一.介绍螺旋管圈水冷壁和内螺纹管

通过分析超临界压力变压运行直流锅炉炉膛水冷壁水的动力特性，可以看出超临界压力直流锅炉的蒸发热表面，特别是在启动和变压运行时（在亚临界压力下运行），可能存在流动不稳定、工质沸腾传热恶化、热偏差、脉动等水动安全问题。

因此，随着高参数、大容量超临界锅炉技术的发展和发展，各国专家提出并应用了螺旋管圈水冷壁和内螺纹管技术，以提高水冷壁的传热效率，避免传热恶化。

1.螺旋管圈水冷壁螺旋水冷壁管屏是西德、瑞士等国家为满足变负荷运行的需要而开发的。水冷壁四面倾斜。由于水平管圈承载能力差，部分锅炉上部采用垂直上升管屏，可采用全悬挂结构。由于炉上部的热负荷降低，管壁之间的温差不大，垂直管屏不会对膜水冷壁造成损坏。

1)螺旋围绕上升管屏的优点:

a.由于水冷壁四面倾斜，水平管屏吸热均匀，不能设置中间混合联箱。滑压运行时，汽水混合物分布不均匀，可变压运行，启停快，适应电网负荷频繁变化，调频性能好。

b.螺旋管圈热偏差小，适用于膜式水冷壁，工质流速高，水动特性稳定，不易出现膜状沸腾，可防止金属壁温过高。

c.管道简单，工艺总长度短，汽水系统水阻小。

d.蒸发加热面采用螺旋管圈时，可根据设计要求选择管数，不受炉尺寸的影响，可选择较厚的管径，以增加水冷壁的刚度。

e.螺旋管圈对燃料适应性大，可燃煤挥发性低，灰分高。

2)螺旋围绕上升管屏的缺点:安装、制造、支吊困难，现场施工工作量大。

3)国内应用:

这种水冷壁形式是目前流行的一种形式，也是超临界压力锅炉水冷壁形式的发展方向。国内超临界机组较多。华能石洞口发电厂引进的第一台超临界压力机组锅炉采用这种形式。也可以说，这种形式代表了超临界锅炉水冷壁的发展方向。目前，超临界压力直流锅炉水冷壁管圈有两种基本形式：螺旋管圈和垂直管圈。

2.内螺纹管

1）所谓内螺纹管是指在管道内壁上打开单头或多头螺旋槽的管道。它可以改善传热，防止或延缓传热恶化的发生。当传热恶化时，它还具有加强传热的功能，可以降低壁温，减少传热恶化的后果

2)内螺纹管改善传热机理

目前对内螺纹管改善传热机制的研究还不是很彻底，但一般来说，有三个可能的原因。考虑到管道中流体的流动特性，可以分析两个原因，即内螺纹使管道内壁产生的螺旋流和边界层分离流。

螺旋流增加了流体和管壁的相对速度，可以减少层流底层的厚度。螺旋流产生的离心力可以将蒸汽中的液滴扔回墙上，从而延缓墙上的干燥。边界层分离流的主要作用是搅拌边界层，使流体倾向均匀混合。因此，当第一种传热恶化迅速发生时，可以搅拌流体，拖延蒸汽膜的产生，防止膜沸腾；

当第二类传热迅速恶化时，它可以将蒸汽中夹带的液滴扔回墙壁，延缓干燥。内螺纹改善传热的第三个原因是传热面积的增加。一般来说，内螺纹管的表面积可比直径相同的光管增加20%~25%。结合这些效果，内螺纹管可以提高管道内的流动换热系数，提高临界热流密度，延缓传热恶化的发生。即使传热恶化，也能保持改善传热特性，有效降低壁温。

