大型循环流化床锅炉旋风分离器中心筒改造分析

(河北建投水务环境工程有限公司，石家庄 050051)

0 引 言

河北南网某电厂锅炉是由东方锅炉(集团)股份有限公司制造的亚临界、一次中间再热、单汽包、单炉体、自然循环、平衡通风、旋风气固分离、固态排渣、半露天布置的循环流化床锅炉。锅炉型号为：DG1100/17.4-Ⅱ3。

锅炉中心筒长度h=6343.5 mm，中心筒直筒外径Φ4149 mm，厚度δ=12，由R253MA板材卷制而成。直筒与锥筒之间采用焊接方式固定，16个固定点，其中每个固定点有3道筋板，全部48道筋板连接起固定密封作用。中心筒直筒段上部2 000 mm由16块扇形长板拼装而成，下部筒体为整圆。

中心筒入口烟道高1 020 mm，宽175 mm，高宽比5.8，旋风分离器直径Φ8 500 mm，中心筒直筒段上部2 000 mm置于分离器的耐火浇注料中，插入深度为4 320 mm，he/a≈0.45。

1 中心筒设备存在的问题

(1)运行参数问题

有相关研究表明单炉膛中心气流流速一定大于两侧靠近边界层的流速，且中间颗粒物浓度较小，从而造成中间区域B对应的分离器b入口流速及压降均大于A、C两侧的a、c分离器，而入口颗粒物浓度及返料量均小于A、C两分离器。随着流速的增大，返料量偏差亦会增大。

在机组实际运行过程中，三个分离器再压降、返料量及入口烟道体积率均存在差异，中间回路B返料量比A、C侧返料量少10%左右，中间床温比两侧高70～100 ℃，造成床温偏差较大。床温不平衡的问题只能通过调整给煤机的给煤量，调整二次风的大小，以及调整三个分离器返料风量等控制途径缓解。

(2)吊挂方式问题

接口连接是指在旋风筒内安装接口，接口通过各种尺寸的钢板与中心筒焊接，最终将中心筒固定在旋风分离器内的连接方式。该方式有较好的密封效果，但是由于中心筒与接口满焊，没有膨胀间隙，中心筒受热膨胀时发生挤压变形，并且这种变形还会沿中心筒向下延伸扩大，导致中心筒中段和下段严重变形，降低分离效率。

(3)变形问题

直筒与锥筒之间的连接以拉筋板焊接固定，连接部位是死点，无膨胀间隙。在机组多次启停过程中筒体热胀冷缩时被拉筋板固定，虽筒体上有切割的16道膨胀缝，但在挤拉应力的不断作用下，膨胀缝两侧膨胀不均。同时，中心筒直筒上段膨胀烟气温度达890 ℃时，直径4 149 mm的筒体径向膨量计算值为50 mm，而锥筒大部分在保温层中使得其受热膨胀很少，几乎没有膨胀相对补偿量，极易造成整个筒体的变形。

中心筒筒体由耐热不锈钢板整体卷制成，其无膨胀间隙，在机组启停过程中，中心筒温度变化不均匀，迎烟气侧温度变化较背烟气侧大，使中心筒更容易发生形变，成为椭圆型。

筒体变形后，导致筒体周边浇注料裂纹、脱落，烟气短路，锅炉效率下降。

(4)密封问题

在机组启停及负荷变化时，中心筒直段响应快、胀缩大，而在保温层中的锥筒反应慢、胀缩小，两者间产生多次胀缩变化时，中心筒直段不断受挤压及拉阻，胀缩作用力会使中心筒上部扇形板之间原有的拼接缝演变为宽达50～200 mm的裂隙，拉筋被拉断，筒体下沉，严重时会导致中心筒脱落，造成停炉事故。

中心筒上部裂隙导致原有规则的压力场被破坏，下部区域压力大幅降低，内外气流短路，含碳颗粒被裹挟进中心筒，降低了中心筒分离效率。同时造成上部区域保温耐火层烧损，上部炉墙外凸，外护板烧红、散热损失大幅度增加进而锅炉效率下降的问题。

在机组实际运行过程中，中心筒锥筒下端与膜式受热面的焊接处多处被拉开，导致本体护板被烧红，烟气灰尘外窜，成为密封系统的一个重要隐患。

2 改造目的

机组锅炉中心筒改造的目的是提高分离器效率，增大循环灰量，降低飞灰颗粒浓度及含碳量，间接降低床温，减少氮氧化物原始排放量，提高锅炉效率的同时保证机组的安全稳定运行。

3 改造方案

针对机组锅炉旋风分离器中心筒存在的上述问题，现提出以下改进建议：

(1)中心筒材质改进建议

中心筒由钢板卷制改为铸造，由δ=12 mm变为δ=16 mm。材料由R253MA变为ZG40Cr26-Ni14MoMnSiNRe，含碳量由0.1变为0.15～0.2，增加了Mo、Mn、N、Re微量元素。

筒体加厚4 mm，可以大大提高筒体强度，防止筒体变形。材质的更换，提高了Cr、Ni含量增强了中心筒的耐高温、耐磨、耐腐蚀性能。

(2)中心筒吊挂改进建议

原拉筋板连接的固定方式改为自由吊挂的支承方式。

自由吊挂是指中心筒通过上部大筋板安放在支架上的安装方式，大筋板与支架间为自由配合(无焊接等任何方式的固定)，可以相对滑动，因此中心筒在受热膨胀或冷却收缩时均不会受到较大的阻力而发生变形。并且，大筋板、三角筋板和中心筒的一体铸造具有较高的强度，不会发生扭曲变形，具有良好的使用效果。

