回转式空预器密封回收技术的研究及应用

任 浩 邓志辉 唐亦军



回转式空预器密封回收技术的研究及应用

任 浩 邓志辉 唐亦军

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

回转式空预器漏风是科研人员和电厂一直关心和急切解决的核心问题。介绍了新型的密封回收技术，通过对应用密封回收技术的空预器内流体的换热流动进行了数值模拟，得出了此回收技术可以有效降低漏风率。在华润#1机组空预器上应用此密封系统并进行漏风率测试和经济效益分析，结果证明此密封回收系统可以降低漏风，减少热损失排放以及带有可观的经济效益，为今后电厂同类空预器密封改造提供了一定指导和参考。

空预器；密封回收系统；漏风率；经济效益

0 引言

回转式空气预热器是一种用于大型锅炉的热交换设备，它利用锅炉烟气的热量来加热燃烧所需的空气，以此来提高锅炉效率。由于预热器是一个转动机械，动静部件之间存在间隙，同时流经预热器的空气和烟气之间也存在压差，所以空气不可避免的向烟气侧泄漏。随着运行时间的增加，设备磨损、漏风面积和泄漏系数将会增大，导致漏风量增大。空气预热器的漏风现象严重影响了机组运行的安全性和经济性。降低回转式空预器漏风率已经成为提高电站锅炉运行水平、保障电站设备运行安全和降低发电能耗的关键之一。

于海洋[1]针对某公司600M亚临界锅炉空气预热器进行研究，确定采用柔性接触式密封技术结合刚性密封技术的方法，能够有效降低空预器的漏风率，并且经济可靠。王增发[2]针对转子热端的“蘑菇状”变形问题，提出采用模糊控制方案实现漏风控制系统并用MATLAB软件进行仿真分析。李俊[3]等人提出空预器“单密封”向“双密封”形式改进的可行性方案。俞龙[4]等人成功应用刷式密封技术解决空预器漏风率偏大的问题。

以上方法思路都是通过减小漏风间隙来降低漏风且无法降低携带漏风。由于空气预热器固有结构，动静部件间的间隙小到一定程度就无法继续减小。经过对各种密封技术综合对比后，结合电厂煤源掺杂、多变的运行工况，提出密封回收系统，采用“大禹治水、先堵后疏”原理，将复杂的机械密封运动转化为利用流体的自然特性因势利导，成功解决了回转式空预器漏风率随运行工况多变而无法运行控制的难题。通过数值计算（借助计算流体力学CFD软件）对改造前的空预器和安装密封回收系统的空预器进行三维数值模拟和比对研究，并且通过工程应用实测数据，证明此方法的可行性；进行了综合经济效益分析；对机组节能减排具有重要的应用价值，为国内同类型机组提供一定的技术参考和借鉴。

1 密封回收系统介绍

空气预热器设备同时串联在锅炉烟、风系统中，空气与烟气同时相向通过设备内。在空气侧和烟气侧压差的作用下，空气侧向烟气侧泄露。回转式空预器密封回收系统的技术原理就是在空预器内部建立立体的封闭机构，使泄露的空气只能通过密封转动副的密封区和回收区向烟气侧泄露；采用新型密封组件形成新的密封区，该泄露风及转子携带漏风进入回收区内，即被设备外回收装置在要求时间内全部回收，因而进入烟道的泄漏空气大幅度降低。

图1 空预器漏风回收系统示意图

2 模型的建立与求解

2.1 数学模型

图2 微元控制图

（1）气体质量平衡方程

（2）气体能量平衡方程

（3）金属蓄热组件能量方程

式中：、ρ分别为气体空气或烟气和金属密度，kg/m3；v、v、v分别为气体沿径向、切向和轴向速度，m/s；i为气体空气或烟气的焓值，kJ/kg；、分别为金属的导热系数和比热，W/(m·K)、kJ/(kg·℃)；t金属的温度，℃；t1、t2分别为空气和烟气的温度，℃；、d分为控制容积的表面积和体积，m2、m3；空气预热器的旋转角速度，r/min；Δ控制容积中气体和金属的对数平均温差，℃；对流换热系数，W/(m2·℃)。

2.2 物理模型

回转式空气预热器结构较为复杂，为提高计算效率和降低计算难度，对模型进行必要的简化和假设如下：

（1）在转子入口断面上，烟气和空气的温度分布均匀；

（2）烟气和空气的物性参数（密度、比热、导热系数、运动粘度）仅考虑为温度的函数，与压力无关；蓄热元件金属的物性参数只与温度有关；

（3）将回转式空气预热器的转子部分简化为多孔介质模型；

（4）预热器内部烟气温度一般小于450℃，只考虑对流传热和金属导热，忽略辐射传热回；

（5）忽略空气预热器的散热。

图3 原空预器几何模型

图4 增加密封回收系统空预器几何模型

本文经过合理的简化和假设后[5-8]，以某二分仓空预器为对象，建立与实物1:1的传热流动三维模型。原空气预热器的几何模型如图3所示，增加密封回收系统的空预器即在烟气侧与空气侧中间的扇形板建立回收区（提供一个略大于烟气侧的负压），几何模型如图4所示。

