直流锅炉的水冷壁
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直流锅炉的水冷壁
Hale Waihona Puke Baidu
一 直流锅炉结构特点
二 1）蒸发受热面布置自由
三 2）没有汽包，主要是外置式过渡区和汽水分离器 四 3）有启动旁路系统
二 对蒸发受热面的基本要求
三 1 原则 四 1) 管子不被烧坏
五 2) 能解决膨胀问题 六 3) 蒸发受热面能够制造出来 七 4) 制造,安装方便
2. 安全工作影响因素和解决办法
1-水冷壁进口环形集箱 2-螺旋冷灰斗
3-螺旋管圈 4-中间混合集箱 5-垂直管屏
6-折焰角
7-折焰角进口集箱
8-折焰角外部连接管 9-后水冷壁悬吊管进口集箱
10-后水冷壁悬吊管
11-水冷壁出口集箱 12-水冷壁出口连接管道 13-启动分离器 14-分离器出口连接管道
(二)螺旋管圈水冷壁主要组件的结构 1．冷灰斗结构 2．燃烧器区水冷套结构 3．下部螺旋管圈向上部垂直管屏的过渡区 4．炉膛上部垂直管屏
稳定。蒸发段阻力变小对 p 影响小 ，趋于稳定。
（5）质量流速。质量流速越低，工质流量分配 越不均匀，越容易发生水动力多值性。
（6）重位压头。影响水平管水动力特性的因素 同样也影响着垂直管屏，垂直管屏水动力稳定 性要求更高。
（7）工质大比热特性。当工质处于大比热区范 围内，且吸热量同时增大时，比容发生剧烈变 化，引起工质的膨涨急剧增大，容易发生水动 力不稳定现象。
此在螺旋管的纵向剖面上的强
度大大地弱于螺旋管的横向剖
面，这样就必须要有附加于炉
壁的悬吊装置来分担炉膛重量。
2．本水冷壁螺旋管圈的悬吊结构
(四) 刚性梁结构
刚性梁的作用是增加锅炉膜式壁的刚性，保护膜 式壁管子。锅炉的膜式壁运行时本身受内压作用，同 时又受到炉内烟气压力的作用，还要考虑到壁面承受 风载和发生地震时的锅炉悬吊受热面的质量力的作用， 另外还要考虑各类事故工况，如炉膛熄火，但引风机 还在抽吸时所谓负爆现象。
如果出现曲线2所示图形，就表
c a
在一个压差下，对应有2~3个流量， 即水动力成多值性。
w1 w2 b w3
1 3 2
w
2) 水动力特性单值条件 对特性方程式求导得
进口处工质欠焓
i 7.46r ,k J
1
kg
3 )水动力多值性产生的原因
从特性曲线可以看出，曲线2有一下降段ab,即当 w增加时，L rs
增加， L zf 减小 ， D 减小 ， X 减小 ， X 减小的
影响比 w 增加的影响大。
4) 影响因素
（1）工质进口欠焓。当 i =0
时，不会出现多值性。因为 当没有热 水段时，蒸发段长 度不会发生变化，蒸发量不
会变化。w 随 p 增加而单
调上升。 i 愈大，水动力多
值性愈明显。水动力多值性 不会发生在只有蒸发段的管 屏上。
平衡杆的另外一个作用是作为刚 性梁的横向支撑，减小了刚性梁 的无支承长度，从而增强了它的 整体稳定性。
(2) 相邻管壁温度差 t b < 50 C
• 影响安全工作的因素 • 保证蒸发受热面安全工作原则
(1)减小管壁温度 t b
(2)减小相邻管壁温度差 t b
1 水动力特性不稳定性
（一）水平管圈水动力特性
水动力特性是指在一定热负荷情况下，管屏压 差与流量的关系。
1) 特性方程式
p A ( w ) 3 B ( w ) 2 C ( w ), Pa 其中 w 工质在受热管中的质量流速
