任 浩 鄧志輝 唐亦軍

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回轉(zhuǎn)式空預(yù)器密封回收技術(shù)的研究及應(yīng)用

任 浩 鄧志輝 唐亦軍

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031）

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器漏風(fēng)是科研人員和電廠一直關(guān)心和急切解決的核心問題。介紹了新型的密封回收技術(shù)，通過對應(yīng)用密封回收技術(shù)的空預(yù)器內(nèi)流體的換熱流動進行了數(shù)值模擬，得出了此回收技術(shù)可以有效降低漏風(fēng)率。在華潤#1機組空預(yù)器上應(yīng)用此密封系統(tǒng)并進行漏風(fēng)率測試和經(jīng)濟效益分析，結(jié)果證明此密封回收系統(tǒng)可以降低漏風(fēng)，減少熱損失排放以及帶有可觀的經(jīng)濟效益，為今后電廠同類空預(yù)器密封改造提供了一定指導(dǎo)和參考。

空預(yù)器；密封回收系統(tǒng)；漏風(fēng)率；經(jīng)濟效益

0 引言

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器是一種用于大型鍋爐的熱交換設(shè)備，它利用鍋爐煙氣的熱量來加熱燃燒所需的空氣，以此來提高鍋爐效率。由于預(yù)熱器是一個轉(zhuǎn)動機械，動靜部件之間存在間隙，同時流經(jīng)預(yù)熱器的空氣和煙氣之間也存在壓差，所以空氣不可避免的向煙氣側(cè)泄漏。隨著運行時間的增加，設(shè)備磨損、漏風(fēng)面積和泄漏系數(shù)將會增大，導(dǎo)致漏風(fēng)量增大?？諝忸A(yù)熱器的漏風(fēng)現(xiàn)象嚴重影響了機組運行的安全性和經(jīng)濟性。降低回轉(zhuǎn)式空預(yù)器漏風(fēng)率已經(jīng)成為提高電站鍋爐運行水平、保障電站設(shè)備運行安全和降低發(fā)電能耗的關(guān)鍵之一。

于海洋[1]針對某公司600M亞臨界鍋爐空氣預(yù)熱器進行研究，確定采用柔性接觸式密封技術(shù)結(jié)合剛性密封技術(shù)的方法，能夠有效降低空預(yù)器的漏風(fēng)率，并且經(jīng)濟可靠。王增發(fā)[2]針對轉(zhuǎn)子熱端的“蘑菇狀”變形問題，提出采用模糊控制方案實現(xiàn)漏風(fēng)控制系統(tǒng)并用MATLAB軟件進行仿真分析。李俊[3]等人提出空預(yù)器“單密封”向“雙密封”形式改進的可行性方案。俞龍[4]等人成功應(yīng)用刷式密封技術(shù)解決空預(yù)器漏風(fēng)率偏大的問題。

以上方法思路都是通過減小漏風(fēng)間隙來降低漏風(fēng)且無法降低攜帶漏風(fēng)。由于空氣預(yù)熱器固有結(jié)構(gòu)，動靜部件間的間隙小到一定程度就無法繼續(xù)減小。經(jīng)過對各種密封技術(shù)綜合對比后，結(jié)合電廠煤源摻雜、多變的運行工況，提出密封回收系統(tǒng)，采用“大禹治水、先堵后疏”原理，將復(fù)雜的機械密封運動轉(zhuǎn)化為利用流體的自然特性因勢利導(dǎo)，成功解決了回轉(zhuǎn)式空預(yù)器漏風(fēng)率隨運行工況多變而無法運行控制的難題。通過數(shù)值計算（借助計算流體力學(xué)CFD軟件）對改造前的空預(yù)器和安裝密封回收系統(tǒng)的空預(yù)器進行三維數(shù)值模擬和比對研究，并且通過工程應(yīng)用實測數(shù)據(jù)，證明此方法的可行性；進行了綜合經(jīng)濟效益分析；對機組節(jié)能減排具有重要的應(yīng)用價值，為國內(nèi)同類型機組提供一定的技術(shù)參考和借鑒。

1 密封回收系統(tǒng)介紹

空氣預(yù)熱器設(shè)備同時串聯(lián)在鍋爐煙、風(fēng)系統(tǒng)中，空氣與煙氣同時相向通過設(shè)備內(nèi)。在空氣側(cè)和煙氣側(cè)壓差的作用下，空氣側(cè)向煙氣側(cè)泄露?；剞D(zhuǎn)式空預(yù)器密封回收系統(tǒng)的技術(shù)原理就是在空預(yù)器內(nèi)部建立立體的封閉機構(gòu)，使泄露的空氣只能通過密封轉(zhuǎn)動副的密封區(qū)和回收區(qū)向煙氣側(cè)泄露；采用新型密封組件形成新的密封區(qū)，該泄露風(fēng)及轉(zhuǎn)子攜帶漏風(fēng)進入回收區(qū)內(nèi)，即被設(shè)備外回收裝置在要求時間內(nèi)全部回收，因而進入煙道的泄漏空氣大幅度降低。

