新型空預器不變形恒定漏風率密封技術在百萬機組上的應用

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)

回轉式空預器是使煙氣與空氣交替流過受熱面；當煙氣流過時，熱量從煙氣傳給受熱面，受熱面溫度升高，并積蓄熱；當空氣流過時，受熱面將積蓄的熱量釋放給空氣，加熱空氣。與管式空預器相比，回轉式空預器具有體積小、重量輕和傳熱效率高的優點而被大型機組廣泛使用。但是由于轉動過程存在動靜間隙、各倉壓差(空氣側與煙氣側、一次風側與二次風側)、熱變形、密封不良等一系列原因，從而導致空預器的漏風率經常居高不下，使風機出力增加、排煙溫度升高，進而使機組廠用電率攀升，鍋爐整體效率降低。所以對大型火電機組空預器的內部密封系統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器不變形恒定漏風率密封技術的基本原理及在某廠百萬機組上的實際應用效果。

1 空預器設備概況

某廠回轉式空氣預熱器為東方鍋爐廠設計制造，結構如圖1所示，型號為LAP17286/2250，轉子直徑為17 286 mm，儲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，每臺預熱器金屬重量約1 225 t，其中轉動部分質量約920 t，轉速為0.98 r/min。底部中心驅動，三分倉結構，一次風倉的角度為50°、二次風倉的角度為130°、煙氣倉的角度為180°；轉子倉格為48格；空預器設有徑向、軸向和旁路密封系統(如圖2所示)；徑向密封由扇形板與徑向密封片構成，軸向密封由軸向密封裝置與軸向密封片構成，旁路密封由旁路密封片與T 型鋼構成。熱端徑向密封設有自動控制系統；扇形板、弧形板角度是15°為雙密封設計。本預熱器對軸向密封，旁路密封以及冷端徑向密封均采用在冷態下預留間隙的方法來進行調整。對于原熱端徑向密封，采用跟蹤轉子熱變形的自動控制系統。

圖1 空預器結構圖

圖2 空預器原密封形式

但是空預器漏風控制系統采用電渦流探測的自動跟蹤系統時，其實際運行過程中工作性能極不穩定，使熱端扇形板不能長期處于良好狀態，經常出現個別扇形板控制失靈的情況，造成該系統經常出現無法正常投運的情況；同時空預器經過長時間的運行，各部間隙磨損加大，使得鍋爐空預器整體漏風率偏大且不穩定，維持在8%～10%，跟同類機組相比明顯偏大，同時使空預器熱一次風、二次風的溫度相對于投產初期降低不少。為此某廠計劃在大修期間對4號鍋爐空氣預熱器密封系統進行改造，采用新型不變形恒定漏風率的密封系統，替代目前使用的性能不可靠的自動跟蹤系統，以期降低并長期保持較低的漏風率。

2 新型不變形恒定漏風率密封技術

通過對三分倉容克試空預器漏風部位及占比量分析可知：空氣預熱器的漏風途徑主要包含徑向漏風、軸向漏風、中心筒漏風以及攜帶漏風四種形式。其中徑向漏風、軸向漏風、中心筒漏風屬于直接漏風；攜帶漏風，是由于蓄熱片由風側轉到煙側時，蓄熱片內攜帶的風進入煙氣側導致的漏風， 攜帶漏風與空氣預熱器轉子的直徑、空氣預熱器轉速、蓄熱片高度等設備參數有關，是無法避免的漏風；對于已投產的空氣預熱器來說，其漏風量無法改變。根據統計分析，徑向漏風量一般占空氣預熱器總漏風量的70%左右、軸向漏風量和中心筒漏風量一般占空氣預熱器總漏風量的30%左右、攜帶漏風量一般占空氣預熱器總漏風量的1%左右。綜合來看，空預器徑向漏風量占總的漏風量最大，所以要達到空預器整體漏風率得到有效改善的目標，對徑向密封裝置及組件的改造是一個有效的途徑。

不變形恒定漏風密封技術是基于對間隙自補償漏風技術的不斷改進與實踐得來的，是一種空預器徑向密封裝置[2-3]。具體是在空預器每一條徑向隔板上方，對應重新設計一條自由活動的徑向密封組件，其內側端部固定于轉子中心筒附近，在轉子外緣側懸空，整個徑向密封組件呈懸臂狀態。徑向密封組件與原徑向隔板采用上下活動密封，當空預器熱態運行轉子體外端發生蘑菇狀變形時，由于活動密封片安裝板的安裝位置在空預器換熱元件覆蓋范圍外，熱態運行時上下沒有溫差，該密封板不會產生彎曲變形，僅會沿著空預器徑向方向膨脹，所以不管空預器如何變形，活動密封片安裝板都可以保持與扇形板冷態設定時密封間隙的基本不變，從而使空預器漏風率控制在一個基本恒定狀態(見圖3、圖4)[4]。

圖3 不變形恒定漏風率密封原理

圖4 空預器冷態、熱態時密封結構示意圖

如圖5所示，在實際安裝過程中，其靠近中心筒的兩個夾持板起到支撐、固定及調整密封組件與扇形板間隙的作用；徑向密封片起到轉子體受熱變形時保持與密封組件的活動密封；同時密封組件上裝有兩道柔性密封片，冷態時調整與扇形板保持較小距離，待熱態密封組件微變形進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，加強徑向板的剛度，在空預器的四道環向倉格板上還安裝有不變形板的限位機構，且全部為螺釘鉚接固定，保證在旋轉過程中徑向支撐及密封裝置不發生偏斜；對轉子體邊緣T型密封板加高形成圍帶密封，降低軸向漏風。

