國(guó)產(chǎn)分倉(cāng)容克式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)大的原因分析及改造

1空氣預(yù)熱器技術(shù)指標(biāo)空氣預(yù)熱器是火力發(fā)電廠的主要輔助設(shè)備，通常用于現(xiàn)代鍋爐。它是一種使用鍋爐底部香煙加熱所需空氣的熱交換器。上海石洞口發(fā)電廠的4臺(tái)300MW發(fā)電機(jī)組配備的空氣預(yù)熱器為上海鍋爐廠有限公司上世紀(jì)80年代初期引進(jìn)美國(guó)CE空氣預(yù)熱器公司的技術(shù)后,自行設(shè)計(jì)和制造的三分倉(cāng)容克式空氣預(yù)熱器,其型號(hào)為2-29VI(T)-MOD,轉(zhuǎn)子直徑為?10.318m,轉(zhuǎn)子為24分倉(cāng)。限于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)和制造水平,以及安裝等諸多因素的影響,該型號(hào)空氣預(yù)熱器自投運(yùn)以來(lái),存在諸如:漏風(fēng)值偏大,導(dǎo)向端軸與熱端中間梁和支承端軸與冷端中間梁處泄漏煙灰,徑向密封扇形板和軸向圓弧板調(diào)節(jié)困難等一些問(wèn)題。考慮到該型號(hào)的空氣預(yù)熱器在各地安裝、使用較多,多年使用下來(lái),該型號(hào)空氣預(yù)熱器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已落后于目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)的技術(shù)要求。故在對(duì)該類型空氣預(yù)熱器漏風(fēng)大的原因進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合該類型空氣預(yù)熱器的實(shí)際情況,對(duì)比可行改造方案,詳細(xì)介紹了最后所選擇的改造實(shí)施方案,并對(duì)改造后效果進(jìn)行比較和總結(jié)。2空氣預(yù)熱器自身滲漏風(fēng)害分析及泄漏機(jī)2.1漏風(fēng)率的危害回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器是一種轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分存在一定間隙。同時(shí)流經(jīng)空氣預(yù)熱器的空氣與煙氣之間存在壓差,因此空氣預(yù)熱器的泄漏是無(wú)法完全避免的。但過(guò)大的泄漏會(huì)對(duì)機(jī)組的性能帶來(lái)嚴(yán)重的危害。空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率過(guò)大主要有三大危害。首先過(guò)大的漏風(fēng)率會(huì)導(dǎo)致鍋爐熱力工況發(fā)生變化,造成一級(jí)過(guò)熱器超溫。其次,影響鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。漏風(fēng)一方面增加了排煙熱損失,降低了鍋爐的熱效率;另一方面增加了風(fēng)機(jī)的功率消耗。當(dāng)漏風(fēng)超過(guò)送風(fēng)機(jī)的負(fù)荷能力時(shí),會(huì)使燃燒風(fēng)量不足,導(dǎo)致鍋爐的機(jī)械、化學(xué)燃燒損失增加,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致一次風(fēng)的送粉能力下降,降低機(jī)組出力;當(dāng)漏風(fēng)超過(guò)引風(fēng)機(jī)的負(fù)荷能力時(shí),會(huì)使?fàn)t膛負(fù)壓維持不住,迫使鍋爐降負(fù)荷運(yùn)行。最后,漏風(fēng)過(guò)大加快了空氣預(yù)熱器冷端腐蝕。由于煙氣中摻入空氣,使排煙溫度虛假下降,排煙溫度下降又導(dǎo)致冷端受熱面壁溫降低,加速了低溫腐蝕的過(guò)程。據(jù)統(tǒng)計(jì),300MW的機(jī)組空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)率每增加1%,將使機(jī)組煤耗增加0.66g/(kW·h)。