圖1 空預(yù)器漏風(fēng)回收系統(tǒng)示意圖

2 模型的建立與求解

2.1 數(shù)學(xué)模型

圖2 微元控制圖

（1）氣體質(zhì)量平衡方程

（2）氣體能量平衡方程

（3）金屬蓄熱組件能量方程

式中：、ρ分別為氣體空氣或煙氣和金屬密度，kg/m3；v、v、v分別為氣體沿徑向、切向和軸向速度，m/s；i為氣體空氣或煙氣的焓值，kJ/kg；、分別為金屬的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱，W/(m·K)、kJ/(kg·℃)；t金屬的溫度，℃；t1、t2分別為空氣和煙氣的溫度，℃；、d分為控制容積的表面積和體積，m2、m3；空氣預(yù)熱器的旋轉(zhuǎn)角速度，r/min；Δ控制容積中氣體和金屬的對數(shù)平均溫差，℃；對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

2.2 物理模型

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為提高計算效率和降低計算難度，對模型進行必要的簡化和假設(shè)如下：

（1）在轉(zhuǎn)子入口斷面上，煙氣和空氣的溫度分布均勻；

（2）煙氣和空氣的物性參數(shù)（密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、運動粘度）僅考慮為溫度的函數(shù)，與壓力無關(guān)；蓄熱元件金屬的物性參數(shù)只與溫度有關(guān)；

（3）將回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的轉(zhuǎn)子部分簡化為多孔介質(zhì)模型；

（4）預(yù)熱器內(nèi)部煙氣溫度一般小于450℃，只考慮對流傳熱和金屬導(dǎo)熱，忽略輻射傳熱回；

（5）忽略空氣預(yù)熱器的散熱。

圖3 原空預(yù)器幾何模型

圖4 增加密封回收系統(tǒng)空預(yù)器幾何模型

本文經(jīng)過合理的簡化和假設(shè)后[5-8]，以某二分倉空預(yù)器為對象，建立與實物1:1的傳熱流動三維模型。原空氣預(yù)熱器的幾何模型如圖3所示，增加密封回收系統(tǒng)的空預(yù)器即在煙氣側(cè)與空氣側(cè)中間的扇形板建立回收區(qū)（提供一個略大于煙氣側(cè)的負壓），幾何模型如圖4所示。

3 模型結(jié)果及分析

3.1 排煙溫度

通過對回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的模擬計算，圖5為原空預(yù)器的煙氣出口溫度截面，圖6為增加密封回收系統(tǒng)的空預(yù)器煙氣出口溫度截面，從圖5和圖6可以看出煙氣的排煙溫度沿圓周方向幾乎成線性比例關(guān)系。這一現(xiàn)象和文獻[9]和文獻[10]中的結(jié)論相一致，證明了模擬的正確性。排煙平均溫度約為156度，與空預(yù)器的設(shè)計排煙溫度145度誤差很小，在10%允許誤差內(nèi)，表明模擬計算結(jié)果的正確性與可靠性。從圖5可以看出煙氣出口溫度沿著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向溫度逐漸升高，這是由于煙氣先對蓄熱元件進行加熱，使得蓄熱元件的溫度升高，從而使得煙氣和蓄熱元件之間的溫差沿著空氣預(yù)熱器的旋轉(zhuǎn)方向逐漸降低，從而導(dǎo)致煙氣與蓄熱元件之間的換熱量沿著轉(zhuǎn)動方向減小，最終煙氣出口溫度沿轉(zhuǎn)動方向逐漸升高。圖7表明增加回收密封系統(tǒng)的空預(yù)器平均排煙溫度比原空預(yù)器平均排煙溫度高大約4度左右，從側(cè)面反映出空預(yù)器漏風(fēng)率的減小。

圖5 原空預(yù)器煙氣出口溫度云圖

圖6 增加密封回收系統(tǒng)空預(yù)器煙氣出口溫度云圖

圖7 煙氣出口溫度沿周向變化

3.2 漏風(fēng)率

漏風(fēng)率是漏風(fēng)性能評價的重要指標(biāo)，也是目前國內(nèi)外空氣預(yù)熱器試驗法規(guī)常用的指標(biāo)，其表達式為：

式中：AL為漏風(fēng)率，%；ΔQ為空預(yù)器中空氣側(cè)泄漏到煙氣側(cè)的總漏風(fēng)量，kg/s；Q1為空預(yù)器煙氣入口流量，kg/s；Q2為空預(yù)器煙氣口流量，kg/s。

