浙江浙能温州发电有限公司，温州， 325000
摘要：回转式空预器是大型电站锅炉广泛采用的尾部换热设备，目前普遍存在漏风问题。为确保机组安全经济运行，需研究提出有效防治方法，将空预器漏风率控制在较低水平。本文阐述空预器漏风原理及其造成的危害，并结合影响漏风的主要因素，分析减小漏风的可行方法。建立漏风影响锅炉效率模型，对比分析了空预器冷端和热端漏风对锅炉效率的影响。研究结果对空预器的漏风改造具有一定的指导意义。
关键词：空预器；漏风率；冷端；热端；经济性
Abstract:Rotary air preheater is a tail heat exchange equipment widely used in the boilers of large-scale coal-fired power plants. Air leakage issues are common in this kind of air preheaters，influencing both the safety and economy of the plants. It is thus of great importance to propose effective measures that could control the leakage rate at a low level. The air leakage mechanism and the hazards caused by the air leakage are elucidated in this work. Effective measures for decreasing the air leakage are discussed, based on the analysis of key factors affecting air leakage. The results could provide valuable reference for the transformation of rotary air preheaters.
Keywords: air preheater; air leakage rate; cold end; hot end; economy
空气预热器（简称空预器）是提高锅炉换热性能、降低锅炉能耗的关键辅助设备，在我国大型电站锅炉中得到广泛应用。相比于管式空预器，回转式空预器的传热面密度更高、结构更紧凑、体积更小、布置更容易，近年来得到越来越多的应用[1]。回转式空预器的蓄热元件为一个旋转体，动静密封件之间存在一定间隙；热态运行下，空预器各部件受热膨胀，转子发生蘑菇状变形，转子与扇形板、弧形板之间的间隙发生变化。考虑到蓄热体受热后膨胀，动、静体之间需留有一定间隙，这使得空气和烟气无法完全密封，致使漏风。
空预器的高漏风率严重影响锅炉机组的安全性和经济性，是燃煤电站目前亟待解决的重要问题。漏风会降低排烟温度，加速低温段受热面发生腐蚀和堵灰，同时还会增加锅炉的排烟热损失，降低锅炉的热效率；此外，过高的空预器漏风率，会显著增大引风机、一次风机、送风机的耗电量，直接影响电厂的经济性。因此，研究空预器漏风机理并提出有效检测和应对方法，对燃煤电厂的安全经济运行具有重要意义。
空预器漏风一般包括携带漏风和直接漏风两种形式。
空预器的转动元件在转动过程中，将部分原本驻留在换热元件内的空气带入烟气侧，形成漏风，称为携带漏风[2]。其漏风量计算公式见式（1）
(1)
式中：Q为携带漏风量，m3/s；n为空预器转速，r/min；D为转子直径，m；d为中心筒直径，m；H为转子高度，m；y为传热元件占转子的容积百分数。可见，该类漏风与转速和传热元件占转子内的容积份额有关。携带漏风又称结构漏风，由空预器的自身结构所决定，不可避免；空预器转速很低，该项漏风在总漏风量中占比很小。因此，讨论降低空预器漏风率的因素时，通常不考虑该部分漏风。
直接漏风是回转式空预器总漏风的主要形式，占总漏风量的80％以上。在实际生产中主要针对该部分漏风，对空预器进行改造。直接漏风量可按式（2）计算。
（2）
式中：G为直接漏风量，kg/s；K为泄漏系数；F为间隙面积，m2；ΔP为空气侧与烟气侧的压差，Pa；ρ为气体密度，kg/m3。
根据式（2），影响直接漏风量的主要因素包括泄漏系数、间隙面积、空气侧与烟气侧的压差。实际运行中，空气保持正压而烟气为负压，其间存在一定压差，驱使空气通过间隙漏入烟气中，在轴向、环向和径向间隙间处形成漏风。其中以热端径向漏风最为显著。
空预器运行过程中，烟气温度从上向下逐渐降低；由于转子与定子之间有间隙，且空预器尺寸大，空气自下而上流动，温度逐渐上升，转子上端的金属壁温因此高于下端，其径向膨胀量也大于下端。此外，自身重量的影响，会使空预器转子产生蘑菇状变形，导致动静间隙增大，漏风加重。
