大型循環流化床鍋爐旋風分離器中心筒改造分析

(河北建投水務環境工程有限公司，石家莊 050051)

0 引 言

河北南網某電廠鍋爐是由東方鍋爐(集團)股份有限公司制造的亞臨界、一次中間再熱、單汽包、單爐體、自然循環、平衡通風、旋風氣固分離、固態排渣、半露天布置的循環流化床鍋爐。鍋爐型號為：DG1100/17.4-Ⅱ3。

鍋爐中心筒長度h=6343.5 mm，中心筒直筒外徑Φ4149 mm，厚度δ=12，由R253MA板材卷制而成。直筒與錐筒之間采用焊接方式固定，16個固定點，其中每個固定點有3道筋板，全部48道筋板連接起固定密封作用。中心筒直筒段上部2 000 mm由16塊扇形長板拼裝而成，下部筒體為整圓。

中心筒入口煙道高1 020 mm，寬175 mm，高寬比5.8，旋風分離器直徑Φ8 500 mm，中心筒直筒段上部2 000 mm置于分離器的耐火澆注料中，插入深度為4 320 mm，he/a≈0.45。

1 中心筒設備存在的問題

(1)運行參數問題

有相關研究表明單爐膛中心氣流流速一定大于兩側靠近邊界層的流速，且中間顆粒物濃度較小，從而造成中間區域B對應的分離器b入口流速及壓降均大于A、C兩側的a、c分離器，而入口顆粒物濃度及返料量均小于A、C兩分離器。隨著流速的增大，返料量偏差亦會增大。

在機組實際運行過程中，三個分離器再壓降、返料量及入口煙道體積率均存在差異，中間回路B返料量比A、C側返料量少10%左右，中間床溫比兩側高70～100 ℃，造成床溫偏差較大。床溫不平衡的問題只能通過調整給煤機的給煤量，調整二次風的大小，以及調整三個分離器返料風量等控制途徑緩解。

(2)吊掛方式問題

接口連接是指在旋風筒內安裝接口，接口通過各種尺寸的鋼板與中心筒焊接，最終將中心筒固定在旋風分離器內的連接方式。該方式有較好的密封效果，但是由于中心筒與接口滿焊，沒有膨脹間隙，中心筒受熱膨脹時發生擠壓變形，并且這種變形還會沿中心筒向下延伸擴大，導致中心筒中段和下段嚴重變形，降低分離效率。

(3)變形問題

直筒與錐筒之間的連接以拉筋板焊接固定，連接部位是死點，無膨脹間隙。在機組多次啟停過程中筒體熱脹冷縮時被拉筋板固定，雖筒體上有切割的16道膨脹縫，但在擠拉應力的不斷作用下，膨脹縫兩側膨脹不均。同時，中心筒直筒上段膨脹煙氣溫度達890 ℃時，直徑4 149 mm的筒體徑向膨量計算值為50 mm，而錐筒大部分在保溫層中使得其受熱膨脹很少，幾乎沒有膨脹相對補償量，極易造成整個筒體的變形。

中心筒筒體由耐熱不銹鋼板整體卷制成，其無膨脹間隙，在機組啟停過程中，中心筒溫度變化不均勻，迎煙氣側溫度變化較背煙氣側大，使中心筒更容易發生形變，成為橢圓型。

筒體變形后，導致筒體周邊澆注料裂紋、脫落，煙氣短路，鍋爐效率下降。

(4)密封問題

在機組啟停及負荷變化時，中心筒直段響應快、脹縮大，而在保溫層中的錐筒反應慢、脹縮小，兩者間產生多次脹縮變化時，中心筒直段不斷受擠壓及拉阻，脹縮作用力會使中心筒上部扇形板之間原有的拼接縫演變為寬達50～200 mm的裂隙，拉筋被拉斷，筒體下沉，嚴重時會導致中心筒脫落，造成停爐事故。

中心筒上部裂隙導致原有規則的壓力場被破壞，下部區域壓力大幅降低，內外氣流短路，含碳顆粒被裹挾進中心筒，降低了中心筒分離效率。同時造成上部區域保溫耐火層燒損，上部爐墻外凸，外護板燒紅、散熱損失大幅度增加進而鍋爐效率下降的問題。

在機組實際運行過程中，中心筒錐筒下端與膜式受熱面的焊接處多處被拉開，導致本體護板被燒紅，煙氣灰塵外竄，成為密封系統的一個重要隱患。

2 改造目的

機組鍋爐中心筒改造的目的是提高分離器效率，增大循環灰量，降低飛灰顆粒濃度及含碳量，間接降低床溫，減少氮氧化物原始排放量，提高鍋爐效率的同時保證機組的安全穩定運行。

3 改造方案

針對機組鍋爐旋風分離器中心筒存在的上述問題，現提出以下改進建議：

(1)中心筒材質改進建議

中心筒由鋼板卷制改為鑄造，由δ=12 mm變為δ=16 mm。材料由R253MA變為ZG40Cr26-Ni14MoMnSiNRe，含碳量由0.1變為0.15～0.2，增加了Mo、Mn、N、Re微量元素。

筒體加厚4 mm，可以大大提高筒體強度，防止筒體變形。材質的更換，提高了Cr、Ni含量增強了中心筒的耐高溫、耐磨、耐腐蝕性能。

(2)中心筒吊掛改進建議

原拉筋板連接的固定方式改為自由吊掛的支承方式。

自由吊掛是指中心筒通過上部大筋板安放在支架上的安裝方式，大筋板與支架間為自由配合(無焊接等任何方式的固定)，可以相對滑動，因此中心筒在受熱膨脹或冷卻收縮時均不會受到較大的阻力而發生變形。并且，大筋板、三角筋板和中心筒的一體鑄造具有較高的強度，不會發生扭曲變形，具有良好的使用效果。

