回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器——一種非接觸自補(bǔ)償式熱端徑向密封控制技術(shù)

丁有成，陳 治，解文超，武 輝

（1.廣西投資集團(tuán)北海發(fā)電有限公司，廣西 北海 536000；2.華大鼎誠（北京）電力技術(shù)有限公司，北京 100000）

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器主要由筒形轉(zhuǎn)子和固定部分的外殼部件組成，這就造成預(yù)熱器在轉(zhuǎn)動時，動靜部件之間存在間隙，而漏風(fēng)主要就是由這些間隙造成的?？疹A(yù)器布置在鍋爐尾部煙道中，進(jìn)出口通過過渡煙道和過渡風(fēng)道與鍋爐相連接，由于空氣側(cè)的靜壓高，煙氣側(cè)為負(fù)壓，空氣側(cè)和煙氣側(cè)之間存在壓力差，這就是漏風(fēng)的動力。由動靜之間的間隙和煙氣空氣之間的壓力差造成的漏風(fēng)就是預(yù)熱器的直接漏風(fēng)，也是預(yù)熱器的主要漏風(fēng)，約占總漏風(fēng)量的80%。還有一種漏風(fēng)是攜帶漏風(fēng)，由于預(yù)熱器轉(zhuǎn)子的內(nèi)部空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，就像水車一樣，必定攜帶一部分氣體進(jìn)入另一側(cè)，攜帶漏風(fēng)是回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器的固有特點(diǎn)，是不可避免的，而直接漏風(fēng)則可以通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來控制。

1 預(yù)熱器漏風(fēng)介紹

1.1 直接漏風(fēng)

由于空預(yù)器轉(zhuǎn)子和殼體之間的間隙與煙氣空氣之間的壓力差造成的漏風(fēng)叫作空預(yù)器的直接漏風(fēng)，發(fā)生在空預(yù)器的密封間隙處。直接漏風(fēng)的計算公式為

式中：Area為漏風(fēng)間隙處的通流面積，m2；ρ為漏風(fēng)部位實際的空氣密度，kg/m3；△P為空預(yù)器密封間隙兩側(cè)煙氣和控制之間的壓力差，kPa；Z為密封隔板的道數(shù)。

1.2 攜帶漏風(fēng)

空預(yù)器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，會將積存在預(yù)熱器轉(zhuǎn)子內(nèi)部的空氣和煙氣隨轉(zhuǎn)動攜帶到下一分倉內(nèi)，其中攜帶的空氣被帶入煙氣分倉內(nèi)，這部分漏風(fēng)被稱為攜帶漏風(fēng)，計算公式為

式中：Ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度，rpm；Vrotor為轉(zhuǎn)子內(nèi)部空余的空間；ρa(bǔ)vg為轉(zhuǎn)子內(nèi)部空氣的平均密度。

1.3 總漏風(fēng)量和漏風(fēng)率

總漏風(fēng)量的計算公式為

式中：Lair為總漏風(fēng)量，kg/s；K為考慮安裝、運(yùn)行影響的修正系數(shù)，一般為1.7～1.8；ΣLdi為各部位直接漏風(fēng)量之和。

漏風(fēng)率定義為漏到煙氣中的空氣重量占煙氣進(jìn)口重量的百分率，公式如下

式中：AL為漏風(fēng)率，%；Wg.in為預(yù)熱器煙氣進(jìn)口流量，kg/s；Lair為總漏風(fēng)量，kg/s。

一次風(fēng)、二次風(fēng)泄漏率定義為進(jìn)出口空氣流量差占預(yù)熱器進(jìn)口空氣重量的百分率，公式如下

式中：Ap、As分別為一次風(fēng)、二次風(fēng)泄漏率，%；Wp.in、Ws.in分別為預(yù)熱器一次風(fēng)、二次風(fēng)進(jìn)口流量，kg/s；Wp.out、Ws.out分別為預(yù)熱器一次風(fēng)、二次風(fēng)出口流量，kg/s。

在三分倉預(yù)熱器中，當(dāng)一次風(fēng)漏入二次風(fēng)的量（對轉(zhuǎn)向為煙氣→一次風(fēng)→二次風(fēng)的預(yù)熱器，還有一次風(fēng)隨轉(zhuǎn)動攜帶入二次風(fēng)）大于二次風(fēng)漏入煙氣的量時，二次風(fēng)泄漏率會出現(xiàn)負(fù)值。

