国产分仓容克式空气预热器漏风大的原因分析及改造

国产分仓容克式空气预热器漏风大的原因分析及改造

1空气预热器技术指标空气预热器是火力发电厂的主要辅助设备，通常用于现代锅炉。它是一种使用锅炉底部香烟加热所需空气的热交换器。上海石洞口发电厂的4台300MW发电机组配备的空气预热器为上海锅炉厂有限公司上世纪80年代初期引进美国CE空气预热器公司的技术后,自行设计和制造的三分仓容克式空气预热器,其型号为2-29VI(T)-MOD,转子直径为ϕ10.318m,转子为24分仓。限于当时的设计和制造水平,以及安装等诸多因素的影响,该型号空气预热器自投运以来,存在诸如:漏风值偏大,导向端轴与热端中间梁和支承端轴与冷端中间梁处泄漏烟灰,径向密封扇形板和轴向圆弧板调节困难等一些问题。考虑到该型号的空气预热器在各地安装、使用较多,多年使用下来,该型号空气预热器的各项技术指标已落后于目前国际和国内的技术要求。故在对该类型空气预热器漏风大的原因进行分析的基础上,结合该类型空气预热器的实际情况,对比可行改造方案,详细介绍了最后所选择的改造实施方案,并对改造后效果进行比较和总结。2空气预热器自身渗漏风害分析及泄漏机2.1漏风率的危害回转式空气预热器是一种转动机构,转动部分与固定部分存在一定间隙。同时流经空气预热器的空气与烟气之间存在压差,因此空气预热器的泄漏是无法完全避免的。但过大的泄漏会对机组的性能带来严重的危害。空气预热器漏风率过大主要有三大危害。首先过大的漏风率会导致锅炉热力工况发生变化,造成一级过热器超温。其次,影响锅炉运行的经济性。漏风一方面增加了排烟热损失,降低了锅炉的热效率;另一方面增加了风机的功率消耗。当漏风超过送风机的负荷能力时,会使燃烧风量不足,导致锅炉的机械、化学燃烧损失增加,严重时会导致一次风的送粉能力下降,降低机组出力;当漏风超过引风机的负荷能力时,会使炉膛负压维持不住,迫使锅炉降负荷运行。最后,漏风过大加快了空气预热器冷端腐蚀。由于烟气中掺入空气,使排烟温度虚假下降,排烟温度下降又导致冷端受热面壁温降低,加速了低温腐蚀的过程。据统计,300MW的机组空气预热器的漏风率每增加1%,将使机组煤耗增加0.66g/(kW·h)。2.2风2部分组成空气预热器的漏风主要由直接漏风和携带漏风2部分组成。直接漏风约占空气预热器整个漏风的70%～80%,携带漏风约占空气预热器整个漏风的20%～30%。2.2.1带压带金属浮动密封副的压缩直接漏风是由空气侧与烟气侧的压差引起的。由于空气预热器转子是个转动体,与之配套的是静止的扇形板、圆弧板等,这些部件与转子的密封片组成相对应的各向密封副,在这一对金属动静密封副之间存在压差,压力较高的空气,经过动静之间的间隙漏入负压状态的烟气侧,就形成了直接漏风。直接漏风的大小取决于间隙的大小,正压空气与负压烟气之间的压差的平方根和流动气流密度的平方根。这部分的漏风占整个漏风量的70%～80%。直接漏风量的计算公式:Qzj=KA(ρΔp)12Qzj=ΚA(ρΔp)12式中:Qzj——直接漏风量,m3/s;K——泄漏系统;A——密封间隙(漏风间隙)面积,m2;ρ——气体密度,m3/s;Δp——烟气间的压差,Pa。2.2.2空气预热器转子结构参数,其转子直径n携带漏风的形成是由于转子的旋转,使转子仓格空间的空气流携带到烟气区中。携带漏风的大小取决于转子所包含的空间大小,被陷入气流的密度和转子的转速有关。这部分漏风占整个漏风量的20%～30%。携带漏风计算公式:Qxd=n60×πD24H(1−y)Qxd=n60×πD24Η(1-y)式中:Qxd——携带漏风量,m3/s;D——空气预热器转子直径,m;n——转子转速,r/min;y——蓄热板金属和灰污所占转子容积的份额;H——转子高度,m。3通过分析空气预热器的漏洞，以及改造方案的比较3.1空气预热器漏风的影响及对策机组运行时,由于空气预热器运行工况下转子冷热端温度不一样,热端膨胀大于冷端,形成了通常所说的蘑菇状变形,即转子中心部位向上膨胀,扇形板内侧跟随导向端轴随动向上,转子外侧因自重向下,热端间隙却越来越大,形成了一定的漏风通道。而冷端逐渐弥合预留间隙。空气预热器密封间隙预留值是根据机组设计工况,按热变形公式计算得来,由于实际工况与设计工况存在一定差别,因此热变形量也会有所差异。