2.2風(fēng)2部分組成空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)主要由直接漏風(fēng)和攜帶漏風(fēng)2部分組成。直接漏風(fēng)約占空氣預(yù)熱器整個(gè)漏風(fēng)的70%～80%,攜帶漏風(fēng)約占空氣預(yù)熱器整個(gè)漏風(fēng)的20%～30%。2.2.1帶壓帶金屬浮動(dòng)密封副的壓縮直接漏風(fēng)是由空氣側(cè)與煙氣側(cè)的壓差引起的。由于空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子是個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)體,與之配套的是靜止的扇形板、圓弧板等,這些部件與轉(zhuǎn)子的密封片組成相對(duì)應(yīng)的各向密封副,在這一對(duì)金屬動(dòng)靜密封副之間存在壓差,壓力較高的空氣,經(jīng)過(guò)動(dòng)靜之間的間隙漏入負(fù)壓狀態(tài)的煙氣側(cè),就形成了直接漏風(fēng)。直接漏風(fēng)的大小取決于間隙的大小,正壓空氣與負(fù)壓煙氣之間的壓差的平方根和流動(dòng)氣流密度的平方根。這部分的漏風(fēng)占整個(gè)漏風(fēng)量的70%～80%。直接漏風(fēng)量的計(jì)算公式:Qzj=KA(ρΔp)12Qzj=ΚA(ρΔp)12式中:Qzj——直接漏風(fēng)量,m3/s;K——泄漏系統(tǒng);A——密封間隙(漏風(fēng)間隙)面積,m2;ρ——?dú)怏w密度,m3/s;Δp——煙氣間的壓差,Pa。2.2.2空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù),其轉(zhuǎn)子直徑n攜帶漏風(fēng)的形成是由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),使轉(zhuǎn)子倉(cāng)格空間的空氣流攜帶到煙氣區(qū)中。攜帶漏風(fēng)的大小取決于轉(zhuǎn)子所包含的空間大小,被陷入氣流的密度和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有關(guān)。這部分漏風(fēng)占整個(gè)漏風(fēng)量的20%～30%。攜帶漏風(fēng)計(jì)算公式:Qxd=n60×πD24H(1?y)Qxd=n60×πD24Η(1-y)式中:Qxd——攜帶漏風(fēng)量,m3/s;D——空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子直徑,m;n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,r/min;y——蓄熱板金屬和灰污所占轉(zhuǎn)子容積的份額;H——轉(zhuǎn)子高度,m。3通過(guò)分析空氣預(yù)熱器的漏洞，以及改造方案的比較3.1空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的影響及對(duì)策機(jī)組運(yùn)行時(shí),由于空氣預(yù)熱器運(yùn)行工況下轉(zhuǎn)子冷熱端溫度不一樣,熱端膨脹大于冷端,形成了通常所說(shuō)的蘑菇狀變形,即轉(zhuǎn)子中心部位向上膨脹,扇形板內(nèi)側(cè)跟隨導(dǎo)向端軸隨動(dòng)向上,轉(zhuǎn)子外側(cè)因自重向下,熱端間隙卻越來(lái)越大,形成了一定的漏風(fēng)通道。而冷端逐漸彌合預(yù)留間隙?？諝忸A(yù)熱器密封間隙預(yù)留值是根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)工況,按熱變形公式計(jì)算得來(lái),由于實(shí)際工況與設(shè)計(jì)工況存在一定差別,因此熱變形量也會(huì)有所差異。另外,熱端扇形板內(nèi)側(cè)雖然跟中心筒一起膨脹,但外側(cè)基本固定不變,運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子隨著溫度升高而增加熱膨脹量,其熱端外側(cè)由熱變形向下垂,因而徑向間隙不斷增加,即增加空氣預(yù)熱器直接漏風(fēng)。同時(shí),由于空氣預(yù)熱器的堵灰亦使煙、空氣流通阻力增大,造成空氣預(yù)熱器冷端煙、空氣壓差增大,致使漏風(fēng)增加。