内螺纹管改善传热示意图

3.水冷壁传热恶化，防止

在亚临界压力下，主导传热机制是沸腾传热，加上一些强制对流效应。当对流沸腾传热恶化时，一般分为两类：

一种是膜状沸腾发生在欠热区或低干度区，也称偏离核状沸腾(DNB)。

另一种是蒸汽干度高的液膜蒸干现象，称为干燥(DryOut)。

影响汽水两相流沸腾传热特性的主要因素有压力、质量流速、热负荷和干燥。严格控制亚临界压力下的干燥点，避免燃烧器区域热负荷最高

。由于超临界压力下工质的热物理特性，拟临界点约为2095kJ/kg，辐射区水冷壁出口的工作质量温度应严格控制，工作质量吸热能力最强的大比热区应避开热负荷最高的螺旋管圈区域，并将其推至热负荷较低的垂直管圈区域。下辐射区水冷壁出口的工作质量温度应控制在不高于相应压力的临界温度，以避免膜状沸腾。为了监测蒸发热表面出口的金属温度，在螺旋管水冷壁管出口设置了温度测量元件。

在直流锅炉系统中，需要考虑管道壁温在临界热流密度下的升高。在高热流密度区域使用内螺纹管可以延迟或避免超临界压力下的膜沸腾和亚临界压力下的膜沸腾。锅炉螺旋水冷壁管（除灰斗区域外）采用内螺纹管。该管道可以降低炉安全运行所需的最低质量流量，然后降低炉的压降，同时在工作质量干度x=0.9点，传热一般不会恶化。内螺纹管能改善传热，一般认为有三个可能的原因:

1）内螺纹使管道内壁产生螺旋流。螺旋流增加了流体和管壁的相对速度，减少了层流底层的厚度。螺旋流产生的离心力可以将蒸汽中的液滴扔回墙上，从而延缓墙上的干燥。

2)内螺纹使管道内壁产生边界层分离流。边界层分离流的主要作用是搅拌边界层，使流体倾向均匀混合。

3)内螺纹增加了管道的传热面积。一般来说，内螺纹管可以比直径相同的光管增加20%~25%的表面积。

简而言之，使用内螺纹结构旋转流体后，当第一类传热恶化快速发生时，可以搅拌流体，拖延蒸汽膜的产生，防止膜沸腾；当第二类传热恶化快速发生时，可以将蒸汽中的液滴扔回墙上，延缓干燥。内螺纹管可以提高管道内的流动换热系数，提高临界热流密度，延缓传热恶化的发生。即使传热恶化，也能改善传热特性，有效降低壁温。

4.螺旋管圈水冷壁在变压运行过程中的工作特点

1)超临界参数锅炉变压运行时，工作压力随负荷变化。MCR当负荷低于时，水冷壁在亚临界压力区工作。管道中的工作质量是汽水混合物，比容量变化更大。此时，如果管外热流密度过高，不仅容易引起膜沸腾，还会引起工作质量的大热膨胀。

2)超临界压力锅炉低负荷运行时，下辐射区出口压力相对较低，50%MCR负间压力为13Mpa，此时饱和汽的比容是水的8.超过1倍，汽水比容差显著增加.

3）低负荷运行时，螺旋管圈进口工质温度降低，工质缺焓增加。当部分水冷壁结渣或积灰或火焰偏移时，水冷壁管的沸点会不同步延迟。此时，虽然水冷壁的总流量保持不变，但各管内工质流量分布不均匀或流量大小，导致流量不稳定。因此，应特别注意低负荷下水动力的不稳定性。负荷越低，压力越低，水动力越不稳定。

二.本工程锅炉螺旋水冷壁

日立-巴布科克公司用于炉膛水冷壁(BHK)成熟的布局和结构使其可靠性高，经济性好，对变压运行负荷适应性强。日立-巴布科克(BHK)为本工程提供的锅炉方案炉膛水冷壁具有如下特点：

1)根据日立-巴布科克壁温计算和应力分析计算结果，采用加热面管和膜扁钢制成，并留有裕度；

2)炉下部采用螺旋盘绕水冷壁，上部采用垂直水冷壁，适用于变压运行和锅炉调峰；

3）水冷壁均为膜结构，采用微负压炉设计，炉内烟气无泄漏；下螺旋盘绕水冷壁管均采用内螺纹管，可防止水循环不稳定，降低最低质量流量，降低水冷壁流阻，获得最低直流负荷；