另外,热端扇形板内侧虽然跟中心筒一起膨胀,但外侧基本固定不变,运行时的转子随着温度升高而增加热膨胀量,其热端外侧由热变形向下垂,因而径向间隙不断增加,即增加空气预热器直接漏风。同时,由于空气预热器的堵灰亦使烟、空气流通阻力增大,造成空气预热器冷端烟、空气压差增大,致使漏风增加。通过上述分析,我们可以认识到机组运行时,空气预热器的漏风是可避免的,正常的漏风是空气预热器设计时必须考虑的。但机组经过长期的运行,如果长时间缺少维修,会造成漏风率大大增加,主要原因有以下几个方面:(1)转子等组件变形,密封性能下降。由于转子热态的“蘑菇”变形和热膨胀,使各向密封间隙产生变化,径向密封片和T型钢密封面磨损,部分旁路密封片脱离,径向密封间隙增大,增加了空气预热器的漏风。(2)积灰和腐蚀的影响。空气预热器传热组件一旦结垢和积灰严重时,会造成烟、空气通道的堵塞,烟、空气阻力增加。迫使风机出力增加,提高了空气侧和烟气侧的压差,从而加大了漏风。3.21空气预热器密封性能上海石洞口发电厂型号为2-29VI(T)-MOD空气预热器限于当时的技术水平,空气预热器在设计、制造、安装中技术不够成熟,在机组投运初期,漏风率就已经超过12.5%的设计值。其次,空气预热器的静密封经多年的运行,由于其腐蚀和磨损严重,虽经多次修补已不能达到原有的密封效果。空气预热器的扇形板已严重磨损和变形。凹凸高低不平大于3mm,密封效果已达不到原设计要求。第三,转子存在较大的椭圆度,圆周三向密封片局部磨损严重,部分密封片已失去原有的作用,部分密封间隙明显大于设计值。最后,空气预热器冷端传热元件腐蚀、磨损。其栅架局部已被烟气冲刷而磨损。这些原因的存在使得空气预热器漏风率大大增加。石洞口电厂1号炉于1989年开始运行,在2003年机组进行改造性大修之前,我们对空气预热器的漏风率进行了测试,表1是1号机组各项参数的实侧值。在额定负荷下,空气预热器出口热一、二次风温度设计为339℃和349℃,排烟温度为125.41℃,空气预热器阻力为1360Pa,漏风率为12.5%。从表中可以看出,2台空气预热器的漏风率均大大高于设计参数,超标量分别达到48.8%和38.4%。3.3空气预热器管口改造方案占空气预热器漏风70%～80%的是由烟、空气压差引起的直接漏风,设法降低直接漏风量是关键。直接漏风又可表述为ADL=K×A×[(p1-p2)/Z]0.5式中:K——阻力系数;A——泄漏面积;Z——阻挡区数;p1、p2——分别为泄漏区域两侧的静压力。由上式可以看出,减少漏风最有效的方法是减少泄漏面积,其次是增加密封道数。其中单道改到双道最为明显,可将直接漏风降低约(1-1/20.5)×100%=29%,总漏风率约下降29%×80%=23.2%。如原漏风率为10%,可以降低总漏风率(10%×80%)×29%=2.32%。由此可见,直接漏风与密封道数的平方根成反比。为此考虑了如下方案:(1)在空气预热器转子仓格中间,传热元件上下端面处各增加一道径向密封片,但在热段传热元件和冷段传热元件之间没有隔绝。某些电厂采用过该方案,虽然施工简便,改造周期短,费用低。但占断面80%的部分仍然连通,在上、下扇形板与径向密封片之间形成不了压力缓冲区,这样的双密封改造是不完美的。某些电厂经这种改造后,空气预热器漏风率虽然有所下降,但实际上是对静密封和密封机构进行改进后的效果。(2)增加一次风与烟气仓扇形板和二次风与烟气仓扇形板的角度,在增加扇形板的对应处加宽轴向圆弧板,这种方式能降低空气预热器一次风到烟气和二次风到烟气的漏风。有的仅增加一次风与烟气仓扇形板的角度,在增加扇形板的对应处加宽轴向圆弧板,这种方式能降低空气预热器一次风到烟气的漏风,能将空气预热器的漏风控制在10%左右,但不能改善二次风到烟气的漏风和一次风向二次风的泄漏。如:增加的角度部分安排在烟气侧,对24分仓空气预热器而言,这样烟气流通截面角就从172.5°降到157.5°,烟气流速上升1.2倍,烟气阻力也增加相应倍率,一般为200Pa左右。引风机电流上升,烟气加热面积减少10%左右,空气预热器换热效力下降,热风温度下降,排烟温度升高4℃～5℃。足以抵消空气预热器漏风降低的正面影响。