直流鍋爐水冷壁

螺旋管圈水冷壁主要有以下優(yōu)點：①能根據(jù)需要獲得足夠的質(zhì)量流速，保證水冷壁的安全運行；②管間吸熱偏差小，特別是對于容量比較小的鍋爐，并列管子根數(shù)少，同時由于沿爐膛高度方向的熱負(fù)荷變化平緩，因而熱偏差小，螺旋管在盤旋上升的過程中，管子繞過爐膛整個周界，既途經(jīng)寬度上熱負(fù)荷大的區(qū)域又途經(jīng)熱負(fù)荷小的區(qū)域，因此就螺旋管的各管，以整個長度而言吸熱偏差很小。據(jù)有關(guān)資料介紹，當(dāng)螺旋管盤繞圈數(shù)為1.5～2.0圈時，其吸熱偏差不會超過0.5%(冷灰斗也采用螺旋管圈)；③抗燃燒干擾的能力強。據(jù)有關(guān)資料介紹，在前墻的吸熱量增加15%，右側(cè)墻保持不變，而后墻的吸熱量減少10%，左側(cè)墻亦減少5%時，螺旋管圈的吸熱偏差仍不會超過1%，其出口溫度偏差在15℃之內(nèi)。而如果換了垂直管圈，管問的吸熱量偏差就會毫無緩沖地落在 15%～一15%之問。如果垂直管的進口分配節(jié)流圈是按65%的熱負(fù)荷整定的話，那么40%負(fù)荷時出口管間溫差將達到160℃，這是不能接受的；④可以不設(shè)置水冷壁進口的分配節(jié)流圈。垂直管圈為了減少熱偏差，在水冷壁進口要按照沿寬度上的熱負(fù)荷分布曲線設(shè)計配置流量分配節(jié)流圈。這種節(jié)流圈一方面增加了水冷壁的阻力，另一方面針對某一鍋爐負(fù)荷設(shè)置的節(jié)流圈，在鍋爐負(fù)荷變化時部分地失去作用，給水冷壁的設(shè)計帶來很大復(fù)雜性。冷灰斗也采用螺旋的螺旋管圈，吸熱偏差很小，可以取消進口分配節(jié)流圈。因此它的阻力有時竟會低于垂直管圈；⑤適應(yīng)于鍋爐變壓運行的要求。螺旋管圈在變壓過程中不難解決低負(fù)荷時汽水兩相分配不均的問題。同時它能在低負(fù)荷時維持足夠的質(zhì)量流速，因此它能毫無困難地采用變壓運行方式。

但采用螺旋管圈水冷壁有以下缺點：①螺旋管圈的承重能力弱，需要附加的爐室懸吊系統(tǒng)；②制造成本高。螺旋冷灰斗、燃燒器水冷套以及螺旋管至垂直管屏的過渡區(qū)等部組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難；③爐膛四角上需要進行大量單彎頭焊接對口，安裝難度大；④管子長度大，阻力較大，增加了給水泵的功耗。

螺旋管圈水冷壁按冷灰斗的管圈型式以及垂直管屏與螺旋管圈的過渡形式可分為兩類：垂直管圈冷灰斗加分叉管過渡的型式和螺旋冷灰斗加中間混和集箱過渡的型式。經(jīng)常采用的是后一種組合型式。因為螺旋冷灰斗的吸熱偏差小，在水冷壁進口不裝配節(jié)流圈的情況下也能保證很小的工質(zhì)出口溫差，中間混合集箱過渡又能在低負(fù)荷時獲得均勻的汽水兩相分配，而且結(jié)構(gòu)上下部螺旋管圈和上部垂直管屏的轉(zhuǎn)換根數(shù)之比沒有限制。圖2為采用這種組合的DGl900/25．4-Ⅱ1型鍋爐的水冷壁總體圖布置。

冷灰斗螺旋水冷壁的結(jié)構(gòu)如圖3所示。過渡段水冷壁的結(jié)構(gòu)如圖4所示。螺旋盤繞水冷壁前墻、兩側(cè)墻出口管全部抽出爐外，后墻出口管則是4抽1根(或3抽1根)管子直接上升成為垂直水冷壁后墻凝渣管，另3根抽出到爐外，抽出爐外的所有管子均進入螺旋盤繞水冷壁出口集箱，由連接管從螺旋盤繞水冷壁出口集箱引入位于鍋爐左右兩側(cè)的兩個混合集箱混合后，再通過連接管從混合集箱引入到垂直水冷壁進口集箱，然后由垂直水冷壁進口集箱引出光管形成垂直水冷壁管屏，垂直光管與螺旋管的管數(shù)比為3：1。這種結(jié)構(gòu)的過渡段水冷壁可以把螺旋盤繞水冷壁的荷載平穩(wěn)地傳遞到上部水冷壁。2100433B

