空預(yù)器雙金屬熱償密封裝置的工程應(yīng)用效果及前景

胡劍利

[摘 ? ?要]回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器是電廠大型鍋爐必備的輔助設(shè)備之一。漏風(fēng)率是衡量預(yù)熱器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，降低漏風(fēng)率，提高預(yù)熱器的換熱效率，一直是當(dāng)前空氣預(yù)熱器研究的熱點(diǎn)問題。以實(shí)際工程項(xiàng)目為例，利用數(shù)值分析設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的雙金屬熱補(bǔ)償密封裝置，并介紹在項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用中所取得收益和效果，證實(shí)了該項(xiàng)空預(yù)器密封技術(shù)具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

[關(guān)鍵詞]空氣預(yù)熱器;密封技術(shù);節(jié)能改造

[中圖分類號(hào)]TG14 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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(yù)器密封技術(shù)改造方案分析

1.1 工程背景

溫州發(fā)電公司600 MW機(jī)組#7爐空預(yù)器運(yùn)行至今超過5a時(shí)間，由于扇形板變形嚴(yán)重，運(yùn)行中密封片刮損嚴(yán)重，造成漏風(fēng)率偏大，平均在8%左右。這導(dǎo)致風(fēng)機(jī)電耗極大增加，增大了鍋爐的排煙熱損失，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益影響很大。同時(shí)由于空預(yù)器漏風(fēng)嚴(yán)重，造成煙氣溫度降低，導(dǎo)致鍋爐熱效率降低，影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1-2]。

溫州發(fā)電公司600 MW機(jī)組#7爐配套的空氣預(yù)熱器為豪頓華工程有限公司生產(chǎn)的31.5VNT2550型三分倉(cāng)容克式空氣預(yù)熱器，空預(yù)器轉(zhuǎn)子分為48隔倉(cāng)，一、二次風(fēng)分隔布置，一次風(fēng)分倉(cāng)為52.5°，轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，立式布置，轉(zhuǎn)子高度為3 070 mm，采用模塊結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)扇形板、弧形板為固定式不可調(diào)，方向?yàn)闊煔?二次風(fēng)/一次風(fēng)，主軸垂直布置，煙氣和空氣以逆向流動(dòng)方式換熱，煙氣流向垂直向下。BMCR工況下空預(yù)器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器是一種應(yīng)用于大型燃煤電站鍋爐的熱交換設(shè)備，空預(yù)器的運(yùn)行狀態(tài)直接影響鍋爐運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)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(dāng)煙氣流過時(shí)，熱量從煙氣傳給受熱面，受熱面溫度升高，并積蓄熱量;當(dāng)空氣再流過時(shí)，受熱面將積蓄的熱量放給空氣。它利用鍋爐煙氣的熱量來(lái)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(jìn)一步提高了鍋爐的效率。由于回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的優(yōu)點(diǎn)，在350 MW以上機(jī)組鍋爐，一般不采用管式空氣預(yù)熱器，而采用回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。同時(shí)，與管式空預(yù)器相比，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器也存在著漏風(fēng)量大的缺點(diǎn)。

由于空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)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(tǒng)剛性密封片通過螺栓分段固定在轉(zhuǎn)子隔板上，隨著轉(zhuǎn)子隔板的變形，漏風(fēng)間隙也隨之改變?；谵D(zhuǎn)子“蘑菇狀”變形的機(jī)理，軸向及冷端徑向位置預(yù)留合適的冷態(tài)間隙，熱態(tài)時(shí)動(dòng)靜配合間隙將趨于零;雖然熱端徑向位置的冷態(tài)預(yù)留間隙很小，但熱態(tài)時(shí)隨著轉(zhuǎn)子產(chǎn)生“蘑菇狀”變形，會(huì)形成較大的三角漏風(fēng)區(qū)域。

