回转式空气预热器漏风因素分析及对策.doc

回转式空气预热器漏风因素分析及对策
孙长祥，陈加功，吕兆聚
（济南锅炉集团有限公司，山东济南　250023）
摘　要：容克式空气预热器是大中型电站锅炉上广泛采用的尾部换热设备，漏风率高是该类设备的致命缺点，所以在容克式空气预热器技术中，防止或降低漏风即密封技术占有很重要的地位。文中推导空气预热器漏风的一般性计算公式，分析影响漏风的因素，提出了采用双密封技术，新结构静密封，安装漏风自动控制系统等降低漏风的对策。
    关键词：空气预热器；对策；压差；间隙；漏风
容克式空气预热器是大中型电站锅炉上广泛采用的尾部换热设备，它的主要作用是：①进一步降低锅炉排烟温度，提高锅炉效率，从而达到节约燃料的目的；②提高了送入锅炉的用于燃烧的空气温度，有利于火焰的稳定性，并提高了燃料的燃尽程度，即提高了燃烧效率；③提高了整台设备内烟气的温度水平，增大了与工质间的温压，从而强化了传热过程。
　　容克式空气预热器同管式相比，具有结构紧凑、钢耗少，容易布置等优点，但是容克式空气预热器漏风率高却是难以解决的问题，是该类设备的致命缺点，所以在容克式空气预热器技术中，防止或降低漏风即密封技术占有很重要的地位。纵观回转式空气预热器的发展历史，可以说在一定程度上是密封技术发展的历史。空气预热器的漏风会导致机组热力工况的变化，随着漏风量的增加，热风温度下降，排烟温度也下降，排烟温度下降又导致冷端受热面壁温降低，加速了低温腐蚀的过程；漏风还影响机组运行的经济效益，它一方面降低了机组的热效率，另一方面增加了通风机械的功率消耗，使企业发电煤耗和供电煤耗增加。从漏风的机理及其规律出发，论述降低漏风的理论途径。
1　漏风的机理及其规律
　　容克式空气预热器主要有筒形转子和外壳组成，转子是运动部件，外壳是静止部件，动静部件之间肯定有间隙存在，这种间隙就是漏风的渠道。空气预热器同时处于锅炉岛烟风系统的进口和出口，空气侧压力高，烟气侧压力低，二者之间存在压力差，这是漏风的动力。由于压差和间隙的存在造成的漏风称为直接漏风。还有一种漏风叫结构漏风，是由于转子内具有一定的容积，当转子旋转时，就像水车一样，必定携带一部分气体进入另一侧。结构漏风量的计算公式为

　　式中：△Vxd为结构漏风量，m3／s；D为转子内径，m；d为中心筒直径，m；n为转子旋转速度，r／min；y为转子内金属所占容积份额；h为转子高度，m。
　　结构漏风是容克式空气预热器的固有特点，是不可避免的。由公式看出，结构漏风量与转子内容积及转速成正比，为了降低结构漏风量，在满足换热性能的前提下，尽量选择较低的转速，因为在转速大于1．5 r／min时，提高转速对传热不再有益；转子内尽量充满传热元件，增加金属所占容积份额，提高y值，即转子高度不要留有太多的剩余空间。
　　结构漏风量占预热器总漏风量的份额较少，空气预热器的漏风主要是直接漏风，直接漏风量的计算公式可以按如下方法推导出来。把空气侧和烟气侧视为两个一壁之隔的充满气体的无限大容器，空气通过间壁上的微小间隙泄漏到烟气侧，如图1，根据粘性流体的伯努利的方程得到