通過(guò)上述分析,我們可以認(rèn)識(shí)到機(jī)組運(yùn)行時(shí),空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)是可避免的,正常的漏風(fēng)是空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的。但機(jī)組經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行,如果長(zhǎng)時(shí)間缺少維修,會(huì)造成漏風(fēng)率大大增加,主要原因有以下幾個(gè)方面:(1)轉(zhuǎn)子等組件變形,密封性能下降。由于轉(zhuǎn)子熱態(tài)的“蘑菇”變形和熱膨脹,使各向密封間隙產(chǎn)生變化,徑向密封片和T型鋼密封面磨損,部分旁路密封片脫離,徑向密封間隙增大,增加了空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)。(2)積灰和腐蝕的影響?？諝忸A(yù)熱器傳熱組件一旦結(jié)垢和積灰嚴(yán)重時(shí),會(huì)造成煙、空氣通道的堵塞,煙、空氣阻力增加。迫使風(fēng)機(jī)出力增加,提高了空氣側(cè)和煙氣側(cè)的壓差,從而加大了漏風(fēng)。3.21空氣預(yù)熱器密封性能上海石洞口發(fā)電廠型號(hào)為2-29VI(T)-MOD空氣預(yù)熱器限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平,空氣預(yù)熱器在設(shè)計(jì)、制造、安裝中技術(shù)不夠成熟,在機(jī)組投運(yùn)初期,漏風(fēng)率就已經(jīng)超過(guò)12.5%的設(shè)計(jì)值。其次,空氣預(yù)熱器的靜密封經(jīng)多年的運(yùn)行,由于其腐蝕和磨損嚴(yán)重,雖經(jīng)多次修補(bǔ)已不能達(dá)到原有的密封效果?？諝忸A(yù)熱器的扇形板已嚴(yán)重磨損和變形。凹凸高低不平大于3mm,密封效果已達(dá)不到原設(shè)計(jì)要求。第三,轉(zhuǎn)子存在較大的橢圓度,圓周三向密封片局部磨損嚴(yán)重,部分密封片已失去原有的作用,部分密封間隙明顯大于設(shè)計(jì)值。最后,空氣預(yù)熱器冷端傳熱元件腐蝕、磨損。其柵架局部已被煙氣沖刷而磨損。這些原因的存在使得空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率大大增加。石洞口電廠1號(hào)爐于1989年開(kāi)始運(yùn)行,在2003年機(jī)組進(jìn)行改造性大修之前,我們對(duì)空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)率進(jìn)行了測(cè)試,表1是1號(hào)機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)側(cè)值。在額定負(fù)荷下,空氣預(yù)熱器出口熱一、二次風(fēng)溫度設(shè)計(jì)為339℃和349℃,排煙溫度為125.41℃,空氣預(yù)熱器阻力為1360Pa,漏風(fēng)率為12.5%。從表中可以看出,2臺(tái)空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)率均大大高于設(shè)計(jì)參數(shù),超標(biāo)量分別達(dá)到48.8%和38.4%。3.3空氣預(yù)熱器管口改造方案占空氣預(yù)熱器漏風(fēng)70%～80%的是由煙、空氣壓差引起的直接漏風(fēng),設(shè)法降低直接漏風(fēng)量是關(guān)鍵。直接漏風(fēng)又可表述為ADL=K×A×[(p1-p2)/Z]0.5式中:K——阻力系數(shù);A——泄漏面積;Z——阻擋區(qū)數(shù);p1、p2——分別為泄漏區(qū)域兩側(cè)的靜壓力。由上式可以看出,減少漏風(fēng)最有效的方法是減少泄漏面積,其次是增加密封道數(shù)。其中單道改到雙道最為明顯,可將直接漏風(fēng)降低約(1-1/20.5)×100%=29%,總漏風(fēng)率約下降29%×80%=23.2%。如原漏風(fēng)率為10%,可以降低總漏風(fēng)率(10%×80%)×29%=2.32%。由此可見(jiàn),直接漏風(fēng)與密封道數(shù)的平方根成反比。