4)下水冷壁与上水冷壁之间设有过渡段，混合分配容器，采用下螺旋绕组内螺纹管，水冷壁出口温度偏差小，静态敏感性小；

5)采用不同的刚性梁支撑结构，刚性梁与水冷壁可相对滑动，自由膨胀，无附加热应力；

1.设计思想

在超临界本生直流锅炉的设计中，与其他炉类型最大的区别在于炉水冷壁的设计。炉水冷壁的实际吸热量份额通常受煤类型、炉渣程度、燃烧器投入层数、变压运行负荷和切割高度的影响。由于低压运行时蒸汽比大，热比小，当水冷壁的吸热偏差大于设计值时，会造成不良后果。炉水冷壁的设计主要考虑以下几点：

1)随着负荷的减少，在极其恶劣的水冷壁中，质量流量也按比例下降。在直流模式下，工作质量流量的稳定性受到影响。为了防止流量的多值不稳定，在最低直流运行负荷下必须限制质量流量。

2)进入临界压力点以下低负荷运行时，必须注意水冷壁管内两相流的传热和流动，防止膜沸腾导致水冷壁管金属超温爆炸。

3)负荷降低后，炉水冷壁吸热不均匀，应注意防止水冷壁管圈吸热不均匀导致温度偏差增加。

4)在整个变压运行中，蒸发点的变化会改变单相和两相水冷壁的金属温度。应注意水冷壁及其刚性梁系统的热膨胀设计，防止压力部件疲劳损坏。

5)由于减轻负荷后，省煤器段的吸热量减少B-MCR工况设计布置的省煤器在低负荷下可能会出现出口蒸发，影响水冷壁流量分配，导致流动工况恶化。

2.炉膛水冷壁的主要特点概述

炉内高热负荷区下部水冷壁采用螺旋缠绕水冷壁，以降低下部水冷壁的温度偏差。起蒸汽水分离作用的启动分离器安装在天花板进口处，在最低直流负荷以下的循环模式下运行。水冷壁出口进入启动分离器的工作质量具有一定的过热性。炉内水冷壁采用膜壁，保证炉内烟气密实无泄漏。扁钢和管道的材料使相互热膨胀一致。扁钢的宽度可适用于变压运行，并保证鳍端温度低于材料在任何运行条件下的最高允许温度。

出口工质温度偏差以不同的水冷壁形式进行比较

由于同一管带中的管道以相同的方式绕过炉的角落和中间部分，所有水冷壁管的流量和加热均匀，确保炉周围的吸热基本相同，使水冷壁出口的介质温度和金属温度非常均匀，为机组峰值调整的安全可靠运行提供了保证。上图显示了出口质量温度偏差的比较。

炉采用螺旋水冷壁结构，使水冷壁管在各种条件下具有足够的质量流量，特别是在启动和低负荷条件下，管间吸热均匀，防止在亚临界压力下偏离核沸腾（DNB），类核状在超临界压力下沸腾（DNB），减小炉膛出口工质温度偏差，以及水动力不稳定等传热恶化工况。水冷壁具有足够的动压头，也可避免如停滞、倒流、流动多值性等水循环不稳定问题的发生。这种布置结构简单，维护工作量小，即不需要变径的节流圈或阀门，同时也不必在水冷壁进口设专门给水流量平衡调节分配装置。水冷壁采用内螺纹管，当流经管子的水速较低时，可达到较高的管内传热系数，若使用光管要达到同样的传热系数，则须提高管内水速，因此，采用内螺纹管由于其管内水速低可以降低水冷壁的压降。

螺旋管圈的设计是减少直流炉负荷，不仅减少工作质量流量，而且可以充分冷却炉不同形式的水冷壁，出口工作质量温度偏差水冷壁，螺旋管圈炉的基本原理是减少炉水冷壁管的数量，保持高质量流量，不增加管之间的距离，使管与肋金属壁温度在任何工作条件下安全，因此管沿炉周围有一定的倾角。因此，螺旋管圈水冷壁的设计达到了以下两个目的：

1)减少各管屏管道数量，提高管道质量流量，避免管壁金属过热和超温。

2)尽量减少管道之间的吸热偏差，使每根管道通过炉的四面墙。

3.水冷壁的布置

对于大容量锅炉的水冷壁，螺旋绕组管和垂直升降管都是可行的。在本工程设计中，炉由两种不同的结构组成：下螺旋绕组上升水冷壁和上垂直上升水冷壁，均采用膜结构，由过渡水冷壁转换连接。