圖5 現場安裝和結構情況

3 空預器不變形恒定漏風技術改造前后性能試驗檢測結果

通過邀請第三方檢測機構對4#機組空預器改造前及改造后的三種運行工況進行性能試驗及校核燃燒煤種的煤質(見表1)、灰渣(見表2)情況來綜合評定采用新型不變形恒定漏風密封技術后空預器實際漏風率，計算流程及結果見表3、表4。 空預器漏風率計算公式按ASME PTC 4.3[6]進行，計算公式如下所示：

表1 4#鍋爐大修前試驗期間的煤質化驗結果

表2 4#鍋爐大修前灰渣化驗結果

表3 4#鍋爐空預器改造前漏風率計算結果匯總

表4 4#鍋爐大修后試驗期間的煤質化驗結果

式中：AL為實測的空氣預熱器漏風率，%；WG15為空氣預熱器出口濕煙氣量，kg/kg；WG14為空氣預熱器進口濕煙氣量，kg/kg。空氣預熱器進出口煙氣量均采用煤質計算獲得。根據燃煤和灰渣化驗數據、環境條件及空預器進出口煙氣參數來計算。

改造前4#鍋爐1 000、750和500 MW 負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%。

改造前空預器測得漏風率試驗數據如下：1 000 MW 負荷工況下，空預器進口氧量平均值為 2.59%，空預器出口氧量平均值為 4.13%，空預器漏風率平均值為8.10%；750 M W負荷工況下，空預器進口氧量平均值為3.37%，空預器出口氧量平均值為4.94%，空預器漏風率平均值為8.69%；500 MW負荷工況下，空預器進口氧量平均值為3.80%，空預器出口氧量平均值為5.78%，空預器漏風率平均值為11.56%。

表5 4#鍋爐大修后灰渣化驗結果

4#鍋爐1 000、750和550 MW負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#鍋爐空預器改造后漏風率計算結果匯總

通過改造后空預器性能試驗報告可知，在1 000 MW負荷工況下，據空預器進口氧量平均值為 3.45%，空預器出口氧量平均值為3.97%計算，空預器漏風率平均值為2.69%；在750 MW 負荷工況下，據空預器進口氧量平均值為3.34%，空預器出口氧量平均值為4.01%計算，空預器漏風率平均值為3.51%；在550 MW 負荷工況下，據空預器進口氧量平均值為2.82%，空預器出口氧量平均值為3.71%計算，空預器漏風率平均值為4.55%，

綜合對照大修前空預器漏風率計算結構相比，在1 000、750和 550 MW 負荷工況下的空預器漏風率平均值分別較大修前降低了 5.41%、5.18%和 7.01%。按平均漏風率降低 6%計算，排煙氧量降低 0.87%，鍋爐熱效率提高 0.29%，節約發電煤耗約0.86 g/(kW·h)。通過對照改造前后空預器性能試驗及漏風率計算數據，可以發現其漏風率有了大幅下降，充分體現了不變形恒定漏風密封技術的有效性及先進性，實現了機組節能降耗的目標。

4 相比傳統密封技術優點

目前火電機組常用的回轉式空預器密封技術有固定式密封、接觸式密封[7-8]、疏導式密封、可調式密封、補償式密封、回收式密封等等[9-15]，但是不變形恒定漏風密封技術相對來說從密封效果、使用壽命、安全可靠性、穩定性、結構簡單易改造性等更加具有其獨特的優勢。

4.1 更好的密封效果

該技術的扇形板固定不動，加裝的密封裝置由于不存在上下溫差，不會產生彎曲變形，只會在徑向膨脹，所以無論空預器溫度如何變化，活動密封板的密封片與扇形板距離(密封間隙)基本不變。獨特的密封調整方法，使密封間隙更為精確,同時使空預器轉子體在轉動過程中的阻力小，密封性更好。通過合適的密封間隙調整，可以在全負荷段將漏風率降至5%以下甚至更低。

4.2 更長的使用壽命

由于不變形恒定漏風率密封片厚度可以遠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行安全性)，不會如薄密封片那樣容易磨損，可以長期不用更換密封組件，使用壽命比其他形式密封片更長，同時也減少了設備維護保養工作。

4.3 運行更加安全和可靠

即便發生空氣預熱器超溫、著火等異常膨脹的情況，自補償密封板不會產生彎曲，最大可能也僅是密封片發生進一步偏轉，不會導致空氣預熱器卡死，使運行更加安全。

4.4 改造方案簡單，減少施工時間

通常的密封改造，施工周期至少在30～50天，此技術大大減少工作量，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間進行技術改造，甚至在小修期即可進行。

5 結 語

目前，4臺1 000 MW超超臨界機組鍋爐分別在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率密封技術在空預器上的改造，通過這幾年不斷在運行及調停檢修故障排查過程中積累經驗、完善技術方案，使空預器的漏風率都有大幅降低，該技術的穩定性、可靠性也進一步提升，綜合提高了鍋爐燃燒效率、降低了廠用電率，創造了良好的經濟效益；且該技術的創新性、有效性也得到了長期實踐驗證，可以為同類型機組空預器漏風率控制的實施提供了有關的借鑒作用。