超临界压力锅炉水冷壁管屏的优化措施

锅炉的初参数进入超临界时代，对于水工质变化的物理特性来说，直流锅炉水循环形式是唯一的选项。直流锅炉水工质的流动完全依靠锅炉给水泵的压力能。工质在水泵的驱动下克服锅炉各级受热面的流动阻力。锅炉炉膛的水冷壁管内的工质均为强制流动。

3.2.3.1　简述

超临界锅炉的参数高、容量大，其水冷壁内工质的压力、温度相应提高，外壁热流密度增加，水冷壁管内的水容积为满足安全质量流速的要求而减少；再则由于大容量锅炉水冷壁同时承载着自重和附加载荷，随炉膛断面和高度增大管子的线长比增大，刚度减小，温差增大，工作条件日趋苛刻。显然，这对水冷壁安全性提出了很高的要求。

直流锅炉汽水循环流动的特性与汽包锅炉的自然循环原理截然相反。其运行方式比较特殊，尤其是超临界锅炉在启动阶段，必须从亚临界压力参数过渡到超临界压力的运行工况。锅炉的滑参数运行方式使各受热面内工质的流动复杂化。不同水冷壁管圈的布置结构形式、工质回路行程的差异、所出现的水动力问题不尽相同，锅炉设计中必须谨慎妥善地处理。

直流锅炉水冷壁形式大致分为垂直上升管屏和螺旋上升管屏两种。而早期直流炉用的水冷壁结构，如二回程或三回程上升下降的垂直管屏、左右水平迂回上升的（Sulzer）管屏极少被大容量机组锅炉采用。

3.2.3.2　垂直上升管屏水冷壁

垂直上升管屏又分为一次垂直上升管屏和二次（或多次）垂直上升管屏。

1）一次垂直上升管屏

在结构设计上，一次垂直上升管屏采用较小管径的厚壁钢管，所有水管并联，从炉底部向炉膛上部一次上升。在垂直水管上升过程中工质由管屏间的集箱进行二次混合，以减小管内工质温差。系统流程如下：一定量的欠焓水进入管屏，经过炉内吸热，管屏出口处工质接近干饱和状态，甚至达到微过热。其设计优点如下：①水动力稳定，重力压头改善了管内工质的水动力特性；②管屏支架结构架简单，制造方便、金属耗量少。

然而，在设计机组容量不太大的锅炉时存在突出的问题，那就是水冷壁内工质的质量流速受到运行工况的限制。首先，由于炉内燃烧条件的需要，炉膛横截面周界尺寸往往过大，且炉膛周界尺寸的增加与锅炉容量的增加不成正比，致使水冷壁内工质难以达到安全的流速。其次，在矩形或方形的炉膛内热负荷分布极不均匀，随机性的炉内燃烧扰动工况容易造成每根管子吸热量的差异；过大的管屏热偏差又导致管内工质的比热焓及温度的过大偏差，甚至管壁过热超温，危及设备安全运行。

显然，这种管屏的优点极适用于单机容量大的锅炉。据分析，燃煤锅炉水冷壁设计的一次上升垂直水冷壁管圈适宜大于700 MW等级的容量。(www.xing528.com)

为了改善垂直上升水冷壁的工作特性，提高管壁内的传热系数，减少热力偏差和水力偏差，往往采用两种设计方法。一种是内螺纹管，可增强管壁内固液界面的传热；另一种是在管子入口端加装节流圈，调整管内的工质流量，使之适应炉内热负荷的变化。也有设计者着眼于水冷壁的“直立度”，提高水动力的补偿性能，减缓热效流量的危害。

2）二次（或多次）垂直上升管屏

针对炉膛水冷壁管工质安全质量流速与适应燃烧工况的炉膛周界尺寸选定的问题，结构设计中采取多种措施，例如：①水冷壁为串联的二次垂直上升管屏，两者由炉外管连接，如早期的Benson式直流炉，采用串联的多次垂直上升管屏；②在内螺纹垂直管屏的上端采用分叉管结构，控制管内质量流速在合理区间等。

3.2.3.3　螺旋形水冷壁管圈

螺旋上升水冷壁由若干并联管子以一定上升倾角围绕炉膛四周盘旋上升而组成。它可灵活地改变管间节距或管子倾角来确定水冷壁的并联管数或管径，选择合适的安全的工质质量流速，兼顾炉内燃烧和传热工况。水冷壁管径的选择有较大的自由度，一般推荐水冷壁的上升倾角为12.5°～30°［13］，回旋圈数为1.5～2.5。并联的螺旋水冷壁管相向通过炉膛四壁的各个部位，其水动力稳定性好、各管的吸热度差异很小，可认为是抵御炉内燃烧干扰的最佳水冷壁布置形式。这种管圈适合调峰机组的滑压变负荷运行和滑参数启停，具有较高的机动性和经济性。当然，它也存在单管较长、流动阻力较大且结构设计要求高，制造安装工作量大，支吊架系统复杂等问题。

在实际应用中，一些超临界压力锅炉采用两者组合方式的水冷壁，即炉膛下部为螺旋上升水冷壁，炉膛上部为一次垂直上升水冷壁。这种水冷壁兼备两者的优点。

还有的设计采用复合循环系统，也就是在蒸发系统中加装汽水分离器和再循环泵。在超临界压力工作的额定负荷和部分高负荷下，它使蒸发受热面水冷壁中的工质保持在直流流动状态。在较低负荷进入亚临界压力工况时投入再循环泵，汽水分离器充当自然循环的汽包，承担蒸发系统补水的作用，保证锅炉水冷壁在调峰负荷工况下稳定安全的质量流速，又能避免高负荷下过高的质量流速，大幅度地降低给水泵的供电能耗。

螺旋形水冷壁管圈的这些优点使得水冷壁处在热偏差最小、流量偏差最小的良好状态。因此，其水动力稳定性较高，不会产生停滞和倒流，可以不装节流圈，最适合变压运行。

螺旋水冷壁管圈的缺点是结构复杂，流动阻力大，现场安装工作量大，管圈支吊架系统复杂，设计要求较高。