水冷壁

鍋爐運行中必須經(jīng)常注意防止水冷壁管外積灰、結(jié)渣或管內(nèi)結(jié)垢，否則會影響傳熱效果， 嚴重時還可能發(fā)生爆管事故。 2100433B

全稱“水冷壁管”，舊稱 “水冷墻”，亦稱“上升管”。通常垂直鋪設(shè)在爐墻內(nèi)壁面上，主要用來吸收爐內(nèi)火焰和高溫煙氣所放出輻射熱的鍋爐受熱面。是各種現(xiàn)代鍋爐蒸發(fā)受熱面的主要型式，亦為鍋爐水循環(huán)回路中的基本部件。因兼有冷卻和保護爐墻的作用，故名。

水冷壁最初設(shè)計時，目的并不是受熱，而是為了冷卻爐膛使之不受高溫破壞。后來，由于其良好的熱交換功能，逐漸取代汽包成為鍋爐主要受熱部分。敷設(shè)在鍋爐爐膛內(nèi)壁、由許多并聯(lián)管子組成的蒸發(fā)受熱面。水冷壁的作用是吸收爐膛中高溫火焰或煙氣的輻射熱量,在管內(nèi)產(chǎn)生蒸汽或熱水，并降低爐墻溫度，保護爐墻。在大容量鍋爐中，爐內(nèi)火焰溫度很高，熱輻射的強度很大。鍋爐中有40～50%甚至更多的熱量由水冷壁所吸收。除少數(shù)小容量鍋爐外，現(xiàn)代的水管鍋爐均以水冷壁作為鍋爐中最主要的蒸發(fā)受熱面。

按結(jié)構(gòu)型式，主要有光管式、膜式和刺管式三類。光管水冷壁由一整排無縫鋼管組成，結(jié)構(gòu)最為簡單；膜式水冷壁是把許多軋制好的水冷壁鰭片管用點焊互相焊接在一起，使成為一密封的組合受熱面，既可提高爐膛的氣密性、減少漏風，又能更好地保護爐墻，使爐墻重量減輕、結(jié)構(gòu)簡化；刺管水冷壁是在水冷壁管上焊接許多長20～25mm，直徑6～12mm的銷釘，然后敷上鉻礦砂耐火塑料， 以減少水冷壁該部位的吸熱量，提高燃燒區(qū)溫度，適用于燃料著火特別困難的場合或某些液態(tài)排渣爐。按布置部位，有附墻式和隔墻式（即雙面受熱）水冷壁兩種。前者大多部分地嵌入爐墻內(nèi)壁面，單面吸熱；后者多半裝在大型鍋爐爐膛的中間，將整個爐膛分隔成彼此獨立的兩部分，雙面受熱。

水冷壁光管式水冷壁

光管水冷壁由一般鍋爐鋼管組成。廣泛用于中小容量鍋爐。水冷壁布置緊密程度以管間距s與管子外徑d之比（s/d）來衡量。鍋爐容量小，s/d大（1.5～2），金屬利用率高，對爐墻保護性能差，往往采用耐火磚砌重型爐墻。隨鍋爐容量增大，s/d變?。?.1～1.2），金屬利用率低，可采用輕型爐墻。當s/d<1.1時，可以采用敷管爐墻。光管水冷壁制造工藝簡單，不需要大型機械化設(shè)備，但鍋爐密封性差，爐墻結(jié)構(gòu)復雜且施工困難，支吊結(jié)構(gòu)也較復雜，安裝時還需充分注意熱膨脹問題。

水冷壁膜式水冷壁

膜式水冷壁由管子和鰭片焊成的氣密式結(jié)構(gòu)。優(yōu)點為爐膛漏風少；可采用敷管爐墻，減輕鋼結(jié)構(gòu)荷載，降低鍋爐成本;便于采用懸吊結(jié)構(gòu)且改善熱膨脹系統(tǒng);適合大型機械化生產(chǎn)，組裝率高;蓄熱能力小，縮短起、停爐時間。缺點是制造工藝較復雜。大容量、高溫高壓鍋爐多采用膜式水冷壁。

按制造工藝的不同，膜式水冷壁分為三種（見圖1）：①用軋制的鰭片管成排焊制而成，焊接工作量少，但鰭片管價格昂貴。②光管加鰭片（扁鋼）成排焊成，材料成本低，易滿足多種節(jié)距的要求，但扁鋼精度要求高，需要精整設(shè)備。③光管燒熔焊，管間鰭片由焊絲熔化填充形成，多用于管間節(jié)距較小的管屏。膜式水冷壁的管間節(jié)距與鍋爐壓力、爐膛熱負荷等因素有關(guān)，一般s/d為1.2～1.5。