空預(yù)器漏風(fēng)主要包括攜帶漏風(fēng)和直接漏風(fēng)兩種。其中攜帶漏風(fēng)約占回轉(zhuǎn)式空預(yù)器總漏風(fēng)量的20%～30%，直接漏風(fēng)占70%～80%，而在直接漏風(fēng)中，熱端徑向密封漏風(fēng)占總密封漏風(fēng)的70%，且熱端徑向密封漏風(fēng)占總漏風(fēng)量的份額隨著直徑的增大而增大，因此解決漏風(fēng)關(guān)鍵主要是減少熱端徑向密封漏風(fēng)。

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

1.2 空預(yù)器改造目的及要求

減少空預(yù)器直接漏風(fēng)的有效途徑是將空預(yù)器密封間隙控制在最小限值。目前市場(chǎng)上較為常見的回轉(zhuǎn)式空預(yù)器密封裝置主要采用扇形板自動(dòng)追蹤裝置，扇形板接觸式滑塊密封技術(shù)、刷式密封技術(shù)、彈性滾動(dòng)密封技術(shù)等。傳統(tǒng)空預(yù)器密封方式雖然一直在不斷發(fā)展進(jìn)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(bǔ)償密封技術(shù)作為一種新興的密封技術(shù)，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

雙金屬熱補(bǔ)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(shù)偏差驅(qū)動(dòng)密封片變形，從而補(bǔ)償漏風(fēng)區(qū)域。該設(shè)計(jì)不同于國(guó)內(nèi)其他的密封片結(jié)構(gòu)，密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不易磨損，使用壽命長(zhǎng)，適應(yīng)性好，安裝調(diào)整方便。

因此本文以溫州發(fā)電公司的工程項(xiàng)目為支撐，收集項(xiàng)目實(shí)施所需的資料，通過空氣預(yù)熱器雙金屬熱補(bǔ)償密封系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用的研究，針對(duì)空氣預(yù)熱器熱端徑向三角漏風(fēng)問題，開發(fā)出一套空氣預(yù)熱器雙金屬熱補(bǔ)償密封系統(tǒng)并投入使用。

采用有限元分析軟件對(duì)熱端雙金屬熱補(bǔ)償密封片進(jìn)行建模及仿真計(jì)算，揭示空預(yù)器蘑菇狀變形規(guī)律;在詳細(xì)建模計(jì)算基礎(chǔ)上，確定密封片的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證其在空預(yù)器熱態(tài)運(yùn)行環(huán)境下基本消除熱端漏風(fēng)三角區(qū)域，保證理論計(jì)算熱端平均漏風(fēng)間隙小于2 mm。

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，結(jié)合機(jī)組實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，詳細(xì)設(shè)計(jì)適用于本項(xiàng)目的空預(yù)器冷、熱端密封片，完成加工制作并安裝實(shí)施。不僅能改善溫州發(fā)電公司空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率偏高的情況，還可為同類機(jī)組改造提供參考和借鑒，對(duì)提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有十分重要的意義。

2 雙金屬密封設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)介紹及模擬結(jié)果

2.1 雙金屬密封片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空氣預(yù)熱器在從冷態(tài)至熱態(tài)的過程中轉(zhuǎn)子發(fā)生“蘑菇狀”變形，其實(shí)質(zhì)是轉(zhuǎn)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(bǔ)償密封結(jié)構(gòu)主要由密封折彎片、密封驅(qū)動(dòng)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(shù)偏差驅(qū)動(dòng)密封片變形補(bǔ)償漏風(fēng)區(qū)域。密封折彎片的膨脹系數(shù)小，密封驅(qū)動(dòng)片的熱膨脹系數(shù)大，密封包裹片的熱膨脹系數(shù)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(shù)不同，產(chǎn)生形變量可以補(bǔ)償密封間隙。

密封片總長(zhǎng)L=5 446 mm，高度h=130 mm，螺栓孔間距d=300 mm。整體設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)片1厚度為3 mm，L=240 mm;驅(qū)動(dòng)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(jié)果分析

溫度邊界條件設(shè)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(zhuǎn)子隔板形變的模擬計(jì)算結(jié)果。