本工程炉膛宽度为19419.2mm，深度为15456.8mm，高度为67000mm，整个炉膛周围为全焊膜水冷壁。炉膛由两种不同的结构组成：下螺旋绕上升水冷壁和上垂直上升水冷壁。两者之间由过渡水冷壁转换连接。炉冷灰斗的倾斜角为55°，除渣口喉口宽度为1.2432米。

炉下水冷壁采用螺旋绕膜管圈，螺旋水冷壁管均采用六头，上升角60°共456根内螺纹管，管道规格Φ38.1×7.5，材料为SA-213T2.炉冷灰斗管的节距为50.8及49.827mm，冷灰斗外的中间螺旋绕管圈倾角为19.471°，管子节距50.8mm。冷灰斗管屏、螺旋管屏膜扁钢厚度δ6.4，材料为15CrMo。

炉冷灰斗倾斜角

螺旋水冷壁前墙、两侧墙出口管全部抽出炉外，后墙出口管则是4抽1根管子直接上升成为垂直水冷壁后墙凝渣管，另3根抽出到炉外，抽出炉外的管子进入24根螺旋水冷壁出口集箱（Φ190.7×43，SA106C），由22根连接管（Φ141.3×24/Φ127×22，SA335P12）引入位于锅炉左右两侧的两个混合集箱（Φ444.5×95，SA335P12）混合后，再引入到24根垂直水冷壁进口集箱（Φ190.7×43，SA335P12），过渡段水冷壁管子规格Φ38.1×7.5内螺纹管和Φ38.1×7.9光管，材料为SA-213T2。

垂直水冷壁进口集箱引出光管形成垂直水冷壁管屏，垂直光管与螺旋管的管数比为3：1.，垂直管屏管子规格为Φ31.8×9.1，节距50.8m。炉膛水冷壁总体布置如下图。

水冷壁总体布置图

1）下部水冷壁经省煤器加热后的给水，通过下降管及下水连接管进入炉膛水冷壁。炉膛下部水冷壁都采用螺旋盘绕膜式管圈，包括冷灰斗水冷壁，从水冷壁进口到折焰角水冷壁下一定距离。冷灰斗的角度为55°，除渣口的喉口宽度约为1.24米，管子规格Φ38.1×7.5，管子节距50.8，材料为SA-213T2；膜式扁钢厚δ6，材料为15CrMo。冷灰斗以外螺旋盘绕管圈，倾角大约19.5°，管子规格Φ38.1×7.5，管子节距50.8，材料为SA-213T2；膜式扁钢厚δ6，材料为15CrMo。螺旋冷灰斗的结构图如下：

水冷壁总体布置图

2)过渡段水冷壁

由于工程上的应用，没有必要把整个炉膛水冷壁均设计成螺旋盘绕式，炉膛上部已离开高热负荷区域，把上部水冷壁设计成结构较为简单的垂直上升管式较为经济，故从倾斜布置的水冷壁转换到垂直上升的水冷壁就需要过渡结构，即过渡段水冷壁。另外，从降低水冷壁出口工质温度偏差上，过渡段水冷壁设置有中间集箱，可使螺旋水冷壁出口工质混合均匀，减小工质温度偏差，同时还可以使上部垂直水冷壁的流量均匀分配。过渡水冷壁的连接形式，直接影响到热偏差的积累、流量的分配、亚临界压力下两相流体的分配，连接方式的选用不仅影响过渡区后的垂直水冷壁的水动力特性，也会通过流动阻力等方式影响到下部螺旋水冷壁的水动力特性，包括水动力的稳定性。

过渡段水冷壁的结构如下图所示。

螺旋水冷壁出口管引出到炉外，进入螺旋水冷壁出口集箱，再由连接管引到混合集箱，充分混合后，由连接管引到垂直水冷壁进口集箱，垂直水冷壁进口集箱拉三倍螺旋管数量的管子进入垂直水冷壁，螺旋管与垂直管的管数比为1：3（前墙和侧墙），后墙的螺旋管与前墙、侧墙有所不同，每三根螺旋管有一根直接上升为垂直水冷壁（吊挂用，共42根），这样垂直水冷壁进口集箱拉出的管子数与螺旋管数之比为2：1，总的比率垂直管/螺旋管仍为3：1。这种结构的过渡段水冷壁可以把螺旋水冷壁的荷载平稳地传递到上部水冷壁。过渡段水冷壁管子规格Φ38.1×7.5，材料为SA-213T2。

