容克式空氣預(yù)熱器在大容量鍋爐上的應(yīng)用

容克式空氣預(yù)熱器在大容量鍋爐上的應(yīng)用

容克式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高，重量輕，便于配置。此外，由于該應(yīng)用的特點，泄漏率低于相同水平的風(fēng)障預(yù)熱器，因此被廣泛使用，尤其是大型鍋爐的機組。容克式空氣預(yù)熱器按旋轉(zhuǎn)軸布置分立式與臥式兩種,立式又分為立式(V)與倒置立式(VI)。立式(V)是指煙氣自下而上,空氣自上而下流動,倒置立式(VI)則相反。臥式布置(H)按煙氣與空氣流向布置分三種,分別為煙空氣流上下、下上及兩側(cè)布置。按煙氣、空氣通道數(shù)量分二分倉式和三分倉式,其形式的選擇與煤粉制粉系統(tǒng)的設(shè)計密切相關(guān)。二分倉空氣預(yù)熱器布置有煙氣和空氣兩個通道,煤粉制粉系統(tǒng)為“熱一次風(fēng)系統(tǒng)”,一次風(fēng)機布置在空氣預(yù)熱器后的熱風(fēng)道上。采用這種系統(tǒng),風(fēng)機中介質(zhì)體積較大,雜質(zhì)較多。三分倉式空氣預(yù)熱器有煙氣、一次風(fēng)、二次風(fēng)三個通道,一次風(fēng)角度可按照不同燃料的需要變化設(shè)計,其適應(yīng)大容量燃煤鍋爐采用“冷一次風(fēng)系統(tǒng)”,一次風(fēng)機布置在空氣預(yù)熱器前面。采用這種系統(tǒng),風(fēng)機中介質(zhì)體積較小且清潔。1漏風(fēng)影響空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的因素容克式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)主要由兩部分組成,即:攜帶漏風(fēng)和直接漏風(fēng)。空氣預(yù)熱器運行時,轉(zhuǎn)子內(nèi)的一部分空氣隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而帶入煙氣內(nèi),這部分空氣向煙氣的泄漏成為攜帶漏風(fēng)。由于煙氣、空氣的壓力不同,通?？諝鈮侯^高于煙氣。為安全運行,在轉(zhuǎn)子和密封區(qū)之間留有運行間隙,由于熱態(tài)時轉(zhuǎn)子變形使有些區(qū)域間隙增大,必然使壓力較高的空氣漏入煙氣,形成直接漏風(fēng)。發(fā)生直接漏風(fēng)的區(qū)域主要有以下部位(見圖1):A.轉(zhuǎn)子上部熱端徑向密封片和扇形板之間;B.轉(zhuǎn)子側(cè)面軸向密封片和軸向圓弧板之間;C.轉(zhuǎn)子下部冷端徑向密封片和扇形板之間;D.轉(zhuǎn)子中心筒上下固定密封盤和中心密封片之間;E.扇形板和軸向圓弧板側(cè)面和兩端的靜密封區(qū)域;F.轉(zhuǎn)子上、下部T字鋼和旁路密封片之間(煙、空氣旁通)。煙、空氣旁通是指煙、空氣流不經(jīng)傳熱元件而從轉(zhuǎn)子側(cè)面通過。這部分煙、空氣不參與換熱,一部分空氣還通過軸向間隙漏入煙氣,對空氣預(yù)熱器的傳熱和漏風(fēng)性能都造成一定危害。在這些區(qū)域同時存在壓差和泄漏間隙,都會發(fā)生直接漏風(fēng),直接漏風(fēng)占空氣預(yù)熱器漏風(fēng)總量的75%~85%?？諝忸A(yù)熱器空氣側(cè)進口風(fēng)壓與排煙處負壓的大小取決于外部系統(tǒng)及本身的阻力。對直吹式、中間倉儲式制粉系統(tǒng)熱風(fēng)送粉等要求較高的一次風(fēng)壓,在廣泛采用“冷一次風(fēng)機系統(tǒng)”即三分倉空氣預(yù)熱器時,顯然外部系統(tǒng)阻力能否降低受到制粉系統(tǒng)型式、燃用煤種及燃燒方式等因素影響。系統(tǒng)決定了一次風(fēng)阻力將遠高于二次風(fēng),形成空氣預(yù)熱器冷端具有較高的煙空氣壓差。由于直接漏風(fēng)量與煙空氣壓差的平方根成正比,因此,系統(tǒng)中一次風(fēng)壓較高,將直接影響一次風(fēng)漏風(fēng),并影響空氣預(yù)熱器總漏風(fēng)量。