新型空預(yù)器不變形恒定漏風(fēng)率密封技術(shù)在百萬(wàn)機(jī)組上的應(yīng)用

劉佳利，胡木林，史義明，姚友工，聶庚辛

(華能汕頭海門電廠，廣東 汕頭 515132)

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器是使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；當(dāng)空氣流過時(shí)，受熱面將積蓄的熱量釋放給空氣，加熱空氣。與管式空預(yù)器相比，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器具有體積小、重量輕和傳熱效率高的優(yōu)點(diǎn)而被大型機(jī)組廣泛使用。但是由于轉(zhuǎn)動(dòng)過程存在動(dòng)靜間隙、各倉(cāng)壓差(空氣側(cè)與煙氣側(cè)、一次風(fēng)側(cè)與二次風(fēng)側(cè))、熱變形、密封不良等一系列原因，從而導(dǎo)致空預(yù)器的漏風(fēng)率經(jīng)常居高不下，使風(fēng)機(jī)出力增加、排煙溫度升高，進(jìn)而使機(jī)組廠用電率攀升，鍋爐整體效率降低。所以對(duì)大型火電機(jī)組空預(yù)器的內(nèi)部密封系統(tǒng)的選擇及有效改造就顯得尤為重要[1]。本文介紹了一種新型空預(yù)器不變形恒定漏風(fēng)率密封技術(shù)的基本原理及在某廠百萬(wàn)機(jī)組上的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 空預(yù)器設(shè)備概況

某廠回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器為東方鍋爐廠設(shè)計(jì)制造，結(jié)構(gòu)如圖1所示，型號(hào)為L(zhǎng)AP17286/2250，轉(zhuǎn)子直徑為17 286 mm，儲(chǔ)熱元件高度自上而下分別為1 200和1 050 mm，冷段1 050 mm蓄熱元件為耐腐蝕搪瓷傳熱元件，每臺(tái)預(yù)熱器金屬重量約1 225 t，其中轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量約920 t，轉(zhuǎn)速為0.98 r/min。底部中心驅(qū)動(dòng)，三分倉(cāng)結(jié)構(gòu)，一次風(fēng)倉(cāng)的角度為50°、二次風(fēng)倉(cāng)的角度為130°、煙氣倉(cāng)的角度為180°；轉(zhuǎn)子倉(cāng)格為48格；空預(yù)器設(shè)有徑向、軸向和旁路密封系統(tǒng)(如圖2所示)；徑向密封由扇形板與徑向密封片構(gòu)成，軸向密封由軸向密封裝置與軸向密封片構(gòu)成，旁路密封由旁路密封片與T 型鋼構(gòu)成。熱端徑向密封設(shè)有自動(dòng)控制系統(tǒng)；扇形板、弧形板角度是15°為雙密封設(shè)計(jì)。本預(yù)熱器對(duì)軸向密封，旁路密封以及冷端徑向密封均采用在冷態(tài)下預(yù)留間隙的方法來進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于原熱端徑向密封，采用跟蹤轉(zhuǎn)子熱變形的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖1 空預(yù)器結(jié)構(gòu)圖

圖2 空預(yù)器原密封形式

但是空預(yù)器漏風(fēng)控制系統(tǒng)采用電渦流探測(cè)的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)時(shí)，其實(shí)際運(yùn)行過程中工作性能極不穩(wěn)定，使熱端扇形板不能長(zhǎng)期處于良好狀態(tài)，經(jīng)常出現(xiàn)個(gè)別扇形板控制失靈的情況，造成該系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)無法正常投運(yùn)的情況；同時(shí)空預(yù)器經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，各部間隙磨損加大，使得鍋爐空預(yù)器整體漏風(fēng)率偏大且不穩(wěn)定，維持在8%～10%，跟同類機(jī)組相比明顯偏大，同時(shí)使空預(yù)器熱一次風(fēng)、二次風(fēng)的溫度相對(duì)于投產(chǎn)初期降低不少。為此某廠計(jì)劃在大修期間對(duì)4號(hào)鍋爐空氣預(yù)熱器密封系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用新型不變形恒定漏風(fēng)率的密封系統(tǒng)，替代目前使用的性能不可靠的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，以期降低并長(zhǎng)期保持較低的漏風(fēng)率。