　　式中：PA为空气侧压力，Pa；PG为烟气侧压力，Pa；ρ为空气密度，kg／m3；g为重力加速度；hω为泄漏阻力，具有长度单位，m。

    根据流速、流量、流通截面积之间的关系，有

　　国际上习惯于用单位时间内泄漏的气体质量G来表示漏风量，则

    这就是空气预热器漏风量的基本计算公式，式中△P为空气侧与烟气侧的压力差，该式与美国ABB-APC公司提供的计算公式形式是一样的，公式中气体密度ρ是基本不变的，因此，影响漏风的主要因素是：系数K；间隙面积F；空气侧与烟气侧之间的压力差△P。本公式适用于回转式空气预热器的径向密封，轴向密封，静密封和中心环向密封。
2　漏风因素的分析及对策
　　由公式（8）看出，漏风量与泄漏系数K、间隙面积F、空气与烟气的压力差△P的平方根成正比，要降低漏风量，就必须降低K，F，△P值。下面分别论述降低K，F，△P值的有关措施。
2．1　降低泄漏系数K的措施——双重密封或多重密封
　　自从1984年中国由机械工业部牵头，哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂、东方锅炉厂三大锅炉厂家联合引进美国CE公司空气预热器技术以来，中国的空气预热器基本上都是采用同一结构，密封技术大同小异。28号以下预热器，转子为12分仓，扇形仓角度为30°，扇形密封板角度也是30°；28．5号以上预热器，转子为24分仓，扇形仓角度为15°，扇形密封板角度也是15°。这样在一般情况下，只有一条径向密封片与扇形板密封面相接触，形成单径向密封。轴向密封和静密封也都是单密封，轴向密封和静密封也都是单密封，轴向密封板的宽度对应于一个扇形仓外圆弧玄长，静密封仅仅在烟气侧布置迷宫式结构。1996年，英国豪顿公司进入中国大陆市场，带来了空气预热器的中心传动技术和双密封技术。双密封技术主要是指双径向密封和双轴向密封，所谓双密封，就是在任何时候都有两条密封片与密封板相接触形成两个密封，如图2。双密封降低漏风的原理推导如下：采用单密封时，烟气与空气只有一壁之隔；采用双密封时，烟气与空气被过度区域隔开。在工况相同间隙相同的情况下，采用双密封结构时，漏风先从空气区泄漏到过度区，再从过度区泄漏到烟气区，如图2，假定过度区压力为PM，那么应该存在如下关系式。

    根据流体力学的流体连续性原理得

把等式（12）与等式（8）相比较，可以看出，双密封技术可以把泄漏系数K降低30％，漏风量降低30％。另外，双径向密封还可以减轻转子多边形变形，减少环向间隙，降低环向漏风；双静密封可以缓解热端轴承处向外漏热风和密封板调节机构处向外漏热风。
　　由公式（12）得到启示，既然双密封可以把泄漏压差降低一半，那么采用多重密封会怎样呢？经过试验推导得出，当采用多重密封时，漏风量为

式中：n为多重密封数。
　　由公式（13）看出，密封数越多，降低泄漏系数K越大。但是，由于操作空间的限制和制造成本的提高，不可能采用多重密封，一般取n＝2。
　　另外，根据公式（8）知道，一个完整的单密封的泄漏系数为

　　把公式（15）和（14）相比较，可以看出，多重密封相对于单密封，实际上是增加了气体由空气侧到烟气侧的泄漏阻力，阻力系数由ζ变成了nζ。因此，根据这种理解，在工程实际中，可以设计出并非完整的多重密封。例如，在电厂改造单密封预热器时，如果不更换传热元件，可以采取图3所示的简易双密封方案，在此方案中，虽然新加的一道径向密封隔板不完整，但是却增加了气体泄漏的阻力，1＜n＜2。根据实践，此方案效果良好。
2．2　空气侧与烟气侧的压力差△P的控制
　　在回转式空气预热器中，空气侧与烟气侧的压力差是由锅炉系统的阻力决定的，锅炉系统内空气和烟气的流程如图4。在预热器的空气进口，空气压力为Pai，空气经过预热器后，由于空气侧的阻力，空气出口压力为

