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。
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)。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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
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
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)
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)
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)
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)
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
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。