空预器双金属热偿密封装置的工程应用效果及前景

胡剑利

[摘    要]回转式空气预热器是电厂大型锅炉必备的辅助设备之一。漏风率是衡量预热器性能的一个重要指标，降低漏风率，提高预热器的换热效率，一直是当前空气预热器研究的热点问题。以实际工程项目为例，利用数值分析设计了结构最优化的双金属热补偿密封装置，并介绍在项目实际应用中所取得收益和效果，证实了该项空预器密封技术具有较强的工程应用价值和推广前景。

[关键词]空气预热器;密封技术;节能改造

[中图分类号]TG14 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）08–0–03

[Abstract]Rotary air preheater is one of the necessary auxiliary equipment for large-scale boilers in power plants. The air leakage rate is an important indicator to measure the performance of the preheater. Reducing the air leakage rate and improving the heat exchange efficiency of the preheater has always been a hot issue in the current air preheater research. This paper takes the actual engineering project as an example， uses numerical analysis to design a bimetal thermal compensation sealing device with optimized structure， and introduces the benefits and effects obtained in the actual application of the project， which proves that the air preheater sealing technology has a strong Engineering application value and promotion prospects.

[Keywords]air preheater; sealing technology; energy-saving transformation

1 空预器密封技术改造方案分析

1.1 工程背景

温州发电公司600 MW机组#7炉空预器运行至今超过5a时间，由于扇形板变形严重，運行中密封片刮损严重，造成漏风率偏大，平均在8%左右。这导致风机电耗极大增加，增大了锅炉的排烟热损失，对机组经济效益影响很大。同时由于空预器漏风严重，造成烟气温度降低，导致锅炉热效率降低，影响机组的安全经济运行[1-2]。

温州发电公司600 MW机组#7炉配套的空气预热器为豪顿华工程有限公司生产的31.5VNT2550型三分仓容克式空气预热器，空预器转子分为48隔仓，一、二次风分隔布置，一次风分仓为52.5°，转子反转，立式布置，转子高度为3 070 mm，采用模块结构。现扇形板、弧形板为固定式不可调，方向为烟气/二次风/一次风，主轴垂直布置，烟气和空气以逆向流动方式换热，烟气流向垂直向下。BMCR工况下空预器的主要设计参数见表1。

回转式空气预热器是一种应用于大型燃煤电站锅炉的热交换设备，空预器的运行状态直接影响锅炉运行的安全性与经济性[3]。它以再生方式传递热量，烟气与空气交替流过受热面。当烟气流过时，热量从烟气传给受热面，受热面温度升高，并积蓄热量;当空气再流过时，受热面将积蓄的热量放给空气。它利用锅炉烟气的热量来加热燃烧所需的空气，降低排烟温度，减少了不完全燃烧损失，进一步提高了锅炉的效率。由于回转式空气预热器的优点，在350 MW以上机组锅炉，一般不采用管式空气预热器，而采用回转式空气预热器。同时，与管式空预器相比，回转式空预器也存在着漏风量大的缺点。

由于空气预热器转子由冷态到热态后，上、下两端面温度不同以及钢材受热后刚性减弱，造成“蘑菇状”变形，传统刚性密封片通过螺栓分段固定在转子隔板上，随着转子隔板的变形，漏风间隙也随之改变。基于转子“蘑菇状”变形的机理，轴向及冷端径向位置预留合适的冷态间隙，热态时动静配合间隙将趋于零;虽然热端径向位置的冷态预留间隙很小，但热态时随着转子产生“蘑菇状”变形，会形成较大的三角漏风区域。

空预器漏风主要包括携带漏风和直接漏风两种。其中携带漏风约占回转式空预器总漏风量的20%～30%，直接漏风占70%～80%，而在直接漏风中，热端径向密封漏风占总密封漏风的70%，且热端径向密封漏风占总漏风量的份额随着直径的增大而增大，因此解决漏风关键主要是减少热端径向密封漏风。

当前热端径向三角漏风区域的漏风问题一直未得到彻底解决，而此处漏风一般占直接漏风的50%以上，而且随着机组向大容量方向发展，空气预热器转子直径不断增大，热端径向三角漏风区域的漏风份额越来越大。有资料显示，300 MW空气预热器漏风率每增加1%，发电煤耗率增加0.20 g/kWh[4]。