(1) 在单相的加热水区，由于水的密度大，所以溶解度也较 大，所以一般说加热区段不沉积盐分
(2) 蒸发区段。由于水溶解盐类的能力大于饱和蒸汽的溶盐 能力。随着蒸发过程的进行，锅水的盐分含量不断增加，当 水中的含盐量超过其溶解度，超出的那一部分就会以固相析 出在受热面上。当蒸发结束时，盐分在水中已达到高度浓缩， 成为盐分的积聚
防止传热恶化、降低管壁温度的措施，主要有：
(1)采用内螺纹管 一般在可能发生传热恶化的区段采用内螺纹管，由于内 螺纹管增加管内工质的扰动，使传热恶化大大推迟发生
(2)提高工质质量流速 在汽泡状、柱状、雾状流动时，提高质量流速pw可以 提高临界热负荷，防止膜态沸腾的发生
4. 超临界压力下的汽水工况 1)．盐类的溶解和沉积 2)．盐类的沉积区域 3)．直流锅炉的给水标准
(一) 超临界压力水蒸气的比容、比热和焓 1．比容
2．比热
3.焓
4．超临界压力水蒸气的其它特性
(二) 亚临界、超临界压力下的水动力特性 1．亚临界和超临界压力下的流动稳定性 2．直流锅炉蒸发受热面的流体脉动 3．直流锅炉蒸发受热面的热偏差
蒸发受热面安全工作问题
• 安全工作条件 (1) 管壁温度 t b 小于 材料允许温度.
A
i 8q
1
1
i 2r
1
双相流摩擦阻力校正系数 q 受热面平均热负荷
B
L 2d
1
i r
1
i 进口处工质欠焓
C
L2q d 2 r
1
水动力特性曲线
在此图中，1，3 线为单值特性曲线 p
2 线为多值特性曲线。
但在实际中会出现那种图形，
取决于特性方程式中，A,B,C这三个 参数的取值。
不变的情况下，管屏里管子流量随时间作周期性波动 的现象，叫脉动现象。
2).脉动种类
管间脉动 管屏脉动
整体脉动
3) 产生脉动的原因 1）压力峰的形成 2）压力的下降 3）压力峰重新形成
4 )脉动的消除
增大 w
提高进口压力 增大热水段阻力－采用节流圈 降低蒸发点的热负荷和热偏差 防止脉动性燃烧 给水泵特性
1)提高 w.
2)加节流圈. 3)工质入口欠焓i16.57kJkg 4)减小管屏焓增.
tb 50C
三. 早期直流锅炉蒸发受热面的形式 1 本生型 : 蒸发受热面型式为多次垂直上升管屏 2 苏尔寿型: 蒸发受热面型式为多行程迂回管屏 3 拉姆辛型: 蒸发受热面型式为水平围绕管屏
炉膛水冷壁：
• 下部螺旋盘绕上升
1．冷灰斗结构
2．燃烧器区水冷套结构
3．下部螺旋管圈向上部垂直管屏的过渡区
4．炉膛上部垂直管屏
(三) 螺旋管圈的悬吊装置 1．螺旋管圈与垂直管屏承重特性的区别 2．本水冷壁螺旋管圈的悬吊结构
1．螺旋管圈与垂直管屏承重特性的区别
由于螺旋管圈的承重能力不及垂直管屏，因此 需要在炉室外壁附设悬吊系统来分担炉膛的重 量，这也是螺旋管圈水冷壁的一大缺点。
1．1900t/l超临界压力锅炉刚性梁特点
WlPB和WIPBL分别为用IPB和IPBL工字钢加工成的 复板上有六角孔的工字钢，这样做的目的是减轻刚性梁 的重量，这是本刚性梁的特点
该锅炉的刚性梁可分为下列几部分：标高17745mm 以下为冷灰斗刚性梁，标高17745至46901mm之间为螺 旋管圈刚性梁，标高54500至69200mm之间为水平烟道 刚性梁。还有折焰角和后烟井刚性梁等
3. 超临界压力下水冷壁管内传热
• 类膜态沸腾：由于管子内壁面附近的流体粘度、比热、 导温系数、密度等物性参数发生显著变化引起的。（流 体边界层的层流化；紊流边界层流化）
