（北京华能达电力技术应用有限责任公司）
摘要：回转式空气预热器（以下简称空预器）作为火力发电机组中重要的换热设备，其运行状态将直接影响到锅炉的运行效率。但空预器转子在热态运行时因热膨胀、自重等因素影响，将导致转子产生蘑菇状变形，这将使空预器不同风仓之间漏风增大，影响空预器换热效率。为控制漏风率，一些火力发电厂在空预器原径向密封上加装接触式密封以减小不同风仓之间的漏风。但因空预器热态运行时不同半径位置变形量不一样，因此在空预器不同位置，接触式密封安装时与扇形板之间的距离也不一样。现以某厂回转式空气预热器转子为研究对象建立模型，分析确认回转式空气预热器转子热态运行时的变形量，并以此为基础进一步确认接触式密封安装时与扇形板间隙值的设定。
关键词：空气预热器 转子变形 漏风率 接触式密封
前言
受热面回转式空气预热器是火电厂锅炉系统中广泛采用的换热设备，空预器在热态运行时装有蓄热元件的转子不断旋转，烟气自上而下通过空预器，将热量传递至空预器中的蓄热元件；空气自下而上通过空预器，吸收蓄热元件中的热量；完成空气与烟气的热交换。
因此空预器空气风仓和烟气风仓之间若产生漏风将影响换热效率，导致锅炉效率降低、减小机组出力。而产生漏风后，为满足锅炉运行所需风量就必须提高风机功率，以增大风量，这将增加厂用电率并降低除尘效率、增加下游设备的磨损量。因此锅炉系统在运行时需要控制空预器的漏风率。
1.概述
空气预热器的漏风按产生原因可分为直接漏风和携带漏风。直接漏风是由空气侧与烟气侧的压差引起的，约占漏风总量的75％ ～85％ 。直接漏风主要包括：径向漏风、轴向漏风、旁路漏风、中心筒漏风。
携带漏风是因为空气预热器在转动过程中，一部分驻留在换热元件中的空气被携带到烟气中去，一部分驻留在换热元件中的烟气被携带到空气中造成不同风仓间的漏风；这种漏风是回转式空气预热器的构造无法避免的，所造成的漏风量很小，空预器漏风最主要的原因是直接漏风尤其是径向漏风。
因为空预器在运行时不断转动，因此作为烟气和空气风仓之间密封的扇形板与转子之间必然存在间隙，间隙的大小直接影响着空气预热器的漏风率。一些电厂通过在空预器转子径向密封上加装接触式密封，减小转子与扇形板之间的间隙，从而减小径向漏风量，提升空预器换热效率。但转子不同半径位置变形量不一样，所以不同位置接触式密封与扇形板之间的距离不一样。
为确定空预器不同位置接触式密封安装时与静密封之间的安装距离，本文将通过软件和计算对空气预热器进行分析以确定转子变形量，并以变形量为基础研究接触式密封与扇形板安装间隙的设定值。
2.空预器转子热态变形原因
2.1空预器整体结构
空预器主要有支撑梁、风道、烟道、径向隔板、扇形板、转子等部件组成。其中扇形板将空预器分为多个风仓，通常为三风仓结构，即一次风风仓、送风风仓、引风风仓，本文也以此结构为例来分析确定空预器转子的变形量。转子通过径向隔板分为多个隔仓，每个隔仓中均放置有蓄热元件，在运行时转子不断转动，蓄热元件在烟气风仓吸热，在空气风仓放热。
2.2空预器变形原因及影响
空预器冷态时温度为环境温度，而在热态运行时烟气将自上而下通过蓄热元件，加热蓄热元件。空气自下而上通过蓄热元件，吸收蓄热元件中的热量，这导致空预器温度自上而下逐渐降低。一般情况下转子热端最高温度将在340℃左右，冷端最低温度将在70℃左右。空预器热端和冷端温度相差较大，整体热膨胀不均将导致转子产生变形；热端温度较高，变形量较大，冷端温度较低，变形量较小，因此上端变形将大于下端变形，最终将产生类似于“蘑菇状”的变形。
其次，空预器转子自重较重，通常可达数百吨，而转子热态运行时温度升高，金属性能也将产生极大的变化，因此热态运行时，自重也将导致转子产生变形。而转子支撑为中心轴承支撑，四周无支撑，在热态运行轴承受热上移，转子四周将产生下降，将同样产生蘑菇状变形。
综合以上两点，在空预器热态运行时，转子因热膨胀和自重的综合影响，将产生“蘑菇状”的变形。
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图2 1空预器整体结构图 图2 2空预器转子热态运行变形图
3.空预器转子变形量确定
3.1边界条件设定.
