容克式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率控制

容克式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率控制

容克空氣預(yù)熱器是廣泛使用于大型電壓爐的尾熱裝置。主要功能如下：。(1)進(jìn)一步降低鍋爐排煙溫度,提高鍋爐效率,從而達(dá)到節(jié)約燃料的目的;(2)提高送入鍋爐的用于燃燒的空氣溫度,有利于火焰的穩(wěn)定性,并提高燃料的燃盡程度,即提高燃燒效率;(3)提高整臺設(shè)備內(nèi)煙氣的溫度水平,增大與工質(zhì)間的溫壓,從而強(qiáng)化傳熱過程。容克式空氣預(yù)熱器同管式相比,具有結(jié)構(gòu)緊湊,鋼耗少,容易布置等優(yōu)點(diǎn),但是容克式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率高卻是難以解決的問題,是該類設(shè)備的致命缺點(diǎn),所以在容克式空氣預(yù)熱器技術(shù)中,防止或降低漏風(fēng)即密封技術(shù)占有很重要的地位。縱觀回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的發(fā)展歷史,可以說在一定程度上是密封技術(shù)發(fā)展的歷史?？諝忸A(yù)熱器的漏風(fēng)會導(dǎo)致機(jī)組熱力工況的變化,隨著漏風(fēng)量的增加,熱風(fēng)溫度下降,排煙溫度也下降,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程;漏風(fēng)還影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益,它一方面降低了機(jī)組的熱效率,另一方面增加了通風(fēng)機(jī)械的功率消耗,使企業(yè)發(fā)電煤耗和供電煤耗增加。本文從漏風(fēng)的機(jī)理及其規(guī)律出發(fā),論述降低漏風(fēng)的理論途徑。1空氣預(yù)熱器漏風(fēng)量的基本計(jì)算公式容克式空氣預(yù)熱器主要有筒形轉(zhuǎn)子和外殼組成。轉(zhuǎn)子是運(yùn)動(dòng)部件,外殼是靜止部件,動(dòng)靜部件之間肯定有間隙存在,這種間隙就是漏風(fēng)的渠道?？諝忸A(yù)熱器同時(shí)處于鍋爐島煙風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)口和出口,空氣側(cè)壓力高,煙氣側(cè)壓力低,二者之間存在壓力差,這是漏風(fēng)的動(dòng)力。由于壓差和間隙的存在造成的漏風(fēng)稱為直接漏風(fēng)。還有一種漏風(fēng)叫結(jié)構(gòu)漏風(fēng),是由于轉(zhuǎn)子內(nèi)具有一定的容積,當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),就像水車一樣,必定攜帶一部分氣體進(jìn)入另一側(cè)。結(jié)構(gòu)漏風(fēng)量的計(jì)算公式為式中:ΔVstr為結(jié)構(gòu)漏風(fēng)量,m3/s;D為轉(zhuǎn)子內(nèi)徑,m;d為中心筒直徑,m;n為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度,r/min;y為轉(zhuǎn)子內(nèi)金屬所占容積份額;h為轉(zhuǎn)子高度,m。結(jié)構(gòu)漏風(fēng)是容克式空氣預(yù)熱器的固有特點(diǎn),是不可避免的。由公式(1)看出,結(jié)構(gòu)漏風(fēng)量與轉(zhuǎn)子內(nèi)容積及轉(zhuǎn)速成正比,為了降低結(jié)構(gòu)漏風(fēng)量,在滿足換熱性能的前提下,盡量選擇較低的轉(zhuǎn)速,因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速大于1.5r/min時(shí),提高轉(zhuǎn)速對傳熱不再有益;轉(zhuǎn)子內(nèi)盡量充滿傳熱元件,增加金屬所占容積份額,提高y值,即轉(zhuǎn)子高度不要留有太多的剩余空間。