350 MW燃煤機組空氣預熱器柔性密封改造及節能分析

趙 凱，程永峰，白智中，穆福藝，劉金強

(河北涿州京源熱電有限責任公司，河北 涿州 072750)

0 前 言

空氣預熱器是一種空氣和煙氣逆向流動、旋轉式的熱交換設備，當轉子轉動時，煙氣和空氣交替流過傳熱元件，傳熱元件從熱煙氣吸收熱量，提高空氣溫度，降低排煙溫度。二次風及一次風與煙氣側存在差壓，導致空氣側向煙氣側泄漏，因此設立了一套密封系統，它包括中心筒密封、轉子徑向密封、軸向密封、旁路密封以及靜密封。

空氣預熱器漏風包含攜帶漏風和直接漏風，攜帶漏風占總漏風量的10%～20%，直接漏風占70%～80%，而在直接漏風中，徑向漏風約占直接漏風的50%～70%。治理空氣預熱器漏風的關鍵在于冷熱端徑向直接漏風[1-2]。

本文針對空氣預熱器漏風大的問題，對空氣預熱器徑向密封技術進行了介紹，確定了接觸式柔性密封改造方式，改造后空氣預熱器漏風率明顯減小，機組經濟性提高。

1 現狀調查

某2×350 MW超臨界機組采用某公司制造的超臨界參數、一次中間再熱、單爐膛、前后墻對沖燃燒方式的π型直流爐，鍋爐配有2臺某公司生產的全模式三分倉回轉式空氣預熱器。表1為空氣預熱器相關參數介紹。

表1 空氣預熱器相關參數

1.1 徑向密封方式

空氣預熱器轉子徑向密封采用固定可調式徑向密封片，固定于48塊轉子隔板上，徑向密封片與扇形板形成徑向多向密封。密封片可根據密封片和扇形板之間的間隙沿著軸向方向(即與中心筒平行的方向)上調節，圖1為徑向密封示意圖。

圖1 徑向密封示意圖

1.2 空氣預熱器漏風情況

1號機組自2017年11月投產以來，已安全運行4年，機組每次檢修都要進行空氣預熱器密封面檢查并調整間隙、更換密封片的工作，但空氣預熱器漏風率一直維持較高水平。

選取2020年8月13日全天的數據，如表2所示，每30秒選取一次數據，共取數據2 885組。

表2 空氣預熱器運行數據

由于一次風和二次風的壓力均高于煙氣側壓力，一部分一、二次風泄漏入煙氣側。漏風率指泄漏至煙氣側的空氣量占煙氣總量的比值，即漏風率為空氣預熱器進出口質量之差與出口質量之比，如公式(1)所示[3]。

(1)

由燃煤質量守恒定律：

(2)

AL：空氣預熱器漏風率；my1：空氣預熱器煙氣側進口質量；my2：空氣預熱器煙氣側出口質量；α1：空氣預熱器進口過量空氣系數；α2：空氣預熱器出口過量空氣系數；mF：燃煤中產生氣體成分的質量；dr：空氣絕對濕度；Vg：干燥空氣質量。

空氣預熱器進口過量空氣系數：

(3)

式(2)可化簡為：

(4)

其中

(5)

O2：空氣預熱器進口或出口氧量。

經以上方法計算，如圖2、圖3所示，1號空氣預熱器漏風率在5%～12%之間；2號空氣預熱器漏風率大部分在5.5%～21%之間。

圖2 1號空氣預熱器漏風率散點圖

圖3 2號空氣預熱器漏風率散點圖

2 目前空氣預熱器密封改造技術路線

2.1 雙向或多向密封技術

多向密封技術就是在轉子轉動時，在任何時候每塊扇形板都與2道及以上徑向密封片相配合，形成多道密封[13]，根據理論計算及實踐運行經驗表明，直接漏風量可下降30%左右[4]。大唐洛陽熱電廠5號鍋爐預熱器將扇形板、弧形板向煙氣側加寬了15°，形成雙密封效果，大大地減少漏風量[5]。

2.2 接觸式柔性密封技術

傳統密封技術采用剛性有間隙密封方式，由于空氣預熱器的蘑菇狀變形問題，很難達到一個最佳的動靜之間的間隙值。采用柔性接觸式密封技術很好改善了這一問題，包括合頁式柔性密封技術、彈性自適應密封技術、刷式密封技術、彈片式密封技術。

以合頁式柔性密封技術為例，基本工作原理：徑向密封片為帶彈簧的合頁式可活動密封片，在未進入扇形板時密封片合頁打開，密封片高出扇形板，當密封片運動到扇形板下面時合頁關閉，密封片滑入扇形板下方并與扇形板接觸，形成密封無縫隙的密封系統，當該密封滑塊離開扇形板后，合頁式由于彈簧力的作用再次打開，工作原理如圖4[9-10]。內蒙古京科發電有限公司對回轉式空氣預熱器密封裝置進行柔性接觸式密封技術改造后鍋爐漏風率由15%下降到 4.2%[6]。