现以某330MW机组空预器参数为边界条件设定模型，此空预器为三分仓，共48个隔仓，隔仓使用钢板支撑以放置蓄热元件。
主要参数如下表：
表3-1 空气预热器参数表
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3.2自重变形影响.
装有蓄热元件的转子热态运行时，因自重的影响将会产生变形，变形主要影响因素为材料自身的重量及弹性模量。而弹性模量与温度有关，温度越高，弹性模量越小，转子变形量也会更大。现对空预器内温度分布进行分析，分析结果如下表：
表3-2 转子温度分布表
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现以转子热端最热处（即339℃）为基准，计算转子在热态运行时因自重影响造成的最大变形量。
转子材料为Q235，材料基本参数如下表
表3-3 Q235材料性能表
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空预器转子每7.5°分为一个隔舱，圆周方向共分48个隔舱，每个隔舱径向再分隔为A、B、C、D四个仓格。轴向分为热端、中温端、冷端三个仓室。圆周方向每个仓格蓄热元件重量一致。
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图3-1 单隔仓示意图
每个仓格质量如下：
表3-4 不同仓格蓄热元件质量表
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现通过软件对空预器转子进行有限元分析，以确认转子在热态运行时因自重影响导致的变形量。首先建立模型，为提高效率，将空预器转子模型简化为15°即两个仓格进行分析计算。根据上述边界条件设置模型并施加约束、添加载荷并划分网格。
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图3-2 有限元分析网格图
进行有限元分析后结果如下图所示
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图3-3 有限元分析结果图
根据有限元分析结果，蓄热元件和转子自重对变形量影响最大的位置位于空预器热端外缘，即半径最大位置，轴向最大变形量0.8mm，径向最大变形量1.49mm，最大综合变形量为1.639mm。
3.3热膨胀变形影响.
空预器热态变形较为复杂，为多个因素综合变形。其中包括中心筒膨胀、转子下垂、冷端桁架变形、转子支撑轴热变形和转子外壳热变形等因素影响。一般认为造成漏风的主要变形为转子下垂，转子下垂量以Td 表示。对于转子热态下垂量国内外专业人员通过模型研究并经过实际验证简化结构，推导出公式如下：
转子下垂量Td=α△TR2 /2H
△T：平均温差
α:平均温度下材质线膨胀系数 m/（m*℃）
R：转子半径 m
H：蓄热元件高度 m
△T=（Tgi+Tao）/2-(Tgo+ Tai)/2
Tgi：烟气进口平均温度
Tgo：烟气出口平均温度
Tai：空气进口平均温度
Tao：空气出口平均温度
根据上述边界条件计算可得，此空预器转子最外缘受热下垂量Td 为17.58mm。
4.接触式密封间隙值设定
4.1接触式密封原理
接触式密封系统安装在转子隔仓板原径向密封上，在未进入扇形板时，密封面高出扇形板一定距离。当接触式密封运动到扇形板下方时，密封发生形变。密封面与扇形板接触，形成严密无间隙的密封系统。当该密封离开扇形板后，密封面自动弹起，以此循环进行。
4.2接触式密封与扇形板之间间隙值设定
接触式密封一般为板式结构，根据原空预器径向密封长度和数量安装。当回转式空气预热器在热态运行时，转子产生蘑菇状变形，转子半径越大的位置变形量越大，因此为保证密封效果及接触式密封的寿命，密封安装高度需要根据位置进行调整。
原空预器径向密封结构如下：
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图4-1 原径向密封结构图
因此接触式密封也将分为四段，每段安装后最大半径分别为1524.5mm、2898.5mm、4272.5mm、4734mm。因此每段变形量不一样，在安装接触式密封时需要计算每段的最大变形量以及最小变形量以确定安装位置的上限和下限。内侧距转子中心距离为768mm，因此初始变形量以768mm位置进行计算