結(jié)構(gòu)漏風(fēng)量占預(yù)熱器總漏風(fēng)量的份額較少,空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)主要是直接漏風(fēng),直接漏風(fēng)量的計(jì)算公式可以按如下方法推導(dǎo)出來。把空氣側(cè)和煙氣側(cè)視為兩個(gè)一壁之隔的充滿氣體的無限大容器,空氣通過間壁上的微小間隙泄漏到煙氣側(cè),如圖1,根據(jù)粘性流體的伯努利的方程得到式中:Z1,Z2為位置水頭,對氣體而言,Z1,Z2可以忽略不計(jì);V1,V2為速度水頭,V1≈V2,可以忽略不計(jì)。所以式中:pA為空氣側(cè)壓力,Pa;pG為煙氣側(cè)壓力,Pa;ρ為空氣密度,kg/m3;g為重力加速度;hω為泄漏阻力,具有長度單位,m。式中:V為泄露氣體流經(jīng)間隙時(shí)的速度,m/s;ζ為阻力系數(shù)。令Δp=pA-pG則Δpρg=ζV22gV=√2Δpρζ(5)則Δpρg=ζV22gV=2Δpρζ???√(5)根據(jù)流速、流量、流通截面積之間的關(guān)系,有式中:Q為單位時(shí)間內(nèi)泄漏的氣體量(體積),m3/s;F為間隙面積,m2。由公式(5)、(6)得到國際上習(xí)慣用單位時(shí)間內(nèi)泄漏的氣體質(zhì)量G來表示漏風(fēng)量,則G=ρ?F√2ΔpρζG=ρ?F2Δpρζ???√G=F√Δp?ρ(2/ζ)G=FΔp?ρ(2/ζ)?????????√令Κ=√2/ζK=2/ζ???√,稱之為泄漏系數(shù),則以上為空氣預(yù)熱器漏風(fēng)量的基本計(jì)算公式,該式與美國ABB-APC公司提供的計(jì)算公式形式是一樣的,公式中氣體密度ρ是基本不變的,因此,影響漏風(fēng)的主要因素是:系數(shù)K;間隙面積F;空氣側(cè)與煙氣側(cè)之間的壓力差Δp。本公式適用于回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的徑向密封,軸向密封,靜密封和中心環(huán)向密封。2p值的降低由公式(8)看出,漏風(fēng)量與泄漏系數(shù)K,間隙面積F,空氣與煙氣的壓力差Δp的平方根成正比,要降低漏風(fēng)量,就必須降低K,F,Δp值。下面分別論述降低K,F,Δp值的有關(guān)措施。2.1大尺寸帶密封的雙密封技術(shù)自從1984年我國由機(jī)械工業(yè)部牽頭,哈爾濱鍋爐廠、上海鍋爐廠、東方鍋爐廠三大鍋爐廠家聯(lián)合引進(jìn)美國CE公司空氣預(yù)熱器技術(shù)以來,我國的空氣預(yù)熱器基本上都是采用同一結(jié)構(gòu),密封技術(shù)大同小異。28號以下預(yù)熱器,轉(zhuǎn)子為12分倉,扇形倉角度為30°,扇形密封板角度也是30°;28.5號以上預(yù)熱器,轉(zhuǎn)子為24分倉,扇形倉角度為15°,扇形密封板角度也是15°。這樣在一般情況下,只有一條徑向密封片與扇形板密封面相接觸,形成單徑向密封。軸向密封和靜密封也都是單密封,軸向密封板的寬度對應(yīng)于一個(gè)扇形倉外圓弧弦長,靜密封僅僅在煙氣側(cè)布置迷宮式結(jié)構(gòu)。1996年,英國豪頓公司進(jìn)入中國大陸市場,帶來了空氣預(yù)熱器的中心傳動(dòng)技術(shù)和雙密封技術(shù)。雙密封技術(shù)主要是指雙徑向密封和雙軸向密封,所謂雙密封,就是在任何時(shí)候都有兩條密封片與密封板相接觸,形成兩個(gè)密封,如圖2。雙密封降低漏風(fēng)的原理推導(dǎo)如下:采用單密封時(shí),煙氣與空氣只有一壁之隔;采用雙密封時(shí),煙氣與空氣被過渡區(qū)域隔開。在工況相同間隙相同的情況下,采取雙密封結(jié)構(gòu)時(shí),漏風(fēng)先從空氣區(qū)泄漏到過渡區(qū),再從過渡區(qū)泄漏到煙氣區(qū),如圖2,假定過渡區(qū)壓力為pM,那么,從空氣區(qū)泄漏到過渡區(qū)的漏風(fēng)量應(yīng)該存在如下關(guān)系式從過渡區(qū)泄漏到煙氣區(qū)的漏風(fēng)量為根據(jù)流體力學(xué)的流體連續(xù)性原理得即把等式(10)代入等式(9)得到因?yàn)镚=G1所以G=0.7Κ?F√ΔΡ?