一、引言

燃煤锅炉作为火力发电的核心设备，其运行的安全性、经济性和环保性始终是电力行业关注的焦点。锅炉炉顶区域作为受热面管屏穿墙而过的关键部位，因结构复杂、运行工况恶劣，一直是密封技术的难点和重点。据统计，一台300MW机组锅炉因炉顶密封不严导致的漏风量可达总风量的3%～5%，这不仅直接造成引风机电耗增加、锅炉热效率下降，还会因烟气流量增大影响后续除尘、脱硫设备的运行效果[1]。更严重的是，泄漏的高温烟气携带飞灰持续冲刷受热面管屏，导致管壁减薄，最终引发爆管事故，造成非计划停运。

目前，国内外针对锅炉炉顶密封问题已开展了大量研究与实践，柔性密封技术也逐渐得到应用，有研究提出金属密封与柔性密封相结合的方案，在330MW亚临界燃煤锅炉上取得了一定效果[2]。然而，现有技术仍存在明显不足，一是柔性材料的耐高温性能与使用寿命难以满足长期运行要求；二是密封结构与炉顶动态变形的适配性不足；三是缺乏有效的泄漏监测手段；四是密封性能与锅炉整体能效的关联关系未得到量化分析。基于此，本研究以某电厂的1号炉为工程背景，开展燃煤锅炉炉顶柔性立体密封系统的优化研究，旨在实现炉顶密封技术的突破，为电力行业提供可复制、可推广的技术范式。

二、柔性立体密封系统优化设计

针对传统密封结构无法适应锅炉运行中动态变形的根本缺陷，本研究提出了自适应协同变形的设计理念，引入柔性连接单元与变形补偿机构。通过详细的有限元分析，模拟锅炉从冷态到热态的全过程变形，精准量化炉顶各区域的位移矢量与应力分布，设计了分区差异化的密封策略，例如在管屏密集区域采用“波纹管+柔性纤维”的组合结构等。

（一）结构力学优化与创新设计

在自适应设计理念指导下，对密封系统进行了全面的结构力学优化与创新设计，重点开发了三种核心密封结构：

1.柔性波纹补偿节点：针对管屏穿顶棚区域的主力密封结构。该结构由耐高温合金波纹管、陶瓷纤维编织套与压紧浮动法兰组成。波纹管作为主密封件，其补偿能力达到±25mm，远超常规结构的±10mm。

2.梯度压紧式密封盒：用于替代传统的刚性密封盒，特别适用于联箱等大尺寸部件密封。该结构采用多层柔性板材叠加而成，层间设置弹性夹层，形成梯度刚度特性。有限元分析显示，与传统结构相比，梯度压紧式密封盒的热应力峰值降低了62%，疲劳寿命提高3倍以上。

3.立体交错迷宫密封系统：针对大板梁与炉顶密封板之间的缝隙泄漏问题而设计[3]，多组柔性密封齿与导流隔板交错布置，形成曲折的泄漏路径。密封齿采用海斯特镍基高温合金制作的柔性自适应变形体，具有耐高温、质地较软、耐磨、自润滑等特点。流体动力学仿真表明，在相同压差下，该系统的泄漏量仅为传统结构的18%。

（二）材料体系创新与性能验证

针对燃煤锅炉炉顶的极端工况，创新设计了复合改性耐高温柔性密封材料，应用多相复合结构设计与纳米增强技术。

1.材料体系以含锆陶瓷纤维为骨架，确保基础耐温性能，通过精确控制化学成分，使氧化锆含量稳定在13%～17%、氧化铝含量33%～37%、二氧化硅含量48%~52%，使材料长期使用温度达到1315℃以上。

2.为提升材料的韧性及抗热震性，在基体中引入了二维石墨烯片层与碳纳米纤维形成的三维网络结构。经测试表明，纳米添加剂的加入使材料的抗拉强度从传统材料的70Kpa提升至90Kpa以上，特别是在经历100次热循环后，性能保持率从55%提升至85%。

3.材料性能通过加速老化试验进行了全面验证。将样品置于800℃环境中，经历1000小时热老化后，开发的新型复合密封材料在老化后的强度保持率达78%，远高于传统陶瓷纤维材料的42%（如下表所示）。

（三）立体密封路径设计与在线监测系统构建

基于“多层防御、立体封堵”的原则，对炉顶密封路径进行了系统性设计。将传统单一密封屏障升级为四层级密封系统：

1.第一层级：基础密封层。由耐高温金属密封盒与复合密封材料组成，直接面对高温烟气，采用刚性较强的支撑结构。

2.第二层级：柔性补偿层。位于基础密封层外侧，主要由弹性密封胶与柔性编织体构成，功能是吸收前层未能完全补偿的残余变形[4]。

3.第三层级：智能监测层。创新性地将传感系统集成于密封结构中，由微型温度传感器阵列与气体浓度检测单元组成。

4.第四层级：防护密封层。作为最外层，主要功能是保温与环境保护，同时为内层密封提供额外的防护屏障。

在线监测系统的构建是实现智能运维的核心。系统包含四层架构，传感层采用分布式光纤测温系统与多点烟气浓度检测仪，实现对炉顶全区域的温度场与气体浓度场实时监测。数据分析层开发了泄漏识别算法，基于温度与浓度数据的空

间分布特征与时间变化趋势，能够准确识别微小泄漏并定位泄漏位置，定位精度达到厘米级。

三、结语

本研究以解决燃煤锅炉炉顶密封难题为目标，通过系统性的理论分析、技术创新设计与试验，形成了完整的柔性立体密封解决方案，并在某电厂成功应用。本次研究不仅揭示了炉顶密封泄漏的多维机理，通过现场检测与数据分析，明确了泄漏的四类主要路径及其产生根源，更是提出了自适应协同变形的设计新理念，研发了高性能复合密封材料体系，构建了多层立体智能封堵体系。既实现了密封系统与炉顶结构的动态适配，也是四层级密封系统与在线监测技术的集成，实现了从被动防护到主动预警的转变，大幅提升了密封系统的可靠性。未来，将延展探究基于声发射技术的泄漏检测方法，建立密封系统的全生命周期评价模型，为绿色密封技术的发展提供科学依据。

参考文献

[1]宋扬,王云龙,陈龙,等.煤粉锅炉柔性顶棚密封技术研究与应用[J].电力设备管理,2023(2):254-256.

[2]李晓琴,苏建.330MW亚临界燃煤锅炉炉顶密封改造[J].工业锅炉,2023(2):46-50.

[3]廖建良,谈春华,何英杰,等.余热锅炉顶部炉壳的密封保护装置研究与应用[J].新型工业化,2022,12(6):1-4.

[4]刘勇.循环流化床锅炉炉顶密封探索[J/OL].中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术，2015(9)[2015-10-29].