空預器雙金屬熱償密封裝置的工程應用效果及前景

胡劍利

[摘 ? ?要]回轉式空氣預熱器是電廠大型鍋爐必備的輔助設備之一。漏風率是衡量預熱器性能的一個重要指標，降低漏風率，提高預熱器的換熱效率，一直是當前空氣預熱器研究的熱點問題。以實際工程項目為例，利用數值分析設計了結構最優(yōu)化的雙金屬熱補償密封裝置，并介紹在項目實際應用中所取得收益和效果，證實了該項空預器密封技術具有較強的工程應用價值和推廣前景。

[關鍵詞]空氣預熱器;密封技術;節(jié)能改造

[中圖分類號]TG14 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–0–03

[Abstract]Rotary air preheater is one of the necessary auxiliary equipment for large-scale boilers in power plants. The air leakage rate is an important indicator to measure the performance of the preheater. Reducing the air leakage rate and improving the heat exchange efficiency of the preheater has always been a hot issue in the current air preheater research. This paper takes the actual engineering project as an example， uses numerical analysis to design a bimetal thermal compensation sealing device with optimized structure， and introduces the benefits and effects obtained in the actual application of the project， which proves that the air preheater sealing technology has a strong Engineering application value and promotion prospects.

[Keywords]air preheater; sealing technology; energy-saving transformation

1 空預器密封技術改造方案分析

1.1 工程背景

溫州發(fā)電公司600 MW機組#7爐空預器運行至今超過5a時間，由于扇形板變形嚴重，運行中密封片刮損嚴重，造成漏風率偏大，平均在8%左右。這導致風機電耗極大增加，增大了鍋爐的排煙熱損失，對機組經濟效益影響很大。同時由于空預器漏風嚴重，造成煙氣溫度降低，導致鍋爐熱效率降低，影響機組的安全經濟運行[1-2]。

溫州發(fā)電公司600 MW機組#7爐配套的空氣預熱器為豪頓華工程有限公司生產的31.5VNT2550型三分倉容克式空氣預熱器，空預器轉子分為48隔倉，一、二次風分隔布置，一次風分倉為52.5°，轉子反轉，立式布置，轉子高度為3 070 mm，采用模塊結構。現扇形板、弧形板為固定式不可調，方向為煙氣/二次風/一次風，主軸垂直布置，煙氣和空氣以逆向流動方式換熱，煙氣流向垂直向下。BMCR工況下空預器的主要設計參數見表1。

回轉式空氣預熱器是一種應用于大型燃煤電站鍋爐的熱交換設備，空預器的運行狀態(tài)直接影響鍋爐運行的安全性與經濟性[3]。它以再生方式傳遞熱量，煙氣與空氣交替流過受熱面。當煙氣流過時，熱量從煙氣傳給受熱面，受熱面溫度升高，并積蓄熱量;當空氣再流過時，受熱面將積蓄的熱量放給空氣。它利用鍋爐煙氣的熱量來加熱燃燒所需的空氣，降低排煙溫度，減少了不完全燃燒損失，進一步提高了鍋爐的效率。由于回轉式空氣預熱器的優(yōu)點，在350 MW以上機組鍋爐，一般不采用管式空氣預熱器，而采用回轉式空氣預熱器。同時，與管式空預器相比，回轉式空預器也存在著漏風量大的缺點。

由于空氣預熱器轉子由冷態(tài)到熱態(tài)后，上、下兩端面溫度不同以及鋼材受熱后剛性減弱，造成“蘑菇狀”變形，傳統剛性密封片通過螺栓分段固定在轉子隔板上，隨著轉子隔板的變形，漏風間隙也隨之改變。基于轉子“蘑菇狀”變形的機理，軸向及冷端徑向位置預留合適的冷態(tài)間隙，熱態(tài)時動靜配合間隙將趨于零;雖然熱端徑向位置的冷態(tài)預留間隙很小，但熱態(tài)時隨著轉子產生“蘑菇狀”變形，會形成較大的三角漏風區(qū)域。

空預器漏風主要包括攜帶漏風和直接漏風兩種。其中攜帶漏風約占回轉式空預器總漏風量的20%～30%，直接漏風占70%～80%，而在直接漏風中，熱端徑向密封漏風占總密封漏風的70%，且熱端徑向密封漏風占總漏風量的份額隨著直徑的增大而增大，因此解決漏風關鍵主要是減少熱端徑向密封漏風。

當前熱端徑向三角漏風區(qū)域的漏風問題一直未得到徹底解決，而此處漏風一般占直接漏風的50%以上，而且隨著機組向大容量方向發(fā)展，空氣預熱器轉子直徑不斷增大，熱端徑向三角漏風區(qū)域的漏風份額越來越大。有資料顯示，300 MW空氣預熱器漏風率每增加1%，發(fā)電煤耗率增加0.20 g/kWh[4]。