此外,鍋爐燃料中成分特性變化引起燃燒系統(tǒng)風(fēng)率及風(fēng)量的變化、系統(tǒng)阻力的變化、磨煤機性能及備用磨投入時風(fēng)量的變化、制粉系統(tǒng)最惡劣的工況等,都會引起空氣預(yù)熱器進口風(fēng)量、阻力及漏風(fēng)變化。系統(tǒng)各部件,特別是空氣預(yù)熱器堵灰引起阻力的增加以及系統(tǒng)阻力計算的誤差等,都將直接和間接地對空氣預(yù)熱器漏風(fēng)產(chǎn)生影響。漏風(fēng)指標通常以漏風(fēng)系數(shù)和漏風(fēng)率來衡量,這是兩個有聯(lián)系又有區(qū)別的概念。按《鍋爐機組熱力計算標準方法》,漏風(fēng)系數(shù)為進、出口過量空氣系數(shù)的差值。按美國ASME標準(PTC)試驗導(dǎo)則,漏風(fēng)率定義為進、出口空氣的重量差與預(yù)熱器進口煙氣重量之比,以AL表示,即AL=△GL/GY。按《鍋爐機組熱力計算標準方法》:△GL=1.306△αV0(1)△GL=1.306△αV0(1)GY=1-Ag+1.306α′V0(2)GY為單位重量燃料燃燒產(chǎn)生的干煙氣重量與煙氣中濕氣量之和,不包括灰的重量。式中:Ag為燃料工作質(zhì)含灰量;V0為理論空氣量,m3/kg;△α為漏風(fēng)系數(shù);α′、α″為預(yù)熱器進、出口過量空氣系數(shù);△GL為預(yù)熱器進、出口空氣的重量差,kg/h;GY為預(yù)熱器進口煙氣重量,kg/h。AL=(1.306△αV0)/(1-Ag+1.306α′V0)(3)由式(3)可見,漏風(fēng)系數(shù)和漏風(fēng)率的關(guān)系主要與燃料性質(zhì)(Ag、V0)以及α′有關(guān),進口過量空氣系數(shù)α′與燃料特性、燃燒方法以及鍋爐結(jié)構(gòu)有關(guān)。按各種燃料性質(zhì)推算,α′相對于其它參數(shù)(Ag、V0)而言,對于AL的影響較大。由此,國家電力工業(yè)標準推薦,漏風(fēng)率與漏風(fēng)系數(shù)可按下式進行換算:AL=[(α″-α′)/α′]×90%(4)α=21/[21-(Ο2-2CΗ4-0.5CΟ-0.5Η2)](5)O2、CH4、CO、H2分別為排煙的干煙氣中氧、甲烷、一氧化碳和氫的容積含量百分比。2空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)影響大部分空氣預(yù)熱器在通過改造和密封間隙調(diào)整適當(dāng)后,使漏風(fēng)率下降,但與改造前相比,出現(xiàn)了鍋爐排煙溫度有所上升的現(xiàn)象,由此引出了對改造效果及鍋爐經(jīng)濟性收益的異議。空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率與排煙溫度的關(guān)系較為復(fù)雜,按鍋爐的換熱方程式:Q=ΚΗ△t/Bj(6)式中:Q為吸熱量,kJ/kg;K為傳熱系數(shù);H為計算受熱面面積,m2;△t為溫壓,℃;Bj為計算燃料消耗量,kg/h。傳熱系數(shù)K在預(yù)熱器定性尺寸不變時,主要與流速、溫度和流體特性有關(guān),一般在漏風(fēng)量正常變動范圍內(nèi),傳熱系數(shù)變化較少。當(dāng)傳熱面積H和燃料量Bj作為恒值時,唯一變化的是溫壓△t。熱風(fēng)溫度下降和排煙溫度升高都將使溫壓△t增大,傳熱量Q增大,最后達到新的平衡。空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)會對溫壓產(chǎn)生明顯影響,一般而言,溫壓△t會隨著漏風(fēng)增加而減小。影響空氣預(yù)熱器排煙溫度高低的不單是漏風(fēng)量,還有所漏空氣含有的全部熱量,當(dāng)熱端漏風(fēng)較大時,由漏風(fēng)帶入的空氣焓提高了進口煙焓和煙氣量。由于熱空氣對煙氣的稀釋作用,使煙氣溫度有所降低,此時,煙氣量的增加與煙氣溫度的降低對傳熱量Q的影響是相反的。