近些年电站ＣＦＢ锅炉参数升高，分离器中心筒的尺寸加大，烟温提高，经常出现在运行一段时间后局部或整体变形的情况，下面就此展开分析。1 现象描述
电站ＣＦＢ锅炉分离器用于分离烟气中的灰粒，高参数锅炉的分离器筒体内径有的近８～９ｍ左右，中心筒属于分离器的重要组件，用于导出烟气，用高等级不锈钢板卷制而成，有的直径４～５ｍ左右，运行时烟气温度可达８００～９００℃左右，有时甚至会９００℃以上。2 原因分析
先以中心筒整体变形为例分析。中心筒可视为薄壁短圆筒体，可近似适用受外压的薄壁短圆筒体的周向失稳经验公式：
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式中：ｐ＇ｃｒ——短圆筒体的临界压力，ＭＰａ；Ｅｔ——设计温度下材料的弹性模数，ＭＰａ；δｅ——筒体的有效厚度，ｍｍ；Ｄｏ——筒体外径，ｍｍ；Ｌ——计算长度：圆筒外部或内部两相邻刚性构件间最大距离，ｍｍ。当外压低于临界压力（ｐ＜ｐ＇ｃｒ）时，压缩变形可以恢复；当外压大等于临界压力（ｐ≥ｐ＇ｃｒ）时，筒壁内压缩应力和变形发生突变，变形不能恢复。所以中心筒变形肯定是在外力的作用下变形的，但其自身具有一定的强度，所以中心筒变形需要从自身和外部两个方面分析。从上述经验公式可以看出，中心筒变形与材料的强度没有直接关系，与材料的弹性模量Ｅ和与圆筒的厚径比和长径比均有关。在计算长度不变的情况下，弹性模量小、厚径比小、长径比大，则中心筒的临界压力小，容易变形。材料的弹性模量Ｅ与筒体的材料和筒体壁温有关，对于同种材料，温度越高弹性模量越低，筒体越容易变形。而中心筒的壁温高有两方面原因：一是其周围的烟气温度高，向中心筒传递的热量大；二是中心筒没有冷却，几乎与烟气同温。厚径比是中心筒有效厚度与外径的比值，厚度大、外径小则厚径比大，中心筒的临界压力大。长径比是中心筒计算长度与外径的比值，长度小、外径大则长径比小，中心筒的临界压力大。虽然中心筒外径大小相对于厚径比和长径比是矛盾的，但通过比较可知，厚度的影响比直径的影响大，且厚度不变的情况下，减小中心筒外径能增加中心筒的临界压力。外部原因主要是中心筒所受到的压力和吸收的热量。下面主要分析压力产生的原因。从分离器粒子轨迹图可看出，烟气切向进入分离器后，沿外壁螺旋向下，沿中心螺旋向上，从中心筒流出。烟气会有很大的局部压降，会在中心筒内外产生很大的静压差，且外部静压大于内部静压，这个静压差可近似认为是中心筒受到的整体外压。从分离器静压分布纵剖图可看出，中心筒内外静压差可达１０００Ｐａ左右，机组满负荷运行时实测数值与此相当，此值与烟气速度相关。![]()
中心筒整体外压产生的原因可由下式推导。将分离器入口到中心筒出口视为一个区段，那么![]()
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式中：下角标“１”——入口；下角标“２”——出口；ζ——局部阻力系数；由几何形状来确定，与粒子运动方向的改变有关；ω——烟气速度；ρ——烟气密度；λ——摩擦阻力系数；l——长度；ｄε——当量直径；ｈ高度；ρａ——空气密度；ρ——烟气密度。因在工程上，很多参数系数不能准确量化，但上述推导可以结合工程经验定性的分析。（ｈ２－ｈ１）ｇ（ρａ－ρ）极小可不计，且是被减项；![]()
