北京华能达空预器柔性接触式密封技术的介绍

电站锅炉空气预热器
区域经理：洋电话：
华能达电力技术应用有限责任公司
2011年-2012年
目录
1．技术分析 (2)
2．回转式空预器的漏风分析及计算 (2)
2.1 受热面回转式空预器的基本工作原理 (2)
2.2 空气预热器各部位形变量计算 (3)
2.3 漏风量计算 (4)
3、目前回转式空气预热器各种密封形式的比较及分析 (5)
3.1 15°扇形板与24分仓式 (5)
3.2 双密封和48分仓式 (5)
4、柔性接触式密封技术介绍 (7)
4.1 柔性接触式密封原理简介 (7)
4.2 材料及设计计算 (10)
5、改造围 (11)
6、柔性接触式密封改造可行性研究分析 (12)
6.1各种形式空预器密封比较分析 (12)
6.2不同负荷下柔性密封和硬密封漏风率比较 (12)
6.3密封状况随年限运行漏风量 (13)
6.4 柔性接触式密封改造后技术指标及特点 (14)
6.5 年节约费用的计算分析 (14)
引言：
回转式空气预热器在大中型电站锅炉上被普遍采用，漏风率是其重要的经济指标之一。

有效控制空气预热器漏风率，可以从降低送、引风机电耗和提高锅炉效率两个方面得到节能收益。

因而无论是国外空预器生产厂家或广大的空预器使用单位，都努力从不同方面降低空预器漏风率。

相关术语：
柔性接触式密封；自润滑合金；合页式弹簧；漏风率；转子热变形；密封形式1．技术分析
早在上世纪八十年代，国锅炉领域专家就曾预言：“回转式空预器密封的最终出路在于动静合理接触”。

德国一家公司曾于上世纪八十年代后期在我国西北电力系统进行多台空预器接触式密封改造(因材料原因等有限)。

九十年代中期，日本国空预器也进行了接触式改造，并一度来中国推广，但因成本太高，未得使用。

华能达技术应用有限责任公司推荐的“柔性接触式密封”具有技术指标优(保证漏风率≤6%，一个大修周期≤7%)，有近百台机组的成功应用的经验,获得国家发改委第二批节能项目推广。

采用“柔性接触式密封”改造本次预热器密封结构，降低漏风率，提高炉效，恢复锅炉出力，提高机组运行的经济性，降低发电煤耗。

2． 回转式空预器的漏风分析及计算
2.1 受热面回转式空预器的基本工作原理
受热面回转式空预器是现在锅炉容量大型化的发展趋势下，大多采用的一种空预器形式。

由转子、外壳、密封装置、传热元件、转动轴传动装置等组成。

传热元件放置在转子中，烟气自转子的上部自上而下穿过整个空预器，相应的会给转子部装置的传热元件进行加热。

而空气由转子下部进入，自下而上流过整个空预器。

由于转子的旋转，使流经的空气被烟气加热过的传热元件加热，从而达到利用烟气余热的节能效果。

2.2 空气预热器各部位形变量计算
2.2.1 转子热变形
预热器运行时，转子的上下端面上存在温度差，也即沿着转子高度方向上的温度梯度引起了转子的热态蘑菇状变形，转子上端面外凸，下端面凹。

请见如下示意图2－1、2－2：
冷态
热态
冷空气
热
空气
热烟气
冷烟气
图2－1： 转子的冷态和热态情况
图2－2： 转子热变形
2.3 漏风量计算
漏风是由携带漏风和直接漏风两部分组成
2.3.1携带漏风量的计算公式为
式中：
L E —— 转子从空气侧旋转到烟气侧的仓格空间中空气携带到烟气中的量（kg/h ）； 0.94 —— 转子构件占据容积的修正系数；
n —— 转子转速（r/min ）；
ρA —— 进出口空气的平均速度（kg/m 3）； R —— 转子半径（m ）；
δ下
H0
δ上
D
H x
R f ——端板半径（m）；
r p ——转子中心筒半径（m）；
E+a ——传热元件篮子框架的最高线和最低线之间的距离（m）；
0.85 ——系数，受热元件的自由流量截面与转子横截面的比值；
K ——上下扇形板的密封面之间距离减去(E+a) (m)
2.3.2 直接漏风
直接漏风主要取决于烟空气的压差和密封间隙。

