直流鍋爐與螺旋管圈水冷壁

　0前言在中國火力發電廠中，采用直流鍋爐的比重并不多，約95%以上的電站鍋爐是傳統的汽包鍋爐，因此廣大用戶對直流鍋爐的優缺點并不十分了解，甚至不愿采用直流鍋爐。在國外發達的工業國家中，采用直流鍋爐的比重要大得多，有些國家甚至主要采用直流鍋爐，尤其是發展超臨界機組，就必須采用直流鍋爐。我國將在“十五”期間發展超臨界機組，改變目前火力發電效率低、煤耗大的不良狀況，因此對直流鍋爐的進一步了解就具有現實而又重要的意義。直流鍋爐與汽包鍋爐相比，主要區別在于水冷壁的循環原理與它的結構各不相同，因此要了解直流爐，對其水冷壁的進一步了解就更為重要，本文著重介紹直流鍋爐的優點和在超臨界機組中用得較多的螺旋管圈水冷壁。

　　1直流鍋爐直流鍋爐的發展歷史幾乎與汽包鍋爐一樣悠久，并被廣泛應用于火力發電廠。在歐洲、北美、日本和前蘇聯等工業發達國彖，采用直流鍋爐的比重可能還大于汽包鍋爐，究其原因，主要是：直流鍋爐可適用包括超臨界在內的任何壓力等級，直流鍋爐更適合于大容量機組特別是600MW以上的機組，直流鍋爐金屬重量輕，受壓件總重量比同容量的汽包爐輕10%~20%，直流鍋爐的運行靈活性優于汽包鍋爐，它啟停快，變負荷速率比較高。對于今后改善我國電站鍋爐品位來說，直流鍋爐的這些優點無疑是具有吸引力的，特別是超臨界機組，必然地要采用直流鍋爐。

　　~1980年代自行開發和生產了一批直流鍋爐，其容量等級為50MW、125MW和300MW，總計25臺總容量為6600MW.但是，這批直流鍋爐在技術上不太成熟，可靠性差，因此從1980年代后期就不再生產。由于技術上的原因，國內用戶對直流鍋爐并不看好，使得在電力事業突飛猛進的1990年代，不再采用國產直流鍋爐，并且也很少進口直流鍋爐，因而大量采用汽包鍋爐。

　　從國外的資料來看，只要設計合理和先進，根本不存在直流鍋爐可靠性差的問題，相反，直流鍋爐調峰能力強，更適用于變壓運行等，這些優點很是突出。據報導，即使是超臨界直流鍋爐，其可用率都在90%以上，'不低于汽包鍋爐。

　　在過去，國內對直流鍋爐還有另外一些擔心，認為直流爐運行操作復雜，對自控和水處理要求高。其實，對現有技術水平而言，這幾點問題已不是什么難點，凡是使用過直流鍋爐的一些電廠，認為只要設備可靠，運行方面是沒有什么困難的。

　　2直流鍋爐水冷壁直流鍋爐與汽包鍋爐相比較，最大區別在爐膛水冷壁方面。直流鍋爐水冷壁的循環倍率通常只有1或小于1（當過熱器減溫水量較大時），因此流經水冷壁的循環流量遠低于汽包鍋爐，大約只有自然循環鍋爐的1/4，控制循環鍋爐的1/2.這個特點決定了直流鍋爐水冷壁需要采用較小的管徑和特殊的管圈型式，例如采用螺旋管圈或小直徑垂直管圈等等，以便確保管內有足夠高的質量流速，保證冷卻管壁，使其不超溫。直流鍋爐沒有汽包，這意味著必須采用強制循環。另外，由于在水冷壁蒸發系統與過熱器系統之間沒有分界點，其蒸發結束點是隨著不同的負荷移動的，并且也可通過不同的煤/水比進行調節，因此其出口汽溫也就容易達到。

　　直流鍋爐水冷系統的這些特點，有的是優點，而有些是缺點，但只要把這些優缺點矛盾處理好了，就可以設計出一臺質量優良、可靠性很高的直流鍋爐，其中水冷壁系統的水動力計算、傳熱和壁溫計算、以及對具體結構上的諸多考慮是最為關鍵的因素。

　　直流鍋爐水冷壁的結構型式有許多種，但目前廣為流行的主要有以下3種多次垂直上升型。

　　對于當代作變壓運行的超臨界機組，采用螺旋管圈占多數，本文也就重點介紹這種水冷壁。

　　3螺旋管圈水冷壁據統計，我國采用過螺旋管圈的電廠已有9個，其中300MW機組有11臺，500MW機組2臺，600MW機組3臺，900MW機組2臺（在建）。

　　螺旋管圈水冷壁結構如所示。爐水從冷灰斗底部水冷壁入口聯箱進人，通過數百根平列管作一定傾斜角a的螺旋型盤繞上升至爐膛中上部，進入中間混合集箱，然后再次進入爐膛上部垂直管組，上升至爐頂出口集箱為止。

　　采用螺旋管圈的優點主要是3條：可以采用合適的管徑和壁厚，滿足較高的質量流速（例如600MW超臨界鍋爐、BMCR工況質量流速高達2800kg/m2.s），從而確保水冷壁的安全冷卻；對爐膛燃燒或局部結渣引起的熱負荷偏差不太敏感，從而使水冷壁出口溫差大大減小（相對于一次垂直上升管圈而言）；可以容易地滿足變壓運行要求，因為它不存在雙相流體分配的嚴重問題，并且在壓力較低時水動力也還十分穩定，傳熱也相當可靠。