占比较小，且是被减项；△ｐ磨占比很小；△ｐ局占比很大。静压差和动压差都与烟气速度有很大关系，烟气速度越大压降越大。通过上述定性推导可以得出，中心筒内外静压差主要与局部阻力关系很大，且烟气速度越大局部阻力越大，中心筒受压也就越大。另外，从微观上分析，烟气对中心筒的压力是烟气分子和灰的分子对中心筒内外壁的撞击造成的，虽然在中心筒外侧的烟气速度较中心筒内侧的低，但中心筒内侧的速度方向更加平行于中心筒内壁，且中心筒内部含灰量较外侧大幅减少，所以从整体上看对中心筒内壁的撞击较轻，所以中心筒外壁的压力远大于中心筒内壁的压力。如下图所示。![]()
通过流场分析可以看出，烟气的流动并不是均匀的，各位置的流速是不均匀的，从而压强的分布也是不均匀的，并且出现中心筒局部位置内外压差特别大的现象，如分离器静压分布横剖图所示，这也会导致中心筒局部变形，其局部变形受力分析与整体的类似。中心筒入口（下端）与分离器入口下沿的高度不同，即中心筒插入深度的不同，中心筒下端局部受压的大小也会不同，但中心筒插入深度与分离器分离效率有很大关系，所以中心筒的插入深度需根据不同分离器的形式和实际情况而定。![]()
另外，笔者曾试图通过改变中心筒的位置调整流场，使中心筒内烟气旋与中心筒同心，但经多次调整后都没有达到理想效果，因为每次调整后流场都会重新分配，但都没有实现同心，不过有所改善。（１）中心筒一般都会有加强结构，即环向加强圈，但在高温状态下，加强圈的强度很低，加强能力不足，或者加强圈自身结构形式、布置间距过大也会导致其加强作用不足，从而使中心筒强度不足。（２）也有在中心筒内部设置支撑结构的，但中心筒内径较大，支撑结构尺寸大、自重大，且在高温情况下自身强度很弱，起不到支撑作用，又在重力作用下拉扯中心筒，反而使中心筒更加容易变形。（１）中心筒周围烟气温度高、中心筒没有冷却、中心筒直径大、中心筒壁厚小、加强环作用不足等导致中心筒自身强度低（注：中心筒的材料会根据所处位置的烟温选取，对于锅炉而言，其分离器位置的烟温一般都会很高，会选用高等级不锈钢材质的钢板，尽管材料牌号不同，但同等级不锈钢在同等温度下弹性模量基本接近）。（２）烟气速度大导致中心筒内外静压大，使其所受外压大（注：为保证分离器的分离效率，烟气速度应设计在一定的范围内）。（１）降低分离器周围烟气温度，以降低中心筒壁温，提高其弹性模量。可通过在分离器前增加受热面的方法降低进入分离器烟气的温度。（２）冷却中心筒以降低其壁温，提高其弹性模量。此方案可衍生出几种具体的措施，如，用空气或锅炉的配风冷却中心筒、用水冷壁管子做成中心筒等。（３）增加中心筒厚度。可适当增加，若增加太大会增加中心筒的重量，需考虑承载结构的能力。（４）减小中心筒直径。因中心筒直径与烟气流速有关，所以总烟气流量不变时，若想减小中心筒直径，有时需增加分离器数量。（５）选择更优材质的钢板，提高其在高温下的弹性模量。（６）改变加强环的形状、增加其厚度、减小其间距来提高加强环的作用。（８）调整中心筒的长度，避开高压区。需综合考虑分离器的分离效率。（９）通过改变分离器的结构形式和中心筒位置来优化流场，减小局部压力过大的现象。4 结束语
中心筒的温度、结构形式、尺寸、厚度、材质以及加强圈对中心筒的强度有很大的影响，在工程设计时要综合考虑这些因素。文献信息
宋国庆,吕健,于凯.电站CFB锅炉分离器中心筒变形分析与优化建议[J].电站系统工程,2023,39(05):30-32.ChatCFB（循环流化床锅炉技术问答）正式上线，欢迎反馈意见
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