• 传热恶化发生在管子入口处和大比热区 对于直流锅炉，不可能避免传热恶化，只有采取推迟和抑
制。主要方法：
1）使用好材料 2）采用内螺纹管，螺旋式导流器（扰流子）
从水冷壁进口到折焰 角下一定距离（标高 52608.9 mm）处。
• 上部垂直上升
• 均为膜式结构
• 两者间由过渡水冷壁 转换连接。
第二节 超临界参数的基本特性
(一) 超临界压力水蒸气的比容、比热和焓 (二) 亚临界、超临界压力下的水动力特性 (三) 超临界压力下的传热特性 (四) 超临界压力下的汽水工况
1)．盐类的溶解和沉积
现代大容量高参数直流锅炉一般均不考虑排污，所以给水 所带入盐分或是沉积在受热面上，或是被蒸汽带入汽机，其 盐分平衡式为:
式中
Sgs =Sq +Scd Sgs——给水含盐量，mg／kg Sq——蒸汽中含盐量，mg／kg Scd——沉积在受热面上的盐量，mg／kg
2)．盐类的沉积区域
Pg1为一根管子所受的炉膛重量负载，p为管内 工质压力，由管内压力p产生的沿管子切向的 应力为轴向应力的2倍，要达到管子的切向和 轴向等强度，管子轴向还有一半的承重裕度。
Pg为炉膛的重量负载，P为管 内压力，P可以分解为垂直于 管子轴线的力Pg‵=Pgcosθ和 沿着管子轴向的力
Pg′′=Pgsinθ Pg′′作用在 管子整个长度的纵剖面上。因
一是垂直管圈冷灰斗加分叉管过渡的型式 二是螺旋冷灰斗加中间混合集箱过渡的型式
后一种组合型式，因为螺旋冷灰斗的吸热偏差小，采用这种 组合型式后，在水冷壁进口不装置节流圈的情况下也能保证 很小的工质出口温差，中间混合集箱过渡又能在低负荷时获 得均匀汽水两相分配。而且结构上，下部螺旋管圈和上部垂 直管屏的转换根数之比没有限制。
(3) 过热区段的沉积范围取决于给水中的含盐量和各种盐 类在过热蒸汽中的溶解度。超临界压力时，蒸汽的产生过 程是没有蒸发过程的、是单相水直接变成蒸汽。
3)．直流锅炉的给水标准 锅炉受热面内沉积和由蒸汽带人汽机而沉积在汽机喷 嘴、叶片上的盐分，除了与受热面内工质的参数和物理状 态有关外，还与给水中所含盐量的多少和盐的组成有很大 关系。因此在给定参数下，只有控制直流锅炉给水品质， 才能保证锅炉与汽机的要求。
（2）压力 p 。发生水动力
多值性的最根本的原因是
汽水密度不同当 p 增加
时，（ ）下降，
因此水动力特性趋向稳定。
p w
（3）热负荷Q 。Q增加，使 L rs 长度减小，如果没有热水
段，一定不出现多值性，故热水段长度减小，水动力特 性趋向稳定。
（4）热水段阻力。增加热水段阻力，可以使水动力特性
5) 解决水动力稳定性的方法
（1）减小 i 。
（2）增加热水段阻力—采用节流圈。
（3）提高启动压力 p。
（4）减小热偏差。
（5）提高质量流速 w。
（6）控制下辐射区水冷壁出口温度。
流圈阻力特性；3－加节流圈后 的水动力特性
2 蒸发受热面的脉动现象
1).定义：在管屏两端压差相同，当给水量和流出量基本
2．1900t／h超临界压力锅炉刚性梁的典型结构 (1) 刚性梁和水冷壁的连接结构
(2) 平衡杆系统
(1) 刚性梁和水冷壁的连接结构
(2) 平衡杆系统
由刚性梁自重产生的偏心弯矩使 膜式壁的连接处受到了一个较大 的附加弯矩，为了平衡这一局部 弯矩，每两层刚性梁之间(除尾部 截面较小的刚性梁外)设置了若干 平衡杆。
直流锅炉的给水品质指标主要包括： 总含盐量(电导率)，硬度、SiO2、Cu、Fe、O2、pH等
二、超临界压力螺旋管水冷壁的结构及特点