其公式如下：
ΣL D=Σ（508.7×A×K）（kg/h）
式中：
ΣL D ——各部分直接漏风量的总和（kg/h）;
A ——计算处的泄露面积(m²);
ρ——计算处的空气密度（kg/m3）;
Δp ——计算处的烟空气之间压差（Pa）;
K ——阻力系数，取用0.65；
泄漏面积的大小涉及预热器型号大小、热力温度参数、不同密封装置、预热器的支撑方式所引起热态工况的膨胀差异，以致于各个计算方法也不同。

还要考虑由于制造、安装等未覆盖的泄漏面积ΔA，这个ΔA是纯经验数据，它与工厂的制造和设计水平以及工地安装的技术水平有关。

不同国家有不同的工业和技术水平，所取的数值也应不同。

3、目前回转式空气预热器各种密封形式的比较及分析
3.1 15°扇形板与24分仓式
把扇形板制作成15°，将转子分割为24分仓。

这种密封形式保证了在转子转动的过程中，任何一个时刻都有一道密封片在扇形板下，这时的漏风量按以下公式进行计算：
LD=508.7×A×K×。

这种形式的密封系统，又分为扇形板固定，扇形板与径向密封片之间间隙冷态调整后，扇形板不随转子的变形而跟踪变化和扇形板随转子变化自动跟踪调节间隙的调整系统两种。

由于扇形板固定在空预器的热端，扇形板与径向密封之间形成了一个很大的楔形间隙，产生较大的漏风。

根据我们公司的理论计算及现场测试的数据分析，大型空预器中，携带漏风约占总漏风的10%-20%，直接漏风约占70%-80%。

而直接漏风中，热端径向漏风约占直接漏风的50%-70%，直径越大，此比例越大。

所以，治理空预器漏风的关键即是热端径向漏风。

80年代，世界各国先后采用自动跟踪技术来解决这一问题。

但由于测量和控制问题，目前这种技术已逐渐淡出历史舞台。

对于直径在10米以上的空预器，如果不采取热端扇形板跟踪技术，其漏风率一般在10%-15%之间，严重影响锅炉整体效果。

3.2 双密封和48分仓式
3.2.1 双密封的形式如下：
图3-1：双密封形式图
双密封技术在早期回转式空预器上采用过，主要是早期空预器直径较小（一般直径小于6m）。

从热力学原理上分析，双密封没有泄漏空气比容增大的空间。

目前有些公司采用这种技术进行空预器改造。

可能改造后，漏风率有一定的降低，但那并不是增加了一道密封片的原因，而是其他部位进行了精修后产生的效果。

3.2.2 48分仓改造技术：
由于自动跟踪技术在理论上讲是一种很好且很理想的控制技术，但实际在使用过程中，存在的现实问题也是无法回避的。

所以在90年代，英国豪顿公司对空气预热器进行48分仓改造（我们也叫真实48分仓技术）。

也就是说，在扇形板（15°）下任何一个时
刻都有两道径向密封形成双道密封。

其理论依据如图4，当压力和比容为p
1υ1的空气
漏过第一道密封面而进入第二道密封时，压力和比容变为p
2υ2；再从第二道密封漏到
烟气侧，压力和比容变为p
3υ3（我们看到双密封没有这个压力下降比容增加的空间）。

