直流锅炉与螺旋管圈水冷壁

直流锅炉与螺旋管圈水冷壁

　0前言在中国火力发电厂中，采用直流锅炉的比重并不多，约95%以上的电站锅炉是传统的汽包锅炉，因此广大用户对直流锅炉的优缺点并不十分了解，甚至不愿采用直流锅炉。在国外发达的工业国家中，采用直流锅炉的比重要大得多，有些国家甚至主要采用直流锅炉，尤其是发展超临界机组，就必须采用直流锅炉。我国将在“十五”期间发展超临界机组，改变目前火力发电效率低、煤耗大的不良状况，因此对直流锅炉的进一步了解就具有现实而又重要的意义。直流锅炉与汽包锅炉相比，主要区别在于水冷壁的循环原理与它的结构各不相同，因此要了解直流炉，对其水冷壁的进一步了解就更为重要，本文着重介绍直流锅炉的优点和在超临界机组中用得较多的螺旋管圈水冷壁。

　　1直流锅炉直流锅炉的发展历史几乎与汽包锅炉一样悠久，并被广泛应用于火力发电厂。在欧洲、北美、日本和前苏联等工业发达国彖，采用直流锅炉的比重可能还大于汽包锅炉，究其原因，主要是：直流锅炉可适用包括超临界在内的任何压力等级，直流锅炉更适合于大容量机组特别是600MW以上的机组，直流锅炉金属重量轻，受压件总重量比同容量的汽包炉轻10%~20%，直流锅炉的运行灵活性优于汽包锅炉，它启停快，变负荷速率比较高。对于今后改善我国电站锅炉品位来说，直流锅炉的这些优点无疑是具有吸引力的，特别是超临界机组，必然地要采用直流锅炉。

　　~1980年代自行开发和生产了一批直流锅炉，其容量等级为50MW、125MW和300MW，总计25台总容量为6600MW.但是，这批直流锅炉在技术上不太成熟，可靠性差，因此从1980年代后期就不再生产。由于技术上的原因，国内用户对直流锅炉并不看好，使得在电力事业突飞猛进的1990年代，不再采用国产直流锅炉，并且也很少进口直流锅炉，因而大量采用汽包锅炉。

　　从国外的资料来看，只要设计合理和先进，根本不存在直流锅炉可靠性差的问题，相反，直流锅炉调峰能力强，更适用于变压运行等，这些优点很是突出。据报导，即使是超临界直流锅炉，其可用率都在90%以上，'不低于汽包锅炉。

　　在过去，国内对直流锅炉还有另外一些担心，认为直流炉运行操作复杂，对自控和水处理要求高。其实，对现有技术水平而言，这几点问题已不是什么难点，凡是使用过直流锅炉的一些电厂，认为只要设备可靠，运行方面是没有什么困难的。

　　2直流锅炉水冷壁直流锅炉与汽包锅炉相比较，最大区别在炉膛水冷壁方面。直流锅炉水冷壁的循环倍率通常只有1或小于1（当过热器减温水量较大时），因此流经水冷壁的循环流量远低于汽包锅炉，大约只有自然循环锅炉的1/4，控制循环锅炉的1/2.这个特点决定了直流锅炉水冷壁需要采用较小的管径和特殊的管圈型式，例如采用螺旋管圈或小直径垂直管圈等等，以便确保管内有足够高的质量流速，保证冷却管壁，使其不超温。直流锅炉没有汽包，这意味着必须采用强制循环。另外，由于在水冷壁蒸发系统与过热器系统之间没有分界点，其蒸发结束点是随着不同的负荷移动的，并且也可通过不同的煤/水比进行调节，因此其出口汽温也就容易达到。

　　直流锅炉水冷系统的这些特点，有的是优点，而有些是缺点，但只要把这些优缺点矛盾处理好了，就可以设计出一台质量优良、可靠性很高的直流锅炉，其中水冷壁系统的水动力计算、传热和壁温计算、以及对具体结构上的诸多考虑是最为关键的因素。

　　直流锅炉水冷壁的结构型式有许多种，但目前广为流行的主要有以下3种多次垂直上升型。

　　对于当代作变压运行的超临界机组，采用螺旋管圈占多数，本文也就重点介绍这种水冷壁。

　　3螺旋管圈水冷壁据统计，我国采用过螺旋管圈的电厂已有9个，其中300MW机组有11台，500MW机组2台，600MW机组3台，900MW机组2台（在建）。

　　螺旋管圈水冷壁结构如所示。炉水从冷灰斗底部水冷壁入口联箱进人，通过数百根平列管作一定倾斜角a的螺旋型盘绕上升至炉膛中上部，进入中间混合集箱，然后再次进入炉膛上部垂直管组，上升至炉顶出口集箱为止。

　　采用螺旋管圈的优点主要是3条：可以采用合适的管径和壁厚，满足较高的质量流速（例如600MW超临界锅炉、BMCR工况质量流速高达2800kg/m2.s），从而确保水冷壁的安全冷却；对炉膛燃烧或局部结渣引起的热负荷偏差不太敏感，从而使水冷壁出口温差大大减小（相对于一次垂直上升管圈而言）；可以容易地满足变压运行要求，因为它不存在双相流体分配的严重问题，并且在压力较低时水动力也还十分稳定，传热也相当可靠。