(3)在空气预热器原有仓格中间,从上到下增加一块完整的径向隔板和径向密封片,并在对应处增加一道轴向密封片,在基本上不改变空气预热器烟、空气流通条件下达到双密封,做到在上、下扇形板和轴向圆弧板均为双道密封。该方案能形成完整的中间漏风缓冲区,基本上不影响烟、空气流通阻力和换热面积的利用率。不足之处是,改造费用较大,需要分割传热元件包或更换传热元件,需在机组大修期间进行,同时转子重量约增加15t,运行电流增加0.5A,排烟温度升高1℃～2℃。但空气预热器的改造费用,仅辅机单耗一项的节省,即可在半年左右回收空气预热器的改造费用,再加上漏风减少等,其收效是显著的。通过上述方案的分析比较,我们确定初步按照第3种方案实施改造。4最佳间隙的确定在国内外300MW以上机组,也有增装漏风控制系统,即LCS装置来减小热态运行时的热端径向间隙,来达到减少漏风的目的。但这种改造除投资较大外,从许多厂家运行实践证明,在空气预热器运行一段时间后就达不到预期效果,漏风率即会大大增加。为此我们和上海锅炉厂有限公司协商后,将密封系统设计改为整体结构,通过计算,在选定的负荷工况下,空气预热器使运行时的动、静体之间始终保持在预先设定好的最佳间隙范围。在安装中,把所有的密封间隙一次性调好,冷、热端扇形板通过静密封板与梁进行焊接固定,轴向密封板通过静密封板与壳体进行固定,更换所有的密封片,在运行中不作任何的调整,以消除静密封滑动面的泄漏。改造的特点是:(1)将空气预热器单密封系统改为双密封系统,即把原来24格仓的转子分成48格仓;径向密封片和轴向密封片,由原来的24道改为48道;轴向密封片与轴向圆弧板和径向密封片与径向扇形板由1道密封副改为在任何瞬间不少于2道密封副。(2)重新计算冷、热端扇形板,轴向弧形板的密封间隙并按此值重新调整。(3)改原可调节的冷端扇形板为固定式。冷端扇形板调整好间隙后,通过静密封板与下梁全部密封焊死,与下梁成为一个整体。消除了静密封滑板处的泄漏。(4)取消热端扇形板中心随动机构,热端扇形板通过静密封板与上梁全部密封焊接固定。消除了静密封滑板处的泄漏。其缺点是:当机组意外跳闸而引起空气预热器联锁跳闸时,难以及时恢复空气预热器的运转。(5)在冷端“T”形钢的下端增加1圈角钢,并加装1道端面折角密封片。(6)转子的仓格板与蓄热元件的框架改为铁条焊接密封。主要是考虑此处漏风易造成空气短路,影响空气预热器换热效率,也加大了空气预热器热端风的压头,进而加大了漏风。5空气预热器改造前后的数据分析5.1预热器风率的变化空气预热器经过改造后,进行了漏风率的测量,表2将改造前和改造后的测量进行了对比:试验数据表明,空气预热器改造后预热器风率大大下降,低于预热器改造的设计保证值。预热器烟气侧阻力也因漏风率的下降而下降约1/3(由于测试工况是280MW,300MW时还略有上升)。排烟温度较锅炉改造前下降约35℃(因为测试工况是280MW,300MW时还有上升),但仍高于设计值。5.2风机总能耗和引风机能耗比较空气预热器改造后,漏风率及阻力大幅下降,由于漏风减少,一、二次风温有所上升。在300MW工况下,排烟温度下降至130℃(修正后)左右。引风机和一次风机的运行电流及辅机运行单耗明显下降,而送风机由于风道改变,阻力增加使电流稍有增大,耗电量上升。经计算,机组每发一万度电,吸风机耗电量下降14.31kW·h,一次风机耗电量也有下降;但送风机耗电量上升,将引起一、二次风机总的耗电量上升1.65kW·h。按2002年机组发电量推算,全年可降低电耗为234.7万kW·h,按每度电0.3元计算,每台机组改造后由于节电导致年增加效益71万元。6空气预热器盘车效果上海石洞口一厂1号机组在2003年6月15日正式投入商业运行,空气预热器改造是此次机组改造的重要组成部分。1号机组空气预热器改造前后的试验数据为华东中试所所测。从改造后的数据看空气预热器改造的效果非常明显。1号机组改造后曾持续连续运行。但在2004年6月运行时发现空气预热器减速箱存在问题(非改造项目),需停单侧空气预热器并进行相应的消缺处理。在电厂技术部门的主持下制订了专门的抢修计划及设备隔绝措施。但在运行隔绝措施到位后,发现盘车马达难以带动该台空气预热器进行盘车,采取了紧急措施后才顺利实施了空气预热器盘车。打开空气预热器门板后,发现三向密封及