材質(zhì)和管徑對于中、高壓及超高壓鍋爐，在正常水循環(huán)工況下，管壁能受到良好冷卻，可選用碳鋼管。對于亞臨界及超臨界壓力鍋爐，由于可能出現(xiàn)傳熱惡化，且介質(zhì)溫度高（特別是達到超臨界參數(shù)時），往往需要采用內(nèi)螺紋管（管內(nèi)壁上有多頭螺旋形槽道，圖2示出較典型的結(jié)構(gòu)）或Cr-Mo合金鋼管，對于膜式水冷壁還應(yīng)校核鰭片最高溫度及鰭片應(yīng)力。自然循環(huán)鍋爐水冷壁管外徑一般為42～76 mm，亞臨界壓力控制循環(huán)鍋爐為42～51 mm，直流鍋爐為22～42 mm。

膜式水冷壁的優(yōu)點

(1)保證爐墻密封性，減少燃燒室漏風。

(2)實現(xiàn)燃燒室全水冷，在強化燃燒的情況下有利于防止結(jié)焦。

(3)蓄熱能力小，燃燒室升溫快，冷卻也快，可縮短鍋爐啟動和停爐冷卻時間。

(4)適宜采用敷管爐墻，從而大大減輕了鍋爐構(gòu)架負荷，便于懸吊。

(5)與光管相比，提高了管子的吸熱能力。

(6)提高了鍋爐部件的預(yù)組合程度，方便并減少了安裝工作量。

水冷壁銷釘式水冷壁

又稱刺管式水冷壁。它是按照要求在光管表面焊上一定長度的圓鋼，利用銷釘可以牢固地在水冷壁上敷設(shè)耐火涂料，用以構(gòu)成衛(wèi)燃帶、液態(tài)排渣爐渣池及熔渣段，以及旋風爐的旋風筒。內(nèi)螺紋管水冷壁是在管子內(nèi)壁開出單頭或多頭螺旋形槽道的管子。內(nèi)螺紋管用于直流鍋爐、亞臨界參數(shù)強制循環(huán)鍋爐用自然循環(huán)鍋爐爐膛的高熱負荷區(qū)或汽化率高的水冷壁管段。工質(zhì)在內(nèi)螺紋管內(nèi)流動時，發(fā)生強烈擾動，使汽水混合物中的水壓向管壁，并迫使汽泡脫離壁面被水帶走，從而破壞汽膜的形成，防止出現(xiàn)沸騰換熱惡化，使水冷壁管壁溫度下降。

雙面曝光水冷壁指沿爐高布置在爐膛空間能雙面吸收輻射熱的水冷壁。多用在大容量鍋爐上。水冷壁材料一般用碳素鋼。鍋爐壓力在14兆帕以上時也有部分用合金鋼的。管子外徑：自然循環(huán)鍋爐一般用51～83毫米；多次強制循環(huán)鍋爐和直流鍋爐一般用22～60毫米。直流鍋爐的水冷壁不像自然循環(huán)鍋爐那樣一定是直立式的，也可以是水平圍繞或其他形式的。參數(shù)高時，尤其在直流鍋爐中，為了在爐膛高熱負荷區(qū)防止傳熱惡化,常采用內(nèi)螺紋管或在管內(nèi)裝設(shè)擾流子。

膜式水冷壁有兩種型式，一種是光管之間焊扁鋼形成膜式水冷壁；另一種是由軋制成形的鰭片管焊成。膜式水冷壁對爐墻的保護最好，爐墻的重量、厚度大為減少。因為膜式水冷壁的爐墻只需要保溫材料，不用耐火材料，因而可采用輕型爐墻。同時，水冷壁的金屬耗量增加不多。此外，膜式水冷壁的氣密性好，大大減少了爐膛漏風，甚至也可采用微正壓燃燒，提高鍋爐熱效率。由于蓄熱能力小，爐膛燃燒室升溫快，冷卻亦快，可縮短啟動和停爐時間。廠內(nèi)預(yù)先組裝好才出廠，可縮短安裝周期，保證質(zhì)量。膜式水冷壁的缺點主要是制造工藝較復雜，設(shè)計時必須考慮到它的一些特點。如不允許兩相鄰管子的金屬溫度差超過50℃(這個要求對自然循環(huán)鍋爐是容易做到的)，因要把水冷壁系統(tǒng)制成整體焊接的懸吊框式結(jié)構(gòu)，設(shè)計膜式水冷壁時必須保證有足夠的膨脹延伸自由，還應(yīng)保證人孔、檢查孔、看火孔以及管子橫穿水冷壁等處有良好的密封性。水冷壁管穿過爐墻的部分要留出膨脹間隙。為了防止漏風，間隙內(nèi)填充石棉繩。對于敷管爐墻，爐墻貼附在膜式水冷壁管外面形成一個整體，穿墻部分可不留間隙。膜式水冷壁由于具有顯著的優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。大型鍋爐幾乎全部采用的是膜式水冷壁。 2100433B