1.2 空預器改造目的及要求

減少空預器直接漏風的有效途徑是將空預器密封間隙控制在最小限值。目前市場上較為常見的回轉式空預器密封裝置主要采用扇形板自動追蹤裝置，扇形板接觸式滑塊密封技術、刷式密封技術、彈性滾動密封技術等。傳統空預器密封方式雖然一直在不斷發(fā)展進步，但仍然存在一些問題，如噪音大、使用壽命短、更換困難[5]。與此相比，雙金屬熱補償密封技術作為一種新興的密封技術，具有顯著的優(yōu)勢。

雙金屬熱補償密封的原理是利用熱端密封片高溫受熱后，兩種金屬的膨脹系數偏差驅動密封片變形，從而補償漏風區(qū)域。該設計不同于國內其他的密封片結構，密封結構簡單、不易磨損，使用壽命長，適應性好，安裝調整方便。

因此本文以溫州發(fā)電公司的工程項目為支撐，收集項目實施所需的資料，通過空氣預熱器雙金屬熱補償密封系統開發(fā)及應用的研究，針對空氣預熱器熱端徑向三角漏風問題，開發(fā)出一套空氣預熱器雙金屬熱補償密封系統并投入使用。

采用有限元分析軟件對熱端雙金屬熱補償密封片進行建模及仿真計算，揭示空預器蘑菇狀變形規(guī)律;在詳細建模計算基礎上，確定密封片的材質和結構參數，保證其在空預器熱態(tài)運行環(huán)境下基本消除熱端漏風三角區(qū)域，保證理論計算熱端平均漏風間隙小于2 mm。

根據理論計算結果，結合機組實際情況進行設計優(yōu)化，詳細設計適用于本項目的空預器冷、熱端密封片，完成加工制作并安裝實施。不僅能改善溫州發(fā)電公司空氣預熱器漏風率偏高的情況，還可為同類機組改造提供參考和借鑒，對提高機組運行經濟性有十分重要的意義。

2 雙金屬密封設計結構介紹及模擬結果

2.1 雙金屬密封片結構設計

空氣預熱器在從冷態(tài)至熱態(tài)的過程中轉子發(fā)生“蘑菇狀”變形，其實質是轉子隔板發(fā)生了變形，即熱端隔板的上邊沿與扇形板密封面的間距變大。熱端雙金屬熱補償密封結構主要由密封折彎片、密封驅動片和密封包裹片組成，如圖1所示。其原理是利用熱端密封片高溫受熱后，不同金屬膨脹系數偏差驅動密封片變形補償漏風區(qū)域。密封折彎片的膨脹系數小，密封驅動片的熱膨脹系數大，密封包裹片的熱膨脹系數與折彎片一致。密封片高溫受熱后，由于不同金屬的熱膨脹系數不同，產生形變量可以補償密封間隙。

密封片總長L=5 446 mm，高度h=130 mm，螺栓孔間距d=300 mm。整體設計圖如圖2所示。

折彎片厚度為2.5 mm，折彎角15°，h=130 mm;包裹片厚度為2.5 mm，折彎角15°，h=100 mm;驅動片1厚度為3 mm，L=240 mm;驅動片2厚度為3 mm，L=120 mm。

密封片整體建模如圖3所示。

2.2 模擬結果分析

溫度邊界條件設置為熱端350 ℃，冷端80 ℃，圖4和圖5分別是雙金屬密封形變和轉子隔板形變的模擬計算結果。

從圖4可以看出，轉子外側密封片絕對位移變形量為Max=10.307 mm。從轉子隔板熱端右側上頂點變形模擬計算結果可以看出，轉子外側絕對位移變形量Max=-30.025 mm。根據模擬計算結果做出變形曲線，能夠較為直觀地表現出熱端密封形變，曲線如圖6所示，陰影部分代表理論漏風區(qū)域。

通過將密封裝置安裝于空氣預熱器熱端徑向隔板上，受熱后密封裝置整體將會在非完全固定連接一端向上翹曲變形，呈現出與轉子隔板變形呈相反的趨勢，密封裝置在熱態(tài)時變形量與扇形板得到有效的貼合，即達到了空預器熱端密封片與扇形板的“零間隙”，即密封裝置自由端與扇形板密封面的間隙最小，從而自動消除空氣預熱器熱端徑向的三角漏風區(qū)域。

3 工程改造后結果

將本文研發(fā)的空預器熱端密封片完成加工制作并安裝實施，投入生產使用。經過改造后，近期對溫州發(fā)電公司#7爐進行熱力性能試驗，對空預器進口煙氣組分進行檢測記錄，試驗結果如表2所示。

從表2可以看出，改造后的#7鍋爐空預器A側平均漏風率為3.77%，空預器B側平均漏風率為4.32%，空預器漏風率已明顯減小。經過檢驗，該雙金屬密封裝置能夠使空預器漏風率維持在5%以下，空預器密封改造后運行情況良好，安全性、經濟性均達到了預期目標，由此可見此次改造是有成效的。