2 新型不變形恒定漏風(fēng)率密封技術(shù)

通過對(duì)三分倉(cāng)容克試空預(yù)器漏風(fēng)部位及占比量分析可知：空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)途徑主要包含徑向漏風(fēng)、軸向漏風(fēng)、中心筒漏風(fēng)以及攜帶漏風(fēng)四種形式。其中徑向漏風(fēng)、軸向漏風(fēng)、中心筒漏風(fēng)屬于直接漏風(fēng)；攜帶漏風(fēng)，是由于蓄熱片由風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)到煙側(cè)時(shí)，蓄熱片內(nèi)攜帶的風(fēng)進(jìn)入煙氣側(cè)導(dǎo)致的漏風(fēng)， 攜帶漏風(fēng)與空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子的直徑、空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)速、蓄熱片高度等設(shè)備參數(shù)有關(guān)，是無法避免的漏風(fēng)；對(duì)于已投產(chǎn)的空氣預(yù)熱器來說，其漏風(fēng)量無法改變。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，徑向漏風(fēng)量一般占空氣預(yù)熱器總漏風(fēng)量的70%左右、軸向漏風(fēng)量和中心筒漏風(fēng)量一般占空氣預(yù)熱器總漏風(fēng)量的30%左右、攜帶漏風(fēng)量一般占空氣預(yù)熱器總漏風(fēng)量的1%左右。綜合來看，空預(yù)器徑向漏風(fēng)量占總的漏風(fēng)量最大，所以要達(dá)到空預(yù)器整體漏風(fēng)率得到有效改善的目標(biāo)，對(duì)徑向密封裝置及組件的改造是一個(gè)有效的途徑。

不變形恒定漏風(fēng)密封技術(shù)是基于對(duì)間隙自補(bǔ)償漏風(fēng)技術(shù)的不斷改進(jìn)與實(shí)踐得來的，是一種空預(yù)器徑向密封裝置[2-3]。具體是在空預(yù)器每一條徑向隔板上方，對(duì)應(yīng)重新設(shè)計(jì)一條自由活動(dòng)的徑向密封組件，其內(nèi)側(cè)端部固定于轉(zhuǎn)子中心筒附近，在轉(zhuǎn)子外緣側(cè)懸空，整個(gè)徑向密封組件呈懸臂狀態(tài)。徑向密封組件與原徑向隔板采用上下活動(dòng)密封，當(dāng)空預(yù)器熱態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)子體外端發(fā)生蘑菇狀變形時(shí)，由于活動(dòng)密封片安裝板的安裝位置在空預(yù)器換熱元件覆蓋范圍外，熱態(tài)運(yùn)行時(shí)上下沒有溫差，該密封板不會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，僅會(huì)沿著空預(yù)器徑向方向膨脹，所以不管空預(yù)器如何變形，活動(dòng)密封片安裝板都可以保持與扇形板冷態(tài)設(shè)定時(shí)密封間隙的基本不變，從而使空預(yù)器漏風(fēng)率控制在一個(gè)基本恒定狀態(tài)(見圖3、圖4)[4]。

圖3 不變形恒定漏風(fēng)率密封原理

圖4 空預(yù)器冷態(tài)、熱態(tài)時(shí)密封結(jié)構(gòu)示意圖

如圖5所示，在實(shí)際安裝過程中，其靠近中心筒的兩個(gè)夾持板起到支撐、固定及調(diào)整密封組件與扇形板間隙的作用；徑向密封片起到轉(zhuǎn)子體受熱變形時(shí)保持與密封組件的活動(dòng)密封；同時(shí)密封組件上裝有兩道柔性密封片，冷態(tài)時(shí)調(diào)整與扇形板保持較小距離，待熱態(tài)密封組件微變形進(jìn)一步縮小密封組件與扇形板的間隙[5]；在兩道徑向密封板間增加幾道周向支撐板，加強(qiáng)徑向板的剛度，在空預(yù)器的四道環(huán)向倉(cāng)格板上還安裝有不變形板的限位機(jī)構(gòu)，且全部為螺釘鉚接固定，保證在旋轉(zhuǎn)過程中徑向支撐及密封裝置不發(fā)生偏斜；對(duì)轉(zhuǎn)子體邊緣T型密封板加高形成圍帶密封，降低軸向漏風(fēng)。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)安裝和結(jié)構(gòu)情況