(一) 超临界压力锅炉水冷壁的整体结构 (二)螺旋管圈水冷壁主要组件的结构 (三)螺旋管圈的悬吊装置 (四)刚性梁结构
(一) 超临界压力锅炉水冷壁的整体结构
螺旋管圈水冷壁按冷灰斗的管圈型式以及螺旋管圈上部向 垂直管屏的过渡方式分为两大类型：
Hale Waihona Puke Baidu
一 直流锅炉结构特点
二 1）蒸发受热面布置自由
三 2）没有汽包，主要是外置式过渡区和汽水分离器 四 3）有启动旁路系统
二 对蒸发受热面的基本要求
三 1 原则 四 1) 管子不被烧坏
五 2) 能解决膨胀问题 六 3) 蒸发受热面能够制造出来 七 4) 制造,安装方便
2. 安全工作影响因素和解决办法
1-水冷壁进口环形集箱 2-螺旋冷灰斗
3-螺旋管圈 4-中间混合集箱 5-垂直管屏
6-折焰角
7-折焰角进口集箱
8-折焰角外部连接管 9-后水冷壁悬吊管进口集箱
10-后水冷壁悬吊管
11-水冷壁出口集箱 12-水冷壁出口连接管道 13-启动分离器 14-分离器出口连接管道
(二)螺旋管圈水冷壁主要组件的结构 1．冷灰斗结构 2．燃烧器区水冷套结构 3．下部螺旋管圈向上部垂直管屏的过渡区 4．炉膛上部垂直管屏
稳定。蒸发段阻力变小对 p 影响小 ，趋于稳定。
（5）质量流速。质量流速越低，工质流量分配 越不均匀，越容易发生水动力多值性。
（6）重位压头。影响水平管水动力特性的因素 同样也影响着垂直管屏，垂直管屏水动力稳定 性要求更高。
（7）工质大比热特性。当工质处于大比热区范 围内，且吸热量同时增大时，比容发生剧烈变 化，引起工质的膨涨急剧增大，容易发生水动 力不稳定现象。
此在螺旋管的纵向剖面上的强
度大大地弱于螺旋管的横向剖
面，这样就必须要有附加于炉
壁的悬吊装置来分担炉膛重量。
2．本水冷壁螺旋管圈的悬吊结构
(四) 刚性梁结构
刚性梁的作用是增加锅炉膜式壁的刚性，保护膜 式壁管子。锅炉的膜式壁运行时本身受内压作用，同 时又受到炉内烟气压力的作用，还要考虑到壁面承受 风载和发生地震时的锅炉悬吊受热面的质量力的作用， 另外还要考虑各类事故工况，如炉膛熄火，但引风机 还在抽吸时所谓负爆现象。
如果出现曲线2所示图形，就表
c a
在一个压差下，对应有2~3个流量， 即水动力成多值性。
w1 w2 b w3
1 3 2
w
2) 水动力特性单值条件 对特性方程式求导得
进口处工质欠焓
i 7.46r ,k J
1
kg
3 )水动力多值性产生的原因
从特性曲线可以看出，曲线2有一下降段ab,即当 w增加时，L rs
增加， L zf 减小 ， D 减小 ， X 减小 ， X 减小的
影响比 w 增加的影响大。
4) 影响因素
（1）工质进口欠焓。当 i =0
时，不会出现多值性。因为 当没有热 水段时，蒸发段长 度不会发生变化，蒸发量不
会变化。w 随 p 增加而单
调上升。 i 愈大，水动力多
值性愈明显。水动力多值性 不会发生在只有蒸发段的管 屏上。
平衡杆的另外一个作用是作为刚 性梁的横向支撑，减小了刚性梁 的无支承长度，从而增强了它的 整体稳定性。
(2) 相邻管壁温度差 t b < 50 C
• 影响安全工作的因素 • 保证蒸发受热面安全工作原则
(1)减小管壁温度 t b
(2)减小相邻管壁温度差 t b
1 水动力特性不稳定性
（一）水平管圈水动力特性
水动力特性是指在一定热负荷情况下，管屏压 差与流量的关系。
1) 特性方程式