由于空氣預(yù)熱器熱端泄漏的風(fēng)量還要參與和影響傳熱,因此熱端漏風(fēng)不僅有風(fēng)量損失,而且有熱量損失。當(dāng)熱端漏風(fēng)減少時,在空氣側(cè),被加熱的空氣量隨漏風(fēng)系數(shù)的下降而增加,出口熱風(fēng)溫度必然有所提高。當(dāng)冷端漏風(fēng)較大時,一定量的冷風(fēng)摻和進煙氣側(cè),會造成出口煙溫較低的假象。并且由于進口風(fēng)溫一般為環(huán)境溫度和風(fēng)量不參加傳熱,因此冷端漏風(fēng)可視作僅有風(fēng)量損失。當(dāng)冷端漏風(fēng)減少時,在煙氣側(cè),排煙的稀釋作用會隨漏風(fēng)系數(shù)的下降而減少,雖然出口煙氣溫度會有所提高,但排煙焓值并沒有增加,所以不會影響換熱效率。漏風(fēng)減少且冷端降低較多時,使原有的漏風(fēng)中熱端比率較改造前增大,抵消了漏風(fēng)減少對總焓值的影響,排煙溫度將有所上升。排煙熱損失q2雖主要取決排煙溫度,但仍與排出煙氣中的二氧化碳含量有反比關(guān)系,漏風(fēng)減少后煙氣中的二氧化碳含量比率增加,即使排煙溫度略有上升,排煙熱損失并不高?？諝忸A(yù)熱器實際冷、熱端漏風(fēng)的比例以及改造前后的每一區(qū)域的漏風(fēng)降低值雖無法直接估量,但漏風(fēng)降低較多時,熱風(fēng)溫度必然會顯著上升。如系統(tǒng)設(shè)置不經(jīng)過空氣預(yù)熱器加熱的冷風(fēng)或部分加熱的溫風(fēng)管道時(考慮制粉系統(tǒng)中的漏風(fēng)和為了適應(yīng)各種工況調(diào)整溫度的需要),此時為了控制制粉系統(tǒng)溫度,溫風(fēng)或冷風(fēng)量也相應(yīng)增加,空氣預(yù)熱器出口空氣量與理論空氣量之比“β”會降低,排煙溫度也就不可避免地升高了。此時的因果和量的關(guān)系必須和設(shè)計值及改造前后的情況相比較,不能單純地歸咎于改造后的漏風(fēng)降低,并由此來衡量經(jīng)濟效益。3空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)不合理,造成了轉(zhuǎn)子變形,一個是一個干氣密封的傳束式密封。到一個密封道數(shù),vd的情況,直接漏風(fēng)量大,到了20%;在做空氣預(yù)熱器攜帶漏風(fēng)的大小由其本身結(jié)構(gòu)所決定,要減少攜帶漏風(fēng),就需減小轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子體積,或降低空氣壓力和溫度。空氣壓力和溫度是鍋爐參數(shù)決定的,不可改變。減小轉(zhuǎn)速是以降低空氣預(yù)熱器的換熱效率為代價;減小轉(zhuǎn)子體積則以提高流體流速為基礎(chǔ),而過分提高流速勢必使流通阻力上升而加劇元件磨損。因此,當(dāng)空氣預(yù)熱器選型確定并采用經(jīng)濟流速后,攜帶漏風(fēng)就無法減小。直接漏風(fēng)與空氣預(yù)熱器密封付的密封間隙和流經(jīng)空氣預(yù)熱器的煙、空氣壓差的平方根成正比,空氣預(yù)熱器中的煙空氣壓差主要取決于鍋爐煙風(fēng)道及制粉系統(tǒng)的阻力,當(dāng)空氣預(yù)熱器的直徑確定后,通過設(shè)計本身去減少空氣預(yù)熱器中煙、空氣的壓差值,可用增加密封道數(shù)的布置,雙道密封設(shè)計可使流經(jīng)惰性區(qū)的煙、空氣的壓差值減小。采用這種結(jié)構(gòu)后,空氣至煙氣側(cè)的壓差由單道密封的Δpd=pk-py降為雙道密封的Δps=(pk+py)/2-py=(pk-py)/2,(其中pk為空氣壓力;py為煙氣壓力)。此時,雙道密封結(jié)構(gòu)的漏風(fēng)量vs與單道密封結(jié)構(gòu)的漏風(fēng)量vd之比值:vsvd=√ΔpsΔpd=√(pk-py)/2pk-py=1√2=0.707即:vs=0.707vdv=vd-vs=vd-0.707vd≈0.3vd采用雙道密封布置可使空氣預(yù)熱器直接漏風(fēng)降低30%。