回轉式空氣預熱器冷端漏風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有限公司，上?！?00011)

回轉式空氣預熱器冷端漏風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有限公司，上海200011)

摘要：目前國內火電機組發(fā)電負荷普遍低于設計負荷，回轉式空氣預熱器熱變形不充分，致使冷端漏風增加，加劇空氣預熱器冷端腐蝕和堵灰，降低鍋爐效率，增加運行成本。針對以上問題，分析了回轉式空氣預熱器冷端漏風的形成機理，從動密封和靜密封兩方面著手，提出了多種方式相結合的冷端漏風控制方法。

關鍵詞：回轉式空氣預熱器；冷端漏風；動密封；靜密封

0引言

空氣預熱器(以下簡稱空預器)是火力發(fā)電機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，是一種熱交換設備，包括受熱面回轉式(容克式)和風罩回轉式(羅特繆勒式)兩種設計形式，目前國內市場上主要使用容克式空預器。

回轉式空預器主要由轉子和外殼組成，轉子框架中疊裝若干蓄熱體，由驅動裝置驅動轉子旋轉。煙氣進入預熱器后，加熱轉子內部的蓄熱元件，轉子轉到空氣側后，將蓄熱元件所帶熱量釋放給流經(jīng)轉子的空氣，轉子連續(xù)旋轉，換熱過程也持續(xù)進行。在考核空預器性能的各項指標中，漏風率是其中最重要的指標之一。國內現(xiàn)有交付運行的機組，1年內滿負荷狀態(tài)下空預器漏風率處于6%以內，非滿負荷運行狀態(tài)下漏風率大大高于6%。漏風率過大，將直接降低鍋爐的運行效率，增加燃煤消耗量，因此，降低空預器漏風率對提高火力發(fā)電的經(jīng)濟性至關重要。

受空預器結構所限，各大生產(chǎn)廠商將漏風率降低的重點放在空預器熱端，目前，減少熱端漏風的方式多種多樣，如何在空預器冷端更進一步降低漏風率，是一個值得重視的方向。

1漏風的組成及形成機理

回轉式空預器漏風主要由攜帶漏風和直接漏風組成[1]。

1.1攜帶漏風

回轉式空預器運行時，轉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，攜帶漏風計算公式如下。

(1)

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

由上式可知，攜帶漏風量與轉子轉速、轉子容積等有關，空預器一旦設計完成，結構參數(shù)確定，其攜帶漏風量基本確定，因此，減小攜帶漏風量的方式主要在設計階段確定。

1.2直接漏風

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

直接漏風量按照以下公式進行計算：

(2)

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

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

空預器運行時，轉子沿煙氣行進方向溫度逐漸降低，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關系。由于空預器轉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，轉子靠近外緣的部分呈下垂狀態(tài)：在二者綜合作用下，轉子總體呈蘑菇狀變形，煙氣溫度越高，蘑菇狀變形越顯著。在非滿負荷運行工況下，煙氣進口溫度相對較低，轉子下彎變形量減少。空預器設計冷端徑向密封時的預留間隙是以機組滿負荷工況時空預器最大變形量設定的，在50%負荷工況下，冷端徑向密封間隙最大處與設計值的差值大于10 mm。目前，滿負荷情況下漏風率一般設計在6%以下，而50%負荷情況下，設計的理論漏風率均在10%以上。因此，在非滿負荷工況下，冷端徑向漏風會大大加劇。滿負荷及非滿負荷情況下轉子變形后徑向密封間隙示意如圖1、圖2所示。

圖1　轉子變形后徑向密封間隙示意(滿負荷運行)

圖2　轉子變形后徑向密封間隙示意(非滿負荷運行)

2冷端漏風的影響[2]

2.1低溫腐蝕及冷端堵灰

低溫腐蝕導致空預器受熱面金屬破裂穿孔，使空氣大量泄漏到煙氣中，致使送風不足，爐內燃燒惡化，鍋爐效率降低；同時，腐蝕也會加重積灰，使煙道阻力增大，造成引風機出力不足，影響燃燒室負壓的維持，嚴重影響鍋爐的安全、經(jīng)濟運行。

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生成三氧化硫，和煙氣中的水蒸氣結合，形成硫酸蒸汽。硫酸蒸汽流經(jīng)空預器低溫段時，若煙氣溫度低于硫酸露點，硫酸蒸汽會凝結成腐蝕性液滴，吸附在預熱器金屬表面，和金屬發(fā)生電化學反應，導致預熱器低溫段腐蝕。金屬表面吸附硫酸液滴后，黏附性大大加強，煙氣中灰分向金屬表面的沉積速度加快，最終導致預熱器冷端堵灰。

露點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，露點基本確定，因此，影響硫酸蒸汽凝結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　含氧量對空預器積灰速度的影響

由于空氣進口處壓力遠大于煙氣出口處壓力，故冷端直接漏風表現(xiàn)為冷空氣由空氣側向煙氣側泄漏，導致排煙溫度下降。該溫度下降并非是空預器換熱效率增加的表現(xiàn)，相反，由于冷端溫度下降，轉子低溫段增高，冷端波形板產(chǎn)生結露的區(qū)域增加，硫酸凝結區(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、風機負載過大、吹灰器吹灰效果下降、傳熱元件損傷等不利影響。

低負荷或調峰運行時，冷端漏風將導致空預器溫度較設計值偏低，沉積區(qū)域將進一步擴大，對吹灰產(chǎn)生不利影響。

2.2其他影響

(1)冷端漏風增大，導致進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)冷端徑向漏風增大，將導致一次風和二次風風量損失，為彌補這種損失，只能提高風機功率，消耗更多的電能，增加廠用電。對于風量設計裕度偏緊的風機，亦可能發(fā)生風機喘振，甚至失速。

