[科普中国]-直流锅炉水冷壁

直流锅炉的水冷壁中的工质是靠水泵压头作强制流动，不像自然循环锅炉那样总是布置成垂直上升管屏，而可以较自由地布置成各种型式，基本形式有水平环绕上升式、一次上升式、多次上升式、U型下降上升式、II型上升下降式、多次上升下降式和水平曲折上升式。1

简介直流锅炉的水冷壁中的工质是靠水泵压头作强制流动，不像自然循环锅炉那样总是布置成垂直上升管屏，而可以较自由地布置成各种型式，图1所示为几种基本型式。(a)水平环绕上升式；(b)一次上升式；(c)多次上升式；(d)U型下降上升式；(e)II型上升下降式；(f)多次上升下降式；(g)水平曲折上升式。1

水平环绕上升式水冷壁(或称螺旋管圈水冷壁)对炉膛四周吸热不均性不很敏感，允许工质焓增大(达1200 kJ/kg)。因无中间集箱，金属耗量小些。但是，在安装工地装配的焊口多，安装周期长。这种型式的水冷壁在超临界压力和亚临界压力情况下均可应用。水平曲折上升式水冷壁(图1(g))对炉膛各面墙宽度的吸热不均匀性也不敏感，易于组装，但制造稍为复杂，阻力比前一种型式大。有许多弯头，不易做成膜式水冷壁。 U型上升下降式、Ⅱ型上升下降式及多次上升下降管屏式水冷壁便于组装，但不易疏水。因弯头多，做膜式壁较麻烦。它们对沿宽度的吸热不均性比较敏感。1

多次上升式水冷壁(图1(c))易于组装，易做成膜式水冷壁，易疏水，工质一次上升之后有混合，但因有较多的集箱和不受热的下降管，金属耗量较大。为了保证锅炉水冷壁的安全，要求水冷壁在任何工况条件下管壁温度都不能超温，并且管子之间(特别是相邻管子之间)的管壁温度相差不能太大，以避免产生太大的热应力而造成破坏。1

对垂直布置的水冷壁管而言，炉膛周界长度、管子直径、管间节距决定了它的质量流速的大小。而管子直径和节距的选择都有一定的限制，例如管子的直径过细会造成水冷壁管热敏感性高，管子内壁上的结垢和热负荷的变化，使某些管子产生过大的管间流量偏差而使管子超温。因此管子内径的选择不宜过小。同时为了防止管间鳍片过热烧损，管间节距不能太宽，一般以鳍端温度与管子正面顶点温度相等作为鳍片宽度选择的原则。这样一来，在一定的炉膛周界情况下，如果直流锅炉采用垂直布置的水冷壁管，管子直径不能过细，其管子根数基本固定，而为了保证水冷壁管子的安全，必须保证一定的工质流量，所以垂直管圈的质量流速大小是受到严格限制的。1

炉膛周界尺寸的增加与锅炉容量的增加是不成正比例的。容量较小的直流锅炉水冷壁往往单位容量炉膛周界尺寸过大，水冷壁管子内难以保证足够的质量流速。300 MW容量的锅炉水冷壁不能设计成一次垂直上升型管圈；600 MW容量的锅炉在负荷低于60%左右时质量流速也显得不足(这里指的是采用较粗的管子且无多次上升垂直管圈，即采用UP型一次上升水冷壁结构)。根据国外经验，燃煤锅炉水冷壁设计成一次上升垂直水冷壁管圈的极限容量最小应该在为700 MW以上。1

解决炉膛周界和质量流速之间矛盾的方法一般有如下几种：采用小管径和多次混合的水冷壁(如上锅300 MW的UP型锅炉，采用内径11 mm的管子)；水冷壁采用工质再循环(低倍率和复合循环锅炉)；采用多次上升管圈型水冷壁(FW型锅炉)；采用螺旋管圈型水冷壁。得到广泛采用的是螺旋管圈水冷壁。例如，国产600 MW超临界压力直流锅炉采用的就是螺旋管圈水冷壁。1

螺旋管圈的一大特点就是能够在炉膛周界尺寸一定的条件下，通过改变螺旋升角来调整平行管的数量，保征容量较小的锅炉并列管束数量较小，从而获得足够的工质质量流速，使管壁得到足够的冷却。消除传热恶化对水冷壁管子安全的威胁。这样水冷壁的设计就可避免采用热敏感性太大的直径过细的管子。1