由上文公式可知，转子下垂量与转子半径平方正比，与转子高度成反比，因此对于同一空预器转子来说，转子受热变形量最大的位置位于转子最外缘，与自重变形量最大值位置一致，变形方向一致。由此可知，转子最外缘下垂量最大值为自重变形与热变形之和。
分别计算转子变形量结果如下：
表4-1 转子变形量表
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在回转式空气预热器热态运行时，转子因热变形和自重影响将产生蘑菇状变形，以D段接触式密封接触的转子部分为例，假设初始状态为40%THA，则此时D段转子最小热变形为10.98mm，最大热变形为11.5mm；在THA负荷运行时，转子最大热变形为17.58mm，最小热变形为14.32mm，即接触式密封的变形量至少应为17.58-10.98=6.6mm。
由上表可知，同一段接触式密封在不同负荷下变形量最大差值为9.27mm。即接触式密封安装完成后，在空气预热器热态运行，转子受热变形状态下，接触式密封至少需要9.27mm的变形量。
空预器热态运行时，随着负荷的升高，热端扇形板与接触式密封的距离将会越来越大，因此热端接触式密封安装时密封端面高于扇形板端面，即接触式密封开始时即为压缩状态。高出距离距离应为THA热变形量与自重变形量之和。此时，随着负荷升高，转子热端逐渐下沉，接触式密封压缩量逐渐减小。
冷端扇形板与接触式密封之间的距离将会越来越小，因此冷端接触式密封安装时密封端面应低于扇形板端面，即此时接触式密封与扇形板未产生接触。低出距离为转子40%THA（滑压）时热变形、自重变形量之和，此时随着负荷升高，转子冷端逐渐下沉，接触式密封压缩量逐渐增大。
因此根据上述分析此空预器冷态接触式密封安装间隙如下：
表4-2 冷态接触式密封安装间隙表
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其中负值代表接触式密封安装时与扇形板重合部分高度，自重导致径向变形量不足1mm均按1mm取值。
结论
本文通过软件模拟和公式计算分析了回转式空气预热器转子热态运行时的变形量。据软件和公式可知转子产生变形的主要原因是转子的热膨胀，转子自重对变形的影响较小，影响热膨胀主要因素有转子的半径、转子高度、空预器进出口烟温和风温等。通过公式可以计算空预器不同位置、不同负荷下转子的变形以此作为接触式密封安装间隙的参考。
本文通过对此空预器进行计算，确定不同位置接触式密封安装间隙，以便控制空气预热器漏风率。但在实际应用中，为保证漏风率、安装质量和接触式密封寿命，需要对接触式密封有一定量的预压缩，并需要考虑中心轴热变形、外壳变形等因素，因此在实际使用中应对接触式密封的弹性余量应适当放大。
参考文献
[1]国家电力公司电力机械局， 中国华电工程(集团)公司，中电联标准化中心.电站锅炉空气预热器[M] .北京：中国电力出版社， 2005.
[2]刘福国，牟春华， 魏恩宗.VN 型回转式空气预热器转子径向隔板热弹性变形模型[J] .中国电机工程学报， 2001，21(11)：96-99.
[3]李杨，周元祥，谢天等.三分仓空气预热器热力计算的简化方法[J].动力工程学报，2013，33(1)：37—41.
[4]强君刚，马凯，窦万生.回转式空气预热器转子热变形数值模拟[J].应用能源技术，2013，10：008.
[5]李林.李映辉，袁继禹.基于有限元方法的空气预热器转子热位移分析[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2016，30(10)：49-54.
[6]马悦，孙奉仲，史月涛等.电站锅炉回转式空气预热器漏风率过高的分析与对策[J].电站系统工程，2007，23(2)：20—22.
[7]樊泉贵，阎维平，闫顺林等.锅炉原理[M].北京：中国电力出版社，2008.
[8]吕兆聚，孙长祥.回转式空气预热器转子变形和折线密封浅谈[J].锅炉技术，2001，32(5)：17—19.
[9]刘冬炎，顾宏伟，杨中明等.空气预热器的漏风因素及密封改造[J].中国电力，2011，44（7）：53-56.
[10]梁帮平，张东，刘占淼.回转式空气预热器转子变形原因分析及处理措施[J].华电技术，2012，,34（3）：1-3.