(4)漏風增加，煙氣出口流量提高，空預器下游的所有設備磨損增大，其維護量增大。

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

3空預器密封形式

根據(jù)容克式空預器的結構及漏風計算理論，空預器采用了多種多樣的密封形式?？疹A器的密封裝置分動密封和靜密封兩類：動密封指轉子和密封板之間的密封，靜密封指密封板和預熱器固定殼體之間的密封。

3.1動密封

大型預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　空預器密封結構

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

機組安裝時，轉子冷端密封片與冷端扇形板預留一定間隙。在機組滿負荷運行狀況下，因轉子受熱變形，冷端密封片與冷端扇形板之間間隙減小，冷端漏風量會相對減少。

3.3.2密封片安裝和轉子熱態(tài)變形的調整

考慮轉子變形后密封面并非平面，會在中間段出現(xiàn)漏風間隙，因此采用下拋調節(jié)方式，能將密封片直線安裝形式產(chǎn)生的弓形漏風區(qū)消除，降低冷端漏風量。下拋補償量根據(jù)轉子變形量計算。

3.3.3多道密封

采用多道密封的設計能減少漏風差壓，從而減少漏風量。漏風量和密封道數(shù)的平方根成反比，道數(shù)過多對漏風減小不明顯，因此一般只采用雙道密封，少數(shù)一次風壓力特別高的預熱器采用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。在采用可調扇形板和軸向密封板設計時，靜密封片和密封板之間存在間隙，會形成漏風，漏風中的灰塵磨損靜密封片，導致間隙不斷加大。焊接密封能有效消除這些間隙，從而有效減少漏風。

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

在目前回轉式空預器的設計中，多數(shù)將以上幾種密封方式綜合利用。

4冷端漏風的控制方式

控制冷端漏風，仍然可從動密封和靜密封兩方面著手，采用多種方式結合的手段，達到有效控制的目的。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)漏風計算，漏風控制效果比較顯著的方法是控制冷端徑向漏風，尤其是在機組非滿負荷運行工況下。與熱端徑向漏風控制效果相同，冷端徑向密封間隙的調整與漏風量的關系存在以下特征：(1)空預器半徑越大，轉子受熱產(chǎn)生的蘑菇狀變形越大，不同負荷時，徑向密封間隙變動量越大；(2)空預器半徑越大，對徑向直接漏風的控制效果越明顯，空預器整體漏風率越小。

根據(jù)以上分析，在機組非滿負荷運行時，對空預器冷端徑向密封間隙進行控制，是一種比較好的方向。目前，容克式空預器冷端扇形板采用的是固定式結構，即在空預器設計時，冷端轉子徑向密封片與冷端扇形板之間預留一定間隙，轉子蘑菇狀變形時，該密封間隙被彌補；但該間隙值是按照機組滿負荷時即轉子充分變形時設計的，非滿負荷運行時，間隙將無法完全彌補，因此，可采用冷端扇形板跟隨技術，將固定式扇形板改為活動式扇形板，加裝扇形板驅動機構，使冷端扇形板能夠跟隨轉子蘑菇狀變形，減小徑向密封間隙，以達到減少直接漏風的目的，其達到的最終效果與熱端間隙調整效果相似。

在結構形式上，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構，驅動機構安裝在扇形板端部，需要對扇形板運動位置進行檢測，以及時檢測密封間隙值，避免扇形板與轉子之間產(chǎn)生卡澀。根據(jù)現(xiàn)有空預器分倉結構，冷端梁有足夠空間安裝該設備，且無需進行大的結構更改。通過采取溫度控制模式、系統(tǒng)安全保護技術、行程監(jiān)測技術、空預器安全保護技術(電流保護、停轉保護等)，完全可以保證空預器的安全運行。

冷端扇形板跟隨技術難度不大，成本相對較低，漏風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)回轉式空預器多采用雙道甚至3道密封，此種方式結合冷端扇形板跟隨系統(tǒng)，漏風控制效果更為明顯。

(2)加裝柔性密封結構。在現(xiàn)有徑向密封的基礎上，增加一道柔性密封結構，柔性密封結構稍高于原有密封，從兩方面減少漏風：1)轉子旋轉時，柔性密封直接與扇形板接觸，減少漏風通道面積；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式空預器冷、熱端均可使用，但需要考慮以下問題：(1)直接漏風與密封道數(shù)的平方根成反比，密封道數(shù)越多，其邊際效應越小；(2)柔性密封結構與扇形板之間會發(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、熱力學性能等，另外，對扇形板的損傷也應該考慮在內；(3)柔性密封結構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結束語

冷端漏風的存在，會對火電機組的運行，尤其是非滿負荷工況下的運行帶來諸多不利影響，對冷端漏風進行控制，是空預器漏風控制理念的進一步發(fā)展。立足于現(xiàn)有技術水平，綜合采用多道徑向密封、柔性密封和冷端扇形板跟隨技術，可以進一步降低回轉式空預器的漏風量，對提高機組效率、提升空預器運行工況、延長設備使用壽命、降低風機能耗具有較好的現(xiàn)實意義。

參考文獻：

[1]程新華.回轉式空氣預熱器的漏風原因分析及防治[J].山東電力技術，2008(6)：43-46.

[2]國家電力公司電力機械局，中國華電工程(集團)公司，中電聯(lián)標準化中心. 電站鍋爐空氣預熱器[M].北京：中國電力出版社，2002：38-43.

(本文責編：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

文獻標志碼：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，從事回轉式空氣預熱器設計方面的工作(E-mail:daniel_dule@163.com)。