2 預(yù)熱器漏風(fēng)對鍋爐的影響

（1）空預(yù)器漏風(fēng)增加會造成引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷加大，引起風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流增大，當(dāng)漏風(fēng)率下降后，三大風(fēng)機(jī)電流也會下降，尤其是一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)電流下降更加明顯，引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)節(jié)電能力效果顯著。根據(jù)電力學(xué)會對多臺機(jī)組工程研究表明，空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率每下降1%，對應(yīng)使用6.3 kV三相電源的三大風(fēng)機(jī)總電流下降5%～8%。

（2）空預(yù)器的旁路漏風(fēng)會導(dǎo)致冷空氣不被加熱而直接混入熱風(fēng)中，會使空預(yù)器換熱效率下降，旁路漏風(fēng)每增加1%，空預(yù)器換熱效率降低0.5%?？疹A(yù)器熱端的徑向漏風(fēng)使熱風(fēng)直接混入熱煙氣，這將導(dǎo)致煙氣溫度降低，攜帶漏風(fēng)由于同時存在煙氣攜帶如空氣的情況，也會引起空預(yù)器換熱效率降低。

（3）嚴(yán)重的空預(yù)器漏風(fēng)會影響鍋爐制粉系統(tǒng)出力，嚴(yán)重時會使鍋爐無法帶滿負(fù)荷。

（4）漏風(fēng)率大，勢必會造成密封片風(fēng)蝕嚴(yán)重，每年至少需要更換一次密封片，每單臺爐需要更換密封片的費(fèi)用約幾十萬元。

（5）漏風(fēng)率大還會使煙氣溫度降低，尤其在冷端容易引起低溫結(jié)露，從而引起低溫段堵灰、腐蝕，增加維修和沖洗成本，嚴(yán)重時還會影響設(shè)備壽命。

3 預(yù)熱器漏風(fēng)部位的可控性分析

空預(yù)器的攜帶漏風(fēng)主要和空預(yù)器本身的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、受熱面高度、換熱元件充滿度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等密切相關(guān)，是無法控制的。而對空預(yù)器的直接漏風(fēng)則可以通過控制密封間隙來進(jìn)行控制，下面就空預(yù)器各部位的漏風(fēng)進(jìn)行簡單的說明。根據(jù)漏風(fēng)的部位，直接漏風(fēng)可分為徑向漏風(fēng)、軸向漏風(fēng)和旁路漏風(fēng)。其中徑向漏風(fēng)又可分為熱端徑向漏風(fēng)和冷端徑向漏風(fēng)，旁路漏風(fēng)可分為內(nèi)側(cè)中心筒漏風(fēng)和外緣環(huán)向漏風(fēng)。

空預(yù)器的徑向漏風(fēng)占直接漏風(fēng)總量的70%～80%，軸向和旁路漏風(fēng)占20%～30%。徑向密封的漏風(fēng)主要在熱端產(chǎn)生，這是因為空預(yù)器熱態(tài)時轉(zhuǎn)子受熱會產(chǎn)生蘑菇狀熱變形，轉(zhuǎn)子變形后熱端的密封間隙會越來越大，漏風(fēng)量也就越來越大，而冷端會越來越小，故熱態(tài)時熱端的徑向漏風(fēng)又占徑向漏風(fēng)總量的70%～80%，冷端占20%～30%。而軸向漏風(fēng)主要通過旁路的漏風(fēng)進(jìn)行泄漏，所以軸向和旁路漏風(fēng)可視為一體。

因此計算可知，熱態(tài)時熱端徑向的漏風(fēng)占總漏風(fēng)率的50%～65%。因此控制空預(yù)器熱態(tài)時熱端徑向的漏風(fēng)，就能控制住空預(yù)器的總漏風(fēng)率。

4 預(yù)熱器的常規(guī)密封結(jié)構(gòu)

空預(yù)器的密封裝置分動密封和靜密封2類。動密封指轉(zhuǎn)動部件和殼體密封板之間的密封，靜密封指殼體密封板和預(yù)熱器固定本體之間的密封。

4.1 動密封

空氣預(yù)熱器的動密封組件包括：轉(zhuǎn)子中心筒密封、徑向密封、軸向密封（小型預(yù)熱器不設(shè)）和旁路密封（外緣環(huán)向密封）。密封片采用由薄鋼板加工成的片形/環(huán)形板件，如圖1所示。殼體密封板用來封閉轉(zhuǎn)子格倉，如圖2所示。