自由吊挂的中心筒大筋板埋于浇注料中，筒体上圈筋板为吊挂筋板，厚20 mm，宽度200 mm，与筒体一体铸造而成，强度较高。筋板上部配有32个均布的三角筋板，连接筒体与上圈筋板以增加上圈吊挂筋板的强度。上圈筋板的上平面上均布30个三角筋板，使上圈吊挂筋板的牢固度更佳，避免了上圈吊挂筋板走形弯曲等现象，以确保筒体不会发生偏斜等问题。

自由吊挂支承方式的直筒段与缩口段不焊接，承重点在缩口段，因此中心筒外径应小于缩口段最小内径。实施过程中，中心筒外径预留膨胀间隙约70 mm，以便自由吊挂时筒体向外能有足够自由膨胀间隙以防止筒体受挤压，外径尺寸变为4 000 mm。支架焊接在距离圆锥形接口上口平面320 mm处，此处圆锥形接口水平直径约为4 500 mm，支架上平面长为200 mm，宽为120 mm，中心筒外径为4 000 mm，大筋板宽度为200 mm，通过计算可知中心筒外壁与支架间间隙约为70 mm，支架与中心筒件为自由配合，单个支架承力面积为150 mm×120 mm。

(3)中心筒尺寸改进建议

中心筒长度由6 320 mm改为6 000 mm，中心筒插入深度保持不变。筒体上口外径由原来4 149 mm改为4 000 mm，A、C两侧中心筒下口外径为3850，中间B中心筒下口外径为4000 mm。

相关国内外权威机构推荐中心筒插入深度为0.3～0.7倍。国内直筒插入深度一般在0.4～0.6倍之间，原中心筒插入深度为0.45倍较合理，此次设计筒体总长度为6 000 mm，比原中心筒缩短320 mm，中心筒吊挂点在锥筒中段下降320 mm，因此中心筒插入深度仍为0.45倍，即筒体下口位置与原筒体下口位置齐平。

(4)中心筒重量改进建议

中心筒直段更换后，每个旋风分离器的重量为14 200 kg，较原来8 970 kg重量增加5 230 kg，其新增重量占原承重的比例为1.8%。

改造后每个旋风分离器由21根吊杆悬吊承重，每根吊杆设计承重载荷为43 000 kg，最大承重载荷为51 600 kg。21跟吊杆总工作载荷可达903 000 kg，最大承重载荷1 083 600 kg，承重裕度达到200%以上，因此重量增加1.8%不会影响分离器吊杆承重。

(5)中心筒型式改进建议

设计改造中心筒采用倒锥台的缩口式，即筒体在锥筒及耐火层中的吊挂段仍采用直段，以保证吊挂及膨胀密封较完善，在有效工作段采用锥台式。

锥台筒体与直筒相比，直筒体在分离器顶面附近会形成二次涡流，灰粒在此处徘徊旋转圈数容易形成顶灰环，对分离效率存在一定影响，而锥台筒体在分离器顶部不易形成顶灰环，从而有利于分离效率的提高。

(6)中心筒密封改进建议

设计改造筒体上端密封浇注料底部加一圈密封环板，密封环板采用与中心筒相同材质制作而成，现场进行拼装。用岩棉把筒体与浇注料缝隙塞满后，焊接一圈密封环板，一方面起到密封作用，另一方面防止烟气进入中心筒与锥形接口之间的缝隙冲刷其中的填充物，烟气进入会导致中心筒及锥形接口的损坏，烟气短路，影响锅炉正常运行。

(7)中心筒膨胀改进建议

改造后中心筒周围留有一圈50 mm的膨胀间隙，经查表知此中心筒材质890 ℃时线膨胀系数约为0.013 05，即890 ℃时，中心筒径向膨胀量为4 000×0.013 05=52.2 mm(半径方向单侧膨胀量为26.1 mm)，因此50 mm膨胀间隙完全可以保证中心筒正常膨胀，不会出现膨胀受阻的问题。

(7)加固改进建议

中心筒顶端由于焊接强度及膨胀受阻挤压等原因，在使用一段时间后，顶端焊口易出现焊口局部开裂等问题。在竖缝的相应位置采取内侧贴板满焊的方式进行加固可以保证安装质量。

(8)中心筒改造的相关参数

中心筒改造前后相关参数对比见表1。

表1中心筒改造前后相关参数

项 目单位改造前改造后总烟气量Nm3 /h109.539万烟气体积系数4.368总通流面积m240.535.83流速m/s32.8237.09沿程阻力增加Pa/22.93

分离器总阻力设计值为1 500～1 700 Pa，提高烟气流速后阻力增加22.93 Pa，约提高1.9%左右，不会对引风机出力造成影响。

4 结束语

通过此次旋风分离器中心筒改造，提高了分离器入口烟气速度，机组大负荷运行时，平均床温降低了20 ℃左右，床温偏差降低，且一次风总风量降低5万左右，进一步减少氮氧化物的原始排放。改造为同类型机组的实际运行及改造提供了宝贵的经验。