3 空預(yù)器不變形恒定漏風(fēng)技術(shù)改造前后性能試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

通過邀請(qǐng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)4#機(jī)組空預(yù)器改造前及改造后的三種運(yùn)行工況進(jìn)行性能試驗(yàn)及校核燃燒煤種的煤質(zhì)(見表1)、灰渣(見表2)情況來綜合評(píng)定采用新型不變形恒定漏風(fēng)密封技術(shù)后空預(yù)器實(shí)際漏風(fēng)率，計(jì)算流程及結(jié)果見表3、表4。 空預(yù)器漏風(fēng)率計(jì)算公式按ASME PTC 4.3[6]進(jìn)行，計(jì)算公式如下所示：

表1 4#鍋爐大修前試驗(yàn)期間的煤質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果

表2 4#鍋爐大修前灰渣化驗(yàn)結(jié)果

表3 4#鍋爐空預(yù)器改造前漏風(fēng)率計(jì)算結(jié)果匯總

表4 4#鍋爐大修后試驗(yàn)期間的煤質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果

式中：AL為實(shí)測(cè)的空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率，%；WG15為空氣預(yù)熱器出口濕煙氣量，kg/kg；WG14為空氣預(yù)熱器進(jìn)口濕煙氣量，kg/kg。空氣預(yù)熱器進(jìn)出口煙氣量均采用煤質(zhì)計(jì)算獲得。根據(jù)燃煤和灰渣化驗(yàn)數(shù)據(jù)、環(huán)境條件及空預(yù)器進(jìn)出口煙氣參數(shù)來計(jì)算。

改造前4#鍋爐1 000、750和500 MW 負(fù)荷工況下的飛灰可燃物含量平均值分別為0.58%、0.28%和0.37%，爐渣可燃物含量分別為0.17%、0.24%和0.15%。

改造前空預(yù)器測(cè)得漏風(fēng)率試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：1 000 MW 負(fù)荷工況下，空預(yù)器進(jìn)口氧量平均值為 2.59%，空預(yù)器出口氧量平均值為 4.13%，空預(yù)器漏風(fēng)率平均值為8.10%；750 M W負(fù)荷工況下，空預(yù)器進(jìn)口氧量平均值為3.37%，空預(yù)器出口氧量平均值為4.94%，空預(yù)器漏風(fēng)率平均值為8.69%；500 MW負(fù)荷工況下，空預(yù)器進(jìn)口氧量平均值為3.80%，空預(yù)器出口氧量平均值為5.78%，空預(yù)器漏風(fēng)率平均值為11.56%。

表5 4#鍋爐大修后灰渣化驗(yàn)結(jié)果

4#鍋爐1 000、750和550 MW負(fù)荷工況下的飛灰可燃物含量平均值分別為0.65%、0.74%和0.44%，爐渣可燃物含量分別為0.16%、0.42%和0.27%。

表6 4#鍋爐空預(yù)器改造后漏風(fēng)率計(jì)算結(jié)果匯總

通過改造后空預(yù)器性能試驗(yàn)報(bào)告可知，在1 000 MW負(fù)荷工況下，據(jù)空預(yù)器進(jìn)口氧量平均值為 3.45%，空預(yù)器出口氧量平均值為3.97%計(jì)算，空預(yù)器漏風(fēng)率平均值為2.69%；在750 MW 負(fù)荷工況下，據(jù)空預(yù)器進(jìn)口氧量平均值為3.34%，空預(yù)器出口氧量平均值為4.01%計(jì)算，空預(yù)器漏風(fēng)率平均值為3.51%；在550 MW 負(fù)荷工況下，據(jù)空預(yù)器進(jìn)口氧量平均值為2.82%，空預(yù)器出口氧量平均值為3.71%計(jì)算，空預(yù)器漏風(fēng)率平均值為4.55%，