為此考慮了如下方案:(1)在空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子倉(cāng)格中間,傳熱元件上下端面處各增加一道徑向密封片,但在熱段傳熱元件和冷段傳熱元件之間沒(méi)有隔絕。某些電廠采用過(guò)該方案,雖然施工簡(jiǎn)便,改造周期短,費(fèi)用低。但占斷面80%的部分仍然連通,在上、下扇形板與徑向密封片之間形成不了壓力緩沖區(qū),這樣的雙密封改造是不完美的。某些電廠經(jīng)這種改造后,空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率雖然有所下降,但實(shí)際上是對(duì)靜密封和密封機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后的效果。(2)增加一次風(fēng)與煙氣倉(cāng)扇形板和二次風(fēng)與煙氣倉(cāng)扇形板的角度,在增加扇形板的對(duì)應(yīng)處加寬軸向圓弧板,這種方式能降低空氣預(yù)熱器一次風(fēng)到煙氣和二次風(fēng)到煙氣的漏風(fēng)。有的僅增加一次風(fēng)與煙氣倉(cāng)扇形板的角度,在增加扇形板的對(duì)應(yīng)處加寬軸向圓弧板,這種方式能降低空氣預(yù)熱器一次風(fēng)到煙氣的漏風(fēng),能將空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)控制在10%左右,但不能改善二次風(fēng)到煙氣的漏風(fēng)和一次風(fēng)向二次風(fēng)的泄漏。如:增加的角度部分安排在煙氣側(cè),對(duì)24分倉(cāng)空氣預(yù)熱器而言,這樣煙氣流通截面角就從172.5°降到157.5°,煙氣流速上升1.2倍,煙氣阻力也增加相應(yīng)倍率,一般為200Pa左右。引風(fēng)機(jī)電流上升,煙氣加熱面積減少10%左右,空氣預(yù)熱器換熱效力下降,熱風(fēng)溫度下降,排煙溫度升高4℃～5℃。足以抵消空氣預(yù)熱器漏風(fēng)降低的正面影響。(3)在空氣預(yù)熱器原有倉(cāng)格中間,從上到下增加一塊完整的徑向隔板和徑向密封片,并在對(duì)應(yīng)處增加一道軸向密封片,在基本上不改變空氣預(yù)熱器煙、空氣流通條件下達(dá)到雙密封,做到在上、下扇形板和軸向圓弧板均為雙道密封。該方案能形成完整的中間漏風(fēng)緩沖區(qū),基本上不影響煙、空氣流通阻力和換熱面積的利用率。不足之處是,改造費(fèi)用較大,需要分割傳熱元件包或更換傳熱元件,需在機(jī)組大修期間進(jìn)行,同時(shí)轉(zhuǎn)子重量約增加15t,運(yùn)行電流增加0.5A,排煙溫度升高1℃～2℃。但空氣預(yù)熱器的改造費(fèi)用,僅輔機(jī)單耗一項(xiàng)的節(jié)省,即可在半年左右回收空氣預(yù)熱器的改造費(fèi)用,再加上漏風(fēng)減少等,其收效是顯著的。通過(guò)上述方案的分析比較,我們確定初步按照第3種方案實(shí)施改造。4最佳間隙的確定在國(guó)內(nèi)外300MW以上機(jī)組,也有增裝漏風(fēng)控制系統(tǒng),即LCS裝置來(lái)減小熱態(tài)運(yùn)行時(shí)的熱端徑向間隙,來(lái)達(dá)到減少漏風(fēng)的目的。但這種改造除投資較大外,從許多廠家運(yùn)行實(shí)踐證明,在空氣預(yù)熱器運(yùn)行一段時(shí)間后就達(dá)不到預(yù)期效果,漏風(fēng)率即會(huì)大大增加。為此我們和上海鍋爐廠有限公司協(xié)商后,將密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)改為整體結(jié)構(gòu),通過(guò)計(jì)算,在選定的負(fù)荷工況下,空氣預(yù)熱器使運(yùn)行時(shí)的動(dòng)、靜體之間始終保持在預(yù)先設(shè)定好的最佳間隙范圍。在安裝中,把所有的密封間隙一次性調(diào)好,冷、熱端扇形板通過(guò)靜密封板與梁進(jìn)行焊接固定,軸向密封板通過(guò)靜密封板與殼體進(jìn)行固定,更換所有的密封片,在運(yùn)行中不作任何的調(diào)整,以消除靜密封滑動(dòng)面的泄漏。改造的特點(diǎn)是:(1)將空氣預(yù)熱器單密封系統(tǒng)改為雙密封系統(tǒng),即把原來(lái)24格倉(cāng)的轉(zhuǎn)子分成48格倉(cāng);徑向密封片和軸向密封片,由原來(lái)的24道改為48道;軸向密封片與軸向圓弧板和徑向密封片與徑向扇形板由1道密封副改為在任何瞬間不少于2道密封副。