1.2 空预器改造目的及要求

减少空预器直接漏风的有效途径是将空预器密封间隙控制在最小限值。目前市场上较为常见的回转式空预器密封装置主要采用扇形板自动追踪装置，扇形板接触式滑块密封技术、刷式密封技术、弹性滚动密封技术等。传统空预器密封方式虽然一直在不断发展进步，但仍然存在一些问题，如噪音大、使用寿命短、更换困难[5]。与此相比，双金属热补偿密封技术作为一种新兴的密封技术，具有显著的优势。

双金属热补偿密封的原理是利用热端密封片高温受热后，两种金属的膨胀系数偏差驱动密封片变形，从而补偿漏风区域。该设计不同于国内其他的密封片结构，密封结构简单、不易磨损，使用寿命长，适应性好，安装调整方便。

因此本文以温州发电公司的工程项目为支撑，收集项目实施所需的资料，通过空气预热器双金属热补偿密封系统开发及应用的研究，针对空气预热器热端径向三角漏风问题，开发出一套空气预热器双金属热补偿密封系统并投入使用。

采用有限元分析软件对热端双金属热补偿密封片进行建模及仿真计算，揭示空预器蘑菇状变形规律;在详细建模计算基础上，确定密封片的材质和结构参数，保证其在空预器热态运行环境下基本消除热端漏风三角区域，保证理论计算热端平均漏风间隙小于2 mm。

根据理论计算结果，结合机组实际情况进行设计优化，详细设计适用于本项目的空预器冷、热端密封片，完成加工制作并安装实施。不仅能改善温州发电公司空气预热器漏风率偏高的情况，还可为同类机组改造提供参考和借鉴，对提高机组运行经济性有十分重要的意义。

2 双金属密封设计结构介绍及模拟结果

2.1 双金属密封片结构设计

空气预热器在从冷态至热态的过程中转子发生“蘑菇状”变形，其实质是转子隔板发生了变形，即热端隔板的上边沿与扇形板密封面的间距变大。热端双金属热补偿密封结构主要由密封折弯片、密封驱动片和密封包裹片组成，如图1所示。其原理是利用热端密封片高温受热后，不同金属膨胀系数偏差驱动密封片变形补偿漏风区域。密封折弯片的膨胀系数小，密封驱动片的热膨胀系数大，密封包裹片的热膨胀系数与折弯片一致。密封片高温受热后，由于不同金属的热膨胀系数不同，产生形变量可以补偿密封间隙。

密封片总长L=5 446 mm，高度h=130 mm，螺栓孔间距d=300 mm。整体设计图如图2所示。

折弯片厚度为2.5 mm，折弯角15°，h=130 mm;包裹片厚度为2.5 mm，折弯角15°，h=100 mm;驱动片1厚度为3 mm，L=240 mm;驱动片2厚度为3 mm，L=120 mm。

密封片整体建模如图3所示。

2.2 模拟结果分析

温度边界条件设置为热端350 ℃，冷端80 ℃，图4和图5分别是双金属密封形变和转子隔板形变的模拟计算结果。

从图4可以看出，转子外侧密封片绝对位移变形量为Max=10.307 mm。从转子隔板热端右侧上顶点变形模拟计算结果可以看出，转子外侧绝对位移变形量Max=-30.025 mm。根据模拟计算结果做出变形曲线，能够较为直观地表现出热端密封形变，曲线如图6所示，阴影部分代表理论漏风区域。

通过将密封装置安装于空气预热器热端径向隔板上，受热后密封装置整体将会在非完全固定连接一端向上翘曲变形，呈现出与转子隔板变形呈相反的趋势，密封装置在热态时变形量与扇形板得到有效的贴合，即达到了空预器热端密封片与扇形板的“零间隙”，即密封装置自由端与扇形板密封面的间隙最小，从而自动消除空气预热器热端径向的三角漏风区域。

3 工程改造后结果

将本文研发的空预器热端密封片完成加工制作并安装实施，投入生产使用。经过改造后，近期对温州发电公司#7炉进行热力性能试验，对空预器进口烟气组分进行检测记录，试验结果如表2所示。

从表2可以看出，改造后的#7锅炉空预器A侧平均漏风率为3.77%，空预器B侧平均漏风率为4.32%，空预器漏风率已明显减小。经过检验，该双金属密封装置能够使空预器漏风率维持在5%以下，空预器密封改造后运行情况良好，安全性、经济性均达到了预期目标，由此可见此次改造是有成效的。