根据空预器直接漏风的原理公式，降低空预器漏风主要从降低泄漏系数、降低空气侧与烟气侧的压差以及减小漏风间隙面积三个方面考虑。
降低泄漏系数。主要从结构上采取措施。早期空预器多采用单密封结构，经过运行总结和设备改造，现在发展了双密封技术。在工况和漏风间隙相同的情况下，采用双密封结构可使漏风量下降约30％。
降低空气侧与烟气侧的压差。对于回转式空预器，空气侧与烟气侧的压差由锅炉风烟系统的阻力决定。运行期间，传热元件积灰堵塞造成阻力增大，使空预器冷端的空气侧与烟气侧压差增加，导致漏风率增大。采用风机，抽出漏风或形成漏风栓塞区，改变空预器转子密封区的压力，可降低烟气侧与空气侧的压差[3]。
减小漏风间隙面积。空气预热器漏风量与间隙面积成正比，控制间隙面积可有效控制漏风。主要的漏风间隙包括热端径向密封间隙、冷端径向密封间隙、轴向密封间隙和周向密封。目前常用的方法有采用多重密封设计、设置软密封、采用焊接型静密封等。
机组运行中空预器漏风会导致一次风机、引风机、送风机的出力增加，因此会导致风机耗电量增加，进而导致厂用电率升高。
空预器漏风会影响机组的带负荷能力。机组高负荷运行时，漏风会导致三大风机出力不足，严重时会导致一次风送风能力降低，机组被迫降负荷运行。
空预器漏风会导致锅炉排烟温度升高。漏入烟道的冷空气会导致漏风点处的烟温降低，使下游受热面的传热量减小，进而致使排烟温度升高。理论计算表明，对于大型火电机组，炉膛内漏风系数每增加0.1~0.2，锅炉排烟温度将上升约3~8℃，锅炉利用效率降低0.2%~0.5%。因此，降低回转式空预器漏风率是提高锅炉效率的重要手段。在影响锅炉经济性的主要空预器性能指标中，降低排烟温度具有最大的经济性[4]。
空预器漏风导致锅炉效率下降，影响机组经济性。漏风会增大烟气容积，排烟热损失q2增大；漏风可能导致一、二次风温度下降，化学不完全燃烧损失q3、机械不完全燃烧热损失q4增加。
某锅炉使用煤种参数如下。收到基元素分析：碳成分Car=65.2%；氢成分Har=4.21%；氧成分Oar=6.43%；硫成分Sar=0.7%；氮成分Nar=0.88%；水分Mar=7.4%；灰分Aar=15.18%；低位发热量Qnet,ar=25080kJ/kg。
排烟热损失是由于排烟温度高于外界空气温度所造成的热损失。排烟热损失q2在数值上等于排烟焓值与进入锅炉的冷空气焓值的差，计算步骤如下
理论干空气量V0为
（3）
理论干烟气量
为
（4）
理论烟气容积
为
（5）
为了使燃料尽可能完全燃烧，在锅炉运行中实际空气消耗量总是大于理论空气需要量，两者的比值称为过量空气系数
。由于锅炉的实际燃烧过程是在过量空气系数 大于1的情况下进行，实际烟气容积Vy除理论烟气容积 外，还包括过量空气
及随之带来的水蒸气。实际烟气容积Vy为
（6）
实际干烟气量Vgy
（7）
实际烟气容积还可写成式（8），由此可以计算出VH2O。
（8）
排烟热损失q2
（9）
式中，Cp,gy为干烟气的平均定压比热容，kJ/m3∙℃；Cp,H2O为水的平均定压比热容，kJ/m3∙℃；tpy为排烟温度，℃；t0为环境温度，℃；Qr为锅炉输入热量，kJ/kg；Qnet,ar为燃煤收到基低位发热量，kJ/kg。漏风系数指泄露空气量与燃料理论空气量的比值，为空气预热器烟气出口过量空气系数与空预器烟气入口过量空气系数之差，用a表示。
在设计工况下，排烟温度
=130℃；环境温度t0=25℃；漏风系数a=1.2。计算结果如表1所示。
表1排烟热损失相关计算结果
项目 | 符号 | 数值 |
理论空气量（m3/kg） | V0 | 6.721 |
理论干烟气量（m3/kg） | | 5.322 |
理论烟气容积（m3/kg） | | 7.202 |
实际干烟气量（m3/kg） | Vgy | 6.667 |
实际烟气容积（m3/kg） | Vy | 8.568 |
实际水蒸气容积（m3/kg） | VH2O | 1.901 |
排烟热损失（kJ/kg） | Q2 | 1267.452 |
排烟热损失（%） | q2 | 5.054 |
空预器不同部位漏风对整体换热的影响不同。空预器冷端漏风时，排烟温度降低，风机电耗增加；空预器热端漏风时，不仅会造成排烟温度降低，而且由于热端漏风经过空预器换热元件，漏风会增大空预器两侧压差，迫使烟气流量降低，使空预器传热减弱，造成烟气中一部分热量未被利用而直接排到大气中。另一方面，漏风减小了换热面的传热温差，导致换热面换热量减小。烟气余热利用情况不佳，增大了排烟热损失。因此，在计算空预器漏风率对锅炉效率、机组供电煤耗的影响时，需将空预器漏风按冷端和热端两种情况分别考虑。