(2)重新計(jì)算冷、熱端扇形板,軸向弧形板的密封間隙并按此值重新調(diào)整。(3)改原可調(diào)節(jié)的冷端扇形板為固定式。冷端扇形板調(diào)整好間隙后,通過(guò)靜密封板與下梁全部密封焊死,與下梁成為一個(gè)整體。消除了靜密封滑板處的泄漏。(4)取消熱端扇形板中心隨動(dòng)機(jī)構(gòu),熱端扇形板通過(guò)靜密封板與上梁全部密封焊接固定。消除了靜密封滑板處的泄漏。其缺點(diǎn)是:當(dāng)機(jī)組意外跳閘而引起空氣預(yù)熱器聯(lián)鎖跳閘時(shí),難以及時(shí)恢復(fù)空氣預(yù)熱器的運(yùn)轉(zhuǎn)。(5)在冷端“T”形鋼的下端增加1圈角鋼,并加裝1道端面折角密封片。(6)轉(zhuǎn)子的倉(cāng)格板與蓄熱元件的框架改為鐵條焊接密封。主要是考慮此處漏風(fēng)易造成空氣短路,影響空氣預(yù)熱器換熱效率,也加大了空氣預(yù)熱器熱端風(fēng)的壓頭,進(jìn)而加大了漏風(fēng)。5空氣預(yù)熱器改造前后的數(shù)據(jù)分析5.1預(yù)熱器風(fēng)率的變化空氣預(yù)熱器經(jīng)過(guò)改造后,進(jìn)行了漏風(fēng)率的測(cè)量,表2將改造前和改造后的測(cè)量進(jìn)行了對(duì)比:試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,空氣預(yù)熱器改造后預(yù)熱器風(fēng)率大大下降,低于預(yù)熱器改造的設(shè)計(jì)保證值。預(yù)熱器煙氣側(cè)阻力也因漏風(fēng)率的下降而下降約1/3(由于測(cè)試工況是280MW,300MW時(shí)還略有上升)。排煙溫度較鍋爐改造前下降約35℃(因?yàn)闇y(cè)試工況是280MW,300MW時(shí)還有上升),但仍高于設(shè)計(jì)值。5.2風(fēng)機(jī)總能耗和引風(fēng)機(jī)能耗比較空氣預(yù)熱器改造后,漏風(fēng)率及阻力大幅下降,由于漏風(fēng)減少,一、二次風(fēng)溫有所上升。在300MW工況下,排煙溫度下降至130℃(修正后)左右。引風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)的運(yùn)行電流及輔機(jī)運(yùn)行單耗明顯下降,而送風(fēng)機(jī)由于風(fēng)道改變,阻力增加使電流稍有增大,耗電量上升。經(jīng)計(jì)算,機(jī)組每發(fā)一萬(wàn)度電,吸風(fēng)機(jī)耗電量下降14.31kW·h,一次風(fēng)機(jī)耗電量也有下降;但送風(fēng)機(jī)耗電量上升,將引起一、二次風(fēng)機(jī)總的耗電量上升1.65kW·h。按2002年機(jī)組發(fā)電量推算,全年可降低電耗為234.7萬(wàn)kW·h,按每度電0.3元計(jì)算,每臺(tái)機(jī)組改造后由于節(jié)電導(dǎo)致年增加效益71萬(wàn)元。6空氣預(yù)熱器盤(pán)車效果上海石洞口一廠1號(hào)機(jī)組在2003年6月15日正式投入商業(yè)運(yùn)行,空氣預(yù)熱器改造是此次機(jī)組改造的重要組成部分。1號(hào)機(jī)組空氣預(yù)熱器改造前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為華東中試所所測(cè)。從改造后的數(shù)據(jù)看空氣預(yù)熱器改造的效果非常明顯。1號(hào)機(jī)組改造后曾持續(xù)連續(xù)運(yùn)行。但在2004年6月運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)空氣預(yù)熱器減速箱存在問(wèn)題(非改造項(xiàng)目),需停單側(cè)空氣預(yù)熱器并進(jìn)行相應(yīng)的消缺處理。在電廠技術(shù)部門的主持下制訂了專門的搶修計(jì)劃及設(shè)備隔絕措施。但在運(yùn)行隔絕措施到位后,發(fā)現(xiàn)盤(pán)車馬達(dá)難以帶動(dòng)該臺(tái)空氣預(yù)熱器進(jìn)行盤(pán)車,采取了緊急措施后才順利實(shí)施了空氣預(yù)熱器盤(pán)車。打開(kāi)空氣預(yù)熱器門板后,發(fā)現(xiàn)三向密封及