直流鍋爐的水冷壁中的工質(zhì)是靠水泵壓頭作強制流動，不像自然循環(huán)鍋爐那樣總是布置成垂直上升管屏，而可以較自由地布置成各種型式，圖1所示為幾種基本型式。(a)水平環(huán)繞上升式；(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。

水平環(huán)繞上升式水冷壁(或稱螺旋管圈水冷壁)對爐膛四周吸熱不均性不很敏感，允許工質(zhì)焓增大(達1200 kJ/kg)。因無中間集箱，金屬耗量小些。但是，在安裝工地裝配的焊口多，安裝周期長。這種型式的水冷壁在超臨界壓力和亞臨界壓力情況下均可應(yīng)用。水平曲折上升式水冷壁(圖1(g))對爐膛各面墻寬度的吸熱不均勻性也不敏感，易于組裝，但制造稍為復(fù)雜，阻力比前一種型式大。有許多彎頭，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組裝，但不易疏水。因彎頭多，做膜式壁較麻煩。它們對沿寬度的吸熱不均性比較敏感。

多次上升式水冷壁(圖1(c))易于組裝，易做成膜式水冷壁，易疏水，工質(zhì)一次上升之后有混合，但因有較多的集箱和不受熱的下降管，金屬耗量較大。為了保證鍋爐水冷壁的安全，要求水冷壁在任何工況條件下管壁溫度都不能超溫，并且管子之間(特別是相鄰管子之間)的管壁溫度相差不能太大，以避免產(chǎn)生太大的熱應(yīng)力而造成破壞。

對垂直布置的水冷壁管而言，爐膛周界長度、管子直徑、管間節(jié)距決定了它的質(zhì)量流速的大小。而管子直徑和節(jié)距的選擇都有一定的限制，例如管子的直徑過細(xì)會造成水冷壁管熱敏感性高，管子內(nèi)壁上的結(jié)垢和熱負(fù)荷的變化，使某些管子產(chǎn)生過大的管間流量偏差而使管子超溫。因此管子內(nèi)徑的選擇不宜過小。同時為了防止管間鰭片過熱燒損，管間節(jié)距不能太寬，一般以鰭端溫度與管子正面頂點溫度相等作為鰭片寬度選擇的原則。這樣一來，在一定的爐膛周界情況下，如果直流鍋爐采用垂直布置的水冷壁管，管子直徑不能過細(xì)，其管子根數(shù)基本固定，而為了保證水冷壁管子的安全，必須保證一定的工質(zhì)流量，所以垂直管圈的質(zhì)量流速大小是受到嚴(yán)格限制的。

爐膛周界尺寸的增加與鍋爐容量的增加是不成正比例的。容量較小的直流鍋爐水冷壁往往單位容量爐膛周界尺寸過大，水冷壁管子內(nèi)難以保證足夠的質(zhì)量流速。300 MW容量的鍋爐水冷壁不能設(shè)計成一次垂直上升型管圈；600 MW容量的鍋爐在負(fù)荷低于60%左右時質(zhì)量流速也顯得不足(這里指的是采用較粗的管子且無多次上升垂直管圈，即采用UP型一次上升水冷壁結(jié)構(gòu))。根據(jù)國外經(jīng)驗，燃煤鍋爐水冷壁設(shè)計成一次上升垂直水冷壁管圈的極限容量最小應(yīng)該在為700 MW以上。

解決爐膛周界和質(zhì)量流速之間矛盾的方法一般有如下幾種：采用小管徑和多次混合的水冷壁(如上鍋300 MW的UP型鍋爐，采用內(nèi)徑11 mm的管子)；水冷壁采用工質(zhì)再循環(huán)(低倍率和復(fù)合循環(huán)鍋爐)；采用多次上升管圈型水冷壁(FW型鍋爐)；采用螺旋管圈型水冷壁。得到廣泛采用的是螺旋管圈水冷壁。例如，國產(chǎn)600 MW超臨界壓力直流鍋爐采用的就是螺旋管圈水冷壁。

螺旋管圈的一大特點就是能夠在爐膛周界尺寸一定的條件下，通過改變螺旋升角來調(diào)整平行管的數(shù)量，保征容量較小的鍋爐并列管束數(shù)量較小，從而獲得足夠的工質(zhì)質(zhì)量流速，使管壁得到足夠的冷卻。消除傳熱惡化對水冷壁管子安全的威脅。這樣水冷壁的設(shè)計就可避免采用熱敏感性太大的直徑過細(xì)的管子。

設(shè)計螺旋管圈水冷壁的另一個要素就是螺旋管圈盤繞的圈數(shù)。這與螺旋角和爐膛高度有關(guān)。圈數(shù)太少會部分喪失螺旋管圈在減少吸熱偏差方面的效益；圈數(shù)太多會增加水冷壁的阻力從而增加水泵功耗，而且在減少吸熱偏差的效益方面增益不大，合理的盤繞圈數(shù)的推薦值是1.5～2.5圈左右。

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(fēng)，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(fù)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(fēng)，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