空预器发生冷端漏风后的排烟温度θpy计算式为
（10）
式中，Vgy为实际干烟气量，m3/kg；VH2O为烟气中的水蒸气量，m3/kg；Cp,gy为干烟气的平均比热容，kJ/m3∙℃；Cp,H2O为水蒸汽的平均定压比热容，kJ/m3∙℃；Cp,k为空气的平均定压比热，kJ/m3∙℃；θpy为空预器的排烟温度，℃。
空预器发生热端漏风后的排烟温度
计算式为
（11）
空预器发生漏风后，排烟温度发生变化，计算式为
式中，Cp,k为空气的平均定压比热容，kJ/m3∙℃；θry为空预器的热端烟气温度，℃；θrk为空预器的热端空气温度，℃，此处取θry=380℃，θrk=345℃；
为空预器漏风后的烟气温度，℃。
用漏风系数变化模拟空预器的不同漏风情况，分别考虑漏风系数为1.2、1.3、1.4、1.5、1.6时，空预器冷端漏风与热端漏风对锅炉效率的影响，其计算结果分别如表3和表4所示，不同漏风系数时煤燃烧计算结果如表2所示。
表2不同漏风系数时煤燃烧计算结果
漏风系数a | 漏风系数变化量Δa | 实际干烟气量Vgy （m3/kg） | 实际烟气容积Vy （m3/kg） | 实际水蒸汽容积VH2O（m3/kg） |
1.2 | 0 | 6.667 | 8.568 | 1.901 |
1.3 | 0.1 | 7.334 | 9.251 | 1.917 |
1.4 | 0.2 | 8.010 | 9.934 | 1.924 |
1.5 | 0.3 | 8.683 | 10.617 | 1.934 |
1.6 | 0.4 | 9.355 | 11.300 | 1.945 |
表3 空预器冷端漏风对锅炉效率的影响
漏风系数a | 漏风系数变化量Δa | 排烟热损失Q2（kJ/kg） | 排烟热损失q2（%） | 锅炉效率变化量（%） |
1.2 | 0 | 1267.452 | 5.052 | 0 |
1.3 | 0.1 | 1333.900 | 5.319 | -5.319 |
1.4 | 0.2 | 1441.503 | 5.748 | -5.748 |
1.5 | 0.3 | 1595.371 | 6.361 | -6.361 |
1.6 | 0.4 | 1640.947 | 6.543 | -6.543 |
表4 空预器热端漏风对锅炉效率的影响
漏风系数a | 漏风系数变化量Δa | 排烟热损失Q2（kJ/kg） | 排烟热损失q2（%） | 锅炉效率变化量（%） |
1.2 | 0 | 1267.452 | 5.052 | 0 |
1.3 | 0.1 | 1349.213 | 5.380 | -5.380 |
1.4 | 0.2 | 1468.434 | 5.855 | -5.855 |
1.5 | 0.3 | 1629.949 | 6.499 | -6.499 |
1.6 | 0.4 | 1720.237 | 6.859 | -6.859 |
依据上述计算结果，绘制锅炉效率随空预器冷端和热端漏风率增加时的变化曲线，如图1所示。
图1 空预器冷端/热端漏风对锅炉效率的影响
由图可见，热端漏风对锅炉效率的影响直线，相较于冷端漏风对锅炉效率的影响直线，斜率更大一些。这说明当漏风系数变化相同时，空预器热端漏风对于锅炉效率的影响要大于冷端漏风。根据拟合直线的公式，当空预器冷端漏风率增大0.1时，锅炉效率降低约0.429%；当空预器热端漏风率增大0.1时，锅炉效率降低约0.508%。
（1）空预器漏风增加了锅炉排烟热损失，降低了锅炉的热效率，增加了风机运行电耗，使得锅炉出力受限。减少空预器漏风，保证机组处于最佳经济运行状态，是电厂争创一流企业，提高企业经济效益的必然需要。
（2）空预器漏风位置对换热的影响情况不同。在计算空预器漏风率对锅炉效率、机组供电煤耗的影响时，需将空预器漏风按冷端和热端两种情况分别考虑。
（3）当空预器漏风率发生变化时，热端漏风比冷端漏风对锅炉效率的影响大。空预器热端漏风应当引起足够重视，需提出有针对性的防治和改进措施。本文研究结果对回转式空预器的改造及热力计算有一定的参考价值。
参考文献
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杜中平,杨森,杨治国,马利君,孟金来.空气预热器柔性接触式密封改造[J].华电技术,2009,31(07):57-59+80-81.
蔡明坤.回转式空气预热器性能变动和锅炉经济性变化间关系探讨[J].锅炉技术,2013,44(06):9-13+47.
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