回转式空气预热器漏风因素分析及对策

容克式空气预热器是大中型电站锅炉上广泛采用的尾部换热设备，它的主要作用是：①进一步降低锅炉排烟温度，提高锅炉效率，从而达到节约燃料的目的；②提高了送入锅炉的用于燃烧的空气温度，有利于火焰的稳定性，并提高了燃料的燃尽程度，即提高了燃烧效率；③提高了整台设备内烟气的温度水平，增大了与工质间的温压，从而强化了传热过程。
　　容克式空气预热器同管式相比，具有结构紧凑、钢耗少，容易布置等优点，但是容克式空气预热器漏风率高却是难以解决的问题，是该类设备的致命缺点，所以在容克式空气预热器技术中，防止或降低漏风即密封技术占有很重要的地位。纵观回转式空气预热器的发展历史，可以说在一定程度上是密封技术发展的历史。空气预热器的漏风会导致机组热力工况的变化，随着漏风量的增加，热风温度下降，排烟温度也下降，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；漏风还影响机组运行的经济效益，它一方面降低了机组的热效率，另一方面增加了通风机械的功率消耗，使企业发电煤耗和供电煤耗增加。从漏风的机理及其规律出发，论述降低漏风的理论途径。
1　漏风的机理及其规律
　　容克式空气预热器主要有筒形转子和外壳组成，转子是运动部件，外壳是静止部件，动静部件之间肯定有间隙存在，这种间隙就是漏风的渠道。空气预热器同时处于锅炉岛烟风系统的进口和出口，空气侧压力高，烟气侧压力低，二者之间存在压力差，这是漏风的动力。由于压差和间隙的存在造成的漏风称为直接漏风。还有一种漏风叫结构漏风，是由于转子内具有一定的容积，当转子旋转时，就像水车一样，必定携带一部分气体进入另一侧。结构漏风量的计算公式为

　　式中：△Vxd为结构漏风量，m3／s；D为转子内径，m；d为中心筒直径，m；n为转子旋转速度，r／min；y为转子内金属所占容积份额；h为转子高度，m。
　　结构漏风是容克式空气预热器的固有特点，是不可避免的。由公式看出，结构漏风量与转子内容积及转速成正比，为了降低结构漏风量，在满足换热性能的前提下，尽量选择较低的转速，因为在转速大于1．5 r／min时，提高转速对传热不再有益；转子内尽量充满传热元件，增加金属所占容积份额，提高y值，即转子高度不要留有太多的剩余空间。
　　结构漏风量占预热器总漏风量的份额较少，空气预热器的漏风主要是直接漏风，直接漏风量的计算公式可以按如下方法推导出来。把空气侧和烟气侧视为两个一壁之隔的充满气体的无限大容器，空气通过间壁上的微小间隙泄漏到烟气侧，如图1，根据粘性流体的伯努利的方程得到

　　式中：PA为空气侧压力，Pa；PG为烟气侧压力，Pa；ρ为空气密度，kg／m3；g为重力加速度；hω为泄漏阻力，具有长度单位，m。

根据流速、流量、流通截面积之间的关系，有

　　国际上习惯于用单位时间内泄漏的气体质量G来表示漏风量，则

这就是空气预热器漏风量的基本计算公式，式中△P为空气侧与烟气侧的压力差，该式与美国ABB-APC公司提供的计算公式形式是一样的，公式中气体密度ρ是基本不变的，因此，影响漏风的主要因素是：系数K；间隙面积F；空气侧与烟气侧之间的压力差△P。本公式适用于回转式空气预热器的径向密封，轴向密封，静密封和中心环向密封。
2　漏风因素的分析及对策
　　由公式（8）看出，漏风量与泄漏系数K、间隙面积F、空气与烟气的压力差△P的平方根成正比，要降低漏风量，就必须降低K，F，△P值。下面分别论述降低K，F，△P值的有关措施。
2．1　降低泄漏系数K的措施——双重密封或多重密封
　　自从1984年中国由机械工业部牵头，哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂、东方锅炉厂三大锅炉厂家联合引进美国CE公司空气预热器技术以来，中国的空气预热器基本上都是采用同一结构，密封技术大同小异。28号以下预热器，转子为12分仓，扇形仓角度为30°，扇形密封板角度也是30°；28．5号以上预热器，转子为24分仓，扇形仓角度为15°，扇形密封板角度也是15°。这样在一般情况下，只有一条径向密封片与扇形板密封面相接触，形成单径向密封。轴向密封和静密封也都是单密封，轴向密封和静密封也都是单密封，轴向密封板的宽度对应于一个扇形仓外圆弧玄长，静密封仅仅在烟气侧布置迷宫式结构。1996年，英国豪顿公司进入中国大陆市场，带来了空气预热器的中心传动技术和双密封技术。双密封技术主要是指双径向密封和双轴向密封，所谓双密封，就是在任何时候都有两条密封片与密封板相接触，形成两个密封，如图2。双密封降低漏风的原理推导如下：采用单密封时，烟气与空气只有一壁之隔；采用双密封时，烟气与空气被过度区域隔开。在工况相同间隙相同的情况下，采用双密封结构时，漏风先从空气区泄漏到过度区，再从过度区泄漏到烟气区，如图2，假定过度区压力为PM，那么应该存在如下关系式。

根据流体力学的流体连续性原理得

把等式（12）与等式（8）相比较，可以看出，双密封技术可以把泄漏系数K降低30％，漏风量降低30％。另外，双径向密封还可以减轻转子多边形变形，减少环向间隙，降低环向漏风；双静密封可以缓解热端轴承处向外漏热风和密封板调节机构处向外漏热风。
　　由公式（12）得到启示，既然双密封可以把泄漏压差降低一半，那么采用多重密封会怎样呢？经过试验推导得出，当采用多重密封时，漏风量为

式中：n为多重密封数。
　　由公式（13）看出，密封数越多，降低泄漏系数K越大。但是，由于操作空间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。
　　另外，根据公式（8）知道，一个完整的单密封的泄漏系数为

　　把公式（15）和（14）相比较，可以看出，多重密封相对于单密封，实际上是增加了气体由空气侧到烟气侧的泄漏阻力，阻力系数由ζ变成了nζ。因此，根据这种理解，在工程实际中，可以设计出并非完整的多重密封。例如，在电厂改造单密封预热器时，如果不更换传热元件，可以采取图3所示的简易双密封方案，在此方案中，虽然新加的一道径向密封隔板不完整，但是却增加了气体泄漏的阻力，1＜n＜2。根据实践，此方案效果良好。
2．2　空气侧与烟气侧的压力差△P的控制
　　在回转式空气预热器中，空气侧与烟气侧的压力差是由锅炉系统的阻力决定的，锅炉系统内空气和烟气的流程如图4。在预热器的空气进口，空气压力为Pai，空气经过预热器后，由于空气侧的阻力，空气出口压力为

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