(gòu)件的熱膨脹變形條件。

3.3冷端密封方式

3.3.1固定式扇形板密封

機(jī)組安裝時，轉(zhuǎn)子冷端密封片與冷端扇形板預(yù)留一定間隙。在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行狀況下，因轉(zhuǎn)子受熱變形，冷端密封片與冷端扇形板之間間隙減小，冷端漏風(fēng)量會相對減少。

3.3.2密封片安裝和轉(zhuǎn)子熱態(tài)變形的調(diào)整

考慮轉(zhuǎn)子變形后密封面并非平面，會在中間段出現(xiàn)漏風(fēng)間隙，因此采用下拋調(diào)節(jié)方式，能將密封片直線安裝形式產(chǎn)生的弓形漏風(fēng)區(qū)消除，降低冷端漏風(fēng)量。下拋補(bǔ)償量根據(jù)轉(zhuǎn)子變形量計(jì)算。

3.3.3多道密封

采用多道密封的設(shè)計(jì)能減少漏風(fēng)差壓，從而減少漏風(fēng)量。漏風(fēng)量和密封道數(shù)的平方根成反比，道數(shù)過多對漏風(fēng)減小不明顯，因此一般只采用雙道密封，少數(shù)一次風(fēng)壓力特別高的預(yù)熱器采用3道密封。

3.3.4焊接靜密封

密封板周圍的密封(即靜密封)能有效封堵密封板背面的漏風(fēng)。在采用可調(diào)扇形板和軸向密封板設(shè)計(jì)時，靜密封片和密封板之間存在間隙，會形成漏風(fēng)，漏風(fēng)中的灰塵磨損靜密封片，導(dǎo)致間隙不斷加大。焊接密封能有效消除這些間隙，從而有效減少漏風(fēng)。

另外，還有降低煙空氣壓差、降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、縮小轉(zhuǎn)子容積等途徑。其中，預(yù)熱器轉(zhuǎn)速、煙氣與空氣的壓差以及轉(zhuǎn)子容積在預(yù)熱器和鍋爐系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后即無法改變，能采取的措施僅有減小漏風(fēng)間隙和增加密封道數(shù)。

在目前回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的設(shè)計(jì)中，多數(shù)將以上幾種密封方式綜合利用。

4冷端漏風(fēng)的控制方式

控制冷端漏風(fēng)，仍然可從動密封和靜密封兩方面著手，采用多種方式結(jié)合的手段，達(dá)到有效控制的目的。與熱端靜密封方式相同，采用焊接式靜密封，消除靜密封片與密封板之間的間隙。

根據(jù)漏風(fēng)計(jì)算，漏風(fēng)控制效果比較顯著的方法是控制冷端徑向漏風(fēng)，尤其是在機(jī)組非滿負(fù)荷運(yùn)行工況下。與熱端徑向漏風(fēng)控制效果相同，冷端徑向密封間隙的調(diào)整與漏風(fēng)量的關(guān)系存在以下特征：(1)空預(yù)器半徑越大，轉(zhuǎn)子受熱產(chǎn)生的蘑菇狀變形越大，不同負(fù)荷時，徑向密封間隙變動量越大；(2)空預(yù)器半徑越大，對徑向直接漏風(fēng)的控制效果越明顯，空預(yù)器整體漏風(fēng)率越小。

根據(jù)以上分析，在機(jī)組非滿負(fù)荷運(yùn)行時，對空預(yù)器冷端徑向密封間隙進(jìn)行控制，是一種比較好的方向。目前，容克式空預(yù)器冷端扇形板采用的是固定式結(jié)構(gòu)，即在空預(yù)器設(shè)計(jì)時，冷端轉(zhuǎn)子徑向密封片與冷端扇形板之間預(yù)留一定間隙，轉(zhuǎn)子蘑菇狀變形時，該密封間隙被彌補(bǔ)；但該間隙值是按照機(jī)組滿負(fù)荷時即轉(zhuǎn)子充分變形時設(shè)計(jì)的，非滿負(fù)荷運(yùn)行時，間隙將無法完全彌補(bǔ)，因此，可采用冷端扇形板跟隨技術(shù)，將固定式扇形板改為活動式扇形板，加裝扇形板驅(qū)動機(jī)構(gòu)，使冷端扇形板能夠跟隨轉(zhuǎn)子蘑菇狀變形，減小徑向密封間隙，以達(dá)到減少直接漏風(fēng)的目的，其達(dá)到的最終效果與熱端間隙調(diào)整效果相似。