圖1 密封片

圖2 殼體密封板

中心筒密封的作用是減少上下端軸部位的空氣進(jìn)入靜密封卷筒內(nèi)部，通過卷筒間隙泄漏到煙氣側(cè)的漏風(fēng)。運(yùn)行間隙一般留1～2 mm。徑向密封用來減少冷熱端的轉(zhuǎn)子徑向隔板和殼體固定改善型板之間的漏風(fēng)量。軸向密封用來減少轉(zhuǎn)子徑向隔板和固定的軸向密封板之間的漏風(fēng)量。旁路密封用來減少從轉(zhuǎn)子外周和預(yù)熱器殼體之間的不參與換熱的旁通煙空氣量。

采用密封片和密封板是為了實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)密封間隙，彌補(bǔ)預(yù)熱器構(gòu)件龐大造成的殼體和轉(zhuǎn)子間間隙不均勻、密封表面不平整的不足。

在采用全模塊設(shè)計方式時，為避免相鄰模塊重疊的2塊徑向隔板之間出現(xiàn)氣流通道，設(shè)置有相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 模塊之間密封

動密封中的密封片，在運(yùn)行中為允許磨損構(gòu)件，采用耐硫酸腐蝕材料制造，材質(zhì)有考登鋼、普通不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）、耐硫酸腐蝕不銹鋼（316L）、聚四弗乙烯板材等，徑向和軸向密封片厚一般為1.5～3 mm，中心筒密封片厚度5～8 mm。安裝需超出轉(zhuǎn)子上的固定件5～6 mm（如密封角鋼、密封端板等處）。為減輕和密封板間的磨損，徑向和軸向密封片邊緣適當(dāng)輕微折邊，但這樣設(shè)計需使密封片安裝方向和轉(zhuǎn)向吻合。中心筒密封片由于厚度較厚，為避免磨損扇形板，和扇形板間留5～6 mm間隙。密封片和密封板之間間隙數(shù)值，需根據(jù)轉(zhuǎn)子變形和預(yù)熱器各部分膨脹量計算情況設(shè)定，并附加留有1～3 mm的安全運(yùn)行間隙。

密封板的覆蓋角度根據(jù)密封道數(shù)來確定，采用多少道密封設(shè)計方案，密封板需覆蓋幾道相同數(shù)目的轉(zhuǎn)子倉格。密封板在安裝時可以調(diào)節(jié)位置，留出和密封片間的需要間隙值。密封板設(shè)計有運(yùn)行階段可調(diào)和固定2種設(shè)計方案。

4.2 靜密封

靜密封包括扇形板的靜密封和軸向密封板的靜密封。設(shè)計有單側(cè)布置和雙側(cè)布置2種方案，目前常用雙側(cè)布置。配合密封板的運(yùn)行階段是否可調(diào)，也分可調(diào)式和焊接固定式。如圖4所示。

固定結(jié)構(gòu)設(shè)計較為簡單，僅將密封片和殼板及密封板焊妥即可。

在扇形板尾部和軸向密封板上方，在熱態(tài)運(yùn)行時，由于殼體的密封板和預(yù)熱器外殼溫度不同，需要考慮一定的熱膨脹位移，同時，考慮密封片需做安裝和運(yùn)行階段的位置調(diào)整，密封板和殼體間需留有密封間隙，但這個間隙會導(dǎo)致較大漏風(fēng)，密封結(jié)構(gòu)應(yīng)能兼顧密封板調(diào)節(jié)和吸收膨脹間隙需要。圖4中，密封板的夾板可保證密封條緊貼著密封板端部，預(yù)熱器殼體夾板則保證密封條貼緊外殼法蘭，但密封條能隨密封板膨脹和調(diào)節(jié)時滑動，始終起到堵塞漏風(fēng)間隙的作用。

圖4 密封板端部密封

5 目前市場上常見的空預(yù)器密封型式

5.1 非接觸固定式剛性硬密封

這種技術(shù)的結(jié)構(gòu)一般是將轉(zhuǎn)子格倉細(xì)分為48格倉，將扇形板做成22.5°，實現(xiàn)三密封的結(jié)構(gòu)（圖5），根據(jù)設(shè)計計算出的膨脹間隙值，在冷態(tài)時將轉(zhuǎn)子各部位密封間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)，預(yù)留出足夠的膨脹距離，在熱態(tài)時不需要任何維護(hù)調(diào)節(jié)。雖然維護(hù)方便，密封效果居中，但使用壽命短，運(yùn)行一段時間就會造成積灰。為了保證運(yùn)行安全性，密封片較薄，若煤質(zhì)（如褐煤）灰分高，運(yùn)行短短數(shù)月就會因飛灰磨損和腐蝕需要進(jìn)行更換。為了保證熱態(tài)運(yùn)行時安全穩(wěn)定，密封間隙一般都是按滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行計算，在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時，由于密封間隙較大，仍存在漏風(fēng)較大的情況，同時，當(dāng)運(yùn)行異常（如煙溫異常）時，容易造成轉(zhuǎn)子卡死的情況產(chǎn)生。

