某350MW機組回轉(zhuǎn)式空預(yù)器密封改造

楊菁

（江蘇利港電力有限公司，江蘇江陰214444）

漏風(fēng)率是回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的關(guān)鍵指標(biāo)，漏風(fēng)率偏高將使風(fēng)機電耗增加，降低一二次風(fēng)溫，使鍋爐熱效率降低。所以，控制空預(yù)器漏風(fēng)，對節(jié)能降耗、機組安全運行有著積極的意義。

1 空預(yù)器漏風(fēng)概述

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)主要是由于動靜密封付之間存在著間隙，這種間隙就是漏風(fēng)的主要通道。空預(yù)器又處于鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)的進口和出口，空氣側(cè)和煙氣側(cè)之間存在較高壓力差，這是漏風(fēng)的動力。回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的漏風(fēng)可分為兩部分：結(jié)構(gòu)漏風(fēng)(或稱攜帶漏風(fēng))和直接漏風(fēng)。結(jié)構(gòu)漏風(fēng)是由自身構(gòu)造引起的，不可避免，該部分漏風(fēng)占預(yù)熱器總漏風(fēng)量的份額較少，不到5%；直接漏風(fēng)是由差壓及漏風(fēng)間隙引起的，占總漏風(fēng)量的主要份額。

1.1 結(jié)構(gòu)漏風(fēng)

結(jié)構(gòu)漏風(fēng)量的計算公式如下：

式中：ΔV為結(jié)構(gòu)漏風(fēng)量，m3/s；D為轉(zhuǎn)子直徑，m；d為中心軸直徑，m；n為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，r/min；ρ為氣體密度，kg/m3；y為傳熱元件占轉(zhuǎn)子內(nèi)容積份額；H為轉(zhuǎn)子高度，m。

由式（1）可以看出，結(jié)構(gòu)漏風(fēng)量與傳熱元件占轉(zhuǎn)子內(nèi)容積份額及空預(yù)器轉(zhuǎn)速成正比。對于已投運空預(yù)器而言，此兩數(shù)值可視為常數(shù)。通常在討論降低空預(yù)器漏風(fēng)率時，不考慮該部分漏風(fēng)。

1.2 直接漏風(fēng)

直接漏風(fēng)是回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的主要漏風(fēng)形式，占總漏風(fēng)的95%以上，降低空預(yù)器漏風(fēng)就是針對該部分漏風(fēng)而言。

直接漏風(fēng)量的計算公式如下：

式中：G為直接漏風(fēng)量，kg/s；K為泄露系數(shù)；F為間隙面積，m2；ΔP為空氣側(cè)與煙氣側(cè)壓差，Pa；ρ為氣體密度，kg/m3。

這是回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器直接漏風(fēng)量的基本計算公式，適用于回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的徑向密封、軸向密封和周向密封。由于氣體密度ρ的變量極小，一般忽略不計。因此，影響漏風(fēng)的主要因素是：泄漏系數(shù)K、間隙面積F、空氣側(cè)與煙氣側(cè)之間的壓力差ΔP。從公式可以看出，空預(yù)器漏風(fēng)量與泄漏系數(shù)K、間隙面積F、空氣與煙氣的壓力差ΔP的平方根成正比，

2 降低空預(yù)器漏風(fēng)的基本措施

根據(jù)空預(yù)器漏風(fēng)的機理，降低漏風(fēng)必須減小直接漏風(fēng)量。以下按直接漏風(fēng)量的計算公式，分別討論減小K，F(xiàn)，ΔP值的措施。

2.1 降低泄漏系數(shù)K的措施

泄漏系數(shù)K取決于密封區(qū)兩側(cè)壓差的大小。對于空預(yù)器而言，進出口煙風(fēng)壓力是給定值。降低K值，只能在結(jié)構(gòu)上采取措施。由此發(fā)展了雙密封技術(shù)。

