直流鍋爐與螺旋管圈水冷壁

　0前言在中國(guó)火力發(fā)電廠(chǎng)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(tǒng)的汽包鍋爐，因此廣大用戶(hù)對(duì)直流鍋爐的優(yōu)缺點(diǎn)并不十分了解，甚至不愿采用直流鍋爐。在國(guó)外發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家中，采用直流鍋爐的比重要大得多，有些國(guó)家甚至主要采用直流鍋爐，尤其是發(fā)展超臨界機(jī)組，就必須采用直流鍋爐。我國(guó)將在“十五”期間發(fā)展超臨界機(jī)組，改變目前火力發(fā)電效率低、煤耗大的不良狀況，因此對(duì)直流鍋爐的進(jìn)一步了解就具有現(xiàn)實(shí)而又重要的意義。直流鍋爐與汽包鍋爐相比，主要區(qū)別在于水冷壁的循環(huán)原理與它的結(jié)構(gòu)各不相同，因此要了解直流爐，對(duì)其水冷壁的進(jìn)一步了解就更為重要，本文著重介紹直流鍋爐的優(yōu)點(diǎn)和在超臨界機(jī)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(fā)展歷史幾乎與汽包鍋爐一樣悠久，并被廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠(chǎng)。在歐洲、北美、日本和前蘇聯(lián)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(nèi)的任何壓力等級(jí)，直流鍋爐更適合于大容量機(jī)組特別是600MW以上的機(jī)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(yùn)行靈活性?xún)?yōu)于汽包鍋爐，它啟�？�，變負(fù)荷速率比較高。對(duì)于今后改善我國(guó)電站鍋爐品位來(lái)說(shuō)，直流鍋爐的這些優(yōu)點(diǎn)無(wú)疑是具有吸引力的，特別是超臨界機(jī)組，必然地要采用直流鍋爐。

　　~1980年代自行開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)了一批直流鍋爐，其容量等級(jí)為50MW、125MW和300MW，總計(jì)25臺(tái)總?cè)萘繛?600MW.但是，這批直流鍋爐在技術(shù)上不太成熟，可靠性差，因此從1980年代后期就不再生產(chǎn)。由于技術(shù)上的原因，國(guó)內(nèi)用戶(hù)對(duì)直流鍋爐并不看好，使得在電力事業(yè)突飛猛進(jìn)的1990年代，不再采用國(guó)產(chǎn)直流鍋爐，并且也很少進(jìn)口直流鍋爐，因而大量采用汽包鍋爐。

　　從國(guó)外的資料來(lái)看，只要設(shè)計(jì)合理和先進(jìn)，根本不存在直流鍋爐可靠性差的問(wèn)題，相反，直流鍋爐調(diào)峰能力強(qiáng)，更適用于變壓運(yùn)行等，這些優(yōu)點(diǎn)很是突出。據(jù)報(bào)導(dǎo)，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(guò)去，國(guó)內(nèi)對(duì)直流鍋爐還有另外一些擔(dān)心，認(rèn)為直流爐運(yùn)行操作復(fù)雜，對(duì)自控和水處理要求高。其實(shí)，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)水平而言，這幾點(diǎn)問(wèn)題已不是什么難點(diǎn)，凡是使用過(guò)直流鍋爐的一些電廠(chǎng)，認(rèn)為只要設(shè)備可靠，運(yùn)行方面是沒(méi)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(qū)別在爐膛水冷壁方面。直流鍋爐水冷壁的循環(huán)倍率通常只有1或小于1（當(dāng)過(guò)熱器減溫水量較大時(shí)），因此流經(jīng)水冷壁的循環(huán)流量遠(yuǎn)低于汽包鍋爐，大約只有自然循環(huán)鍋爐的1/4，控制循環(huán)鍋爐的1/2.這個(gè)特點(diǎn)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(nèi)有足夠高的質(zhì)量流速，保證冷卻管壁，使其不超溫。直流鍋爐沒(méi)有汽包，這意味著必須采用強(qiáng)制循環(huán)。另外，由于在水冷壁蒸發(fā)系統(tǒng)與過(guò)熱器系統(tǒng)之間沒(méi)有分界點(diǎn)，其蒸發(fā)結(jié)束點(diǎn)是隨著不同的負(fù)荷移動(dòng)的，并且也可通過(guò)不同的煤/水比進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此其出口汽溫也就容易達(dá)到。

