回转式空气预热器冷端漏风原因分析及控制措施

杜艳青，张春晖，杨迪

(上海市东方海事工程技术有限公司，上海　200011)

回转式空气预热器冷端漏风原因分析及控制措施

杜艳青，张春晖，杨迪

(上海市东方海事工程技术有限公司，上海200011)

摘要：目前国内火电机组发电负荷普遍低于设计负荷，回转式空气预热器热变形不充分，致使冷端漏风增加，加剧空气预热器冷端腐蚀和堵灰，降低锅炉效率，增加运行成本。针对以上问题，分析了回转式空气预热器冷端漏风的形成机理，从动密封和静密封两方面着手，提出了多种方式相结合的冷端漏风控制方法。

关键词：回转式空气预热器；冷端漏风；动密封；静密封

0引言

空气预热器(以下简称空预器)是火力发电机组中锅炉的重要部件之一，其主要作用是利用锅炉尾部烟气来加热锅炉燃烧所需的空气，是一种热交换设备，包括受热面回转式(容克式)和风罩回转式(罗特缪勒式)两种设计形式，目前国内市场上主要使用容克式空预器。

回转式空预器主要由转子和外壳组成，转子框架中叠装若干蓄热体，由驱动装置驱动转子旋转。烟气进入预热器后，加热转子内部的蓄热元件，转子转到空气侧后，将蓄热元件所带热量释放给流经转子的空气，转子连续旋转，换热过程也持续进行。在考核空预器性能的各项指标中，漏风率是其中最重要的指标之一。国内现有交付运行的机组，1年内满负荷状态下空预器漏风率处于6%以内，非满负荷运行状态下漏风率大大高于6%。漏风率过大，将直接降低锅炉的运行效率，增加燃煤消耗量，因此，降低空预器漏风率对提高火力发电的经济性至关重要。

受空预器结构所限，各大生产厂商将漏风率降低的重点放在空预器热端，目前，减少热端漏风的方式多种多样，如何在空预器冷端更进一步降低漏风率，是一个值得重视的方向。

1漏风的组成及形成机理

回转式空预器漏风主要由携带漏风和直接漏风组成[1]。

1.1携带漏风

回转式空预器运行时，转子各格仓和蓄热体中的空气被携带到烟气中，即造成携带漏风，携带漏风计算公式如下。

(1)

式中：D为转子直径；H为转子高度；n为转子转速；γ为蓄热板金属和灰污所占转子的容积份额。

由上式可知，携带漏风量与转子转速、转子容积等有关，空预器一旦设计完成，结构参数确定，其携带漏风量基本确定，因此，减小携带漏风量的方式主要在设计阶段确定。

1.2直接漏风

由烟气和空气的压差引起的漏风叫直接漏风，发生在惰性区密封间隙处。根据漏风部位，直接漏风分热端和冷端径向漏风、轴向漏风，热端和冷端中心筒漏风，热端和冷端旁路漏风，其中径向漏风占比达60%～70%，因此，径向漏风量的降低，对空预器换热效率和锅炉性能的提高效果最为显著。

直接漏风量按照以下公式进行计算：

(2)

式中：k为常数；A为漏风通道面积；ρ为各漏风部位的实际空气密度；Δp为泄漏缝隙两侧的压力差；z为密封道数。

根据以上漏风的计算可知，空预器转速、烟气和空气压差以及转子容积在空预器和锅炉系统完成设计后即无法改变，可采取的措施仅有减小漏风间隙和增加密封道数。

空预器运行时，转子沿烟气行进方向温度逐渐降低，根据热胀冷缩的原理，物体受热形变量与物体比热、尺寸及温度变化值呈正相关关系。由于空预器转子热端温度高于冷端温度，热端金属变形量大于冷端金属变形量；同时，在重力的影响下，转子靠近外缘的部分呈下垂状态：在二者综合作用下，转子总体呈蘑菇状变形，烟气温度越高，蘑菇状变形越显著。在非满负荷运行工况下，烟气进口温度相对较低，转子下弯变形量减少。空预器设计冷端径向密封时的预留间隙是以机组满负荷工况时空预器最大变形量设定的，在50%负荷工况下，冷端径向密封间隙最大处与设计值的差值大于10 mm。目前，满负荷情况下漏风率一般设计在6%以下，而50%负荷情况下，设计的理论漏风率均在10%以上。因此，在非满负荷工况下，冷端径向漏风会大大加剧。满负荷及非满负荷情况下转子变形后径向密封间隙示意如图1、图2所示。

图1　转子变形后径向密封间隙示意(满负荷运行)

图2　转子变形后径向密封间隙示意(非满负荷运行)

2冷端漏风的影响[2]