图3-2 ： 48分仓空预器
此热力过程是一个等温过程，由前面的漏风计算公式：
LD=508.7×A ×K ×p p ∆ P '∆=21
P ∆
48分仓式的漏风量由于P '∆=21
P ∆，代入上述整理后得到其漏风量
LD ′=2/2 LD=0.707 LD ，所以从理论上讲48分仓治理可以使漏风率在原基础上下降30%。

同时豪顿公司为了减少轴向漏风，改圆周围带驱动为中心轴驱动，可以再减少约0.5%的漏风。

这种改造技术在现场改造工期较长，工程量大，需要取出全部蓄热元件，焊接量大，蓄热元件的篮子也要进行改造。

由于是有间隙密封，存在着飞灰磨损问题。

所以，随着运行时间的推移，漏风率会逐渐上升。

采用这种技术，在满负荷状态下漏风率是8%左右。

当锅炉在70%负荷时，漏风间隙几乎没有因负荷减少而变化，总风量（漏风计算中的分母）却受负荷影响减少30%。

此时漏风率随之上升，这是“有间隙密封”固有的矛盾。

更严重的问题是，由于改造需要把空预器蓄热元件的蓝子一分为二。

蓄热元件的蓝
子成倍增加，同时使空预器产生堵灰的死角也成倍增加。

改造后大大增加了空预器的堵灰成因因素，给清洗和吹灰也带来很多困难（目前有些电厂改造后堵灰问题已十分突出）。

4、柔性接触式密封技术介绍
4.1 柔性接触式密封原理简介
传统空预器密封技术是采用刚性有间隙密封技术，在动静间保持一个最小间隙，达到漏风最小。

由于空气预热器的蘑菇状变形问题，而且这种变形随负荷环境温度不断发生变化，使得我们很难达到一个最佳的动静之间的间隙值。

柔性接触式空预器密封技术，滑块采用自润滑复合材料。

图4-1：柔性接触式密封示意图基本工作原理如下图所示：
图4-2：柔性接触式密封运行示意图
4.1.1基本工作原理：
将扇形板固定在某一合理位置，柔性接触式密封系统安装在径向转子格仓板上，在未进入扇形板时，柔性接触式密封滑块高出扇形板5mm-10mm 。

当柔性接触式密封滑块运动到扇形板下面时，合页式弹簧发生形变。

密封滑块与扇形板接触，形成严密无间隙的密封系统。

当该密封滑块离开扇形板后，合页式弹簧将密封滑块自动弹起，以此循环进行。

图4-3：柔性接触式密封径向安装立体图
图4-4：轴向密封示意图
4.1.2柔性接触式密封系统的主要特点：
采用柔性接触式密封技术，不会形成密封间隙，密封效果好。

由于扇形板与径向密封滑块之间没有间隙，则没有气流通过，也就避免了冲刷磨损的问题，从而密封系统能长期运行。

采用合页弹簧技术。

该技术允许空预器的转子在热态运行状态下有一定的圆端面变形及圆周方向的变形，特别适合空预器的改造。

采用压缩弹簧，材料采用X－750镍基合金材料，使用温度980℃。

空预器热态下，圆端面和圆周椭圆度均有不同幅度的变形问题存在。

这种技术也可以自动补偿这样的变化。

检修工艺简化：柔性接触式密封系统采用工厂化生产，车间组装成单个密封元件,对原有转子的椭圆度、两端面的平行度、平面度；转子转动跳动量要求降低，大大简化了现场安装的工艺程序，工期短、效果好。

4.2 材料及设计计算
4.2.1自润滑合金材料特性
此种材料在高温无润滑脂的条件下，可以达到很低的摩擦系数,具有耐磨损、耐高温、摩擦系数小、安装方便及更换组件快捷的优点。

下面是该材料的主要性能指标：
4.2.2特种弹簧
该弹簧为inconel X-750是以Al、Ti、Nb强化的镍基合金，是inconel合金系统中早期发展的应用广泛的合金之一。