热空气送入锅炉后参加燃烧，变成烟气，由于锅炉的阻力，在预热器的烟气入口，烟气压力为

    烟气通过预热器后，由于烟气侧的阻力，烟气出口压力为

由公式（16）、（17）看出，预热器热端压差等于锅炉阻力，预热器冷端压差等于锅炉阻力和预热器总阻力之和。因此，要控制预热器的烟风压差，就要在锅炉总体设计时选择合适的磨煤机型号、燃烧器型式和受热面布置，降低系统的阻力，并防止尾部结露。在预热器设计时，装设吹灰器、水冲洗装置以及风压测量管道，在运行过程中，进行正常有效的吹灰，否则，随着运行时间的延长，因积灰堵塞而造成阻力增加和冷端压差增加，预热器漏风率升高。在停炉维修时，进行水冲洗，保持受热面清洁，清洗后一定要烘干后再投入使用。蒸汽吹灰时一定要保证吹灰蒸汽压力和过热度，否则将加剧积灰堵塞。有些电厂因吹灰蒸汽达不到品质要求，又没有其它形式的吹灰器，干脆不吹灰，因而随着运行时间的延长，积灰加重，阻力增加，漏风率越来越大。
2．3　降低间隙面积F的措施
　　空气预热器漏风量与间隙面积成正比，控制间隙面积可以有效地控制漏风。漏风间隙包括热端径向密封间隙、冷端径向密封间隙、轴向密封间隙和静密封间隙，间隙越小越好，但是间隙不可能为零，更不能为负值，因为间隙太小会造成设备磨损，影响使用寿命。下面分别介绍控制各个间隙的措施。
2．3．1　选择合理的转子直径间隙面积的计算公式为
　　F＝δ·L
式中：δ为间隙宽度；L为间隙长度。
　　间隙长度L与转子直径有关，转子直径越大，间隙越长，径向间隙长度为
　　Lr＝R－r
式中：R为转子半径；r为中心轴（筒）半径。环向密封间隙长度为
　　Lcir＝2πR
为了控制间隙长度，必须合理选择转子直径。选择转子直径的原则有两个：一是确保烟气和空气在预热器内有适当流速，烟气在空气预热器内的最佳流速为8～12 m／s，空气流速等于或略低于烟气流速。二是空气预热器是锅炉系统的一部分，空气预热器的总阻力不能太高，根据美国ABB－APC公司的技术资料，空气预热器烟气侧阻力加上空气侧阻力之和应小于127 mm水柱。因为阻力与气体流速和受热面高度有关，流速越大，受热面越高，阻力越大，所以当受热面较高时，可以选用较低流速，即较大转子直径；当受热面较低时，可以选用较高流速，即较小转子直径。
2．3．2　热端径向间隙的控制
　　热端径向间隙是空气预热器漏风的主要渠道，必须严格控制。热端径向密封片在安装调整时，一般安装成直线，内外侧间隙均为0 mm，在热态运行时预热器发生复杂的综合变形，尤其是转子的蘑菇状变形，使热端径向间隙增大，如果不采取措施的话，预热器65％的漏风发生在热端径向间隙。现代预热器一般都采用冷端支撑热端导向定位的结构，热端扇形板内侧吊挂的中心轴上，外侧吊挂在中心桁架上。预热器发生变形之后，热端扇形内侧随着转子中心轴膨胀向上移动，所以内侧间隙是不变的，而外侧间隙则由于转子的蘑菇状下垂和外壳增长而增大。外侧间隙的计算公式为

式中：δr－h为热端径向密封外侧间隙，δt为转子蘑菇状变形下垂量；δh为外壳膨胀量；δb为冷端中心桁架弯曲量（挠度）；δp为中心筒膨胀量；δsp为支撑端轴膨胀量。
　　50 MW锅炉机组6 m预热器，这一间隙可达10mm；600 MW锅炉机组15 m预热器这一间隙可达50mm。为了弥补这一间隙，可以采取以下措施。
　　①安装漏风自动控制系统。安装漏风控制系统后，热态运行时，漏风控制系统根据转子变形下垂量的多少，由电脑控制，自动提升或下放扇形板外端，使密封间隙始终保持在设定的范围内，如图5所示，从而达到对漏风自动控制的目的，提高整个机组的运行效率。由于转子上端面变形为曲线，为了使热端扇形板与密封片之间形成均匀一致的间隙，防止磨损，有时需折线安装热端径向密封片。