水冷壁主要有兩類，即光管式水冷壁和膜式水冷壁，如圖1《水冷壁管的型式》（1-管子；2-耐火層；3-絕熱層；4-護板；5-扁鋼；6-鰭片管；7-特制銷釘；8-耐火水泥；9-耐火材料）所示。其中(a)光管；(b)鰭片管焊成的膜式水冷壁；(c)用扁鋼焊成的膜式水冷壁；(d)涂有耐火水泥的銷釘管水冷壁；(e)涂有耐火水泥的銷釘管膜式水冷壁。

光管式水冷壁就是通過鍋筒及集箱連接起來的一排布置在爐墻內(nèi)側(cè)的光管受熱面；膜式水冷壁就是各光管之間用鰭片或扁鋼焊接成的一組管屏。光管水冷壁是由普通的無縫鋼管彎制而成，一般是貼近燃燒室爐墻內(nèi)壁、互相平行地垂直布置，上端與鍋筒或上集箱連接，下端與下集箱連接。

水冷壁管布置的緊密程度用管子的相對節(jié)距來表示。管子的節(jié)距s與外徑d之比(即s/d)稱為相對節(jié)距。相對節(jié)距不同，說明水冷壁的吸熱量和對爐墻的保護程度不同。若d不變，相對節(jié)距減小，說明s減小，管子排列緊密，即在同樣大小的爐膛內(nèi)布置水冷壁管多，水冷壁的吸熱量大，爐墻的安全性增強，但火焰照射到爐墻上的輻射熱量減少，爐墻對管子的反射熱量少，管子金屬的利用率低；相反，相對節(jié)距增大，水冷壁管的總的吸熱量減小，對爐墻的保護作用差．但管子的利用率較高。

在一定的s/d下，水冷壁管中心線至爐墻內(nèi)表面的距離e與管子外徑的比值(即e/d)對水冷壁的吸熱量及爐墻的保護作用也有影響，若e/d的數(shù)值大，則爐墻接受火焰的輻射熱多。若d不變，說明管子與爐墻之間的距離增加，爐墻內(nèi)表面對管子的輻射作用增強，因而水冷壁管的吸熱量也較多。但這時爐墻溫度升高，爐墻上容易結(jié)渣，焊在水冷壁管背面起固定作用的拉桿也容易燒壞。

現(xiàn)代鍋爐為了減輕爐墻重量，常將水冷壁的一半埋在爐墻中(e=0)，這種爐墻稱為敷管式爐墻。這種爐墻的主要優(yōu)點是爐墻溫度較低，爐墻可以減薄，使安裝方便、節(jié)省材料，能夠減輕鍋爐的重量。自然循環(huán)鍋爐常用的水冷壁管外徑有60、76、83 mm等，壁厚為3.5～6mm。管徑越小，遮蓋同樣面積的爐墻所消耗的金屬越少。

光管式水冷壁具有制造、安裝簡單等優(yōu)點。但它的缺點是保護爐墻的作用小，爐膛漏風嚴重。由于焊接工藝的限制，以前普遍采用光管式水冷壁?，F(xiàn)代小型鍋爐受制造成本的限制時，有時也采用光管式水冷壁。

爐膛水冷壁就是布置在爐膛四周的、管內(nèi)流動介質(zhì)一般為水或汽水兩相混合物的受熱面。若鍋爐為蒸汽鍋爐，水冷壁主要為蒸發(fā)受熱面；若鍋爐為熱水鍋爐或超臨界壓力鍋爐．則水冷壁主要為加熱受熱面。

在自然循環(huán)鍋爐爐膛內(nèi)，如果管內(nèi)工質(zhì)向上流動，水冷壁也稱上升管。水冷壁的基本作用為：①吸收爐膛內(nèi)火焰的熱量。由于爐內(nèi)火焰溫度較高，且煙速很低，因此這種吸熱主要通過輻射方式來進行，在爐膛出口處將煙氣的溫度冷卻到足夠低的程度。②保護爐墻。由于水冷壁的存在，使得火焰只能部分或完全不接觸爐墻，從而起到保護作用。除此之外，水冷壁還能起到懸吊爐墻、防止爐壁結(jié)渣等作用。