CFB锅炉旋风分离器中心筒下移问题分析及技改措施
300MW CFB 锅炉旋风分离器中心筒下移问题分析及技改措施
唐俊，邱建能，辛胜伟
四川白马循环流化床示范电站有限责任公司，四川内江 641000
[摘要] 旋风分离器是循环流化床锅炉的重要部件，分离器的分离效率直接关系到锅炉的安全经济运行。旋风分离器中心筒下移，形成密封间隙，造成气体短路引起分离器分离效率下降，锅炉某些特定的运行参数发生了变化，影响了锅炉的安全经济运行。针对这些问题，分析了原因，并采取了一系列措施，取得了一定的效果。 [关键词] 旋风分离器；中心筒下移；问题分析；技改措施 [中图分类号] TK229 [文献标识码] A
THE PROBLEMS ANALYSIS AND TECHNICAL
IMPROVEMENTS ABOUT THE DOWNWARD OF CENTRAL
CYLINDER OF CYCLONE OF 300MW CFB BOILER
Tang jun, Qiu jian-neng , Xin sheng-wei
Si Chuan Baima CFB Demonstration Power Plant CO., LTD., Nei-jiang, Si Chuan 641000 Abstract: The cyclone is the key component of CFB boiler, the separating efficiency related to the safety and economic operation of CFBB. The downward of central cylinder of cyclone made the decreased about the separating efficiency of the cyclone, and also some operation parameters changed, which influenced the safety and economic operation of CFBB. In view of the problems, we analyzed the reasons and took a series of measures, achieved effectiveness finally.
Key words: cyclone; downward of central cylinder; problems analysis; technical improvements
循环流化床锅炉的高温旋风分离器是锅炉的关键部件之一，其主要作用是将大量高温固体物料从气流中分离出来，送回炉膛，以保证燃料和脱硫剂多次循环燃烧反应
[1]
。中心筒是旋风分离器的关键部件，它对
旋风分离器分离效率的高低起着决定性的作用。通常它插入到分离器内一定深度,与分离器的圆筒体形成环形通道，进入旋风分离器的烟气绕着中心筒旋转,在离心力和重力的作用下,大部分灰粒被分离出来，含有细灰的烟气折转向上成为旋流,然后由中心筒排出进入尾部烟道[2]（如图1所示）。
中心筒长度与分离器的直径直接影响
a -分离器入口高度；D O -分离器直径； D e -分离器直径；h c -中心筒插入深度。 图1. 旋风分离器结构及原理示意图
旋风分离器的分离效率和压力损失。Zenz 研究了中心筒插入深度对分离器效率的影响[3]，其结果见图2，随着中心筒插入深度的增加，分离效率提高，当中心筒插入深度h c大约是入口管高度a的0.4~0.5倍时，分离效率最高,因为中心筒插入过深会缩短排气管与椎体底部的距离，增加二次夹带机会，而插入过浅，会造成正常旋流核心的弯曲，甚至破坏，使其处于不稳定状态，同时也容易造成气体短路而降低分离效率。图3示出了中心筒插入深度对压降的影响，当中心筒插入深度h c为入口管高度a的0.4~0.5倍时，压力损失最小，此时分离效率最高。旋风分离器发生故障频率最高部位的是中心筒，常见问题是变形或脱落。
