回转式空气预热器一种稳态自补偿式热端径向密封控制技术

回转式空气预热器一种稳态自补偿式热端径向密封控制技术

曹鹏飞   刘桂兵   马新   张建修   贾勉

  国家能源聊城发电有限公司  山东 聊城 252000

摘要介绍回转式空气预热器漏风率的影响因素，介绍漏风的主要控制方法，介绍目前市场上主要的几种空气预热器密封型式和它们的结构特点,介绍了空气预热器稳态自补偿式密封的结构及特性以及稳态自补偿式密封与空气预热器漏风的关系, 并从设计、工艺、制造及安装等方面入手, 分析了稳态自补偿式的性能特点。着重介绍稳态自补偿式热端径向漏风控制方法的实施依据。提出一种非接触式的、综合转子热态变形量的具有热态自补偿功能的密封结构型式。

关键词:漏风；蘑菇状热变形；膨胀零位；稳态自补偿；回转式空气预热器

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0  引言                                             

回转式空气预热器主要由筒形转子和固定部分的外壳部件组成，这就造成预热器在转动时，动静部件之间存在间隙，而漏风主要就是由这些间隙造成。空预器布置在锅炉尾部烟道中,进出口通过过渡烟道和过渡风道和锅炉相连接，由于空气侧的静压高，烟气侧为负压，空气侧和烟气侧之间存在压力差，这就是漏风的动力。由动静之间的间隙和烟气空气之间的压力差造成的漏风就是预热器的直接漏风，也是预热器的主要漏风，约占总漏风量的80%,还有一种漏风就是携带漏风，由于预热器转子的内的空间，当转子转动时，就像水车一样，必定携带一部分气体进入另一侧,携带漏风是回转式预热器的固有特点，是不可避免的，而直接漏风则可以通过结构的改进来控制。

1预热器的漏风介绍

1.1直接漏风

由于空预器转子和壳体之间的间隙和烟气空气之间的压力差造成的漏风叫做空预器的直接漏风，发生在空预器的密封间隙处。直接漏风的计算公式为：

， kg/s                             

式中，

为漏风间隙处的通流面积（m2），

为漏风部位实际的空气密度(kg/m3)，

为空预器密封间隙两侧烟气和控制之间的压力差(kPa)，

Z为密封隔板的道数。

1.2携带漏风

空预器转子转动时,会将积存在预热器转子内部的空气和烟气随转动携带到下一分仓内，其中携带的空气被带入烟气分仓内，这部分漏风被称为携带漏风，用下式计算：

， kg/s                              

式中，

为转子转动速度（rpm），

为转子内部空余的空间，

为转子内部空气的平均密度。

1.3总漏风量和漏风率：

总漏风量的计算公式为：

式中，

为总漏风量（kg/s），

K 为考虑安装、运行影响的修正系数，一般为1.7～1.8。

为各部位直接漏风量之和。

漏风率定义为漏到烟气中的空气重量占烟气进口重量的百分率：

式中，

为漏风率（%），

为预热器烟气进口流量（kg/s），

为总漏风量（kg/s）。

一次风、二次风泄漏率定义为进出口空气流量差占预热器进口空气重量的百分率：

式中，

、分别为一次风、二次风泄漏率（%），

、分别为预热器一次风、二次风进口流量（kg/s），

、分别为预热器一次风、二次风出口流量（kg/s）。

在三分仓预热器中，当一次风漏入二次风的量（对转向为烟气→一次风→二次风的预热器，还有一次风随转动携带入二次风）大于二次风漏入烟气的量时，二次风泄漏率会出现负值。

2预热器漏风对锅炉的影响

2.1空预器漏风增加会造成引风机、送风机、一次风机运行负荷加大，引起风机运行电流增大，当漏风率下降后，三大风机电流也会下降,尤其是一次风机、引风机电流下降更加明显，引风机、送风机、一次风机节电能力效果显著。“根据电力学会对多台机组工程研究表明，空气预热器漏风率每下降1%，对应使用6.3kV三相电源的三大风机总电流下降5%~8%”

