350 MW燃煤機(jī)組空氣預(yù)熱器柔性密封改造及節(jié)能分析

趙 凱，程永峰，白智中，穆福藝，劉金強(qiáng)

(河北涿州京源熱電有限責(zé)任公司，河北 涿州 072750)

0 前 言

空氣預(yù)熱器是一種空氣和煙氣逆向流動(dòng)、旋轉(zhuǎn)式的熱交換設(shè)備，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，煙氣和空氣交替流過傳熱元件，傳熱元件從熱煙氣吸收熱量，提高空氣溫度，降低排煙溫度。二次風(fēng)及一次風(fēng)與煙氣側(cè)存在差壓，導(dǎo)致空氣側(cè)向煙氣側(cè)泄漏，因此設(shè)立了一套密封系統(tǒng)，它包括中心筒密封、轉(zhuǎn)子徑向密封、軸向密封、旁路密封以及靜密封。

空氣預(yù)熱器漏風(fēng)包含攜帶漏風(fēng)和直接漏風(fēng)，攜帶漏風(fēng)占總漏風(fēng)量的10%～20%，直接漏風(fēng)占70%～80%，而在直接漏風(fēng)中，徑向漏風(fēng)約占直接漏風(fēng)的50%～70%。治理空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的關(guān)鍵在于冷熱端徑向直接漏風(fēng)[1-2]。

本文針對(duì)空氣預(yù)熱器漏風(fēng)大的問題，對(duì)空氣預(yù)熱器徑向密封技術(shù)進(jìn)行了介紹，確定了接觸式柔性密封改造方式，改造后空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率明顯減小，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性提高。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

某2×350 MW超臨界機(jī)組采用某公司制造的超臨界參數(shù)、一次中間再熱、單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒方式的π型直流爐，鍋爐配有2臺(tái)某公司生產(chǎn)的全模式三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。表1為空氣預(yù)熱器相關(guān)參數(shù)介紹。

表1 空氣預(yù)熱器相關(guān)參數(shù)

1.1 徑向密封方式

空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子徑向密封采用固定可調(diào)式徑向密封片，固定于48塊轉(zhuǎn)子隔板上，徑向密封片與扇形板形成徑向多向密封。密封片可根據(jù)密封片和扇形板之間的間隙沿著軸向方向(即與中心筒平行的方向)上調(diào)節(jié)，圖1為徑向密封示意圖。

圖1 徑向密封示意圖

1.2 空氣預(yù)熱器漏風(fēng)情況

1號(hào)機(jī)組自2017年11月投產(chǎn)以來，已安全運(yùn)行4年，機(jī)組每次檢修都要進(jìn)行空氣預(yù)熱器密封面檢查并調(diào)整間隙、更換密封片的工作，但空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率一直維持較高水平。

選取2020年8月13日全天的數(shù)據(jù)，如表2所示，每30秒選取一次數(shù)據(jù)，共取數(shù)據(jù)2 885組。

表2 空氣預(yù)熱器運(yùn)行數(shù)據(jù)

由于一次風(fēng)和二次風(fēng)的壓力均高于煙氣側(cè)壓力，一部分一、二次風(fēng)泄漏入煙氣側(cè)。漏風(fēng)率指泄漏至煙氣側(cè)的空氣量占煙氣總量的比值，即漏風(fēng)率為空氣預(yù)熱器進(jìn)出口質(zhì)量之差與出口質(zhì)量之比，如公式(1)所示[3]。

(1)

由燃煤質(zhì)量守恒定律：

(2)

AL：空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率；my1：空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)進(jìn)口質(zhì)量；my2：空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)出口質(zhì)量；α1：空氣預(yù)熱器進(jìn)口過量空氣系數(shù)；α2：空氣預(yù)熱器出口過量空氣系數(shù)；mF：燃煤中產(chǎn)生氣體成分的質(zhì)量；dr：空氣絕對(duì)濕度；Vg：干燥空氣質(zhì)量。

空氣預(yù)熱器進(jìn)口過量空氣系數(shù)：

(3)

式(2)可化簡(jiǎn)為：

(4)

其中

(5)

O2：空氣預(yù)熱器進(jìn)口或出口氧量。

經(jīng)以上方法計(jì)算，如圖2、圖3所示，1號(hào)空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率在5%～12%之間；2號(hào)空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率大部分在5.5%～21%之間。