　　以上3条优点对于提高直流锅炉水冷壁的安全性及对负荷的适应性是十分重要的，因此，在此基础上设计的水冷壁可以放心地使用于超临界或亚临界机组，特别是变压运行机组。

　　设计螺旋管圈水冷壁，需要进行性能计算和结构设计，现分述如下：（1）性能计算。为了使水冷壁安全可靠。下列性能计算必须进行：A计算和选取BMCR工况时的质量流速（pw）max和最低直流运行工况时的质量流速min，这是决定水冷壁运行质量的关键；B决定水冷壁进出口参数，保证在变压运行时在任何工况下水冷壁都运行在安全区；C计算在最大负荷时的最高壁温，和校核在亚临界压力下的有无膜态沸腾（DNB），保证不出现传热恶化，并保留足够安全裕度；D计算水冷壁的热偏差，防止产生过大温对于这些关键性的性能计算，上海锅炉厂有限公司与科研院所已进行了很长时间的合作研究，并通过600MW超临界机组的引进和对300MW亚临界直流锅炉的技术改造，获得了许多有益的资料，熟悉了有关的设计技术。

　　（2）结构设计。螺旋管圈的结构设计包括下列关键因素的决定：A选择合适的管径ci和节距S.当今超临界螺旋水冷壁的管径大多选择d=38mm，节距S=52 B计算螺旋管圈上升倾角。通常在10°~25°之间选择，炉子吨位越大，角度也越大；C根据炉膛周长和篼度计算螺旋盘绕圈数N.通常N=1.5 ~2.5圈，炉子容量越大，圈数越少；D决定螺旋管平列根数对600MW机组约360根左右；E决定螺旋管根数叫与上部垂直管组根数n2之间的比值P，通常取= F对螺旋水冷壁的支吊装置进行应力分析。

　　因为螺旋水冷壁自身承受垂直荷载的能力很差，因此必须采用垂直吊带将荷重传递至上垂直管圈。这种支吊方式需要进行特殊的应力分析，防止产生局部热应力过大。表示支吊装置。

　　4螺旋管圈制造上海锅炉厂有限公司已设计和制造过螺旋管圈水冷壁，例如石洞口电厂300MW机组锅炉改造采用螺旋管圈，上海锅炉厂有限公司已设计和制造了2台，最近又在为外高桥发电厂二期工程900MW超临界机组2785t/h锅炉设计和制造螺旋水冷壁。通过实践，我们认为生产这种水冷壁并不太困难，如果技术熟练了，就不成为什么困难，只是比垂直管圈更复杂一些而已。

　　制造螺旋管圈的难点主要在以下3个方面：。

　　（1）燃烧器水冷套。配四角布置燃烧器的特点是燃烧器比较篼大，300MW锅炉约8m，600MW锅炉达12m，而水冷壁基本上是水平方向的，因此要绕过篼大的燃烧器就很困难，其水冷套结构比较复杂，是我厂为300MW锅炉生产的水冷套，是即将为900MW锅炉生产的水冷套。从图中可以看出，水冷套的设计可以有2种方法，所示为采用小弯头接直管的方法，焊口较多，但管子不需小i弯制，所示为采用管子直接弯制小i弯头，弯管工艺复杂，精度要求篼，但减少了大量焊口，有利于质量。

　　（2）过渡段。螺旋水冷壁出口与上部垂直管之间的连接件称为过渡段，这里包括大量的内孔小i锻件及管子的引进引出，表示过渡段的结构形式。过渡段的结构比较复杂，需要精细组合，控制外形尺寸，并防止焊接变形。部件制造后需要相互拼装，以消除超标误差。

　　过渡段结构图冷灰斗。带螺旋管圈的冷灰斗设计和制造都较复杂，因为冷灰斗是立体的，四面墙结构又不同，因此管子的排列与节距都有变化。是冷灰斗管圈形式。

　　螺旋管圈转角弯头。有的用户要求螺旋管圈在炉膛转角区采用带弯头的结构，以便减少工地上的安装焊口，为此需要对膜式水冷壁作有立体角的成排弯管，这种弯管工艺需要专用工装设备，而且螺旋倾角越大，弯制也越困难。表示成排弯后的管排形式对于工地安装来说，成排弯管组带转角弯头的水冷壁虽然减少了焊口数量，但工地组装时，对口比较困难，不如不带弯头的方便。

　　5螺旋管圈安装螺旋管圈水冷壁的安装比垂直管圈复杂，但掌握了经验之后也并不太难。螺旋管圈安装的复杂性主要表现在下面3个方面：（1）工地对接焊口比较多，因为在炉膛转（上接第4页）角处每根管需要有1 ~2个焊口，在燃烧器水冷套部位也有较多安装焊口。与垂直管圈水冷壁相比，工地焊口数约加30%-50%；（2）水冷壁安装过程需要严格控制过程误差，防止最终误差积累过大。螺旋水冷壁的安装是一个立体的概念，因此上下左右误差都应在安装过程中加以控制，否则安装到最后环节时可能因积累误差过大而难于正确就位；（3）螺旋水冷壁的刚性梁及支吊板的安装要正确，防止因过分强力装配而使支吊板受力不均匀。

　　由于螺旋管圈的安装要求比较高，所以要求制造厂制造时尺寸正确，作必要的拼装试验，消除超标误差。工地安装时应进行分段组装成圈，从上至下分几段吊装，如所示。根据安装单位反映，只要制造精确，精心安装，螺旋管圈的安装也并不困难。