3)上部水冷壁上炉膛水冷壁与常规炉膛水冷壁没有差异，采用结构和制造较为简单的垂直管屏，垂直管屏管子规格为Φ31.8×9.1，节距50.8；膜式扁钢厚δ6，材料为15CrMo。水冷壁出口工质汇入上部水冷壁出口集箱，后由连接管引入水冷壁出口汇集集箱，再有连接管引入启动分离器。

4.炉膛支撑

包括垂直膜式壁和螺旋膜式壁的整个炉膛荷载由生根在水冷壁出口集箱上的吊杆悬吊到锅炉顶板梁上，炉膛可向下自由膨胀。炉膛设计压力大于5800Pa，瞬时不变形承载能力不低于±8700Pa。螺旋水冷壁几乎是类似于水平管布置，其水平倾角为19.5°，与垂直管墙相比，螺旋水冷壁墙自身能支撑的垂直载荷就受到了限制，是非常小的。由于这个原因，螺旋水冷壁支撑的垂直载荷将会局限于管子的自重和炉膛压力载荷。因此，针对上述原因，就设计了螺旋水冷壁的一种新型的支撑结构垂直搭接板，任何其他附加载荷，如燃烧器，护板，刚性梁等均由垂直搭接板支撑，而不是作用到螺旋水冷壁上，垂直搭接板的最上末端焊接并固定到上部垂直水冷壁上。

灰斗墙及其他相关部件的载荷通常由垂直搭接板支撑。如果灰斗载荷不能被上升水冷壁支撑，则载荷将由恒力吊挂支撑并将载荷转到锅炉钢结构上。

综上，螺旋水冷壁仅仅支撑其自重荷载和炉膛压力荷载，自重荷载还将被传递到上部垂直水冷壁，最后传给锅炉吊杆至锅炉顶板梁。

垂直搭接板和螺旋水冷壁之间相互不焊接，可以相对滑动，这样可防止附加热应力的产生，保证炉膛安全可靠运行。

5.刚性梁结构

刚性梁设置是用来保护炉膛水冷壁，不会因受到炉内烟气压力的作用而发生变形。由炉膛压力而传递到水平刚性梁上的载荷通过端部连杆被进一步传递到角板，并再从指形板传到螺旋水冷壁，这样就同来自于刚性梁另一侧的作用力平衡。锅炉刚性梁的整体布置如下图所示。

刚性梁整体布置简图

每面墙的每层刚性梁水平上均设有膨胀中心，以此为固定端，即导向点。上图中“”表示为膨胀中心固定端，侧墙固定端如上图中所示，前后墙的固定端设定在锅炉中心线上。刚性梁两端与锅炉水冷壁间设计成可相互安全滑动，这种结构设计，不会因为锅炉热膨胀而在水冷壁管上产生额外热应力。

由于炉膛水冷壁由螺旋膜式水冷壁和垂直膜式水冷壁两种不同结构的水冷壁组成，因而在不同的水冷壁布置区域，刚性梁的结构也明显不同。垂直膜式壁区域主要由水平刚性梁支撑，而螺旋膜式壁区域则由水平刚性梁和垂直刚性梁的组合结构支撑。下面阐述这两种不同的刚性梁结构。

1)垂直膜式壁管屏刚性梁结构垂直膜式水冷壁区域的刚性梁结构如下图所示。刚性梁水平布置，由耳板、拉杆、张力扳、连接板、支撑耳板把刚性梁和膜式壁连接在一起，水平刚性梁的自重由垂直膜式壁管支撑。