圖4 合頁式柔性密封工作原理

2.3 自動跟蹤密封技術

自動跟蹤密封技術的原理是根據間隙情況自動調節扇形板高度，使其間隙達到最優狀態，降低漏風。自動跟蹤密封技術有一套完整的自動調節裝置，包括間隙探測器、策略控制器、電動執行機構，實現間隙的閉環調整[3,11-12]。

某電廠通過激光測距傳感器檢測空氣預熱器轉子形變量，由滑阻電位器測量調整扇形板位置，實時計算漏風間隙值并跟蹤轉子的熱態變形，通過實時調整扇形板位置，使其與轉子徑向密封面之間的間隙值保持在設定范圍內，從而減少漏風量[7]。

經過對不同空氣預熱器密封改造技術對比，最終選擇柔性密封改造方案，即預熱器冷熱端徑向密封在硬性密封的基礎上增加了一道柔性密封，對徑向密封板片、環向密封片、軸向密封片進行了更換，1號、2號預熱器轉子水平度進行了調整。

3 改造前后空氣預熱器漏風情況的變化

為了考核機組空氣預熱器改造后的漏風性能是否達到其保證值的要求，改造前后均進行空氣預熱器漏風試驗。

空氣預熱器出入口煙道采用網格法利用MRU煙氣分析儀測量相關參數。表3為改造前空氣預熱器漏風率數據。

表3 改造前空氣預熱器漏風率數據

空氣預熱器柔性密封改造后采用同樣方法及相同位置測量結果如表4。

表4 改造后空氣預熱器漏風率數據

改造前后漏風率對比情況如圖5所示，兩臺空氣預熱器漏風治理效果明顯，1號空氣預熱器漏風率減少了3.61%，1號空氣預熱器漏風率減少了5.43%。

圖5 空氣預熱器漏風治理情況

4 節能分析

4.1 對排煙損失及煤耗的影響[8]

通過改造可降低空氣預熱器的直接漏風，降低排煙量，直接降低漏風攜帶的熱量，即排煙熱損失。

(6)

Q：漏入煙道的風攜帶熱量；D：漏入空氣預熱器煙氣側空氣量；CK：干空氣的比熱容；TYS：鍋爐排煙溫度；T0：環境溫度。

D=Qg,i(AL1-AL2)

(7)

Qg,i：空氣預熱器進口煙氣量；AL1：改造前實測漏風率；AL2：改造后實測漏風率。

節約煤量：

(8)

H：年利用小時數

年利用小時數按4 870小時計算，結果如表5，年節約標煤共336.6 t，按每噸700元計算，年節約成本23.56萬元。

表5 計算結果

4.2 對風機耗電量的影響

在額定負荷下，管道特性不發生改變，風機在線性區工作，認為風機軸功率與流量呈線性關系?？諝忸A熱器漏風量減少使同樣負荷下鍋爐排煙量減少，引風機的功率降低[8]。降低單臺引風機功率的計算公式：

(9)

Ny：降低單臺引風機的出力；Ny,b：引風機的額定出力；Qy,b：引風機的額定流量，m3/h；ρ1：漏風的平均密度，kg/m3。引風機的相關參數如表6所示。

表6 引風機的相關參數

經計算，1號引風機節能約35.8 kW，2號引風機節能約52.9 kW，引風機節約電耗：(35.8+52.9)×4 870=390 280 kW·h，單價0.37元，年節約約15.98萬元 。

由于不易計算一次風機漏入煙氣測的一次風量及送風機漏入煙氣測的二次風量，上述公式不適用計算送風機及一次風機的節電量。因此進行改造前后空氣預熱器漏風試驗，根據實際運行情況計算送引風機出力情況。表7為改造前后試驗機組主要運行參數。

表7 改造前后試驗機組主要運行參數

從風機運行電流看，兩臺送風機及兩臺一次風機在滿負荷情況下，電流共下降約15 A，按機組年利用小時數4 870 h計算，年送引風機節約電量75.83萬kW·h，單價0.37元，年節約約28.01萬元。

綜合計算，空氣預熱器柔性密封改造后，煤耗及風機的電耗均有所減小，年共節約費用23.56+15.98+28.1=67.55萬元。

據經驗統計，空氣預熱器漏風率每降低1%，供電煤耗降低0.16 g/(kW·h)[5]，每年發電量約17.05×108kW·h，按此經驗值計算，年節約費用約68.9萬元，與以上計算值誤差在2%以內，證明了上述計算的準確性。

5 結 論

接觸式柔性密封技術是減少空氣預熱器漏風的有效方式，經過接觸式柔性密封改造，1號空氣預熱器漏風率由8.48%降低至4.87%，2號空氣預熱器漏風率由9.17%降低至3.74%。

空氣預熱器漏風率的減少可大幅增加機組的經濟性，經過空氣預熱器密封改造，煤耗及風機的電耗均有所減小，年節約費用67.55萬元。