　　以上3條優點對于提高直流鍋爐水冷壁的安全性及對負荷的適應性是十分重要的，因此，在此基礎上設計的水冷壁可以放心地使用于超臨界或亞臨界機組，特別是變壓運行機組。

　　設計螺旋管圈水冷壁，需要進行性能計算和結構設計，現分述如下：（1）性能計算。為了使水冷壁安全可靠。下列性能計算必須進行：A計算和選取BMCR工況時的質量流速（pw）max和最低直流運行工況時的質量流速min，這是決定水冷壁運行質量的關鍵；B決定水冷壁進出口參數，保證在變壓運行時在任何工況下水冷壁都運行在安全區；C計算在最大負荷時的最高壁溫，和校核在亞臨界壓力下的有無膜態沸騰（DNB），保證不出現傳熱惡化，并保留足夠安全裕度；D計算水冷壁的熱偏差，防止產生過大溫對于這些關鍵性的性能計算，上海鍋爐廠有限公司與科研院所已進行了很長時間的合作研究，并通過600MW超臨界機組的引進和對300MW亞臨界直流鍋爐的技術改造，獲得了許多有益的資料，熟悉了有關的設計技術。

　　（2）結構設計。螺旋管圈的結構設計包括下列關鍵因素的決定：A選擇合適的管徑ci和節距S.當今超臨界螺旋水冷壁的管徑大多選擇d=38mm，節距S=52 B計算螺旋管圈上升傾角。通常在10°~25°之間選擇，爐子噸位越大，角度也越大；C根據爐膛周長和篼度計算螺旋盤繞圈數N.通常N=1.5 ~2.5圈，爐子容量越大，圈數越少；D決定螺旋管平列根數對600MW機組約360根左右；E決定螺旋管根數叫與上部垂直管組根數n2之間的比值P，通常取= F對螺旋水冷壁的支吊裝置進行應力分析。

　　因為螺旋水冷壁自身承受垂直荷載的能力很差，因此必須采用垂直吊帶將荷重傳遞至上垂直管圈。這種支吊方式需要進行特殊的應力分析，防止產生局部熱應力過大。表示支吊裝置。

　　4螺旋管圈制造上海鍋爐廠有限公司已設計和制造過螺旋管圈水冷壁，例如石洞口電廠300MW機組鍋爐改造采用螺旋管圈，上海鍋爐廠有限公司已設計和制造了2臺，最近又在為外高橋發電廠二期工程900MW超臨界機組2785t/h鍋爐設計和制造螺旋水冷壁。通過實踐，我們認為生產這種水冷壁并不太困難，如果技術熟練了，就不成為什么困難，只是比垂直管圈更復雜一些而已。

　　制造螺旋管圈的難點主要在以下3個方面：。

　　（1）燃燒器水冷套。配四角布置燃燒器的特點是燃燒器比較篼大，300MW鍋爐約8m，600MW鍋爐達12m，而水冷壁基本上是水平方向的，因此要繞過篼大的燃燒器就很困難，其水冷套結構比較復雜，是我廠為300MW鍋爐生產的水冷套，是即將為900MW鍋爐生產的水冷套。從圖中可以看出，水冷套的設計可以有2種方法，所示為采用小彎頭接直管的方法，焊口較多，但管子不需小i彎制，所示為采用管子直接彎制小i彎頭，彎管工藝復雜，精度要求篼，但減少了大量焊口，有利于質量。

　　（2）過渡段。螺旋水冷壁出口與上部垂直管之間的連接件稱為過渡段，這里包括大量的內孔小i鍛件及管子的引進引出，表示過渡段的結構形式。過渡段的結構比較復雜，需要精細組合，控制外形尺寸，并防止焊接變形。部件制造后需要相互拼裝，以消除超標誤差。

　　過渡段結構圖冷灰斗。帶螺旋管圈的冷灰斗設計和制造都較復雜，因為冷灰斗是立體的，四面墻結構又不同，因此管子的排列與節距都有變化。是冷灰斗管圈形式。

　　螺旋管圈轉角彎頭。有的用戶要求螺旋管圈在爐膛轉角區采用帶彎頭的結構，以便減少工地上的安裝焊口，為此需要對膜式水冷壁作有立體角的成排彎管，這種彎管工藝需要專用工裝設備，而且螺旋傾角越大，彎制也越困難。表示成排彎后的管排形式對于工地安裝來說，成排彎管組帶轉角彎頭的水冷壁雖然減少了焊口數量，但工地組裝時，對口比較困難，不如不帶彎頭的方便。

　　5螺旋管圈安裝螺旋管圈水冷壁的安裝比垂直管圈復雜，但掌握了經驗之后也并不太難。螺旋管圈安裝的復雜性主要表現在下面3個方面：（1）工地對接焊口比較多，因為在爐膛轉（上接第4頁）角處每根管需要有1 ~2個焊口，在燃燒器水冷套部位也有較多安裝焊口。與垂直管圈水冷壁相比，工地焊口數約加30%-50%；（2）水冷壁安裝過程需要嚴格控制過程誤差，防止最終誤差積累過大。螺旋水冷壁的安裝是一個立體的概念，因此上下左右誤差都應在安裝過程中加以控制，否則安裝到最后環節時可能因積累誤差過大而難于正確就位；（3）螺旋水冷壁的剛性梁及支吊板的安裝要正確，防止因過分強力裝配而使支吊板受力不均勻。

　　由于螺旋管圈的安裝要求比較高，所以要求制造廠制造時尺寸正確，作必要的拼裝試驗，消除超標誤差。工地安裝時應進行分段組裝成圈，從上至下分幾段吊裝，如所示。根據安裝單位反映，只要制造精確，精心安裝，螺旋管圈的安裝也并不困難。