從圖4可以看出，轉(zhuǎn)子外側(cè)密封片絕對(duì)位移變形量為Max=10.307 mm。從轉(zhuǎn)子隔板熱端右側(cè)上頂點(diǎn)變形模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)子外側(cè)絕對(duì)位移變形量Max=-30.025 mm。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果做出變形曲線，能夠較為直觀地表現(xiàn)出熱端密封形變，曲線如圖6所示，陰影部分代表理論漏風(fēng)區(qū)域。

通過將密封裝置安裝于空氣預(yù)熱器熱端徑向隔板上，受熱后密封裝置整體將會(huì)在非完全固定連接一端向上翹曲變形，呈現(xiàn)出與轉(zhuǎn)子隔板變形呈相反的趨勢(shì)，密封裝置在熱態(tài)時(shí)變形量與扇形板得到有效的貼合，即達(dá)到了空預(yù)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(dòng)消除空氣預(yù)熱器熱端徑向的三角漏風(fēng)區(qū)域。

3 工程改造后結(jié)果

將本文研發(fā)的空預(yù)器熱端密封片完成加工制作并安裝實(shí)施，投入生產(chǎn)使用。經(jīng)過改造后，近期對(duì)溫州發(fā)電公司#7爐進(jìn)行熱力性能試驗(yàn)，對(duì)空預(yù)器進(jìn)口煙氣組分進(jìn)行檢測(cè)記錄，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，改造后的#7鍋爐空預(yù)器A側(cè)平均漏風(fēng)率為3.77%，空預(yù)器B側(cè)平均漏風(fēng)率為4.32%，空預(yù)器漏風(fēng)率已明顯減小。經(jīng)過檢驗(yàn)，該雙金屬密封裝置能夠使空預(yù)器漏風(fēng)率維持在5%以下，空預(yù)器密封改造后運(yùn)行情況良好，安全性、經(jīng)濟(jì)性均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，由此可見此次改造是有成效的。

4 應(yīng)用收益及推廣前景

4.1 經(jīng)濟(jì)收益

對(duì)溫州發(fā)電公司#7爐600 MW機(jī)組空預(yù)器進(jìn)行效益測(cè)算，改造前空預(yù)器漏風(fēng)率A/B側(cè)平均漏風(fēng)率為8%，密封改造后降為5%。

空預(yù)器改造后的效益測(cè)算依據(jù)：空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率每下降1%，對(duì)應(yīng)使用6.3 kV三相電源的三大風(fēng)機(jī)電流下降15～25 A（此處按20 A×2=40 A計(jì)算，且功率因數(shù)取0.85，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)煤?jiǎn)蝺r(jià)700元/t，發(fā)電機(jī)組年運(yùn)行按照6 000 h計(jì)算，平均上網(wǎng)電價(jià)按0.35元/kWh）。

由《火力發(fā)電廠節(jié)能評(píng)價(jià)與能源審計(jì)手冊(cè)》可知，空氣預(yù)熱器漏風(fēng)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(yù)計(jì)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(wàn)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(tái)=116.8萬(wàn)元/a

綜上，600 MW機(jī)組空預(yù)器密封改造直接經(jīng)濟(jì)收益=節(jié)煤收益+節(jié)電收益=268萬(wàn)元/a

綜上所述，自空氣預(yù)熱器雙金屬熱補(bǔ)償密封裝置投運(yùn)以來(lái)，空預(yù)器漏風(fēng)量明顯降低，風(fēng)機(jī)電耗下降，用電率大幅下降;降低了鍋爐空預(yù)器漏風(fēng)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(yīng)用，為電廠機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 社會(huì)效益和推廣前景

通過對(duì)空氣預(yù)熱器雙金屬熱補(bǔ)償密封裝置投入前后對(duì)比，空預(yù)器的漏風(fēng)率由8%下降至約4%，說明雙金屬密封裝置對(duì)降低空預(yù)器直接漏風(fēng)非常有效，是極為有效的降低空預(yù)器漏風(fēng)率的手段，達(dá)到了燃煤機(jī)組節(jié)能減排的目標(biāo)。