　　②确保转子垂直度。如果转子不垂直，就不能保证扇形板、弧形板在同一密封面上，三向（径向、轴向、旁路）密封间隙的调整和控制更无从谈起，因此转子找正是调整密封间隙的前提条件。
　　③径向密封片的安装要以靠尺为基准，确保径向密封片的高度差小于1 mm。
2．3．3　冷端径向间隙的控制
　　由于冷端压差大于热端压差，冷端气体密度大于热端密度，因此冷端径向漏风是空气预热器漏风的重要因素，冷端间隙必须得到有效的控制。冷端间隙的控制一般采用冷态预留热态弥补的办法，即在冷态安装调整时，冷端内侧间隙为0 mm，而外侧预留出一定间隙；热态运行时，内侧间隙由0 mm变为支撑端轴的膨胀值，外侧间隙由于转子的蘑菇状下垂变为0mm。这样一来预留间隙的计算就非常重要，根据美国ABB－APC公司的技术资料，冷端预留间隙的计算公式为

式中：α为平均温度Tav时的材料线性膨胀系数，／℃，其值可以根据表1选取；△T为转子上下端温差，℃；Tai为空气进口温度，℃；Tao为空气出口温度，℃；Tgi为烟气进口温度，℃；Tgo为烟气出口温度，℃；H为传热元件高度，m；αsp为支撑端轴膨胀系数，／℃；△Tsp为支撑端轴温差，℃；Lsp为支撑端轴长度，m。
　　支撑端轴膨胀量很小，一般不大于1 mm，可以忽略不计。根据以上公式进行正确计算，冷端漏风可以减低到最低水平。冷端扇形板一般在用螺杆支撑在中心桁架上，如果预留间隙偏大，可以手动均匀调整冷端扇形板。

2．2．4　轴向密封间隙的控制
　　现代大型预热器一般都装有轴向密封装置，当旁路密封（环向密封）不良时，轴向密封可以防止气体通过外壳与转子之间的环形通道绕到烟气侧，也就是说，轴向密封起到第二条防线的作用。实际上，旁路密封的生产和安装精度不易保证，再加上旁路密封片的磨损，旁路漏风是存在的。当旁路密封所泄漏空气从冷端进入转子与外壳之间后，又分为两个去向，一部分通过轴向密封间隙泄漏到烟气侧，一部分又从另一端汇入到空气风道中。为了控制轴向漏风，可以采取以下措施。
　　①保证旁路密封质量，减轻轴向密封负担，如现场车加工旁路密封面。
　　②冷端元件装卸门加装填料，防止额外环向泄漏。
　　③根据转子半径膨胀量，正确预留轴向密封间隙。
2．3．5　静密封间隙的控制
　　现代大型预热器，为了保证扇形板和轴向密封板的可调性，在扇形板与中心桁架之间，轴向密封板与外壳之间，都装有静密封，早期的静密封都是迷宫式结构，如图2，由于这种密封结构的螺栓易松动和部件易磨损，往往造成漏风，已逐渐被淘汰。现在填压式静密封和金属胀缩节式静密封得到越来越多的应用。
3　结束语
　　通过以上分析和论述，减低空气预热器的漏风的措施归纳如下。
　　①合理选择预热器型号，尽量选用低转速，提高转子充满度，降低结构漏风。
    ②使用双重密封或多重密封。
    ③安装漏风自动控制系统。
　　④设置可调性扇形板和轴向密封板，正确计算转子变形量。
    ⑤保证密封间隙的均匀一致性。
    ⑥采用新结构静密封。
    ⑦保证转子和扇形板的水平度。
    ⑧进行有效吹灰，保持受热面清洁。