　　直流鍋爐水冷系統(tǒng)的這些特點(diǎn)，有的是優(yōu)點(diǎn)，而有些是缺點(diǎn)，但只要把這些優(yōu)缺點(diǎn)矛盾處理好了，就可以設(shè)計(jì)出一臺(tái)質(zhì)量?jī)?yōu)良、可靠性很高的直流鍋爐，其中水冷壁系統(tǒng)的水動(dòng)力計(jì)算、傳熱和壁溫計(jì)算、以及對(duì)具體結(jié)構(gòu)上的諸多考慮是最為關(guān)鍵的因素。

　　直流鍋爐水冷壁的結(jié)構(gòu)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(duì)于當(dāng)代作變壓運(yùn)行的超臨界機(jī)組，采用螺旋管圈占多數(shù)，本文也就重點(diǎn)介紹這種水冷壁。

　　3螺旋管圈水冷壁據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)采用過(guò)螺旋管圈的電廠(chǎng)已有9個(gè)，其中300MW機(jī)組有11臺(tái)，500MW機(jī)組2臺(tái)，600MW機(jī)組3臺(tái)，900MW機(jī)組2臺(tái)（在建）。

　　螺旋管圈水冷壁結(jié)構(gòu)如所示。爐水從冷灰斗底部水冷壁入口聯(lián)箱進(jìn)人，通過(guò)數(shù)百根平列管作一定傾斜角a的螺旋型盤(pán)繞上升至爐膛中上部，進(jìn)入中間混合集箱，然后再次進(jìn)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(yōu)點(diǎn)主要是3條：可以采用合適的管徑和壁厚，滿(mǎn)足較高的質(zhì)量流速（例如600MW超臨界鍋爐、BMCR工況質(zhì)量流速高達(dá)2800kg/m2.s），從而確保水冷壁的安全冷卻；對(duì)爐膛燃燒或局部結(jié)渣引起的熱負(fù)荷偏差不太敏感，從而使水冷壁出口溫差大大減�。ㄏ鄬�(duì)于一次垂直上升管圈而言）；可以容易地滿(mǎn)足變壓運(yùn)行要求，因?yàn)樗�不存在雙相流體分配的嚴(yán)重問(wèn)題，并且在壓力較低時(shí)水動(dòng)力也還十分穩(wěn)定，傳熱也相當(dāng)可靠。

　　以上3條優(yōu)點(diǎn)對(duì)于提高直流鍋爐水冷壁的安全性及對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)性是十分重要的，因此，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的水冷壁可以放心地使用于超臨界或亞臨界機(jī)組，特別是變壓運(yùn)行機(jī)組。

　　設(shè)計(jì)螺旋管圈水冷壁，需要進(jìn)行性能計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，現(xiàn)分述如下：（1）性能計(jì)算。為了使水冷壁安全可靠。下列性能計(jì)算必須進(jìn)行：A計(jì)算和選取BMCR工況時(shí)的質(zhì)量流速（pw）max和最低直流運(yùn)行工況時(shí)的質(zhì)量流速min，這是決定水冷壁運(yùn)行質(zhì)量的關(guān)鍵；B決定水冷壁進(jìn)出口參數(shù)，保證在變壓運(yùn)行時(shí)在任何工況下水冷壁都運(yùn)行在安全區(qū)；C計(jì)算在最大負(fù)荷時(shí)的最高壁溫，和校核在亞臨界壓力下的有無(wú)膜態(tài)沸騰（DNB），保證不出現(xiàn)傳熱惡化，并保留足夠安全裕度；D計(jì)算水冷壁的熱偏差，防止產(chǎn)生過(guò)大溫對(duì)于這些關(guān)鍵性的性能計(jì)算，上海鍋爐廠(chǎng)有限公司與科研院所已進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間的合作研究，并通過(guò)600MW超臨界機(jī)組的引進(jìn)和對(duì)300MW亞臨界直流鍋爐的技術(shù)改造，獲得了許多有益的資料，熟悉了有關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。螺旋管圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括下列關(guān)鍵因素的決定：A選擇合適的管徑ci和節(jié)距S.當(dāng)今超臨界螺旋水冷壁的管徑大多選擇d=38mm，節(jié)距S=52 B計(jì)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(jù)爐膛周長(zhǎng)和篼度計(jì)算螺旋盤(pán)繞圈數(shù)N.通常N=1.5 ~2.5圈，爐子容量越大，圈數(shù)越少；D決定螺旋管平列根數(shù)對(duì)600MW機(jī)組約360根左右；E決定螺旋管根數(shù)叫與上部垂直管組根數(shù)n2之間的比值P，通常取= F對(duì)螺旋水冷壁的支吊裝置進(jìn)行應(yīng)力分析。

