key words: cyclone; downward of central cylinder; problems analysis; technical improvements
迴圈流化床鍋爐的高溫旋風分離器是鍋爐的關鍵部件之一，其主要作用是將大量高溫固體物料從氣流中分離出來，送回爐膛，以保證燃料和脫硫劑多次迴圈燃燒反應[1]。中心筒是旋風分離器的關鍵部件，它對旋風分離器分離效率的高低起著決定性的作用。通常它插入到分離器內一定深度,與分離器的圓筒體形成環形通道，進入旋風分離器的煙氣繞著中心筒旋轉,在離心力和重力的作用下,大部分灰粒被分離出來，含有細灰的煙氣折轉向上成為旋流,然後由中心筒排出進入尾部煙道[2]（如圖1所示）。
中心筒長度與分離器的直徑直接影響旋風分離器的分離效率和壓力損失。zenz研究了中心筒插入深度對分離器效率的影響[3]，其結果見圖2，隨著中心筒插入深度的增加，分離效率提高，當中心筒插入深度hc大約是入口管高度a的0.4~0.
5倍時，分離效率最高,因為中心筒插入過深會縮短排氣管與椎體底部的距離，增加二次夾帶機會，而插入過淺，會造成正常旋流核心的彎曲，甚至破壞，使其處於不穩定狀態，同時也容易造成氣體短路而降低分離效率。圖3示出了中心筒插入深度對壓降的影響，當中心筒插入深度hc為入口管高度a的0.4~0.
5倍時，壓力損失最小，此時分離效率最高。旋風分離器發生故障頻率最高部位的是中心筒，常見問題是變形或脫落。
1 300mw cfb鍋爐及其分離器簡介
白馬示範工程機組，是當時世界上最大的迴圈流化床（cfb）燃煤機組，鍋爐為雙爐膛、一次中間再熱、平衡通風、露天島式布置、全鋼架懸吊結構、亞臨界自然迴圈型式，由法國alstom 公司設計製造，其結構示意圖如圖4所示。
爐膛內的物料在一次風的快速流化作用下，較粗顆粒在爐內形成內迴圈，較細顆粒進入旋風分離器，大部分床料由旋風分離器分離後到虹吸密封槽，虹吸密封槽的床料分成兩部分，一部分直接進入爐膛，另一部分通過灰控閥進入外接床，通過調整外接床的床溫對過熱汽溫和再熱汽溫及爐膛溫度進行調整，外接床的返料和虹吸密封槽的返料進入爐內進行再燃燒，小部分很細的顆粒被煙氣夾帶出旋風分離器，進入尾部煙道進行對流換熱。鍋爐本體有4個旋風分離器（#101、#201、#301、#401），其結構圖如圖1所示。旋風分離器由頂部頂蓋、中部圓筒體和下部大錐體組成。
頂蓋臺錐體、筒體以及旋風筒下錐體由碳鋼板捲製而成的，中心筒採用鋼板卷製成臺錐體，從大端到小端開有v型脹縮槽。
中心筒與分離器本體的連線採用的是20組碳鋼懸掛裝置，每組懸掛裝置由焊接在分離器內壁的#1掛撐與焊接在中心筒外壁的#2掛撐懸吊配合組成（如圖5所示），中心筒與分離器內壁的間隙用耐火材料填充，以避免分離器發生氣體短路現象。
2 分離器出現問題分析
2.1 分離器故障
2023年下半年以來，執行人員發現：鍋爐執行中，在保證入爐煤粒徑以及總風量不變的情況下，爐膛頂部床層壓降、灰控閥開度、過熱器減溫水、分離器阻力、分離器溫公升以及底灰/飛灰比例等均發生不同幅度的變化，鍋爐出現非正常經濟執行，於是便將出現問題後的各項資料與鍋爐設計值以及正常執行時的資料相比較（見表1），並得出初步結論：鍋爐旋風分離器出現了問題。
表1. 鍋爐執行引數比較
2023年1月機組檢修期間發現：鍋爐#101、#201、#301、#401分離器中心筒均出現了不同程度的下移，使得中心筒與分離器內壁出現了間隙（見圖6），其中尤其以#401分離器下移幅度最大，間隙寬度達到150 mm。
2.2 分離器中心筒下移原因分析
由於中心筒採用的是碳鋼掛撐裝置懸吊，吊掛中心筒的掛撐，在高溫煙氣的加熱條件下，隨著時間的延長，應力逐漸降低，掛撐材質的彈性變形隨時間的延長不斷轉變為塑性變形，同時高溫下，金屬原子的擴散活動能力增大，尤其在長期高溫環境中，材質的組織結構將發生變化，其效能變壞，嚴重時就會發生斷裂現象。#1掛撐與#2掛撐的碳鋼厚度較小，加之中心筒自身的重力作用，掛撐很容易被拉伸變形，最終導致中心筒下移，中心筒與分離器出口形成一定的間隙，同時由於迴圈流化床鍋爐內較複雜的氣固兩相流動，進入分離器的細灰在動能的作用下對分離器耐火材料形成強力的沖刷，使得分離器出口耐火材料部分脫落，從而加大了中心筒與分離器出口的間隙，嚴重影響分離器的分離效果。
