大型循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器中心筒改造分析

(河北建投水務(wù)環(huán)境工程有限公司，石家莊 050051)

0 引 言

河北南網(wǎng)某電廠鍋爐是由東方鍋爐(集團(tuán))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(huán)、平衡通風(fēng)、旋風(fēng)氣固分離、固態(tài)排渣、半露天布置的循環(huán)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(diǎn)，其中每個固定點(diǎn)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(fēng)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(shè)備存在的問題

(1)運(yùn)行參數(shù)問題

有相關(guān)研究表明單爐膛中心氣流流速一定大于兩側(cè)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(qū)域B對應(yīng)的分離器b入口流速及壓降均大于A、C兩側(cè)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(jī)組實(shí)際運(yùn)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(cè)返料量少10%左右，中間床溫比兩側(cè)高70～100 ℃，造成床溫偏差較大。床溫不平衡的問題只能通過調(diào)整給煤機(jī)的給煤量，調(diào)整二次風(fēng)的大小，以及調(diào)整三個分離器返料風(fēng)量等控制途徑緩解。

(2)吊掛方式問題

接口連接是指在旋風(fēng)筒內(nèi)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(fēng)分離器內(nèi)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(fā)生擠壓變形，并且這種變形還會沿中心筒向下延伸擴(kuò)大，導(dǎo)致中心筒中段和下段嚴(yán)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(diǎn)，無膨脹間隙。在機(jī)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(yīng)力的不斷作用下，膨脹縫兩側(cè)膨脹不均。同時，中心筒直筒上段膨脹煙氣溫度達(dá)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(bǔ)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(jī)組啟停過程中，中心筒溫度變化不均勻，迎煙氣側(cè)溫度變化較背煙氣側(cè)大，使中心筒更容易發(fā)生形變，成為橢圓型。

筒體變形后，導(dǎo)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(jī)組啟停及負(fù)荷變化時，中心筒直段響應(yīng)快、脹縮大，而在保溫層中的錐筒反應(yīng)慢、脹縮小，兩者間產(chǎn)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?yōu)閷掃_(dá)50～200 mm的裂隙，拉筋被拉斷，筒體下沉，嚴(yán)重時會導(dǎo)致中心筒脫落，造成停爐事故。

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

在機(jī)組實(shí)際運(yùn)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(dǎo)致本體護(hù)板被燒紅，煙氣灰塵外竄，成為密封系統(tǒng)的一個重要隱患。

2 改造目的

機(jī)組鍋爐中心筒改造的目的是提高分離器效率，增大循環(huán)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(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 改造方案

針對機(jī)組鍋爐旋風(fēng)分離器中心筒存在的上述問題，現(xiàn)提出以下改進(jìn)建議：

(1)中心筒材質(zhì)改進(jìn)建議

中心筒由鋼板卷制改為鑄造，由δ=12 mm變?yōu)棣?16 mm。材料由R253MA變?yōu)閆G40Cr26-Ni14MoMnSiNRe，含碳量由0.1變?yōu)?.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(qiáng)度，防止筒體變形。材質(zhì)的更換，提高了Cr、Ni含量增強(qiáng)了中心筒的耐高溫、耐磨、耐腐蝕性能。

(2)中心筒吊掛改進(jìn)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(fā)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(qiáng)度，不會發(fā)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(qiáng)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(qiáng)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(xiàn)象，以確保筒體不會發(fā)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(diǎn)在縮口段，因此中心筒外徑應(yīng)小于縮口段最小內(nèi)徑。實(shí)施過程中，中心筒外徑預(yù)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?yōu)? 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(jìn)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(cè)中心筒下口外徑為3850，中間B中心筒下口外徑為4000 mm。

相關(guān)國內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)推薦中心筒插入深度為0.3～0.7倍。國內(nèi)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(shè)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(diǎn)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(jìn)建議

中心筒直段更換后，每個旋風(fēng)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(fēng)分離器由21根吊桿懸吊承重，每根吊桿設(shè)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(dá)903 000 kg，最大承重載荷1 083 600 kg，承重裕度達(dá)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(jìn)建議

設(shè)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(zhuǎn)圈數(shù)容易形成頂灰環(huán)，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(huán)，從而有利于分離效率的提高。

(6)中心筒密封改進(jìn)建議

設(shè)計改造筒體上端密封澆注料底部加一圈密封環(huán)板，密封環(huán)板采用與中心筒相同材質(zhì)制作而成，現(xiàn)場進(jìn)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(huán)板，一方面起到密封作用，另一方面防止煙氣進(jìn)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(jìn)入會導(dǎo)致中心筒及錐形接口的損壞，煙氣短路，影響鍋爐正常運(yùn)行。

(7)中心筒膨脹改進(jìn)建議

改造后中心筒周圍留有一圈50 mm的膨脹間隙，經(jīng)查表知此中心筒材質(zhì)890 ℃時線膨脹系數(shù)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(cè)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(xiàn)膨脹受阻的問題。

(7)加固改進(jìn)建議

中心筒頂端由于焊接強(qiáng)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(xiàn)焊口局部開裂等問題。在豎縫的相應(yīng)位置采取內(nèi)側(cè)貼板滿焊的方式進(jìn)行加固可以保證安裝質(zhì)量。

(8)中心筒改造的相關(guān)參數(shù)

中心筒改造前后相關(guān)參數(shù)對比見表1。

表1中心筒改造前后相關(guān)參數(shù)

項 目單位改造前改造后總煙氣量Nm3 /h109.539萬煙氣體積系數(shù)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(shè)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(fēng)機(jī)出力造成影響。

4 結(jié)束語

通過此次旋風(fēng)分離器中心筒改造，提高了分離器入口煙氣速度，機(jī)組大負(fù)荷運(yùn)行時，平均床溫降低了20 ℃左右，床溫偏差降低，且一次風(fēng)總風(fēng)量降低5萬左右，進(jìn)一步減少氮氧化物的原始排放。改造為同類型機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行及改造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。