　　因?yàn)槁菪�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(jìn)行特殊的應(yīng)力分析，防止產(chǎn)生局部熱應(yīng)力過(guò)大。表示支吊裝置。

　　4螺旋管圈制造上海鍋爐廠(chǎng)有限公司已設(shè)計(jì)和制造過(guò)螺旋管圈水冷壁，例如石洞口電廠(chǎng)300MW機(jī)組鍋爐改造采用螺旋管圈，上海鍋爐廠(chǎng)有限公司已設(shè)計(jì)和制造了2臺(tái)，最近又在為外高橋發(fā)電廠(chǎng)二期工程900MW超臨界機(jī)組2785t/h鍋爐設(shè)計(jì)和制造螺旋水冷壁。通過(guò)實(shí)踐，我們認(rèn)為生產(chǎn)這種水冷壁并不太困難，如果技術(shù)熟練了，就不成為什么困難，只是比垂直管圈更復(fù)雜一些而已。

　　制造螺旋管圈的難點(diǎn)主要在以下3個(gè)方面：。

　�。�1）燃燒器水冷套。配四角布置燃燒器的特點(diǎn)是燃燒器比較篼大，300MW鍋爐約8m，600MW鍋爐達(dá)12m，而水冷壁基本上是水平方向的，因此要繞過(guò)篼大的燃燒器就很困難，其水冷套結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，是我廠(chǎng)為300MW鍋爐生產(chǎn)的水冷套，是即將為900MW鍋爐生產(chǎn)的水冷套。從圖中可以看出，水冷套的設(shè)計(jì)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(fù)雜，精度要求篼，但減少了大量焊口，有利于質(zhì)量。

　　（2）過(guò)渡段。螺旋水冷壁出口與上部垂直管之間的連接件稱(chēng)為過(guò)渡段，這里包括大量的內(nèi)孔小i鍛件及管子的引進(jìn)引出，表示過(guò)渡段的結(jié)構(gòu)形式。過(guò)渡段的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要精細(xì)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(biāo)誤差。

　　過(guò)渡段結(jié)構(gòu)圖冷灰斗。帶螺旋管圈的冷灰斗設(shè)計(jì)和制造都較復(fù)雜，因?yàn)槔浠叶肥橇Ⅲw的，四面墻結(jié)構(gòu)又不同，因此管子的排列與節(jié)距都有變化。是冷灰斗管圈形式。

　　螺旋管圈轉(zhuǎn)角彎頭。有的用戶(hù)要求螺旋管圈在爐膛轉(zhuǎn)角區(qū)采用帶彎頭的結(jié)構(gòu)，以便減少工地上的安裝焊口，為此需要對(duì)膜式水冷壁作有立體角的成排彎管，這種彎管工藝需要專(zhuān)用工裝設(shè)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(duì)于工地安裝來(lái)說(shuō)，成排彎管組帶轉(zhuǎn)角彎頭的水冷壁雖然減少了焊口數(shù)量，但工地組裝時(shí)，對(duì)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(fù)雜，但掌握了經(jīng)驗(yàn)之后也并不太難。螺旋管圈安裝的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在下面3個(gè)方面：（1）工地對(duì)接焊口比較多，因?yàn)樵跔t膛轉(zhuǎn)（上接第4頁(yè)）角處每根管需要有1 ~2個(gè)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(shù)約加30%-50%；（2）水冷壁安裝過(guò)程需要嚴(yán)格控制過(guò)程誤差，防止最終誤差積累過(guò)大。螺旋水冷壁的安裝是一個(gè)立體的概念，因此上下左右誤差都應(yīng)在安裝過(guò)程中加以控制，否則安裝到最后環(huán)節(jié)時(shí)可能因積累誤差過(guò)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(guò)分強(qiáng)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(chǎng)制造時(shí)尺寸正確，作必要的拼裝試驗(yàn)，消除超標(biāo)誤差。工地安裝時(shí)應(yīng)進(jìn)行分段組裝成圈，從上至下分幾段吊裝，如所示。根據(jù)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。