4 应用收益及推广前景

4.1 经济收益

对温州发电公司#7炉600 MW机组空预器进行效益测算，改造前空预器漏风率A/B侧平均漏风率为8%，密封改造后降为5%。

空预器改造后的效益测算依据：空气预热器漏風率每下降1%，对应使用6.3 kV三相电源的三大风机电流下降15～25 A（此处按20 A×2=40 A计算，且功率因数取0.85，计算标准煤单价700元/t，发电机组年运行按照6 000 h计算，平均上网电价按0.35元/kWh）。

由《火力发电厂节能评价与能源审计手册》可知，空气预热器漏风率每增加（减少）1%，发电煤耗率增加（减少）0.20 g/kWh。

则有改造收益预计如下：

节煤收益=600 MW×6 000 h/年×（8-5）×0.2×10-6 t/kWh×

700元/t=151.2万元/a

节电收益=10 A×6.3 kV×31/2×0.85×6000 h/a×（8-5）×

0.35元/kWh×2台=116.8万元/a

综上，600 MW机组空预器密封改造直接经济收益=节煤收益+节电收益=268万元/a

综上所述，自空气预热器双金属热补偿密封装置投运以来，空预器漏风量明显降低，风机电耗下降，用电率大幅下降;降低了锅炉空预器漏风率，减少了烟气携带损失，提高了锅炉效率。双金属密封装置的应用，为电厂机组安全经济运行带来直接经济效益。

4.2 社会效益和推广前景

通过对空气预热器双金属热补偿密封装置投入前后对比，空预器的漏风率由8%下降至约4%，说明双金属密封装置对降低空预器直接漏风非常有效，是极为有效的降低空预器漏风率的手段，达到了燃煤机组节能减排的目标。

在碳达峰、碳中和目标下，我国能源结构将迎来根本性变革。在未来一段时间中，发电行业新能源和新技术不断发展，这在一定程度上促进发电产业呈现多元化的发展趋势。火力发电在我国有一定的发展历史，也是我国电能结构的重要组成部分，当前仍然承担着重要使命，采取科学的节能减排技术对资源的节约和促进企业的可持续发展具有十分重要的意义。

现阶段，许多大型发电厂中的设备都比较陈旧，加之煤炭在使用的过程中会消耗大量的能源。在机组改造的过程中，重点应放在对机组的维护上[6]。此外，在进行节能改造的过程中，应依靠先进的设备和技术，采取科学有效的节能降耗措施，在实现运行成本降低的同时，能够实现一定程度上的技术创新。

该项空预器密封技术在设计、制作、安装等方面积累了一定的经验，而且装置运行维护费用低，自动化程度高，操作方便，具有成本低、可靠性高、密封性能好的综合优势。可以为同类型锅炉节能改造提供一定的技术参考借鉴，对同类型空气预热器漏风率控制具有较强的工程意义，对机组节能减排具有重要的应用价值，值得在电力系统内推广。

5 结束语

空预器漏风是电厂锅炉运行中普遍存在的问题，由于空预器转子“蘑菇状”变形不可避免导致产生三角漏风区域，运行中漏风增加，不仅增加了风机运行电耗，降低了锅炉效率，还增加检修和维护成本，因此消除空预器热端三角漏风是空预器密封研究重点目标。

本文选取了温州发电公司#7炉配套空预器双金属热补偿密封改造实例，针对空气预热器热端径向三角漏风问题，采用理论计算和仿真模拟的方法对空预器温度场及热变形进行研究，建立了空预器转子的三维模型和有限元流体热分析模型，重点研究了热补偿金属结构，开设计发出一套空气预热器双金属热补偿密封系统，并在设备中进行实际安装使用，并对使用后的效果进行了性能测试。试验结果证明，该密封技术的应用不仅解决了空预器漏风率高的問题，极大节约了生产成本，同时，该项目改造成功的经验可为其他电厂提供借鉴，为电厂节能降耗提供了新的思路和方向。

参考文献

[1] 王一坤，陈国辉，王志刚，等.回转式空气预热器密封技术及研究进展[J].热力发电，2015，44（8）：1-7.

[2] 刘冬炎，顾宏伟，杨中明，等.空气预热器的漏风因素及密封改造[J].中国电力，2011，44（7）：53-56.

[3] 王祝成.电厂锅炉回转式空气预热器的节能改造及效果分析[J].能源技术经济，2010，22（5）：50-53，66.

[4] 李青，张兴营，刘学冰.火力发电厂节能评价与能源审计手册[M].北京;中国电力出版社，2010.

[5] 张明尧.回转式空预器温度场分析及热补偿密封装置研究[D].成都：西南交通大学，2019.

[6] 李权.火电厂节能减排技术探讨[J].科技经济导刊，2020，28（27）：59-60.