图2. 中心筒插入深度对分离效率的影响
图3. 中心筒插入深度对压降的影响1 300MW CFB锅炉及其分离器简介
白马示范工程机组，是当时世界上最大的循环流化床（CFB）燃煤机组，锅炉为双炉膛、一次中间再热、平衡通风、露天岛式布置、全钢架悬吊结构、亚临界自然循环型式，由法国ALSTOM 公司设计制造，其结构示意图如图4所示。
图4. 白马示范工程机组示意图
炉膛内的物料在一次风的快速流化作用下，较粗颗粒在炉内形成内循环，较细颗粒进入旋风分离器，大部分床料由旋风分离器分离后到虹吸密封槽，虹吸密封槽的床料分成两部分，一部分直接进入炉膛，另一部分通过灰控阀进入外置床，通过调整外置床的床温对过热汽温和再热汽温及炉膛温度进行调整，外置床的返料和虹吸密封槽的返料进入炉内进行再燃烧，小部分很细的颗粒被烟气夹带出旋风分离器，进入尾部烟道进行对流换热。锅炉本体有4个旋风分离器（#101、#201、#301、#401），其结构图如图1所示。旋风分离器由顶部顶盖、中部圆筒体和下部大锥体组成。顶盖台锥体、筒体以及旋风筒下锥体由碳钢板卷制而成的，中心筒采用钢板卷制成台锥体，从大端到小端开有V型胀缩槽。
中心筒与分离器本体的连接采用的是20组碳钢悬挂装置，每组悬挂装置由焊接在分离器内壁的#1挂撑与焊接在中心筒外壁的#2挂撑悬吊配合组成（如图5所示），中
心筒与分离器内壁的间隙用耐火材料填充，以避免分离器发生气体短路现象。
图5. 中心筒悬吊示意图
2 分离器出现问题分析
2.1 分离器故障
2009年下半年以来，运行人员发现：锅炉运行中，在保证入炉煤粒径以及总风量不变的情况下，炉膛顶部床层压降、灰控阀开度、过热器减温水、分离器阻力、分离器温升以及底灰/飞灰比例等均发生不同幅度的变化，锅炉出现非正常经济运行，于是便将出现问题后的各项数据与锅炉设计值以及正常运行时的数据相比较（见表1），并得出初步结论：锅炉旋风分离器出现了问题。
2010年1月机组检修期间发现：锅炉#101、#201、#301、#401分离器中心筒均出现了不同程度的下移，使得中心筒与分离器内壁出现了间隙（见图6），其中尤其以#401分离器下移幅度最大，间隙宽度达到150 mm。
图6 分离器中心筒下移示意图
2.2 分离器中心筒下移原因分析
由于中心筒采用的是碳钢挂撑装置悬吊，吊挂中心筒的挂撑，在高温烟气的加热条件下，随着时间的延长，应力逐渐降低，挂撑材质的弹性变形随时间的延长不断转变为塑性变形，同时高温下，金属原子的扩散活动能力增大，尤其在长期高温环境中，材质的组织结构将发生变化，其性能变坏，严重时就会发生断裂现象。#1挂撑与#2挂撑的碳钢厚度较小，加之中心筒自身的重力作用，挂撑很容易被拉伸变形，最终导致中心筒下移，中心筒与分离器出口形成一定的间隙，同时由于循环流化床锅炉内较复杂的气固两相流动，进入分离器的细灰在动能的作用下对分离器耐火材料形成强力的冲刷，使得分离器出口耐火材料部分脱落，从而加大了中心筒与分离器出口的间隙，严重影响分离器的分离效果。
2.3 出现的问题及分析
中心筒下移形成了烟气从入口到尾部烟道的新通道，造成了烟气直接短路，部分
烟气未经分离直接进入尾部烟道，整个分离器的效果降低，造成炉膛稀相区份额减少，炉膛上部床层压降难以维持，水冷壁换热减弱。同时进入烟道的可燃物增多，飞灰含碳量增加，燃烧效率降低，锅炉的安全经济性不能得到保障。
①床层压降：在保证锅炉负荷、总风量以及炉膛床压不变的情况下，由于分离器出现的烟气短路现象，相对较多的细灰未经分离，而从分离器的间隙直接进入尾部烟道，炉膛上部细灰量的减少造成了炉膛稀相区份额减少，床层压力难以维持。
