回转式空预器“自适应式密封”

回转式空预器“自适应式密封”
与其他密封形式的比较及发展前景

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，以此来提高锅炉的效率。
回转式空气预热器主要由中心轴、转子、装在转子格仓里的换热元件、转子外壳、过渡烟风道、顶部结构、底部结构、上部扇形板、下部扇形板、弧形板、支撑轴承、导向轴承、驱动装置等组成。最重要的部件是转子，转子由很多个径向隔板和环向隔板将转子分成若干个格仓，格仓内放置换热元件。转子旋转时通过换热元件实现烟气和空气之间的热交换。转子径向隔板上安装径向和轴向密封片。下部径向密封片与下部扇形板，上部径向密封片与上部扇形板，轴向密封片与弧形板在热态运行中接触或保持很小的距离，形成烟气和空气之间的密封。由于空气预热器在运行时空气侧的是正压，烟气侧是负压，空气会通过密封片和扇形板、弧形板之间的间隙向烟气侧泄漏，这将降低风机的有效出力，降低换热效率，从而影响整个锅炉效率。空预器的密封性能，是重要性能指标之一，直接影响锅炉效率。
空气预热器的漏风率是影响锅炉效率的重要指标，空气预热器漏风率越低，锅炉效率越高。通过改造空预器来提高锅炉效率，是非常经济、有效的方法。
在热态运行状态下，空气预热器各部件均会因受热而发生膨胀，转子会变成蘑菇状，转子和扇形板、弧形板之间的间隙会变化，大部分间隙都会变小。热态运行状态下，如果间隙过大，将导致空气预热器漏风率很大，如果过小，将可能导致空气预热器卡死。空气预热器的漏风率是影响锅炉运行效率的重要因素，所以空气和烟气之间的密封，显得尤为重要，空气预热器的密封技术，也是各空气预热器厂家的核心技术之一。
空 气 预 热 器 的 严 重 漏 风 和 低 可 靠 性 是 中 国 电 站 的 普 遍 问 题。 很 多 电 站 的 漏 风 率 达10％以上 甚 至 更 高。 另 外， 很 多 电 站 空 预 器 还 有 堵 灰， 维 护 费 用 高 等 问 题。
相 对 来 说， 改 造 锅 炉 本 体 和 汽 轮 机 的 主 要 部 件 费 用 比 较 高 ，而 锅 炉 辅 机 ， 特 别是 空 气 预 热 器 的 改 造 却 比 较 经 济 。各发电集团，将控制空预器漏风率、空预器换热效率作为考核旗下电厂的主要节能指标之一。所以，各电厂纷纷投资进行空预器改造，将空预器改造作为提高锅炉效率，降低能耗的主要手段之一。
自适应式密封的概念。
机械的动态件和静态件之间的密封间隙减小时，密封组件因受到挤压，发生位移或变形，直到最佳的刚好接触状态，并保持在此状态下运行。这种密封方式称为“自适应式”密封。
这种密封方式非常适合在温度升高，热膨胀发生变化，导致机械动态件和静态件之间间隙减小的场合。
这种密封方式有别于传统的盘根密封、弹性密封、碳环密封等密封方式，它的特点是：1、可以根据间隙的变化调整到最佳密封状态；2、只是在首次运行时，因间隙的变化进行自适应调整而保持在最佳密封状态；3、由于密封间隙处于刚好接触或仅保持很小的间隙，固定在此状态，密封件没有碳环或弹性密封那样的磨损，无需经常更换；4自适应式密封由于其独特的结构和材料特性，可以做得更厚实，寿命更长。
实现“自适应密封”通常有两种方式，一种是采用独特的密封结构，一种是采用高塑性材料。