然而增加密封道數(shù)就需要把轉(zhuǎn)子分成很多倉格,并相應(yīng)增加密封區(qū)寬度,這樣會使轉(zhuǎn)子的截面利用率降低,制造工藝變得復(fù)雜。并且隨著密封道數(shù)的增加,對直接漏風(fēng)的降低率也隨著密封道數(shù)的進一步增加而變得效果有限。所以,目前國內(nèi)外的容克式空氣預(yù)熱器徑向、軸向密封道數(shù)最多采用雙道布置,且多用于大機組上。當(dāng)上述的方法已采取之后,要減少容克式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的唯一途徑就是盡可能地將空氣預(yù)熱器的密封間隙控制在最小限度,并設(shè)法消除一切不該存在的泄漏孔洞,排除固有漏風(fēng)點,這點對電廠在已有設(shè)備上降低漏風(fēng)顯得尤為重要。空氣預(yù)熱器投運后,整個轉(zhuǎn)子溫度都會上升,而熱端溫度上升幅度比冷端要高得多,這種狀態(tài)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在熱態(tài)時外緣部分向下變形,轉(zhuǎn)子表面向下變形的公式為:Y=αR2Δt/(2Η)(4)式中:α為轉(zhuǎn)子膨脹系數(shù);R為轉(zhuǎn)子半徑,m;Δt為溫度升高值,℃;H為傳熱元件高度,m。轉(zhuǎn)子變形后,沿徑向方向進行膨脹,膨脹量熱端大于冷端,轉(zhuǎn)子側(cè)面輪廓從上到下基本為一條直線。轉(zhuǎn)子冷端外側(cè)向下變形,由于冷端溫度變化小,冷端表面從里到外變形后的拋物面輪廓不明顯,也接近于直線。為克服轉(zhuǎn)子變形帶來的影響,在空氣預(yù)熱器設(shè)計時,將根據(jù)具體設(shè)備所處工作溫度及狀態(tài),對轉(zhuǎn)子變形作詳細計算。在轉(zhuǎn)子的側(cè)面和冷端,預(yù)留好密封間隙,使設(shè)備在熱態(tài)時,這些區(qū)域的密封間隙處在最小安全運行狀態(tài)下。在空氣預(yù)熱器的熱端,扇形板內(nèi)側(cè)設(shè)計為可隨轉(zhuǎn)子膨脹而上升的形式,如扇形板內(nèi)側(cè)設(shè)計為固定形式,則內(nèi)側(cè)必須預(yù)留出轉(zhuǎn)子中心軸的向上膨脹量。大型空氣預(yù)熱器外側(cè)采用扇形板自動跟蹤裝置,以保持扇形板和轉(zhuǎn)子密封片始終處于最小運行間隙。為保證理論計算和實際運行狀態(tài)的偏差得到修正,滿足鍋爐改型等需要,大型空氣預(yù)熱器的密封(包括扇形板和軸向圓弧板)一般都可設(shè)計為可調(diào)型,在密封片安裝的同時采用裝數(shù)片鋁制摩擦指針來測量實際密封間隙,以便有偏差時,可隨時作調(diào)整。如設(shè)計為不可調(diào)時,在計算空氣預(yù)熱器熱膨脹量和冷態(tài)預(yù)留間隙時,必須充分考慮煤質(zhì)變化以及各種工況下的溫度變化。為了使空氣預(yù)熱器留有最合適的運行間隙,除充分掌握轉(zhuǎn)子熱變形,精確計算密封預(yù)留間隙外,現(xiàn)場安裝和調(diào)試是決定因素,因為密封間隙的控制主要取決于設(shè)計計算預(yù)留間隙的準確性和現(xiàn)場密封部件的安裝良好程度。冷態(tài)、熱態(tài)調(diào)試是設(shè)備運行前的最后一道工序,這項工作可彌補一部分安裝缺陷,并對降低空氣預(yù)熱器漏風(fēng),為設(shè)備安全運行提供保證。4軸向密封道數(shù)(1)空氣預(yù)熱器漏風(fēng)量取決于空氣與煙氣之間的壓差及空氣流向煙氣側(cè)的泄漏面積,其值與壓差的平方根和泄漏面積之乘積成正比。(2)當(dāng)采用雙道徑向、雙道軸向密封付時,空氣預(yù)熱器的直接漏風(fēng)約可下降30%,采用三道徑向、軸向密封付時的直接漏風(fēng)約可下降42%。但密封道數(shù)的增加會使轉(zhuǎn)子的截面利用率降低,目前以雙道密封應(yīng)用較多。(3)漏風(fēng)分冷端和熱端,熱端漏風(fēng)不僅