合金在980o C以下具有良好的强度、良好的抗腐蚀和抗氧化性能，而且也有较好的低温性能，成形性能也好，能适应各种焊接工艺。

inconel X-750合金的化学成分
力学性能
品种线材，1号硬度线材，弹簧硬度
状态退火时效
15%
冷加工
时效
50%~6
0%
冷加工
时效
30%
冷加工
时效完全热处理
厚度（mm）≤0.63 〉0.63~12.7 〈6.3 〉6.3~
10.6
>10.6~12.7 0.3~6.3
>6.3~
12.7
Бb (MPa ) ≥1059 892 1138 1314 1520 1098 1373 1236 1030 1000 ≤1030 1138
5、改造围
5.1 转子热端、冷端“T”型钢调整。

5.2热端、冷端旁路密封片更换。

5.3轴向密封调整。

5.4热端径向、冷端径向柔性接触式密封安装及原有密封片更换。

5.5热端、冷端扇形板修理调整,弧形板修理调整。

5.6其他空预器漏风处理。

6、柔性接触式密封改造可行性研究分析
6.1各种形式空预器密封比较分析
扇形板
径向密封片径向密封片ｐ3υ3
扇形板
ｐ2υ2
ｐ1υ1
柔性接触式密封组件48分仓双密封
柔性接触式密封、48分仓、双密封
6.2不同负荷下柔性密封和硬密封漏风率比较
空预器漏风治理一直以来是各电厂节能减排的重要项目，传统的空预器硬性密封虽然也能在一定程度上控制漏风率，但效果并不明显，硬性密封主要是在机组100%负荷时对其密封片进行调整，一旦负荷下降，则无法控制其漏风，经济性不能保证；而柔性接触式密封是无间隙密封，负荷的变化对其影响并不是很大，所以经济性优于传统的硬性密封。

图6.1柔性密封与硬性密封漏风率比较
6.3密封状况随年限运行漏风量
柔性接触式密封技术工期比较短，适合大小修期间进行改造，改造后漏风率一年≤6％，一个大修期（5年）≤7％。

投资回报期一般为一年左右，一个大修期厂维护量几乎为零，主要维护工作由本公司承担。

图6.2柔性密封与硬性密封随运行年限漏风率变化
6.4 柔性接触式密封改造后技术指标及特点
图6.3空预器柔性密封控制漏风示意图
6.4.2改造后一年空预器漏风率≤6%，一个大修期（5年）空预器漏风率≤7%
条件：（1）烟气阻力在2KPa
（2）空预未发生火灾或严重损坏密封组件的事故。

6.4.3 日常维护及检修工作量降低。

6.4.4 保持原预热器设计性能。

6.5 年节约费用的计算分析（示例）
6.5.1收益费用分析
按目前300MW机组，一般漏风率下降12％。

可以提高锅炉效率1％。

主要来自：1) 锅炉排烟热损失的减少。

2) 引风机、送风机、一次风机电耗的下降。

计算条件： 1) 按改造前空预器的漏风率10％计算,按改造后空预器的漏风率5％计算，则锅炉效率提高0.42％.
节约标准煤=344g/kwh × 0.42％=1.44g/kwh
2) 机组年利用小时 ：6000小时 3) 标准煤单价：650元/吨
M=6000小时×1.44克/千瓦时×300×10³千瓦×650元/吨=168万元
2) 引风机、送风机、一次风机电耗
一般统计三大风机电流下降总电流估计80A 。

M=6000小时×3×6.3kv ×80A ×0.25=129万元
6.5.1投资回收期分析
按本次密封改造所投资额200万元估算
T=
812297
20012=⨯=⨯R Q （月） 其中：T －投资回收期（静态） Q －改造所投资费用 R －年收益
从计算的数据来分析，密封改造后运行8个月即可收回成本。

此计算的节约费用为估算数值。

具体所节约的实际费用有待于密封改造后所测的真实值来计算。

我们的承诺：
工期短、效果明显、维护量小、投资少。