2.1低温腐蚀及冷端堵灰

低温腐蚀导致空预器受热面金属破裂穿孔，使空气大量泄漏到烟气中，致使送风不足，炉内燃烧恶化，锅炉效率降低；同时，腐蚀也会加重积灰，使烟道阻力增大，造成引风机出力不足，影响燃烧室负压的维持，严重影响锅炉的安全、经济运行。

低温腐蚀主要是硫酸腐蚀。油、煤等燃料中的硫分经过燃烧后产生大量的二氧化硫，其中部分和烟气中未燃尽的氧气反应生成三氧化硫，和烟气中的水蒸气结合，形成硫酸蒸汽。硫酸蒸汽流经空预器低温段时，若烟气温度低于硫酸露点，硫酸蒸汽会凝结成腐蚀性液滴，吸附在预热器金属表面，和金属发生电化学反应，导致预热器低温段腐蚀。金属表面吸附硫酸液滴后，黏附性大大加强，烟气中灰分向金属表面的沉积速度加快，最终导致预热器冷端堵灰。

露点是衡量低温腐蚀的重要依据，对于某种固定煤种，其硫分、灰分、水分确定，露点基本确定，因此，影响硫酸蒸汽凝结的主要因素就是温度。另外，烟气含氧量对低温积灰、腐蚀会产生一些影响。图3给出了煤粉空预器在不同烟气含氧量情况下的积灰速度变化规律。从图3可见，烟气含氧量越高，积灰速度越快。

图3　含氧量对空预器积灰速度的影响

由于空气进口处压力远大于烟气出口处压力，故冷端直接漏风表现为冷空气由空气侧向烟气侧泄漏，导致排烟温度下降。该温度下降并非是空预器换热效率增加的表现，相反，由于冷端温度下降，转子低温段增高，冷端波形板产生结露的区域增加，硫酸凝结区域增大，低温腐蚀影响加剧。另外，冷端堵灰区域增大，最终带来烟空气流通速度下降、压力不足、风机负载过大、吹灰器吹灰效果下降、传热元件损伤等不利影响。

低负荷或调峰运行时，冷端漏风将导致空预器温度较设计值偏低，沉积区域将进一步扩大，对吹灰产生不利影响。

2.2其他影响

(1)冷端漏风增大，导致进入炉膛的空气量减少，增加了飞灰含碳量，减小了锅炉出力。

(2)漏风增大，提高了排烟热损失和锅炉不完全燃烧热损失，因此，降低了锅炉效率。

(3)冷端径向漏风增大，将导致一次风和二次风风量损失，为弥补这种损失，只能提高风机功率，消耗更多的电能，增加厂用电。对于风量设计裕度偏紧的风机，亦可能发生风机喘振，甚至失速。

(4)漏风增加，烟气出口流量提高，空预器下游的所有设备磨损增大，其维护量增大。

机组非满负荷运行时，冷端漏风对机组的安全运行和锅炉的效率带来诸多不利影响，在目前我国机组负荷普遍不满的情况下，降低冷端漏风率，可有效提高锅炉整体效率、降低机组煤耗。

3空预器密封形式

根据容克式空预器的结构及漏风计算理论，空预器采用了多种多样的密封形式。空预器的密封装置分动密封和静密封两类：动密封指转子和密封板之间的密封，静密封指密封板和预热器固定壳体之间的密封。

3.1动密封

大型预热器的动密封件包括中心筒密封、径向密封、轴向密封和旁路密封，如图4所示。

图4　空预器密封结构

3.2静密封

静密封包括扇形板静密封和轴向密封板静密封，即在各运动副之间焊接固定密封板，以起到密封作用。密封板要考虑金属构件的热膨胀变形条件。

3.3冷端密封方式

3.3.1固定式扇形板密封

机组安装时，转子冷端密封片与冷端扇形板预留一定间隙。在机组满负荷运行状况下，因转子受热变形，冷端密封片与冷端扇形板之间间隙减小，冷端漏风量会相对减少。

3.3.2密封片安装和转子热态变形的调整

考虑转子变形后密封面并非平面，会在中间段出现漏风间隙，因此采用下抛调节方式，能将密封片直线安装形式产生的弓形漏风区消除，降低冷端漏风量。下抛补偿量根据转子变形量计算。

3.3.3多道密封

采用多道密封的设计能减少漏风差压，从而减少漏风量。漏风量和密封道数的平方根成反比，道数过多对漏风减小不明显，因此一般只采用双道密封，少数一次风压力特别高的预热器采用3道密封。

3.3.4焊接静密封

密封板周围的密封(即静密封)能有效封堵密封板背面的漏风。在采用可调扇形板和轴向密封板设计时，静密封片和密封板之间存在间隙，会形成漏风，漏风中的灰尘磨损静密封片，导致间隙不断加大。焊接密封能有效消除这些间隙，从而有效减少漏风。