2.2 空预器的旁路漏风会导致冷空气不被加热而直接混入热风中，会使空预器换热效率下降，旁路漏风每增加1%，空预器换热效率降低0.5%。空预器热端的径向漏风使热风直接混入热烟气，这将导致烟气温度降低，携带漏风由于同时存在烟气携带如空气的情况，也会引起空预器换热效率降低。

2.3 严重的空预器漏风会影响锅炉制粉系统出力，严重时会使锅炉无法带满负荷。

2.4漏风率大，势必会造成密封片风蚀严重，每年至少需要更换一次密封片，每单台炉需要更换密封片的费用约几十万元。

2.5漏风率大还会使烟气温度降低，尤其在冷端容易引起低温结露，从而引起低温段堵灰、腐蚀，增加维修和冲洗成本，严重时还会影响设备寿命。

3预热器漏风部位的可控性分析

空预器的携带漏风主要和空预器本身的转子结构、受热面高度、换热元件充满度、转子转速等密切相关，是无法控制的。而对空预器的直接漏风则可以通过控制密封间隙来进行控制，下面就空预器各部位的漏风进行简单的说明

根据漏风的部位，直接漏风可分为径向漏风、轴向漏风、旁路漏风三部分。其中径向漏风又可分为热端径向漏风和冷端径向漏风,旁路漏风可分为内侧中心筒漏风和外缘环向漏风.

空预器的径向漏风占直接漏风总量的70%-80%，轴向和旁路漏风占20%-30%。径向密封的漏风主要在热端产生，这是因为空预器热态时转子受热会产生蘑菇状热变形，转子变形后热端的密封间隙会越来越大，漏风量也就越来越大，而冷端会越来越小，故热态时热端的径向漏风又占径向漏风总量的70%-80%，冷端占20%-80%。而轴向漏风主要通过旁路的漏风进行泄漏，所以轴向和旁路漏风可视为一体。

因此计算可知，热态时热端径向的漏风占总漏风率的50%-65%。因此控制空预器热态时热端径向的漏风，就能控制住空预器的总漏风率。

4目前市场上常见的空预器密封型式

4.1非接触固定式刚性硬密封

这种技术的结构一般是将转子格仓细分为48格仓，将扇形板做成22.5度，实现三密封的结构（图5），根据设计计算出的膨胀间隙值，在冷态将转子各部位密封间隙进行调节，预留出足够的膨胀距离，在热态时不需要任何维护调节。虽然维护方便，密封效果居中，但使用寿命短,运行一段时间就会造成积灰。为了保证运行安全性，密封片较薄，若煤质（如褐煤）灰分高，运行短短数月就会因飞灰磨损和腐蚀需要进行更换。为了保证热态运行时安全稳定,密封间隙一般都是按满负荷运行状态进行计算，在锅炉低负荷运行时，由于密封间隙较大,仍存在漏风较大的情况，同时，当运行异常（如烟温异常）时，容易造成转子卡死的情况产生。

（图5）非接触刚性硬密封

4.2接触式柔性软密封

这种技术的结构是将刚性的硬密封片改变为弹簧式、钢丝刷式、接触薄片式等结构，在冷态时将其调节和预热器的扇形板、弧形板相接触，在热态时虽然转子产生变形，但利用弹簧、钢丝刷等结构可使密封片产生自补偿功能，使漏风间隙值减小，从而达到控制漏风率的目的（图6）。但其使用寿命较短，弹簧和钢丝刷会随着磨损损坏，弹性易变形、松动、失效等，也会产生降低空预器转速，对空预器扇形板和弧形板磨损很大。单块扇形板每分钟被密封装置撞击48次,以年运行小时6000小时计算,扇形板每年内被磨损48x60x6000=1728万次,严重损坏扇形板.而每分钟弹簧经过三块扇形板,压缩弹起3次,仍以年运行6000小时计算,弹簧每年需压缩弹起3x60x6000=108万次,实际弹簧使用寿命仅2-3万次,可见弹簧一个月内就会失效。该密封装置结构复杂，运行可靠性差；密封装置体积较大，自重较高，且增加了空预器内部空气/烟气流通阻力，带来许多不利影响。