從圖8可以得出原空預(yù)器和改造后（增加密封回收系統(tǒng)）空預(yù)器泄漏空氣的流量分別是25.16kg/s和11.74kg/s。相比之下泄漏流量減少了13.42kg/s。改造前空預(yù)器漏風(fēng)率為6.4%，改造后空預(yù)器的漏風(fēng)率為3.0%，漏風(fēng)率下降了3.4%，證明此密封技術(shù)可以達到其他密封方法無法達到的密封效果。

4 工程改造試驗

4.1 漏風(fēng)率試驗

對華潤電力公司#1機組鍋爐空氣預(yù)熱器改造，采用密封回收系統(tǒng)技術(shù)替代原來的密封系統(tǒng)。采用《空氣預(yù)熱器試驗規(guī)程》ASME PTC4.3標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行空預(yù)器漏風(fēng)試驗。在機組640MW和540MW工況下進行測試。試驗方法分為回收投入和退出兩種運行方式進行，測試結(jié)果如下。

表1 空氣預(yù)熱器漏風(fēng)測試結(jié)果

改造后空預(yù)器運行平穩(wěn)可靠，測試結(jié)果顯示空預(yù)器的漏風(fēng)率平均在1.94%，達到國內(nèi)外先進水平，相比改造前的空預(yù)器漏風(fēng)率下降了2.7%，改造效果優(yōu)異。

4.2 綜合效益分析

電科院對投入回收裝置后進行測試，數(shù)據(jù)顯示漏風(fēng)率每降低1%，可節(jié)約標(biāo)煤0.22g/kWh，按照此標(biāo)準(zhǔn)，改造后年節(jié)標(biāo)煤2259.3噸/年（按年運行5500h計），年節(jié)約費用180.7萬（每噸煤按800元計）；改造后，由于回收的熱風(fēng)進入二次熱風(fēng)出口，由于鍋爐燃燒所需風(fēng)量恒定，因而送風(fēng)機所需風(fēng)量就相應(yīng)減少了回收量，故送風(fēng)機電耗降低，同理，排煙量相應(yīng)較低，故引風(fēng)機負荷降低，電耗降低，但是增加了回收風(fēng)機電耗，經(jīng)核算電費多花費15.8萬/年，合計耗煤和用電費用，年凈收益165萬元，改造初投資約400萬元，回收成本年限約2.4年，具有較好的投資收益比，經(jīng)濟效益可觀。漏風(fēng)率降低也有利于送、引風(fēng)機出力減弱，不僅煙、風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)裕度增強，而且煙氣流速下降，使?fàn)t內(nèi)各受熱面磨損程度進一步減輕，鍋爐維護成本降低。另外由于燃燒工況穩(wěn)定、充裕、可完全避免水冷壁高溫腐蝕發(fā)生。

5 結(jié)論

本文分析現(xiàn)有密封技術(shù)后，結(jié)合多變的運行工況，提出了新型密封回收技術(shù)，借助CFD軟件對空氣預(yù)熱器內(nèi)流體的換熱流動進行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明：密封回收技術(shù)可以有效降低漏風(fēng)率。在工程上應(yīng)用此技術(shù)進行空預(yù)器改造后，進行漏風(fēng)率測試和經(jīng)濟效益分析，結(jié)果證明此技術(shù)可以有效降低漏風(fēng)且具有可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，為今后電廠同類空預(yù)器密封改造提供了一定指導(dǎo)和參考，具有重大的工程應(yīng)用價值。

[1] 于海洋.600MW亞臨界鍋爐空氣預(yù)熱器密封改造方案的相關(guān)問題探討[D].廣州:華南理工大學(xué),2015.

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Research and Application of Seal Recycling Technology of Rotary Air Preheater

Ren Hao Deng Zhihui Tang Yijun

( Mechanical Engineering College of Southwest Jiao T ong University, Chengdu, 610031 )

Air leakge of rotary air preheater is the core problem that power plant’s professionals and scholars have been concerned about and eagerly solved. This paper introduces a new sealing recovery system. The CFD is used to simulate the heat transfer of the fluid in the air preheater, which increases the sealing recovery system. it can prove that the recovery system can effectively reduce the leakage rate. The sealing system is applied to a certain state air preheater. We complete the air leakage rate test and economic analysis. The results show that this sealed recovery system can reduce air leakage, reduce heat loss emissions and with considerable economic benefits, Which will provide some guidance and reference for the similar air preheater sealing reform in the future.

air preheater; seal recovery system; air leakage rate; economic benefits

1671-6612（2017）05-492-04

TK223.3+4

A

任 浩（1991-），男，在讀碩士研究生，E-mail：504339545@qq.com

鄧志輝（1962-），男，副教授，E-mail：DZHWKL007@163.com

2017-03-10