回转式空预器的几种常见密封形式
目前国内从事与空预器有关的企业主要有英国Howden、德国巴克杜尔、北京华能达、上海科盛、无锡科力、东方工程、哈锅、上锅等。其中英国Howden的VN密封技术占据了大部分市场份额，巴克杜尔、华能达、科盛、东方等也拥有自己的专利技术。
回转式空气预热器密封装置主要采用以下几种形式：
１、可调式密封。
这是最早由几大锅炉厂引进的阿尔斯通等技术，也是国内最常见的一种密封方式。扇形板和弧形板是可以通过自动或手动调整的，其中顶部扇形板大多可以自动调整。在回转式空气预热器上安装有扇形板调整执行机构，并且在扇形板附近装有间隙监测装置，当热态下间隙发生改变时，将间隙变化信号反馈至执行机构，执行机构动作，根据反馈信息调整扇形板，从而使间隙达到最佳状态。这种密封方式原理应该是不错的，有部分电厂也能正常运行多年，且性能不错。但是，其缺点是：结构复杂，对运行要求高，可靠性不好，维护费费用高。国内很多电厂对设备了解不透，运行经验不足，加上维护不好，在运行一段时间后，漏风率普遍偏高，有些甚至在运行初期即出现漏风偏高。由于国内的运行经验不足，对设备了解不够，也导致运行安全性不高。哈锅、上锅、东锅等企业生产的空预器主要采用这种技术，由于维护要求高，调节部分存在漏风，这种密封技术很少在改造上使用，主要应用于与锅炉配套的新空预器上。

图1 可调式密封的扇形板调节机构

２、固定式密封（VN密封Vertical Layout of Air Heater and Nonadjustable Seal Partition Plate）。
该技术有英国Howden公司拥有技术专利。其主要特点是：1、双密封，即密封片在扇形板处至少形成2道密封；2、精确设定冷态间隙。根据回转式空气预热器运行参数，预先计算出热态下密封片和扇形板、弧形板之间的膨胀间隙，在安装时预留出来，以保证热态运行时膨胀以后达到最佳的密封状态。由于转子上的密封片跟扇形板、弧形板之间的冷态间隙是转子与扇形板、空气预热器顶底结构之间的“热膨胀差”，计算和调整方法复杂，施工要求严格。这种技术只被Howden公司掌握，并作为核心技术，通常不提供给客户冷态设定数据和设定方法。
Howden固定式密封的优点是：计算精确，密封效果好，维护工作量小。国内企业目前还无法精确计算出冷态间隙设定值，自行设定间隙往往存在较大偏差。固定式密封虽然维护方便，密封效果好，但为了保证运行安全性，密封片较薄，如果煤质灰分高，运行几年就会因飞灰磨损和腐蚀需要进行更换。由于是按满负荷运行状态计算的间隙值，在锅炉半负荷运行时，仍然存在漏风较大的情况，同时，当运行异常（如烟温异常）时，容易造成转子卡死的情况。英国Howden公司拥有该技术，其新空预器和改造空预器占据了全球大部分的份额。上海科盛公司也基本采用该技术，但稍有改变。


图2 Howden公司VN密封的冷热态密封间隙

３、接触式（弹片式）密封。
密封片用弹性材料制作，以保证间隙改变时仍能很好地贴合静态密封面，保证密封。图3是北京华能达公司弹性接触式密封技术的原理图。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3 北京华能达公司的弹性接触式密封结构原理
由于旋转式空气预热器处于长期持续运转状态，并且运行环境恶劣，弹性密封片长期处于高温和反复受力状态，很容易造成弹性失效，甚至疲劳断裂，整块密封块折断，造成更大漏风，而且转子旋转需要克服弹片阻力，使旋转阻力增大，增加了驱动装置耗电量。由于积灰也容易造成弹簧卡死弹性失效。北京华能达、德国巴克杜尔公司采用此种密封方式。华能达采用的是密封合页加弹簧的方式，而巴克杜尔采用的是蛇形弹性密封片的方式，二者原理类似。
4、刷式汽封。
密封片采用金属钢丝刷，利用空气在钢丝之间的旋流形成密封。这种密封原来应用在汽机上，效果不错。但空预器由于转速较低，很难形成汽封。为了保证密封效果，通常仍旧保留原有密封片。这种密封方式Howden公司早在1968年就进行过研究和试验，因其效果不佳而没有推广该技术。



5、疏导式密封。这种密封方式有东方工程公司拥有专利，哈宜也在推广该技术。其基本原理是，变“堵”为“疏”。即在顶底扇形板中间开口，增加一台风机，将向烟气侧泄漏风用此风机从扇形板开口处抽走，重新送回风道。这种方式额外增加一台风机的功耗（该风机功耗通常达到近百千万），虽然能够达到较低的漏风率，但节能效果并不明显。