早期的空預(yù)器大都采用單密封結(jié)構(gòu)，即：在任何時候扇形板密封區(qū)僅有一道徑向密封片起密封作用。雙密封是在單密封的基礎(chǔ)上再加一道密封，即將轉(zhuǎn)子的24分倉改為48分倉，扇形元件倉角度由15°改為7.5°。使得在任何時候，扇形板密封區(qū)都有兩道徑向密封片同時起密封作用。相對于單密封多了逐級降壓的手段，以此來減小空氣側(cè)與煙氣側(cè)的差壓，達到減小直接漏風(fēng)的目的。粗略計算，在工況相同、漏風(fēng)間隙相同的情況下，采用雙密封結(jié)構(gòu)后漏風(fēng)量可以降低30%。該技術(shù)現(xiàn)已成為各空預(yù)器廠家的一種主流設(shè)計。

2.2 降低煙風(fēng)兩側(cè)壓力差ΔP的措施

對于回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器而言，空氣側(cè)與煙氣側(cè)的壓力差ΔP是由鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)的阻力決定的（即：磨煤機形式、燃燒器形式、受熱面布置方式和空預(yù)器傳熱元件阻力等）。運行期間，上述因素中存在變量最大的是傳熱元件的阻力。因此，防止空預(yù)器冷端結(jié)露堵塞和正常投運吹灰是至關(guān)重要的，否則易引起傳熱元件積灰堵塞而造成阻力增大，使空預(yù)器冷端的空氣側(cè)與煙氣側(cè)壓差增加，導(dǎo)致漏風(fēng)率升高。

對空預(yù)器本體結(jié)構(gòu)而言，換用低阻波形傳熱元件是惟一能降低壓力差ΔP的方法，但這將帶來總換熱面積、傳熱元件占轉(zhuǎn)子內(nèi)容積份額的下降，使結(jié)構(gòu)漏風(fēng)與排煙溫度上升。降低空預(yù)器漏風(fēng)，一般不采用此方法。

2.3 降低間隙面積F的措施

空氣預(yù)熱器漏風(fēng)量與間隙面積F成正比，控制間隙面積F可以有效地控制漏風(fēng)。主要的漏風(fēng)間隙包括熱端徑向密封間隙、冷端徑向密封間隙、軸向密封間隙和周向密封。

2.3.1 熱端徑向間隙

熱端徑向間隙是空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的主要渠道，空預(yù)器65%的漏風(fēng)發(fā)生在該區(qū)域，需要嚴格控制。不同的密封技術(shù)采用的技術(shù)段是迥異的，但出發(fā)點都是為了補償轉(zhuǎn)子熱變形帶來的間隙變化。

熱態(tài)時整個回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的變形是多樣、多方向的，但對于徑向漏風(fēng)影響最大的是轉(zhuǎn)子熱變形。該變形在徑向帶來方向相反的2個變量：向下的轉(zhuǎn)子蘑菇狀變形及向上的中心筒變形。

以下是2種變形的計算公式及4號爐空預(yù)器計算結(jié)果。

空預(yù)器轉(zhuǎn)子變形量（轉(zhuǎn)子最外側(cè)向下變形）：

式中：γ為轉(zhuǎn)子變形量，mm；R為轉(zhuǎn)子半徑，m；Δt為空預(yù)器冷熱端溫度差，℃；H為轉(zhuǎn)子高度，m；0.006為校正系數(shù)。

空預(yù)器轉(zhuǎn)子中心筒熱變形量（中心筒向上變形）：

式中：δ為中心筒熱變形量，mm；Δt為空預(yù)器轉(zhuǎn)予平均溫度，℃；H為轉(zhuǎn)子高度，m；0.012為校正系數(shù)。

由此可見，熱態(tài)時在熱端徑向形成了很大的泄漏間隙，必須采取措施予以彌補。不同空預(yù)器密封技術(shù)的差異，就體現(xiàn)在對該泄漏間隙的控制上。

2.3.2 冷端徑向間隙

由于空預(yù)器冷端壓差大于熱端壓差，并且冷端氣體密度大于熱端氣體密度，因此冷端徑向漏風(fēng)也是空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的一個重要渠道。