（图6）接触式软密封结构

4.3扇形板自动跟踪式结构

空预器的热端采用间隙自动跟踪系统。该系统的原理是：空预器在热态运行时，转子会发生蘑菇状的热态变形，导致热端径向出现很大的漏风间隙。该处的漏风间隙一般和空预器转子直径的平方成正比，采用漏风间隙自动跟踪系统，通过调整设置在径向的扇形密封板的高低位置，可自动升降，调节扇形板与转子的径向密封片间隙来降低漏风率（图7）。这种密封方式的缺点是：扇形板自动间隙跟踪系统结构复杂，跟踪探头等主要部件故障率高，设备维护成本高，运行可靠性差。

（图7）扇形板自动跟踪式结构

5稳态自补偿式密封控制技术的原理和结构

空气预热器的转子在热态发生蘑菇状变形，这是因为冷热端的温差使转子各部位热膨胀量不同而引起的。转子热态蘑菇状变形发生的位置在密封片和扇形板之间，造成冷、热态扇形板和密封片之间的间隙变化很大，产生出漏风区域，造成较大泄漏。故转子冷热态之间有交点，此点成为膨胀零点。（图10）

在此膨胀零点处将转子径向隔板切断，或将密封片切断，在零点处作为固定端采用焊接或螺栓紧固的方式将其和原转子径向隔板固定牢，在另一侧作为滑动端，使其和转子隔板之间即紧密贴合又保证可滑动，就能在热态利用热膨胀的原理控制此处的蘑菇状变形。

（图10）膨胀零位示意图

该技术结合了非接触式密封和接触式密封的优点，具有非接触特性，转子和密封板之间无磨损，使用安全性高，使用寿命长。同时具有自补偿特性，可保证密封片和密封板之间的间隙恒久不变，即使在热态时仍能维持和冷态一样的相对位置，自补偿密封装置和原隔板之间可以自由滑动，两者紧密贴合无法漏风。消除常规非接触式密封对热态时间隙变大无法控制的缺点，利用金属热膨胀率不同的原理，实现密封间隙的自补偿，使用经济效益好，漏风率低。

该技术的具体实施方法包括以下步骤：

第一步、计算金属的热膨胀量确定转子中心在热态时向上的变形量：

L= K×λ×△t；

其中，H为转子高度；λ为钢材热膨胀系数；△t为平均温差；L转子中心在热态时向上的变形量；

第二步，确定转子热端外缘在热态时向下的变形量：

L1=（F×R²×△t）/H；其中F为转子外缘热膨胀系数；R为转子半径；L1为转子外缘变形量；

第三步、根据已知的两端变形量画图确定膨胀交点，交点处即为膨胀零点；

第四步、将密封件一端固定在隔板2的膨胀零点，另一端与隔板2通过滑槽或轨道滑动连接。

（图12）稳态自补偿密封结构简图

6 结束语

通过以上分析和论述，介绍一种稳态自补偿式空气预热器漏风控制新结构。对于减小空预器的漏风，解决目前市场上接触式密封的缺点问题，有一定的指导作用。

参考文献

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(8)王晶晶，赵振宇，姚万业，等。回转式空预器漏风分布对热风及排烟温度影响的研究（J）。华北电力技术，2012（8）：43-46

作者简介：曹鹏飞（1985-），男，汉，山东省莘县人，工程师，2007年毕业于山东大学热能与动力专业，现从事电站锅炉本体、空预器、风机、脱硝、输灰排渣等安全运营生产管理工作。

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