②灰控阀开度：由于锅炉密相区燃烧份额较大，水冷壁的换热减弱，炉膛的温度较高，要维持炉膛在正常温度环境下运行，灰控阀开度必须增大，保证更多的低温灰进入炉膛，以降低炉膛温度。
③减温水量：由于灰控阀的开度增大，进入外置床的物料增加，致使外置床换热增大，出现过热蒸汽参数超标的现象，因此，为保证合格的蒸汽品质以及蒸汽温度，减温水的投入量应适当加大；
④分离器阻力：由于分离器出现了烟气短路现象，破坏了床料的流场，减弱了床料的相对运动，局部阻力降低。同时由于床料的运动轨迹变短，沿程摩擦阻力降低。最终导致分离器阻力下降。
⑤飞灰含碳量：分离器出现烟气短路导致大量未燃尽燃料直接进入尾部烟道，从而出现飞灰中可燃物含量高的现象。
⑥分离器出口温度：由于分离器的分离效率降低，有相当多的物料进入分离器没有被分离下来，直接进入尾部烟道，在尾部烟道发生再次燃烧，致使分离器出口温度升高。
2.4 采取的措施
由于当时锅炉没有达到检修要求，为维持锅炉的运行，保证蒸汽参数的合格，我们采用了以下措施：
①提高一次风量：逐渐提高炉膛顶部床压，增大炉膛稀相区燃烧份额，以保证粒径相对大的细灰被分离下来，进入外置床进行换热，但这势必会增大循环流化床锅炉的磨损，同时由于总风量的增大，风机的电耗增加，达不到经济运行的目的；
②改变一、二次风配比：在总风量不变的情况下，将一次/二次风配比从原来的0.68提高为0.73，二次风的穿透力有所降低，一定粒径的床料更容易进入稀相区，增加了炉膛内循环灰量，增强了床料在炉膛内的传热；
③适当增加石灰石加入量，改变循环灰的粒径分布：增加石灰石加入量，以弥补因分离器烟气短路现象造成的细床料损失，通过增大石灰石的中位粒径，延长石灰石在炉膛内的停留时间，增加了稀相区的浓度；
④减少锅炉排渣量：增大炉膛的总差压，提高了一定粒径的床料的浓度，为稀相区浓度的增加创造了条件，在一、二次风配比改变的基础上，使炉膛上部床压得以提升，稀相区燃烧份额相对增大。
在2010年9月进行的B级检修工作中，我们根据ALSTOM公司提供的原始设计资料，对分离器中心筒的插入深度进行了调整，并恢复到原来的数值，我们采取的方式是：将变形的挂撑进行了更换，确保中心筒的插入深度h c与入口管高度a的比值为
0.4~0.5（ALSTOM原设计值为0.42）；并在中心筒的顶部焊接宽度为50mm左右的
钢板围带，在钢板围带外面敷设一层耐火材料(见图7)，以防止中心筒再次下移，造成分离器出口与中心筒之间的间隙，消除烟气短路现象。表2为技改后锅炉运行参数与锅炉设计值的比较，从表上可以看出，技改后的运行参数较设计值无较大的偏差。
图7.分离器中心筒技术改造后示意图
3. 结论
(1) 中心筒插入深度直接影响旋风分离器的分离效率和压力损失。当中心筒插入深度h c大约是入口管高度a的0.4~0.5倍时，压力损失最小，分离效率最高；
(2) 分离器中心筒下移带来一系列问题，锅炉的各项运行参数发生了不同程度的变化，主要表现在炉膛床层压降、灰控阀的开度、减温水量等的变化，影响了锅炉的安全经济运行；
(3) 根据法国ALSTOM公司提供的原始设计资料，对分离器中心筒的插入深度进行了调整，并将变形的挂撑进行了更换，消除了分离器烟气短路现象，取得了明显的效果，锅炉运行参数较设计值无较大的偏差。
4.参考文献
[1] 卢啸风．大型循环流化床锅炉设备与运行[M]．北京：中国电力出版社，2006．2
[2] 冯长青.高温旋风分离器中心筒存在的问题及改进措施[J].华电技术，2009(7):39~41
[3] 蒋敏华，肖平．大型循环流化床锅炉技术[M]．北京：中国电力出版社，2009.7
作者简介：唐俊（1971-），男，四川西昌人，工程师，主要从事热力发电厂运行技术管理。联系电话：139********
通讯作者：辛胜伟（1981- ），男，硕士研究生。
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