自由吊掛的中心筒大筋板埋于澆注料中，筒體上圈筋板為吊掛筋板，厚20 mm，寬度200 mm，與筒體一體鑄造而成，強度較高。筋板上部配有32個均布的三角筋板，連接筒體與上圈筋板以增加上圈吊掛筋板的強度。上圈筋板的上平面上均布30個三角筋板，使上圈吊掛筋板的牢固度更佳，避免了上圈吊掛筋板走形彎曲等現象，以確保筒體不會發生偏斜等問題。

自由吊掛支承方式的直筒段與縮口段不焊接，承重點在縮口段，因此中心筒外徑應小于縮口段最小內徑。實施過程中，中心筒外徑預留膨脹間隙約70 mm，以便自由吊掛時筒體向外能有足夠自由膨脹間隙以防止筒體受擠壓，外徑尺寸變為4 000 mm。支架焊接在距離圓錐形接口上口平面320 mm處，此處圓錐形接口水平直徑約為4 500 mm，支架上平面長為200 mm，寬為120 mm，中心筒外徑為4 000 mm，大筋板寬度為200 mm，通過計算可知中心筒外壁與支架間間隙約為70 mm，支架與中心筒件為自由配合，單個支架承力面積為150 mm×120 mm。

(3)中心筒尺寸改進建議

中心筒長度由6 320 mm改為6 000 mm，中心筒插入深度保持不變。筒體上口外徑由原來4 149 mm改為4 000 mm，A、C兩側中心筒下口外徑為3850，中間B中心筒下口外徑為4000 mm。

相關國內外權威機構推薦中心筒插入深度為0.3～0.7倍。國內直筒插入深度一般在0.4～0.6倍之間，原中心筒插入深度為0.45倍較合理，此次設計筒體總長度為6 000 mm，比原中心筒縮短320 mm，中心筒吊掛點在錐筒中段下降320 mm，因此中心筒插入深度仍為0.45倍，即筒體下口位置與原筒體下口位置齊平。

(4)中心筒重量改進建議

中心筒直段更換后，每個旋風分離器的重量為14 200 kg，較原來8 970 kg重量增加5 230 kg，其新增重量占原承重的比例為1.8%。

改造后每個旋風分離器由21根吊桿懸吊承重，每根吊桿設計承重載荷為43 000 kg，最大承重載荷為51 600 kg。21跟吊桿總工作載荷可達903 000 kg，最大承重載荷1 083 600 kg，承重裕度達到200%以上，因此重量增加1.8%不會影響分離器吊桿承重。

(5)中心筒型式改進建議

設計改造中心筒采用倒錐臺的縮口式，即筒體在錐筒及耐火層中的吊掛段仍采用直段，以保證吊掛及膨脹密封較完善，在有效工作段采用錐臺式。

錐臺筒體與直筒相比，直筒體在分離器頂面附近會形成二次渦流，灰粒在此處徘徊旋轉圈數容易形成頂灰環，對分離效率存在一定影響，而錐臺筒體在分離器頂部不易形成頂灰環，從而有利于分離效率的提高。

(6)中心筒密封改進建議

設計改造筒體上端密封澆注料底部加一圈密封環板，密封環板采用與中心筒相同材質制作而成，現場進行拼裝。用巖棉把筒體與澆注料縫隙塞滿后，焊接一圈密封環板，一方面起到密封作用，另一方面防止煙氣進入中心筒與錐形接口之間的縫隙沖刷其中的填充物，煙氣進入會導致中心筒及錐形接口的損壞，煙氣短路，影響鍋爐正常運行。

(7)中心筒膨脹改進建議

改造后中心筒周圍留有一圈50 mm的膨脹間隙，經查表知此中心筒材質890 ℃時線膨脹系數約為0.013 05，即890 ℃時，中心筒徑向膨脹量為4 000×0.013 05=52.2 mm(半徑方向單側膨脹量為26.1 mm)，因此50 mm膨脹間隙完全可以保證中心筒正常膨脹，不會出現膨脹受阻的問題。

(7)加固改進建議

中心筒頂端由于焊接強度及膨脹受阻擠壓等原因，在使用一段時間后，頂端焊口易出現焊口局部開裂等問題。在豎縫的相應位置采取內側貼板滿焊的方式進行加固可以保證安裝質量。

(8)中心筒改造的相關參數

中心筒改造前后相關參數對比見表1。

表1中心筒改造前后相關參數

項 目單位改造前改造后總煙氣量Nm3 /h109.539萬煙氣體積系數4.368總通流面積m240.535.83流速m/s32.8237.09沿程阻力增加Pa/22.93

分離器總阻力設計值為1 500～1 700 Pa，提高煙氣流速后阻力增加22.93 Pa，約提高1.9%左右，不會對引風機出力造成影響。

4 結束語

通過此次旋風分離器中心筒改造，提高了分離器入口煙氣速度，機組大負荷運行時，平均床溫降低了20 ℃左右，床溫偏差降低，且一次風總風量降低5萬左右，進一步減少氮氧化物的原始排放。改造為同類型機組的實際運行及改造提供了寶貴的經驗。