水平刚性梁结构图

拉杆穿过焊在水冷壁上的耳板，从而固定不与水冷壁焊接的张力扳，只有刚性梁膨胀中心（导向点）处的拉杆与张力扳焊接固定（见上图中A点），其余拉杆与张力扳之间均可滑动，保证了张力扳与水冷壁间的相对滑动。张力扳与连接板（包括固定端连接板和滑动端连接板）相焊，膨胀中心附近的固定端连接板与水平刚性梁焊接固定（见上图中B点），此点起膨胀导向作用，其余滑动端连接板通过焊在其上的支撑耳板与水平刚性梁连接，支撑耳板承载水平刚性梁自重，同时支撑耳板形成膨胀导向滑槽，保证了水平刚性梁与张力扳之间的相对滑动。由于水冷壁与张力扳、张力扳与水平刚性梁之间均存在温差，上述结构设计可以保证两者之间除膨胀中心点外的各点向规定方向自由滑动，不会产生额外热应力。炉内烟气压力通过膜式水冷壁、张力扳、连接板，最终传递到水平刚性梁。

上面已经提到了设计中设有一个热膨胀基点，即膨胀中心，就是在张力扳沿长度方向上设置了固定点。在此点，张力扳与拉杆，连接板与张力扳、水平刚性梁均焊接固定，形成整体结构。

2)螺旋膜式水冷壁刚性梁结构

螺旋水冷壁的刚性梁是由垂直刚性梁和水平刚性梁构成的网格结构，刚性梁的自重荷载完全由垂直搭接板支撑，并最终传递到上部垂直水冷壁，因而荷载不会作用到螺旋膜式水冷壁上。结构简图如下所示。

螺旋水冷壁刚性梁结构图

垂直搭接板滑道耳板与螺旋膜式壁焊接，双耳板间穿过销杆，从而既可固定垂直搭接板，又可使其上下滑动，保证垂直搭接板和螺旋水冷壁间相对滑动，不发生附加温差热应力。垂直搭接板与垂直刚性梁之间用大、小接头连接，大、小接头分别同焊在垂直搭接板和垂直刚性梁上的耳板用销轴连接，大、小接头与连接耳板间通过热膨胀计算预留有间隙，大接头预留间隙较小，作为上下固定导向端，小接头预留间隙较大，作为上下自由滑动端，保证了垂直刚性梁与垂直搭接板间的相对滑动。在大接头附近端的垂直刚性梁与该附近的水平刚性梁焊接固定，而垂直刚性梁另一端与远离大接头的那层水平刚性梁之间，通过焊接在该远离层水平刚性梁上的滑动导向槽连接，垂直刚性梁可在此槽内滑动，保证了垂直刚性梁与水平刚性梁间的相对滑动。如上图中的中间垂直刚性梁下端与下层水平刚性梁焊接，上端与上层水平刚性梁用滑槽连接。

垂直搭接板与垂直刚性梁相匹配，一一对应，螺旋水冷壁、垂直搭接板和垂直刚性梁紧密连接，垂直搭接板与螺旋水冷壁间可在垂直方向上自由滑动。垂直搭接板最上端与上部垂直水冷壁焊接固定，从而把下部全部荷载传递到上部水冷壁。

作用在水冷壁上的炉膛压力被传递到垂直搭接板上，反作用力通过大、小接头传递给垂直刚性梁，最后从垂直刚性梁的顶端和底端传到水平刚性梁上。此外，刚性梁的自重通过大接头传递给垂直搭接板。

6.炉墙结构

整个炉膛水冷壁均采用膜式壁结构，炉内烟气不会发生泄漏，因此炉墙结构设计上就较为简单。水冷壁与刚性梁之间以保温材料填塞，以减少炉膛散热损失。保温材料以整块的形式附着在水冷壁上，靠拉杆固定，保温材料外表面省去承载外护板，而是在最外面以轻型梯形波纹金属板覆盖。上部垂直水冷壁和下部螺旋水冷壁的炉墙结构如图所示。

螺旋水冷壁炉墙结构简图

三.本工程锅炉汽水流程给水由炉前右侧进入省煤器，流经省煤器后，进入螺旋水冷壁、过度段、垂直水冷壁然后进入入汽水分离器进行汽水分离，从分离器分离出来的水进入贮水罐排往冷凝器，蒸汽则依次经顶棚管、后竖井/水平烟道包墙、低温过热器、屏式过热器和高温过热器。再热器由位于后竖井，前烟道的低温再热器和水平烟道内的高温再热器组成。汽水流程如图所示：