3 模型结果及分析

3.1 排烟温度

通过对回转式空预器的模拟计算，图5为原空预器的烟气出口温度截面，图6为增加密封回收系统的空预器烟气出口温度截面，从图5和图6可以看出烟气的排烟温度沿圆周方向几乎成线性比例关系。这一现象和文献[9]和文献[10]中的结论相一致，证明了模拟的正确性。排烟平均温度约为156度，与空预器的设计排烟温度145度误差很小，在10%允许误差内，表明模拟计算结果的正确性与可靠性。从图5可以看出烟气出口温度沿着转子转动方向温度逐渐升高，这是由于烟气先对蓄热元件进行加热，使得蓄热元件的温度升高，从而使得烟气和蓄热元件之间的温差沿着空气预热器的旋转方向逐渐降低，从而导致烟气与蓄热元件之间的换热量沿着转动方向减小，最终烟气出口温度沿转动方向逐渐升高。图7表明增加回收密封系统的空预器平均排烟温度比原空预器平均排烟温度高大约4度左右，从侧面反映出空预器漏风率的减小。

图5 原空预器烟气出口温度云图

图6 增加密封回收系统空预器烟气出口温度云图

图7 烟气出口温度沿周向变化

3.2 漏风率

漏风率是漏风性能评价的重要指标，也是目前国内外空气预热器试验法规常用的指标，其表达式为：

式中：AL为漏风率，%；ΔQ为空预器中空气侧泄漏到烟气侧的总漏风量，kg/s；Q1为空预器烟气入口流量，kg/s；Q2为空预器烟气口流量，kg/s。

从图8可以得出原空预器和改造后（增加密封回收系统）空预器泄漏空气的流量分别是25.16kg/s和11.74kg/s。相比之下泄漏流量减少了13.42kg/s。改造前空预器漏风率为6.4%，改造后空预器的漏风率为3.0%，漏风率下降了3.4%，证明此密封技术可以达到其他密封方法无法达到的密封效果。

4 工程改造试验

4.1 漏风率试验

对华润电力公司#1机组锅炉空气预热器改造，采用密封回收系统技术替代原来的密封系统。采用《空气预热器试验规程》ASME PTC4.3标准执行空预器漏风试验。在机组640MW和540MW工况下进行测试。试验方法分为回收投入和退出两种运行方式进行，测试结果如下。

表1 空气预热器漏风测试结果

改造后空预器运行平稳可靠，测试结果显示空预器的漏风率平均在1.94%，达到国内外先进水平，相比改造前的空预器漏风率下降了2.7%，改造效果优异。

4.2 综合效益分析

电科院对投入回收装置后进行测试，数据显示漏风率每降低1%，可节约标煤0.22g/kWh，按照此标准，改造后年节标煤2259.3吨/年（按年运行5500h计），年节约费用180.7万（每吨煤按800元计）；改造后，由于回收的热风进入二次热风出口，由于锅炉燃烧所需风量恒定，因而送风机所需风量就相应减少了回收量，故送风机电耗降低，同理，排烟量相应较低，故引风机负荷降低，电耗降低，但是增加了回收风机电耗，经核算电费多花费15.8万/年，合计耗煤和用电费用，年净收益165万元，改造初投资约400万元，回收成本年限约2.4年，具有较好的投资收益比，经济效益可观。漏风率降低也有利于送、引风机出力减弱，不仅烟、风系统调节裕度增强，而且烟气流速下降，使炉内各受热面磨损程度进一步减轻，锅炉维护成本降低。另外由于燃烧工况稳定、充裕、可完全避免水冷壁高温腐蚀发生。

5 结论

本文分析现有密封技术后，结合多变的运行工况，提出了新型密封回收技术，借助CFD软件对空气预热器内流体的换热流动进行了数值模拟。模拟结果表明：密封回收技术可以有效降低漏风率。在工程上应用此技术进行空预器改造后，进行漏风率测试和经济效益分析，结果证明此技术可以有效降低漏风且具有可观的经济效益和社会效益，为今后电厂同类空预器密封改造提供了一定指导和参考，具有重大的工程应用价值。

[1] 于海洋.600MW亚临界锅炉空气预热器密封改造方案的相关问题探讨[D].广州:华南理工大学,2015.

[2] 王增发.电站锅炉空气预热器热端径向密封控制技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.

[3] 俞龙,何立方,王强.回转式空气预热器刷式密封技术的研究与应用[J].中国电力,2010,43(6):59-64.

[4] 李俊,刘贵锋,马强.双密封技术在回转式空气预热器密封改造中的应用研究[J].中国电力,2004,39(9):26-29.

[5] 段海峰,王远成,丁德强,等.冷却干燥通风过程中粮仓内热湿耦合传递的数值模拟[J].制冷与空调,2010,243: 31-34.

[6] Sphaier L A, Worek W M. Analysis of heat and mass transfer in porous sorbents used in rotary regenerators[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2004,47(14–16):3415-3430.

[7] Boštjan Drobnič, Janez Oman, Matija Tuma. A numerical model for the analyses of heat transfer and leakages in a rotary air preheater[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2006,49(25-26):5001-5009.

[8] 许圣华.烟气物性的直接计算方法[J].苏州丝绸工学院学报,1999,19(3):32-36.

[9] 宋彦美.回转式空气预热器作为SCR反应器的数值模拟研究[D].济南:山东大学,2015.

[10] 潘维,池作和,李戈,等.回转式空气预热器冷端金属温度试验和数值模化研究[J].浙江大学学报(工学版),2002, 36(5):494.

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，在读硕士研究生，E-mail：504339545@qq.com

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

2017-03-10