p A ( w ) 3 B ( w ) 2 C ( w ), Pa 其中 w 工质在受热管中的质量流速
(1) 在单相的加热水区，由于水的密度大，所以溶解度也较 大，所以一般说加热区段不沉积盐分
(2) 蒸发区段。由于水溶解盐类的能力大于饱和蒸汽的溶盐 能力。随着蒸发过程的进行，锅水的盐分含量不断增加，当 水中的含盐量超过其溶解度，超出的那一部分就会以固相析 出在受热面上。当蒸发结束时，盐分在水中已达到高度浓缩， 成为盐分的积聚
防止传热恶化、降低管壁温度的措施，主要有：
(1)采用内螺纹管 一般在可能发生传热恶化的区段采用内螺纹管，由于内 螺纹管增加管内工质的扰动，使传热恶化大大推迟发生
(2)提高工质质量流速 在汽泡状、柱状、雾状流动时，提高质量流速pw可以 提高临界热负荷，防止膜态沸腾的发生
4. 超临界压力下的汽水工况 1)．盐类的溶解和沉积 2)．盐类的沉积区域 3)．直流锅炉的给水标准
(一) 超临界压力水蒸气的比容、比热和焓 1．比容
2．比热
3.焓
4．超临界压力水蒸气的其它特性
(二) 亚临界、超临界压力下的水动力特性 1．亚临界和超临界压力下的流动稳定性 2．直流锅炉蒸发受热面的流体脉动 3．直流锅炉蒸发受热面的热偏差
蒸发受热面安全工作问题
• 安全工作条件 (1) 管壁温度 t b 小于 材料允许温度.
A
i 8q
1
1
i 2r
1
双相流摩擦阻力校正系数 q 受热面平均热负荷
B
L 2d
1
i r
1
i 进口处工质欠焓
C
L2q d 2 r
1
水动力特性曲线
在此图中，1，3 线为单值特性曲线 p
2 线为多值特性曲线。
但在实际中会出现那种图形，
取决于特性方程式中，A,B,C这三个 参数的取值。
不变的情况下，管屏里管子流量随时间作周期性波动 的现象，叫脉动现象。
2).脉动种类
管间脉动 管屏脉动
整体脉动
3) 产生脉动的原因 1）压力峰的形成 2）压力的下降 3）压力峰重新形成
4 )脉动的消除
增大 w
提高进口压力 增大热水段阻力－采用节流圈 降低蒸发点的热负荷和热偏差 防止脉动性燃烧 给水泵特性
1)提高 w.
2)加节流圈. 3)工质入口欠焓i16.57kJkg 4)减小管屏焓增.
tb 50C
三. 早期直流锅炉蒸发受热面的形式 1 本生型 : 蒸发受热面型式为多次垂直上升管屏 2 苏尔寿型: 蒸发受热面型式为多行程迂回管屏 3 拉姆辛型: 蒸发受热面型式为水平围绕管屏
炉膛水冷壁：
• 下部螺旋盘绕上升
1．冷灰斗结构
2．燃烧器区水冷套结构
3．下部螺旋管圈向上部垂直管屏的过渡区
4．炉膛上部垂直管屏
(三) 螺旋管圈的悬吊装置 1．螺旋管圈与垂直管屏承重特性的区别 2．本水冷壁螺旋管圈的悬吊结构
1．螺旋管圈与垂直管屏承重特性的区别
由于螺旋管圈的承重能力不及垂直管屏，因此 需要在炉室外壁附设悬吊系统来分担炉膛的重 量，这也是螺旋管圈水冷壁的一大缺点。
1．1900t/l超临界压力锅炉刚性梁特点
WlPB和WIPBL分别为用IPB和IPBL工字钢加工成的 复板上有六角孔的工字钢，这样做的目的是减轻刚性梁 的重量，这是本刚性梁的特点
该锅炉的刚性梁可分为下列几部分：标高17745mm 以下为冷灰斗刚性梁，标高17745至46901mm之间为螺 旋管圈刚性梁，标高54500至69200mm之间为水平烟道 刚性梁。还有折焰角和后烟井刚性梁等
3. 超临界压力下水冷壁管内传热
• 类膜态沸腾：由于管子内壁面附近的流体粘度、比热、 导温系数、密度等物性参数发生显著变化引起的。（流 体边界层的层流化；紊流边界层流化）