在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)將迎來(lái)根本性變革。在未來(lái)一段時(shí)間中，發(fā)電行業(yè)新能源和新技術(shù)不斷發(fā)展，這在一定程度上促進(jìn)發(fā)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢(shì)。火力發(fā)電在我國(guó)有一定的發(fā)展歷史，也是我國(guó)電能結(jié)構(gòu)的重要組成部分，當(dāng)前仍然承擔(dān)著重要使命，采取科學(xué)的節(jié)能減排技術(shù)對(duì)資源的節(jié)約和促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

現(xiàn)階段，許多大型發(fā)電廠中的設(shè)備都比較陳舊，加之煤炭在使用的過程中會(huì)消耗大量的能源。在機(jī)組改造的過程中，重點(diǎn)應(yīng)放在對(duì)機(jī)組的維護(hù)上[6]。此外，在進(jìn)行節(jié)能改造的過程中，應(yīng)依靠先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，采取科學(xué)有效的節(jié)能降耗措施，在實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本降低的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度上的技術(shù)創(chuàng)新。

該項(xiàng)空預(yù)器密封技術(shù)在設(shè)計(jì)、制作、安裝等方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，而且裝置運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，自動(dòng)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(shì)?？梢詾橥愋湾仩t節(jié)能改造提供一定的技術(shù)參考借鑒，對(duì)同類型空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率控制具有較強(qiáng)的工程意義，對(duì)機(jī)組節(jié)能減排具有重要的應(yīng)用價(jià)值，值得在電力系統(tǒng)內(nèi)推廣。

5 結(jié)束語(yǔ)

空預(yù)器漏風(fēng)是電廠鍋爐運(yùn)行中普遍存在的問題，由于空預(yù)器轉(zhuǎn)子“蘑菇狀”變形不可避免導(dǎo)致產(chǎn)生三角漏風(fēng)區(qū)域，運(yùn)行中漏風(fēng)增加，不僅增加了風(fēng)機(jī)運(yùn)行電耗，降低了鍋爐效率，還增加檢修和維護(hù)成本，因此消除空預(yù)器熱端三角漏風(fēng)是空預(yù)器密封研究重點(diǎn)目標(biāo)。

本文選取了溫州發(fā)電公司#7爐配套空預(yù)器雙金屬熱補(bǔ)償密封改造實(shí)例，針對(duì)空氣預(yù)熱器熱端徑向三角漏風(fēng)問題，采用理論計(jì)算和仿真模擬的方法對(duì)空預(yù)器溫度場(chǎng)及熱變形進(jìn)行研究，建立了空預(yù)器轉(zhuǎn)子的三維模型和有限元流體熱分析模型，重點(diǎn)研究了熱補(bǔ)償金屬結(jié)構(gòu)，開設(shè)計(jì)發(fā)出一套空氣預(yù)熱器雙金屬熱補(bǔ)償密封系統(tǒng)，并在設(shè)備中進(jìn)行實(shí)際安裝使用，并對(duì)使用后的效果進(jìn)行了性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果證明，該密封技術(shù)的應(yīng)用不僅解決了空預(yù)器漏風(fēng)率高的問題，極大節(jié)約了生產(chǎn)成本，同時(shí)，該項(xiàng)目改造成功的經(jīng)驗(yàn)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(xiàn)

[1] 王一坤，陳國(guó)輝，王志剛，等.回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器密封技術(shù)及研究進(jìn)展[J].熱力發(fā)電，2015，44（8）：1-7.

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

[3] 王祝成.電廠鍋爐回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的節(jié)能改造及效果分析[J].能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2010，22（5）：50-53，66.

[4] 李青，張興營(yíng)，劉學(xué)冰.火力發(fā)電廠節(jié)能評(píng)價(jià)與能源審計(jì)手冊(cè)[M].北京;中國(guó)電力出版社，2010.

[5] 張明堯.回轉(zhuǎn)式空預(yù)器溫度場(chǎng)分析及熱補(bǔ)償密封裝置研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2019.

[6] 李權(quán).火電廠節(jié)能減排技術(shù)探討[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2020，28（27）：59-60.