ρ(11)把等式(11)與等式(8)相比較,可以看出,雙密封技術(shù)可以把系數(shù)K降低30%,或者說把泄漏壓差Δp降低一半,漏風(fēng)量降低30%。另外,雙徑向密封還可以減輕轉(zhuǎn)子多邊形變形,減少環(huán)向間隙,降低環(huán)向漏風(fēng);雙靜密封可以緩解熱端軸承處向外漏熱風(fēng)和密封板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)處向外漏熱風(fēng)。由公式(11)得到啟示,既然雙密封可以把泄漏壓差降低一半,那么采用多重密封會怎樣呢?經(jīng)過試驗(yàn)推導(dǎo)得出,當(dāng)采用多重密封時(shí),漏風(fēng)量為式中:n為多重密封數(shù)。由公式(12)看出,密封數(shù)越多,降低壓差越大,或者說降低系數(shù)K越大。但是,由于操作空間的限制和制造成本的提高,不可能采用多重密封,一般取n=2。2.2漏風(fēng)間隙的影響空氣預(yù)熱器漏風(fēng)量與間隙面積成正比,控制間隙面積可以有效地控制漏風(fēng)。漏風(fēng)間隙包括熱端徑向密封間隙、冷端徑向密封間隙、軸向密封間隙和靜密封間隙,間隙越小越好,但是間隙不可能為零,更不能為負(fù)值,因?yàn)殚g隙太小會造成設(shè)備磨損,影響使用壽命。下面分別介紹控制各個(gè)間隙的措施。2.2.1轉(zhuǎn)子直徑的確定式中:δ為間隙寬度;L為間隙長度。間隙長度L與轉(zhuǎn)子直徑有關(guān),轉(zhuǎn)子直徑越大,間隙越長,徑向間隙長度為式中:R為轉(zhuǎn)子半徑;r為中心軸(筒)半徑。環(huán)向密封間隙長度為為了控制間隙長度,必須合理選擇轉(zhuǎn)子直徑。選擇轉(zhuǎn)子直徑的原則有兩個(gè):第一,確保煙氣和空氣在預(yù)熱器內(nèi)有適當(dāng)流速,煙氣在空氣預(yù)熱器內(nèi)的最佳流速為8～12m/s,空氣流速等于或略低于煙氣流速。第二,空氣預(yù)熱器是鍋爐系統(tǒng)的一部分,空氣預(yù)熱器的總阻力不能太高,根據(jù)美國ABB-APC公司的技術(shù)資料,空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)阻力加上空氣側(cè)阻力之和應(yīng)小于127mm水柱。因?yàn)樽枇εc氣體流速和受熱面高度有關(guān),流速越大,受熱面越高,阻力越大,所以當(dāng)受熱面較高時(shí),可以選用較低流速,即較大轉(zhuǎn)子直徑;當(dāng)受熱面較低時(shí),可以選用較高流速,即較小轉(zhuǎn)子直徑。2.2.2旋轉(zhuǎn)密封間隙的控制熱端徑向間隙是空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的主要渠道,必須嚴(yán)格控制。熱端徑向密封片在安裝調(diào)整時(shí),一般安裝成直線,內(nèi)外側(cè)間隙均為0mm,在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)預(yù)熱器發(fā)生復(fù)雜的綜合變形,尤其是轉(zhuǎn)子的蘑菇狀變形,使熱端徑向間隙增大,如果不采取措施的話,預(yù)熱器65%的漏風(fēng)發(fā)生在熱端徑向間隙?，F(xiàn)代預(yù)熱器一般都采用冷端支撐熱端導(dǎo)向定位的結(jié)構(gòu),熱端扇形板內(nèi)側(cè)吊掛在中心軸上,外側(cè)吊掛在中心桁架上。預(yù)熱器發(fā)生變形之后,熱端扇形板內(nèi)側(cè)隨著轉(zhuǎn)子中心軸膨脹向上移動(dòng),所以內(nèi)側(cè)間隙是不變的,而外側(cè)間隙則由于轉(zhuǎn)子的蘑菇狀下垂和外殼增長而增大。外側(cè)間隙的計(jì)算公式為式中:δr-h為熱端徑向密封外側(cè)間隙,δt為轉(zhuǎn)子蘑菇狀變形下垂量;δh為外殼膨脹量;δb為冷端中心桁架彎曲量(撓度);δp為中心筒膨脹量;δsp為支撐端軸膨脹量。