控制冷端徑向間隙的關(guān)鍵在于對轉(zhuǎn)子變形的精確計算。在實際運用中，也可以通過在冷端徑向加裝間隙試樣片的手段來驗證計算結(jié)果。

2.3.3 軸向密封間隙

軸向密封可以防止氣體通過外殼與轉(zhuǎn)子之間的環(huán)形通道繞到煙氣側(cè)。為了控制軸向漏風(fēng)，可以采取以下措施：保證軸向密封板的質(zhì)量；按廠家提供的軸向密封間隙表調(diào)整間隙；保證冷端元件裝卸門的嚴密。軸向密封在整個漏風(fēng)中僅占很小的份額，不是控制漏風(fēng)的主要矛盾。

2.3.4 旁路密封間隙

旁路密封的難點在于轉(zhuǎn)子外緣橢圓度不易保證，再加上旁路密封片易磨損，因此旁路漏風(fēng)的存在也是不可忽視的。旁路密封間隙的控制要從轉(zhuǎn)子角鋼圈入手，待轉(zhuǎn)子角鋼圈制作和安裝完畢后，還需在現(xiàn)場進行車加工，以保證轉(zhuǎn)子角鋼圈的橢圓度在2mm之內(nèi)。而后根據(jù)廠家提供的旁路密封間隙表，安裝并調(diào)整好環(huán)向密封間隙，以控制漏風(fēng)。

3 柔性接觸式密封技術(shù)特點

該技術(shù)是新近發(fā)展的空預(yù)器密封技術(shù)，近幾年有50余臺300～800MW機組空預(yù)器采用該技術(shù)進行了改造，取得了很好的效果（300MW機組空預(yù)器漏風(fēng)在5%～6%）。

此項技術(shù)采用彈性的徑向密封組件替換了傳統(tǒng)的徑向密封片，冷態(tài)時按轉(zhuǎn)子徑向各處的變形量加上5mm的預(yù)緊力定位密封組件，當(dāng)空預(yù)器運行后，扇形板區(qū)域內(nèi)的彈性密封組件始終與之接觸，極大地減小了徑向泄漏間隙。

采用柔性接觸式密封技術(shù)，極大地減小了徑向泄漏間隙，密封效果好。由于扇形板與彈性密封組件之間泄漏間隙極小，大大減輕了密封區(qū)部件沖刷磨損的問題，從而使密封系統(tǒng)能長期運行，減少了檢修工作量。采用彈性密封組件技術(shù)，對原有轉(zhuǎn)子的兩端面的平行度、平面度，以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動跳動量要求降低，適合空預(yù)器的改造。

該技術(shù)的難點在于：彈性密封組件的可靠性及壽命、對空預(yù)器傳動裝置的影響。彈性密封組件的接觸部分采用了自潤滑合金，在空預(yù)器運行工況下，摩擦系數(shù)為0.05～0.2，最大允許速度2.5m/s，年磨損量（圓周處）0.36mm。視不同的傳動機構(gòu)布置方式，運行電流增大1.4～2 A。

4 4號爐空預(yù)器改造可行性

4.1 基本設(shè)計

江蘇利港電廠4號爐空預(yù)器為豪頓華公司VN系列產(chǎn)品，采用48分倉、雙密封及固定密封技術(shù)。傳動裝置采用雙減速機、中心軸傳動。

4.2 漏風(fēng)率現(xiàn)狀

表1是一年來熱試組所測空預(yù)器漏風(fēng)數(shù)據(jù)。

表1 4號機組空預(yù)器漏風(fēng)數(shù)據(jù)

4.3 改造的可行性

從密封機理上講，4號爐空預(yù)器熱端徑向密封改為可調(diào)密封（即加裝漏風(fēng)自動控制系統(tǒng)），或采用接觸式密封均是可行的方法。

4.3.1 可調(diào)密封改造：

熱端加裝漏風(fēng)自動控制系統(tǒng)主要需解決熱端扇形板的布置問題。這需要2個基本的條件：足夠的空間；跟隨轉(zhuǎn)子中心筒變形的能力。

（1）足夠的空間。這里的“空間”指的是熱端扇形板下端面與殼體的距離，用來布置扇形板、扇形板密封及吊桿調(diào)節(jié)裝置。熱端扇形板與殼體的可靠密封對保證漏風(fēng)控制系統(tǒng)正常投運是至關(guān)重要的，否則會導(dǎo)致結(jié)灰引起扇形板無法提起。