一种自适应式密封的结构及其应用
下面是一种自适应式密封的结构原理图。整套组件安装在空预器转子的径向隔板上，取代原有的密封片。

图4 一种自适应式密封结构原理
如图所示，在初次热态运行时，密封片和扇形板之间的间隙会变小，直至接触到铰链式密封片，铰链式密封片受到侧向力，可以绕长螺杆的旋转中心偏转一定角度，从而改变扇形板与密封片的间隙，直到刚好与扇形板接触为止，所以它能够适应因热膨胀而引起的间隙变化。长螺杆和紧固螺栓均采用一个特定的合适力矩来拧紧，以保证转子的转动力矩能使其偏转，而两侧的风压差不至于使其偏转。
自适应式密封是一种新型的密封方式，相比现有技术，它拥有不可比拟的优点，有望成为未来空预器密封技术的主流。
与现有技术相比，此技术有如下优点：
1、更好的密封效果。它综合了各种密封方式的优点，可以获得更好的密封效果。独特的密封调整方法，使密封间隙更为精确，密封性更好。实施合适的改造方案，可以将漏风率降至3％以下甚至更低。
2、更长的使用寿命。由于自适应式密封片厚度可以远超过普通固定式密封片厚度（固定式密封片不能采用较厚钢板制造原因是为了确保运行安全性），不会如薄密封片那样容易磨损，可以长期不用更换密封组件，使用寿命比其它形式密封片更长。
3、 运行更加安全。即便发生空气预热器超温、着火等异常膨胀的情况，也仅是密封片发生进一步偏转，不会导致空气预热器卡死，使运行更加安全。
4、 无需再对热态间隙进行计算。密封间隙的计算方法是Howden的核心技术，此专利将无需再计算密封间隙。
5、 大大减少施工时间。通常的密封改造，施工周期至少在30-50天，此技术大大减少工作量，可以将施工周期缩短到15-20天，这将大大有利于电厂检修的宝贵时间进行技术改造，甚至在小修期即可进行。
6、 减少维护工作量。由于综合了Howden固定式密封的优点，检修维护工作大大减少。



自适应式密封的发展前景
根据数据对比，利用先进的密封技术，对空预器密封系统进行改造，将大大降低厂用电率，提高锅炉效率。一台30万千瓦机组，节煤和电的费用为每年200万以上，如果再加上出力增加而提高的发电收益，改造一台机组的空预器，每年可增加的收益非常显著。正因为如此，近年来，各发电企业纷纷投入资金进行空预器改造。
截至2009年，我国火电总装机容量达到6亿千瓦，相当于1000台60万千瓦机组，相当于全国有2000台以上的空预器（60万千瓦机组）在运行。这其中只有很少一部分进行了技术改造。平均每台机组的改造价格为500－1000万左右（含换热元件费用）。基本每隔5－10年空预器就需要进行一次大修或更换元件。
湿法脱硫已广泛应用于各大火力发电厂，GGH（烟气再热器）也是其主要设备之一，它的结构与回转式空预器极为相似，密封要求也更高。
同时，由于国家对环保要求越来越高，电厂上脱销也是必然趋势。火电厂脱销的改造必须同时对空预器进行改造，否则无法正常运行。
这些也是一个未来即将引爆的巨大市场。
可以说，空预器改造市场前景是不可估量的，这就预示着，自适应式密封有着广阔的发展前景。
一项先进的具有开创性自有知识产权的密封技术，将会打破国外技术垄断，不仅能产生巨大的经济效益，也会产生及其显著节能、环保效果的社会效益。

这里所介绍的一种自适应式密封结构，只是自适应式密封结构的一种，它是通过一种独特偏转结构来实现的，事实上，利用自适应式的密封原理，可以实现更多的密封。例如，采用高塑性的、润滑性好的材料，来取代盘根、碳环、机封等密封方式，也有着非常广阔的发展前景。在不久的将来，更多的，更具创新性的自适应式密封，也会不断开发出来，以适应我国不断发展的节能与环保的要求。