50MW的鍋爐機(jī)組?6m預(yù)熱器,其間隙可達(dá)10mm,600MW的鍋爐機(jī)組?15m預(yù)熱器的間隙可達(dá)50mm。為了彌補(bǔ)這一間隙,可以采取以下措施:(1)安裝漏風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。安裝漏風(fēng)控制系統(tǒng)后,熱態(tài)運(yùn)行時(shí),漏風(fēng)控制系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子變形下垂量的多少,由電腦控制,自動(dòng)提升或下放扇形板外端,使密封間隙始終保持在設(shè)定的范圍內(nèi),如圖3所示,從而達(dá)到對漏風(fēng)自動(dòng)控制的目的,提高整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行效率。由于轉(zhuǎn)子上端面變形為曲線,為了使熱端扇形板與密封片之間形成均勻一致的間隙,防止磨損,有時(shí)需折線安裝熱端徑向密封片。(2)確保轉(zhuǎn)子垂直度。如果轉(zhuǎn)子不垂直,就不能保證扇形板、弧形板在同一密封面上,三向(徑向、軸向、旁路)密封間隙的調(diào)整和控制更無從談起,因此轉(zhuǎn)子找正是調(diào)整密封間隙的前提條件。(3)徑向密封片的安裝要以靠尺為基準(zhǔn),確保徑向密封片的高度差小于1mm。2.2.3冷端預(yù)留間隙的計(jì)算冷端徑向間隙是空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的重要渠道,冷端間隙的控制一般采用冷態(tài)預(yù)留熱態(tài)彌補(bǔ)的辦法。即在冷態(tài)安裝調(diào)整時(shí),冷端內(nèi)側(cè)間隙為0mm,而外側(cè)預(yù)留出一定間隙;熱態(tài)運(yùn)行時(shí),內(nèi)側(cè)間隙由0mm變?yōu)橹味溯S的膨脹值,外側(cè)間隙由于轉(zhuǎn)子的蘑菇狀下垂變?yōu)?mm。這樣一來預(yù)留間隙的計(jì)算就非常重要,根據(jù)美國ABB-APC公司的技術(shù)資料,冷端預(yù)留間隙的計(jì)算公式為式中:α為平均溫度Tav時(shí)的材料線性膨脹系數(shù),℃,其值可以根據(jù)表1選取;ΔT為轉(zhuǎn)子上下端溫差,℃;Tai為空氣進(jìn)口溫度,℃;Tao為空氣出口溫度,℃;Tgi為煙氣進(jìn)口溫度,℃;Tgo為煙氣出口溫度,℃;H為傳熱元件高度,m;αsp為支撐端軸膨脹系數(shù),℃;ΔTsp為支撐端軸溫差,℃;Lsp為支撐端軸長度,m。支撐端軸膨脹量很小,一般不大于1mm,可以忽略不計(jì)。根據(jù)以上公式進(jìn)行正確計(jì)算,冷端漏風(fēng)可以減低到最低水平。冷端扇形板一般用螺桿支撐在中心桁架上,如果預(yù)留間隙偏大,可以手動(dòng)均勻調(diào)整冷端扇形板。2.2.4旁路漏風(fēng)控制現(xiàn)代大型預(yù)熱器一般都裝有軸向密封裝置,當(dāng)旁路密封(環(huán)向密封)不良時(shí),軸向密封可以防止氣體通過外殼與轉(zhuǎn)子之間的環(huán)形通道繞到煙氣側(cè),也就是說,軸向密封起到第二條防線的作用。實(shí)際上,旁路密封的生產(chǎn)和安裝精度不易保證,再加上旁路密封片的磨損,旁路漏風(fēng)是存在的。當(dāng)旁路密封所泄漏空氣從冷端進(jìn)入轉(zhuǎn)子與外殼之間后,又分為兩個(gè)去向,一部分通過軸向密封間隙泄漏到煙氣側(cè),一部分又從另一端匯入到空氣風(fēng)道中。為了控制軸向漏風(fēng),可以采取以下措施:(1)保證旁路密封質(zhì)量,減輕軸向密封負(fù)擔(dān),如現(xiàn)場車加工旁路密封面;(2)冷端元件裝卸門加裝填料,防止額外環(huán)向泄漏;(3)根據(jù)轉(zhuǎn)子半徑膨脹量,正確預(yù)留軸向密封間隙。2.2.5靜密封表7現(xiàn)代大型預(yù)熱器,為了保證扇形板和軸向密封板的可調(diào)性,在扇形板與中心桁架之間,軸向密封板與外殼之間,都裝有靜密封,早期的靜密封都是迷宮式結(jié)構(gòu),如圖2,由于這