在結(jié)構(gòu)形式上，冷端扇形板與熱端扇形板相似，由固定式改為活動式，需要將冷端扇形板靠近中心筒處改為鉸接結(jié)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝在扇形板端部，需要對扇形板運(yùn)動位置進(jìn)行檢測，以及時檢測密封間隙值，避免扇形板與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生卡澀。根據(jù)現(xiàn)有空預(yù)器分倉結(jié)構(gòu)，冷端梁有足夠空間安裝該設(shè)備，且無需進(jìn)行大的結(jié)構(gòu)更改。通過采取溫度控制模式、系統(tǒng)安全保護(hù)技術(shù)、行程監(jiān)測技術(shù)、空預(yù)器安全保護(hù)技術(shù)(電流保護(hù)、停轉(zhuǎn)保護(hù)等)，完全可以保證空預(yù)器的安全運(yùn)行。

冷端扇形板跟隨技術(shù)難度不大，成本相對較低，漏風(fēng)控制效果也較為明顯。

另外，還有其他幾種形式可以借鑒。

(1)采用多道密封和焊接式密封。目前，多數(shù)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器多采用雙道甚至3道密封，此種方式結(jié)合冷端扇形板跟隨系統(tǒng)，漏風(fēng)控制效果更為明顯。

(2)加裝柔性密封結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有徑向密封的基礎(chǔ)上，增加一道柔性密封結(jié)構(gòu)，柔性密封結(jié)構(gòu)稍高于原有密封，從兩方面減少漏風(fēng)：1)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，柔性密封直接與扇形板接觸，減少漏風(fēng)通道面積；2)柔性密封與原有密封之間存在一定距離，間接增加了密封道數(shù)。

以上密封方式在回轉(zhuǎn)式空預(yù)器冷、熱端均可使用，但需要考慮以下問題：(1)直接漏風(fēng)與密封道數(shù)的平方根成反比，密封道數(shù)越多，其邊際效應(yīng)越小；(2)柔性密封結(jié)構(gòu)與扇形板之間會發(fā)生接觸摩擦，對扇形板和密封片材料要求較高，包括柔性密封材料的耐磨性能、熱力學(xué)性能等，另外，對扇形板的損傷也應(yīng)該考慮在內(nèi)；(3)柔性密封結(jié)構(gòu)與扇形板的摩擦增加了一部分摩擦扭矩；(4)增加了初次成本投入及后續(xù)備件的采購成本。

5結(jié)束語

冷端漏風(fēng)的存在，會對火電機(jī)組的運(yùn)行，尤其是非滿負(fù)荷工況下的運(yùn)行帶來諸多不利影響，對冷端漏風(fēng)進(jìn)行控制，是空預(yù)器漏風(fēng)控制理念的進(jìn)一步發(fā)展。立足于現(xiàn)有技術(shù)水平，綜合采用多道徑向密封、柔性密封和冷端扇形板跟隨技術(shù)，可以進(jìn)一步降低回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的漏風(fēng)量，對提高機(jī)組效率、提升空預(yù)器運(yùn)行工況、延長設(shè)備使用壽命、降低風(fēng)機(jī)能耗具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

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(本文責(zé)編：劉芳)

收稿日期:2015-10-09；修回日期:2016-04-14

中圖分類號：TK 223.3+4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)04-0015-03

作者簡介：

杜艷青(1982—)，男，河南信陽人，工程師，從事回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)方面的工作(E-mail:daniel_dule@163.com)。