圖5 非接觸剛性硬密封

5.2 接觸式柔性軟密封

這種技術(shù)的結(jié)構(gòu)是將剛性的硬密封片改變?yōu)閺椈墒?、鋼絲刷式或接觸薄片式等結(jié)構(gòu)，在冷態(tài)時將其調(diào)節(jié)和預(yù)熱器的扇形板、弧形板相接觸，在熱態(tài)時雖然轉(zhuǎn)子產(chǎn)生變形，但利用彈簧、鋼絲刷等結(jié)構(gòu)可使密封片產(chǎn)生自補(bǔ)償功能，使漏風(fēng)間隙值減小，從而達(dá)到控制漏風(fēng)率的目的（圖6）。但其使用壽命較短，彈簧和鋼絲刷會隨著磨損損壞，彈性易變形、松動和失效等，也會降低空預(yù)器轉(zhuǎn)速，對空預(yù)器扇形板和弧形板磨損很大。單塊扇形板每分鐘被密封裝置撞擊48次，以年運(yùn)行6 000 h計算，扇形板每年內(nèi)被磨損48×60×6 000=1 728萬次，嚴(yán)重?fù)p壞扇形板。而每分鐘彈簧經(jīng)過3塊扇形板，壓縮彈起3次，仍以年運(yùn)行6 000 h計算，彈簧每年需壓縮彈起3×60×6 000=108萬次，實際彈簧使用壽命僅2～3萬次，可見彈簧一個月內(nèi)就會失效。該密封裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行可靠性差；密封裝置體積較大，自重較高，且增加了空預(yù)器內(nèi)部空氣/煙氣流通阻力，帶來許多不利影響。

圖6 接觸式軟密封結(jié)構(gòu)

5.3 扇形板自動跟蹤式結(jié)構(gòu)

空預(yù)器的熱端采用間隙自動跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)的原理：空預(yù)器在熱態(tài)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子會發(fā)生蘑菇狀的熱態(tài)變形，導(dǎo)致熱端徑向出現(xiàn)很大的漏風(fēng)間隙。該處的漏風(fēng)間隙一般和空預(yù)器轉(zhuǎn)子直徑的平方成正比，采用漏風(fēng)間隙自動跟蹤系統(tǒng)，通過調(diào)整設(shè)置在徑向的扇形密封板的高低位置，可自動升降，調(diào)節(jié)扇形板與轉(zhuǎn)子的徑向密封片間隙來降低漏風(fēng)率（圖7）。這種密封方式的缺點(diǎn)是，扇形板自動間隙跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，跟蹤探頭等主要部件故障率高，設(shè)備維護(hù)成本高，運(yùn)行可靠性差。

圖7 扇形板自動跟蹤式結(jié)構(gòu)

5.4 四分倉設(shè)計

在空氣側(cè)設(shè)計為三分倉結(jié)構(gòu)，將一次風(fēng)放置在二次風(fēng)之間，利用壓差小的原理將漏風(fēng)率降低（圖8）。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煙風(fēng)道布置困難，影響換熱，故一般僅在大型CFB鍋爐上，當(dāng)一次風(fēng)壓力高于17 kPa時才用此種辦法。

圖8 四分倉設(shè)計結(jié)構(gòu)

5.5 抽氣疏導(dǎo)式密封

在熱端和冷端扇形板的中間位置開槽，增加1臺抽氣風(fēng)機(jī)，將向煙氣側(cè)泄漏的空氣用此抽氣風(fēng)機(jī)從扇形板開口處抽走，重新送回風(fēng)道（圖9）。這種方式需額外增加1臺抽氣風(fēng)機(jī)的功耗，利用漏風(fēng)率計算公式的空子，使煙氣側(cè)檢測不出氧量，故漏風(fēng)率計算值極小，但整體系統(tǒng)節(jié)能性需論證。且風(fēng)機(jī)需耐高溫耐磨損，易泄漏。

圖9 疏導(dǎo)式漏風(fēng)抽取系統(tǒng)

6 非接觸自補(bǔ)償式密封控制技術(shù)的原理和結(jié)構(gòu)