綜合對(duì)照大修前空預(yù)器漏風(fēng)率計(jì)算結(jié)構(gòu)相比，在1 000、750和 550 MW 負(fù)荷工況下的空預(yù)器漏風(fēng)率平均值分別較大修前降低了 5.41%、5.18%和 7.01%。按平均漏風(fēng)率降低 6%計(jì)算，排煙氧量降低 0.87%，鍋爐熱效率提高 0.29%，節(jié)約發(fā)電煤耗約0.86 g/(kW·h)。通過對(duì)照改造前后空預(yù)器性能試驗(yàn)及漏風(fēng)率計(jì)算數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)其漏風(fēng)率有了大幅下降，充分體現(xiàn)了不變形恒定漏風(fēng)密封技術(shù)的有效性及先進(jìn)性，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組節(jié)能降耗的目標(biāo)。

4 相比傳統(tǒng)密封技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

目前火電機(jī)組常用的回轉(zhuǎn)式空預(yù)器密封技術(shù)有固定式密封、接觸式密封[7-8]、疏導(dǎo)式密封、可調(diào)式密封、補(bǔ)償式密封、回收式密封等等[9-15]，但是不變形恒定漏風(fēng)密封技術(shù)相對(duì)來說從密封效果、使用壽命、安全可靠性、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易改造性等更加具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

4.1 更好的密封效果

該技術(shù)的扇形板固定不動(dòng)，加裝的密封裝置由于不存在上下溫差，不會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，只會(huì)在徑向膨脹，所以無論空預(yù)器溫度如何變化，活動(dòng)密封板的密封片與扇形板距離(密封間隙)基本不變。獨(dú)特的密封調(diào)整方法，使密封間隙更為精確,同時(shí)使空預(yù)器轉(zhuǎn)子體在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的阻力小，密封性更好。通過合適的密封間隙調(diào)整，可以在全負(fù)荷段將漏風(fēng)率降至5%以下甚至更低。

4.2 更長(zhǎng)的使用壽命

由于不變形恒定漏風(fēng)率密封片厚度可以遠(yuǎn)超過普通固定式密封片厚度(固定式密封片不能采用較厚鋼板制造原因是為了確保運(yùn)行安全性)，不會(huì)如薄密封片那樣容易磨損，可以長(zhǎng)期不用更換密封組件，使用壽命比其他形式密封片更長(zhǎng)，同時(shí)也減少了設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)工作。

4.3 運(yùn)行更加安全和可靠

即便發(fā)生空氣預(yù)熱器超溫、著火等異常膨脹的情況，自補(bǔ)償密封板不會(huì)產(chǎn)生彎曲，最大可能也僅是密封片發(fā)生進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)，不會(huì)導(dǎo)致空氣預(yù)熱器卡死，使運(yùn)行更加安全。

4.4 改造方案簡(jiǎn)單，減少施工時(shí)間

通常的密封改造，施工周期至少在30～50天，此技術(shù)大大減少工作量，可以將施工周期縮短到25～35天，這將大大有利于電廠檢修的寶貴時(shí)間進(jìn)行技術(shù)改造，甚至在小修期即可進(jìn)行。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前，4臺(tái)1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐分別在2017年2月和11月、2018年12月及2020年的3月份左右相繼完成了新型不變形恒定漏風(fēng)率密封技術(shù)在空預(yù)器上的改造，通過這幾年不斷在運(yùn)行及調(diào)停檢修故障排查過程中積累經(jīng)驗(yàn)、完善技術(shù)方案，使空預(yù)器的漏風(fēng)率都有大幅降低，該技術(shù)的穩(wěn)定性、可靠性也進(jìn)一步提升，綜合提高了鍋爐燃燒效率、降低了廠用電率，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益；且該技術(shù)的創(chuàng)新性、有效性也得到了長(zhǎng)期實(shí)踐驗(yàn)證，可以為同類型機(jī)組空預(yù)器漏風(fēng)率控制的實(shí)施提供了有關(guān)的借鑒作用。