另外，还有降低烟空气压差、降低转子转速、缩小转子容积等途径。其中，预热器转速、烟气与空气的压差以及转子容积在预热器和锅炉系统完成设计后即无法改变，能采取的措施仅有减小漏风间隙和增加密封道数。

在目前回转式空预器的设计中，多数将以上几种密封方式综合利用。

4冷端漏风的控制方式

控制冷端漏风，仍然可从动密封和静密封两方面着手，采用多种方式结合的手段，达到有效控制的目的。与热端静密封方式相同，采用焊接式静密封，消除静密封片与密封板之间的间隙。

根据漏风计算，漏风控制效果比较显著的方法是控制冷端径向漏风，尤其是在机组非满负荷运行工况下。与热端径向漏风控制效果相同，冷端径向密封间隙的调整与漏风量的关系存在以下特征：(1)空预器半径越大，转子受热产生的蘑菇状变形越大，不同负荷时，径向密封间隙变动量越大；(2)空预器半径越大，对径向直接漏风的控制效果越明显，空预器整体漏风率越小。

根据以上分析，在机组非满负荷运行时，对空预器冷端径向密封间隙进行控制，是一种比较好的方向。目前，容克式空预器冷端扇形板采用的是固定式结构，即在空预器设计时，冷端转子径向密封片与冷端扇形板之间预留一定间隙，转子蘑菇状变形时，该密封间隙被弥补；但该间隙值是按照机组满负荷时即转子充分变形时设计的，非满负荷运行时，间隙将无法完全弥补，因此，可采用冷端扇形板跟随技术，将固定式扇形板改为活动式扇形板，加装扇形板驱动机构，使冷端扇形板能够跟随转子蘑菇状变形，减小径向密封间隙，以达到减少直接漏风的目的，其达到的最终效果与热端间隙调整效果相似。

在结构形式上，冷端扇形板与热端扇形板相似，由固定式改为活动式，需要将冷端扇形板靠近中心筒处改为铰接结构，驱动机构安装在扇形板端部，需要对扇形板运动位置进行检测，以及时检测密封间隙值，避免扇形板与转子之间产生卡涩。根据现有空预器分仓结构，冷端梁有足够空间安装该设备，且无需进行大的结构更改。通过采取温度控制模式、系统安全保护技术、行程监测技术、空预器安全保护技术(电流保护、停转保护等)，完全可以保证空预器的安全运行。

冷端扇形板跟随技术难度不大，成本相对较低，漏风控制效果也较为明显。

另外，还有其他几种形式可以借鉴。

(1)采用多道密封和焊接式密封。目前，多数回转式空预器多采用双道甚至3道密封，此种方式结合冷端扇形板跟随系统，漏风控制效果更为明显。

(2)加装柔性密封结构。在现有径向密封的基础上，增加一道柔性密封结构，柔性密封结构稍高于原有密封，从两方面减少漏风：1)转子旋转时，柔性密封直接与扇形板接触，减少漏风通道面积；2)柔性密封与原有密封之间存在一定距离，间接增加了密封道数。

以上密封方式在回转式空预器冷、热端均可使用，但需要考虑以下问题：(1)直接漏风与密封道数的平方根成反比，密封道数越多，其边际效应越小；(2)柔性密封结构与扇形板之间会发生接触摩擦，对扇形板和密封片材料要求较高，包括柔性密封材料的耐磨性能、热力学性能等，另外，对扇形板的损伤也应该考虑在内；(3)柔性密封结构与扇形板的摩擦增加了一部分摩擦扭矩；(4)增加了初次成本投入及后续备件的采购成本。

5结束语

冷端漏风的存在，会对火电机组的运行，尤其是非满负荷工况下的运行带来诸多不利影响，对冷端漏风进行控制，是空预器漏风控制理念的进一步发展。立足于现有技术水平，综合采用多道径向密封、柔性密封和冷端扇形板跟随技术，可以进一步降低回转式空预器的漏风量，对提高机组效率、提升空预器运行工况、延长设备使用寿命、降低风机能耗具有较好的现实意义。

参考文献：

[1]程新华.回转式空气预热器的漏风原因分析及防治[J].山东电力技术，2008(6)：43-46.

[2]国家电力公司电力机械局，中国华电工程(集团)公司，中电联标准化中心. 电站锅炉空气预热器[M].北京：中国电力出版社，2002：38-43.

(本文责编：刘芳)

收稿日期:2015-10-09；修回日期:2016-04-14

中图分类号：TK 223.3+4

文献标志码：B

文章编号：1674-1951(2016)04-0015-03

作者简介：

杜艳青(1982—)，男，河南信阳人，工程师，从事回转式空气预热器设计方面的工作(E-mail:daniel_dule@163.com)。