空氣預(yù)熱器的轉(zhuǎn)子在熱態(tài)時發(fā)生蘑菇狀變形，這是因為冷熱端的溫差使轉(zhuǎn)子各部位熱膨脹量不同而引起的。轉(zhuǎn)子熱態(tài)蘑菇狀變形發(fā)生的位置在密封片和扇形板之間，造成冷、熱態(tài)扇形板和密封片之間的間隙變化很大，產(chǎn)生漏風(fēng)區(qū)域，造成較大泄漏。故轉(zhuǎn)子冷熱態(tài)之間有交點(diǎn)，此點(diǎn)成為膨脹零點(diǎn)（圖10）。

圖10 膨脹零位示意圖

在此膨脹零點(diǎn)處將轉(zhuǎn)子徑向隔板切斷，或?qū)⒚芊馄袛?，在零點(diǎn)處作為固定端采用焊接或螺栓緊固的方式將其和原轉(zhuǎn)子徑向隔板固定，將另一側(cè)作為滑動端，使其和轉(zhuǎn)子隔板之間既緊密貼合又保證可滑動，就能在熱態(tài)利用熱膨脹的原理控制此處的蘑菇狀變形。

該技術(shù)結(jié)合了非接觸式密封和接觸式密封的優(yōu)點(diǎn)，具有非接觸特性，轉(zhuǎn)子和密封板之間無磨損，使用安全性高，使用壽命長。同時具有自補(bǔ)償特性，可保證密封片和密封板之間的間隙恒久不變，即使在熱態(tài)時仍能維持和冷態(tài)一樣的相對位置，自補(bǔ)償密封裝置和原隔板之間可以自由滑動，兩者緊密貼合無法漏風(fēng)。消除常規(guī)非接觸式密封對熱態(tài)時間隙變大無法控制的缺點(diǎn)，利用金屬熱膨脹率不同的原理，實現(xiàn)密封間隙的自補(bǔ)償，使用經(jīng)濟(jì)效益好，漏風(fēng)率低。

該技術(shù)的具體實施方法包括以下步驟。

第一步：計算金屬的熱膨脹量確定轉(zhuǎn)子中心在熱態(tài)時向上的變形量

式中：H為轉(zhuǎn)子高度；λ為鋼材熱膨脹系數(shù)；Δt為平均溫差；L為轉(zhuǎn)子中心在熱態(tài)時向上的變形量。

第二步：確定轉(zhuǎn)子熱端外緣在熱態(tài)時向下的變形量

式中：F為轉(zhuǎn)子外緣熱膨脹系數(shù)；R為轉(zhuǎn)子半徑；L1為轉(zhuǎn)子外緣變形量。

第三步：根據(jù)已知的兩端變形量畫圖確定膨脹交點(diǎn)，交點(diǎn)處即為膨脹零點(diǎn)。

第四步：將密封件一端固定在隔板2的膨脹零點(diǎn)，另一端與隔板2通過滑槽或軌道滑動連接。

如圖11所示，回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器隔板2在熱態(tài)時會產(chǎn)生蘑菇狀的變形，這是由于轉(zhuǎn)子溫差造成的，溫差會引起金屬的熱膨脹，溫差越大膨脹量越大，冷熱態(tài)之間有2個膨脹零點(diǎn)，其相對位置不隨溫差變化而改變。圖中實線為不受熱時隔板2的形狀，虛線為受熱時隔板2的形狀，實線和虛線的交叉點(diǎn)即為膨脹零點(diǎn)。

圖11 膨脹零位定位簡圖

如圖12所示，將密封件在膨脹零點(diǎn)位置和原隔板固定好，向膨脹方向延伸的一端不固定，和原隔板之間做成滑動式結(jié)構(gòu)，這樣就能保證硬密封片在熱態(tài)時仍能維持和冷態(tài)一樣的相對位置。硬密封片沒有溫差，膨脹量為0，原隔板有溫差，還會膨脹，密封片和隔板之間相對滑動緊密貼合，風(fēng)無法從兩者之間漏過去，所以只要在冷態(tài)時將膨脹零點(diǎn)處間隙調(diào)整合理，保持非接觸狀態(tài)，則在熱態(tài)時其余部分的密封間隙就可以自動補(bǔ)償。圖中箭頭方向為膨脹方向。

圖12 非接觸自補(bǔ)償密封結(jié)構(gòu)簡圖

7 結(jié)束語

通過以上分析和論述，介紹一種非接觸自補(bǔ)償式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)控制新結(jié)構(gòu)。對于減小空預(yù)器的漏風(fēng)，解決目前市場上接觸式密封的缺點(diǎn)問題，有一定的指導(dǎo)作用。