2.3 出現的問題及分析
中心筒下移形成了煙氣從入口到尾部煙道的新通道，造成了煙氣直接短路，部分煙氣未經分離直接進入尾部煙道，整個分離器的效果降低，造成爐膛稀相區份額減少，爐膛上部床層壓降難以維持，水冷壁換熱減弱。同時進入煙道的可燃物增多，飛灰含碳量增加，燃燒效率降低，鍋爐的安全經濟性不能得到保障。
床層壓降：在保證鍋爐負荷、總風量以及爐膛床壓不變的情況下，由於分離器出現的煙氣短路現象，相對較多的細灰未經分離，而從分離器的間隙直接進入尾部煙道，爐膛上部細灰量的減少造成了爐膛稀相區份額減少，床層壓力難以維持。
灰控閥開度：由於鍋爐密相區燃燒份額較大，水冷壁的換熱減弱，爐膛的溫度較高，要維持爐膛在正常溫度環境下執行，灰控閥開度必須增大，保證更多的低溫灰進入爐膛，以降低爐膛溫度。
減溫水量：由於灰控閥的開度增大，進入外接床的物料增加，致使外接床換熱增大，出現過熱蒸汽引數超標的現象，因此，為保證合格的蒸汽品質以及蒸汽溫度，減溫水的投入量應適當加大；
分離器阻力：由於分離器出現了煙氣短路現象，破壞了床料的流場，減弱了床料的相對運動，區域性阻力降低。同時由於床料的運動軌跡變短，沿程摩擦阻力降低。最終導致分離器阻力下降。
飛灰含碳量：分離器出現煙氣短路導致大量未燃盡燃料直接進入尾部煙道，從而出現飛灰中可燃物含量高的現象。
分離器出口溫度：由於分離器的分離效率降低，有相當多的物料進入分離器沒有被分離下來，直接進入尾部煙道，在尾部煙道發生再次燃燒，致使分離器出口溫度公升高。
2.4 採取的措施
由於當時鍋爐沒有達到檢修要求，為維持鍋爐的執行，保證蒸汽引數的合格，我們採用了以下措施：
提高一次風量：逐漸提高爐膛頂部床壓，增大爐膛稀相區燃燒份額，以保證粒徑相對大的細灰被分離下來，進入外接床進行換熱，但這勢必會增大迴圈流化床鍋爐的磨損，同時由於總風量的增大，風機的電耗增加，達不到經濟執行的目的；
改變一、二次風配比：在總風量不變的情況下，將一次/二次風配比從原來的0.68提高為0.
73，二次風的穿透力有所降低，一定粒徑的床料更容易進入稀相區，增加了爐膛內迴圈灰量，增強了床料在爐膛內的傳熱；
適當增加石灰石加入量，改變迴圈灰的粒徑分布：增加石灰石加入量，以彌補因分離器煙氣短路現象造成的細床料損失，通過增大石灰石的中位粒徑，延長石灰石在爐膛內的停留時間，增加了稀相區的濃度；
減少鍋爐排渣量：增大爐膛的總差壓，提高了一定粒徑的床料的濃度，為稀相區濃度的增加創造了條件，在
一、二次風配比改變的基礎上，使爐膛上部床壓得以提公升，稀相區燃燒份額相對增大。
在2023年9月進行的b級檢修工作中，我們根據alstom公司提供的原始設計資料，對分離器中心筒的插入深度進行了調整，並恢復到原來的數值，我們採取的方式是：將變形的掛撐進行了更換，確保中心筒的插入深度hc與入口管高度a的比值為0.4~0.
5（alstom原設計值為0.42）；並在中心筒的頂部焊接寬度為50mm左右的鋼板圍帶，在鋼板圍帶外面敷設一層耐火材料(見圖7)，以防止中心筒再次下移，造成分離器出口與中心筒之間的間隙，消除煙氣短路現象。表2為技改後鍋爐執行引數與鍋爐設計值的比較，從表上可以看出，技改後的執行引數較設計值無較大的偏差。
圖7.分離器中心筒技術改造後示意圖
表2.分離器技改後與正常執行時各項引數比較
3. 結論
(1) 中心筒插入深度直接影響旋風分離器的分離效率和壓力損失。當中心筒插入深度hc大約是入口管高度a的0.4~0.5倍時，壓力損失最小，分離效率最高；
(2) 分離器中心筒下移帶來一系列問題，鍋爐的各項執行引數發生了不同程度的變化，主要表現在爐膛床層壓降、灰控閥的開度、減溫水量等的變化，影響了鍋爐的安全經濟執行；
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