设计螺旋管圈水冷壁的另一个要素就是螺旋管圈盘绕的圈数。这与螺旋角和炉膛高度有关。圈数太少会部分丧失螺旋管圈在减少吸热偏差方面的效益；圈数太多会增加水冷壁的阻力从而增加水泵功耗，而且在减少吸热偏差的效益方面增益不大，合理的盘绕圈数的推荐值是1.5～2.5圈左右。1

螺旋管圈水冷壁优缺点螺旋管圈水冷壁主要有以下优点：①能根据需要获得足够的质量流速，保证水冷壁的安全运行；②管间吸热偏差小，特别是对于容量比较小的锅炉，并列管子根数少，同时由于沿炉膛高度方向的热负荷变化平缓，因而热偏差小，螺旋管在盘旋上升的过程中，管子绕过炉膛整个周界，既途经宽度上热负荷大的区域又途经热负荷小的区域，因此就螺旋管的各管，以整个长度而言吸热偏差很小。据有关资料介绍，当螺旋管盘绕圈数为1.5～2.0圈时，其吸热偏差不会超过0.5%(冷灰斗也采用螺旋管圈)；③抗燃烧干扰的能力强。据有关资料介绍，在前墙的吸热量增加15%，右侧墙保持不变，而后墙的吸热量减少10%，左侧墙亦减少5%时，螺旋管圈的吸热偏差仍不会超过1%，其出口温度偏差在15℃之内。而如果换了垂直管圈，管问的吸热量偏差就会毫无缓冲地落在+15%～一15%之问。如果垂直管的进口分配节流圈是按65%的热负荷整定的话，那么40%负荷时出口管间温差将达到160℃，这是不能接受的；④可以不设置水冷壁进口的分配节流圈。垂直管圈为了减少热偏差，在水冷壁进口要按照沿宽度上的热负荷分布曲线设计配置流量分配节流圈。这种节流圈一方面增加了水冷壁的阻力，另一方面针对某一锅炉负荷设置的节流圈，在锅炉负荷变化时部分地失去作用，给水冷壁的设计带来很大复杂性。冷灰斗也采用螺旋的螺旋管圈，吸热偏差很小，可以取消进口分配节流圈。因此它的阻力有时竟会低于垂直管圈；⑤适应于锅炉变压运行的要求。螺旋管圈在变压过程中不难解决低负荷时汽水两相分配不均的问题。同时它能在低负荷时维持足够的质量流速，因此它能毫无困难地采用变压运行方式。1

但采用螺旋管圈水冷壁有以下缺点：①螺旋管圈的承重能力弱，需要附加的炉室悬吊系统；②制造成本高。螺旋冷灰斗、燃烧器水冷套以及螺旋管至垂直管屏的过渡区等部组件结构复杂，制造困难；③炉膛四角上需要进行大量单弯头焊接对口，安装难度大；④管子长度大，阻力较大，增加了给水泵的功耗。1

螺旋管圈水冷壁分类螺旋管圈水冷壁按冷灰斗的管圈型式以及垂直管屏与螺旋管圈的过渡形式可分为两类：垂直管圈冷灰斗加分叉管过渡的型式和螺旋冷灰斗加中间混和集箱过渡的型式。经常采用的是后一种组合型式。因为螺旋冷灰斗的吸热偏差小，在水冷壁进口不装配节流圈的情况下也能保证很小的工质出口温差，中间混合集箱过渡又能在低负荷时获得均匀的汽水两相分配，而且结构上下部螺旋管圈和上部垂直管屏的转换根数之比没有限制。图2为采用这种组合的DGl900/25．4-Ⅱ1型锅炉的水冷壁总体图布置。1

冷灰斗螺旋水冷壁的结构如图3所示。过渡段水冷壁的结构如图4所示。螺旋盘绕水冷壁前墙、两侧墙出口管全部抽出炉外，后墙出口管则是4抽1根(或3抽1根)管子直接上升成为垂直水冷壁后墙凝渣管，另3根抽出到炉外，抽出炉外的所有管子均进入螺旋盘绕水冷壁出口集箱，由连接管从螺旋盘绕水冷壁出口集箱引入位于锅炉左右两侧的两个混合集箱混合后，再通过连接管从混合集箱引入到垂直水冷壁进口集箱，然后由垂直水冷壁进口集箱引出光管形成垂直水冷壁管屏，垂直光管与螺旋管的管数比为3：1。这种结构的过渡段水冷壁可以把螺旋盘绕水冷壁的荷载平稳地传递到上部水冷壁。

本词条内容贡献者为:

郑国忠 - 副教授 - 华北电力大学