4號爐空預(yù)器原設(shè)計是固定密封，它的熱端扇形板其實是大梁的一塊平底板，若改造為可調(diào)密封，需首先將其改成獨立的框架部件，而后再留出至少20 cm的距離布置密封及吊桿調(diào)節(jié)裝置。這需要校核強度后對整個空預(yù)器大梁進行改動，風(fēng)險及工作量都是極大的。

（2）跟隨轉(zhuǎn)子中心筒變形的能力。為保證熱端扇形板中心側(cè)與轉(zhuǎn)子的徑向間隙，需要它能跟隨轉(zhuǎn)子中心筒的熱變形。最理想的布置方式是將熱端扇形板懸掛在導(dǎo)向軸承座上。4號爐空預(yù)器由于采用的是中心軸傳動，整套傳動裝置占據(jù)了導(dǎo)向軸端位置，已無加裝吊桿位置。

4.3.2 接觸式密封改造

僅需冷熱端徑向各加裝24檔柔性密封組件。原有空預(yù)器結(jié)構(gòu)無需改動，每檔由4塊柔性組件組成，按冷熱端徑向不同位置變形量，預(yù)留柔性密封組件預(yù)緊或間隙高度。2者對比見表2。

綜合漏風(fēng)率指標(biāo)、系統(tǒng)復(fù)雜性、改造復(fù)雜程度及風(fēng)險、一個大修周期內(nèi)的綜合費用等考慮，4號爐空預(yù)器改造采用柔性密封最為可靠。

表2 可調(diào)密封與接觸式密封對比

5 4號爐空預(yù)器改造及運行情況

2009.10.04～2009.11.28，4號爐大修期間對空預(yù)器進行了柔性密封改造。主要改動部分：

（1）拆除原有的環(huán)向密封。轉(zhuǎn)子冷熱端加裝環(huán)向密封角鋼。在空預(yù)器殼體內(nèi)壁加裝環(huán)向角鋼圈。重新設(shè)計環(huán)向密封裝置，安裝新的環(huán)向密封片，并按設(shè)計值預(yù)留冷態(tài)間隙。

（2）冷熱端徑向各加裝柔性接觸式密封組件24分倉（隔倉布置）。原有的徑向密封保留，柔性密封組件安裝時滑塊的高低誤差≤2mm，安裝完畢校正滑塊，使其轉(zhuǎn)動靈活自如。柔性密封組件冷態(tài)安裝間隙的確定，主要是為了保證熱態(tài)組件彈簧有5～8mm的壓縮量。冷熱端徑向柔性密封組件安裝間隙如表3所示。

表3 冷熱端徑向柔性密封組件安裝間隙mm

改造后4號爐于2009.12.04啟動，運行至今空預(yù)器整體運行狀況較平穩(wěn)，冷熱端柔性密封組件運行正常（采用聽棒聽，組件壓縮、打開的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速吻合）。

鍋爐三大風(fēng)機運行電流較修前大幅降低。最近的測試（2010.04.10）顯示空預(yù)器A/B的漏風(fēng)率分別為5.72%，4.37%，達到了改造的目的。

6 4號爐空預(yù)器改造效益評估

空預(yù)器改造后其節(jié)煤節(jié)電主要來自：（1)鍋爐排煙熱損失的減少。（2)引風(fēng)機、送風(fēng)機、一次風(fēng)機電耗的下降。

一般空預(yù)器漏風(fēng)率變化1個百分點，影響爐效0.0476 個百分點(發(fā)電煤耗0.147 g/(kw·h))，廠用電率影響0.0362 個百分點。

計算條件：改造前4號爐空預(yù)器平均漏風(fēng)率按10%計。修后空預(yù)器平均漏風(fēng)率按5.5%計。節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1311t，折合人民幣82.59萬元（標(biāo)煤按630元/t計）；節(jié)約廠用電117.13萬元；合計全年效益199.72萬元。。

節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤=18×108×0.147×10-6×4.5=1190t，折合人民幣=1190 ×630=74.97萬元。

節(jié)約廠用電=18×108×0.0362 %×4.5=2932 200×0.3628 =106.38萬元。合計為181.35萬元。

4號爐空預(yù)器通過柔性密封改造，降低了漏風(fēng)率，取得了良好的經(jīng)濟效益。