圖2 1號(hào)空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率散點(diǎn)圖

圖3 2號(hào)空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率散點(diǎn)圖

2 目前空氣預(yù)熱器密封改造技術(shù)路線

2.1 雙向或多向密封技術(shù)

多向密封技術(shù)就是在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在任何時(shí)候每塊扇形板都與2道及以上徑向密封片相配合，形成多道密封[13]，根據(jù)理論計(jì)算及實(shí)踐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，直接漏風(fēng)量可下降30%左右[4]。大唐洛陽(yáng)熱電廠5號(hào)鍋爐預(yù)熱器將扇形板、弧形板向煙氣側(cè)加寬了15°，形成雙密封效果，大大地減少漏風(fēng)量[5]。

2.2 接觸式柔性密封技術(shù)

傳統(tǒng)密封技術(shù)采用剛性有間隙密封方式，由于空氣預(yù)熱器的蘑菇狀變形問題，很難達(dá)到一個(gè)最佳的動(dòng)靜之間的間隙值。采用柔性接觸式密封技術(shù)很好改善了這一問題，包括合頁(yè)式柔性密封技術(shù)、彈性自適應(yīng)密封技術(shù)、刷式密封技術(shù)、彈片式密封技術(shù)。

以合頁(yè)式柔性密封技術(shù)為例，基本工作原理：徑向密封片為帶彈簧的合頁(yè)式可活動(dòng)密封片，在未進(jìn)入扇形板時(shí)密封片合頁(yè)打開，密封片高出扇形板，當(dāng)密封片運(yùn)動(dòng)到扇形板下面時(shí)合頁(yè)關(guān)閉，密封片滑入扇形板下方并與扇形板接觸，形成密封無縫隙的密封系統(tǒng)，當(dāng)該密封滑塊離開扇形板后，合頁(yè)式由于彈簧力的作用再次打開，工作原理如圖4[9-10]。內(nèi)蒙古京科發(fā)電有限公司對(duì)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器密封裝置進(jìn)行柔性接觸式密封技術(shù)改造后鍋爐漏風(fēng)率由15%下降到 4.2%[6]。

圖4 合頁(yè)式柔性密封工作原理

2.3 自動(dòng)跟蹤密封技術(shù)

自動(dòng)跟蹤密封技術(shù)的原理是根據(jù)間隙情況自動(dòng)調(diào)節(jié)扇形板高度，使其間隙達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，降低漏風(fēng)。自動(dòng)跟蹤密封技術(shù)有一套完整的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，包括間隙探測(cè)器、策略控制器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)間隙的閉環(huán)調(diào)整[3,11-12]。

某電廠通過激光測(cè)距傳感器檢測(cè)空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子形變量，由滑阻電位器測(cè)量調(diào)整扇形板位置，實(shí)時(shí)計(jì)算漏風(fēng)間隙值并跟蹤轉(zhuǎn)子的熱態(tài)變形，通過實(shí)時(shí)調(diào)整扇形板位置，使其與轉(zhuǎn)子徑向密封面之間的間隙值保持在設(shè)定范圍內(nèi)，從而減少漏風(fēng)量[7]。

經(jīng)過對(duì)不同空氣預(yù)熱器密封改造技術(shù)對(duì)比，最終選擇柔性密封改造方案，即預(yù)熱器冷熱端徑向密封在硬性密封的基礎(chǔ)上增加了一道柔性密封，對(duì)徑向密封板片、環(huán)向密封片、軸向密封片進(jìn)行了更換，1號(hào)、2號(hào)預(yù)熱器轉(zhuǎn)子水平度進(jìn)行了調(diào)整。

3 改造前后空氣預(yù)熱器漏風(fēng)情況的變化

為了考核機(jī)組空氣預(yù)熱器改造后的漏風(fēng)性能是否達(dá)到其保證值的要求，改造前后均進(jìn)行空氣預(yù)熱器漏風(fēng)試驗(yàn)。

空氣預(yù)熱器出入口煙道采用網(wǎng)格法利用MRU煙氣分析儀測(cè)量相關(guān)參數(shù)。表3為改造前空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率數(shù)據(jù)。

表3 改造前空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率數(shù)據(jù)

空氣預(yù)熱器柔性密封改造后采用同樣方法及相同位置測(cè)量結(jié)果如表4。

表4 改造后空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率數(shù)據(jù)