4 應用收益及推廣前景

4.1 經濟收益

對溫州發(fā)電公司#7爐600 MW機組空預器進行效益測算，改造前空預器漏風率A/B側平均漏風率為8%，密封改造后降為5%。

空預器改造后的效益測算依據：空氣預熱器漏風率每下降1%，對應使用6.3 kV三相電源的三大風機電流下降15～25 A（此處按20 A×2=40 A計算，且功率因數取0.85，計算標準煤單價700元/t，發(fā)電機組年運行按照6 000 h計算，平均上網電價按0.35元/kWh）。

由《火力發(fā)電廠節(jié)能評價與能源審計手冊》可知，空氣預熱器漏風率每增加（減少）1%，發(fā)電煤耗率增加（減少）0.20 g/kWh。

則有改造收益預計如下：

節(jié)煤收益=600 MW×6 000 h/年×（8-5）×0.2×10-6 t/kWh×

700元/t=151.2萬元/a

節(jié)電收益=10 A×6.3 kV×31/2×0.85×6000 h/a×（8-5）×

0.35元/kWh×2臺=116.8萬元/a

綜上，600 MW機組空預器密封改造直接經濟收益=節(jié)煤收益+節(jié)電收益=268萬元/a

綜上所述，自空氣預熱器雙金屬熱補償密封裝置投運以來，空預器漏風量明顯降低，風機電耗下降，用電率大幅下降;降低了鍋爐空預器漏風率，減少了煙氣攜帶損失，提高了鍋爐效率。雙金屬密封裝置的應用，為電廠機組安全經濟運行帶來直接經濟效益。

4.2 社會效益和推廣前景

通過對空氣預熱器雙金屬熱補償密封裝置投入前后對比，空預器的漏風率由8%下降至約4%，說明雙金屬密封裝置對降低空預器直接漏風非常有效，是極為有效的降低空預器漏風率的手段，達到了燃煤機組節(jié)能減排的目標。

在碳達峰、碳中和目標下，我國能源結構將迎來根本性變革。在未來一段時間中，發(fā)電行業(yè)新能源和新技術不斷發(fā)展，這在一定程度上促進發(fā)電產業(yè)呈現多元化的發(fā)展趨勢。火力發(fā)電在我國有一定的發(fā)展歷史，也是我國電能結構的重要組成部分，當前仍然承擔著重要使命，采取科學的節(jié)能減排技術對資源的節(jié)約和促進企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

現階段，許多大型發(fā)電廠中的設備都比較陳舊，加之煤炭在使用的過程中會消耗大量的能源。在機組改造的過程中，重點應放在對機組的維護上[6]。此外，在進行節(jié)能改造的過程中，應依靠先進的設備和技術，采取科學有效的節(jié)能降耗措施，在實現運行成本降低的同時，能夠實現一定程度上的技術創(chuàng)新。

該項空預器密封技術在設計、制作、安裝等方面積累了一定的經驗，而且裝置運行維護費用低，自動化程度高，操作方便，具有成本低、可靠性高、密封性能好的綜合優(yōu)勢。可以為同類型鍋爐節(jié)能改造提供一定的技術參考借鑒，對同類型空氣預熱器漏風率控制具有較強的工程意義，對機組節(jié)能減排具有重要的應用價值，值得在電力系統內推廣。

5 結束語

空預器漏風是電廠鍋爐運行中普遍存在的問題，由于空預器轉子“蘑菇狀”變形不可避免導致產生三角漏風區(qū)域，運行中漏風增加，不僅增加了風機運行電耗，降低了鍋爐效率，還增加檢修和維護成本，因此消除空預器熱端三角漏風是空預器密封研究重點目標。

本文選取了溫州發(fā)電公司#7爐配套空預器雙金屬熱補償密封改造實例，針對空氣預熱器熱端徑向三角漏風問題，采用理論計算和仿真模擬的方法對空預器溫度場及熱變形進行研究，建立了空預器轉子的三維模型和有限元流體熱分析模型，重點研究了熱補償金屬結構，開設計發(fā)出一套空氣預熱器雙金屬熱補償密封系統，并在設備中進行實際安裝使用，并對使用后的效果進行了性能測試。試驗結果證明，該密封技術的應用不僅解決了空預器漏風率高的問題，極大節(jié)約了生產成本，同時，該項目改造成功的經驗可為其他電廠提供借鑒，為電廠節(jié)能降耗提供了新的思路和方向。

參考文獻

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[2] 劉冬炎，顧宏偉，楊中明，等.空氣預熱器的漏風因素及密封改造[J].中國電力，2011，44（7）：53-56.

[3] 王祝成.電廠鍋爐回轉式空氣預熱器的節(jié)能改造及效果分析[J].能源技術經濟，2010，22（5）：50-53，66.

[4] 李青，張興營，劉學冰.火力發(fā)電廠節(jié)能評價與能源審計手冊[M].北京;中國電力出版社，2010.

[5] 張明堯.回轉式空預器溫度場分析及熱補償密封裝置研究[D].成都：西南交通大學，2019.

[6] 李權.火電廠節(jié)能減排技術探討[J].科技經濟導刊，2020，28（27）：59-60.