改造前后漏風(fēng)率對(duì)比情況如圖5所示，兩臺(tái)空氣預(yù)熱器漏風(fēng)治理效果明顯，1號(hào)空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率減少了3.61%，1號(hào)空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率減少了5.43%。

圖5 空氣預(yù)熱器漏風(fēng)治理情況

4 節(jié)能分析

4.1 對(duì)排煙損失及煤耗的影響[8]

通過改造可降低空氣預(yù)熱器的直接漏風(fēng)，降低排煙量，直接降低漏風(fēng)攜帶的熱量，即排煙熱損失。

(6)

Q：漏入煙道的風(fēng)攜帶熱量；D：漏入空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)空氣量；CK：干空氣的比熱容；TYS：鍋爐排煙溫度；T0：環(huán)境溫度。

D=Qg,i(AL1-AL2)

(7)

Qg,i：空氣預(yù)熱器進(jìn)口煙氣量；AL1：改造前實(shí)測(cè)漏風(fēng)率；AL2：改造后實(shí)測(cè)漏風(fēng)率。

節(jié)約煤量：

(8)

H：年利用小時(shí)數(shù)

年利用小時(shí)數(shù)按4 870小時(shí)計(jì)算，結(jié)果如表5，年節(jié)約標(biāo)煤共336.6 t，按每噸700元計(jì)算，年節(jié)約成本23.56萬元。

表5 計(jì)算結(jié)果

4.2 對(duì)風(fēng)機(jī)耗電量的影響

在額定負(fù)荷下，管道特性不發(fā)生改變，風(fēng)機(jī)在線性區(qū)工作，認(rèn)為風(fēng)機(jī)軸功率與流量呈線性關(guān)系?？諝忸A(yù)熱器漏風(fēng)量減少使同樣負(fù)荷下鍋爐排煙量減少，引風(fēng)機(jī)的功率降低[8]。降低單臺(tái)引風(fēng)機(jī)功率的計(jì)算公式：

(9)

Ny：降低單臺(tái)引風(fēng)機(jī)的出力；Ny,b：引風(fēng)機(jī)的額定出力；Qy,b：引風(fēng)機(jī)的額定流量，m3/h；ρ1：漏風(fēng)的平均密度，kg/m3。引風(fēng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表6所示。

表6 引風(fēng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)

經(jīng)計(jì)算，1號(hào)引風(fēng)機(jī)節(jié)能約35.8 kW，2號(hào)引風(fēng)機(jī)節(jié)能約52.9 kW，引風(fēng)機(jī)節(jié)約電耗：(35.8+52.9)×4 870=390 280 kW·h，單價(jià)0.37元，年節(jié)約約15.98萬元 。

由于不易計(jì)算一次風(fēng)機(jī)漏入煙氣測(cè)的一次風(fēng)量及送風(fēng)機(jī)漏入煙氣測(cè)的二次風(fēng)量，上述公式不適用計(jì)算送風(fēng)機(jī)及一次風(fēng)機(jī)的節(jié)電量。因此進(jìn)行改造前后空氣預(yù)熱器漏風(fēng)試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況計(jì)算送引風(fēng)機(jī)出力情況。表7為改造前后試驗(yàn)機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)。

表7 改造前后試驗(yàn)機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)

從風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流看，兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)及兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)在滿負(fù)荷情況下，電流共下降約15 A，按機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)4 870 h計(jì)算，年送引風(fēng)機(jī)節(jié)約電量75.83萬kW·h，單價(jià)0.37元，年節(jié)約約28.01萬元。

綜合計(jì)算，空氣預(yù)熱器柔性密封改造后，煤耗及風(fēng)機(jī)的電耗均有所減小，年共節(jié)約費(fèi)用23.56+15.98+28.1=67.55萬元。

據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率每降低1%，供電煤耗降低0.16 g/(kW·h)[5]，每年發(fā)電量約17.05×108kW·h，按此經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算，年節(jié)約費(fèi)用約68.9萬元，與以上計(jì)算值誤差在2%以內(nèi)，證明了上述計(jì)算的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

接觸式柔性密封技術(shù)是減少空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的有效方式，經(jīng)過接觸式柔性密封改造，1號(hào)空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率由8.48%降低至4.87%，2號(hào)空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率由9.17%降低至3.74%。

空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率的減少可大幅增加機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)過空氣預(yù)熱器密封改造，煤耗及風(fēng)機(jī)的電耗均有所減小，年節(jié)約費(fèi)用67.55萬元。