• 传热恶化发生在管子入口处和大比热区 对于直流锅炉，不可能避免传热恶化，只有采取推迟和抑
制。主要方法：
1）使用好材料 2）采用内螺纹管，螺旋式导流器（扰流子）
从水冷壁进口到折焰 角下一定距离（标高 52608.9 mm）处。
• 上部垂直上升
• 均为膜式结构
• 两者间由过渡水冷壁 转换连接。
第二节 超临界参数的基本特性
(一) 超临界压力水蒸气的比容、比热和焓 (二) 亚临界、超临界压力下的水动力特性 (三) 超临界压力下的传热特性 (四) 超临界压力下的汽水工况
1)．盐类的溶解和沉积
现代大容量高参数直流锅炉一般均不考虑排污，所以给水 所带入盐分或是沉积在受热面上，或是被蒸汽带入汽机，其 盐分平衡式为:
式中
Sgs =Sq +Scd Sgs——给水含盐量，mg／kg Sq——蒸汽中含盐量，mg／kg Scd——沉积在受热面上的盐量，mg／kg
2)．盐类的沉积区域
Pg1为一根管子所受的炉膛重量负载，p为管内 工质压力，由管内压力p产生的沿管子切向的 应力为轴向应力的2倍，要达到管子的切向和 轴向等强度，管子轴向还有一半的承重裕度。
Pg为炉膛的重量负载，P为管 内压力，P可以分解为垂直于 管子轴线的力Pg‵=Pgcosθ和 沿着管子轴向的力
Pg′′=Pgsinθ Pg′′作用在 管子整个长度的纵剖面上。因
一是垂直管圈冷灰斗加分叉管过渡的型式 二是螺旋冷灰斗加中间混合集箱过渡的型式
后一种组合型式，因为螺旋冷灰斗的吸热偏差小，采用这种 组合型式后，在水冷壁进口不装置节流圈的情况下也能保证 很小的工质出口温差，中间混合集箱过渡又能在低负荷时获 得均匀汽水两相分配。而且结构上，下部螺旋管圈和上部垂 直管屏的转换根数之比没有限制。
(3) 过热区段的沉积范围取决于给水中的含盐量和各种盐 类在过热蒸汽中的溶解度。超临界压力时，蒸汽的产生过 程是没有蒸发过程的、是单相水直接变成蒸汽。
3)．直流锅炉的给水标准 锅炉受热面内沉积和由蒸汽带人汽机而沉积在汽机喷 嘴、叶片上的盐分，除了与受热面内工质的参数和物理状 态有关外，还与给水中所含盐量的多少和盐的组成有很大 关系。因此在给定参数下，只有控制直流锅炉给水品质， 才能保证锅炉与汽机的要求。
（2）压力 p 。发生水动力
多值性的最根本的原因是
汽水密度不同当 p 增加
时，（ ）下降，
因此水动力特性趋向稳定。
p w
（3）热负荷Q 。Q增加，使 L rs 长度减小，如果没有热水
段，一定不出现多值性，故热水段长度减小，水动力特 性趋向稳定。
（4）热水段阻力。增加热水段阻力，可以使水动力特性
5) 解决水动力稳定性的方法
（1）减小 i 。
（2）增加热水段阻力—采用节流圈。
（3）提高启动压力 p。
（4）减小热偏差。
（5）提高质量流速 w。
（6）控制下辐射区水冷壁出口温度。
流圈阻力特性；3－加节流圈后 的水动力特性
2 蒸发受热面的脉动现象
1).定义：在管屏两端压差相同，当给水量和流出量基本
2．1900t／h超临界压力锅炉刚性梁的典型结构 (1) 刚性梁和水冷壁的连接结构
(2) 平衡杆系统
(1) 刚性梁和水冷壁的连接结构
(2) 平衡杆系统
由刚性梁自重产生的偏心弯矩使 膜式壁的连接处受到了一个较大 的附加弯矩，为了平衡这一局部 弯矩，每两层刚性梁之间(除尾部 截面较小的刚性梁外)设置了若干 平衡杆。
直流锅炉的给水品质指标主要包括： 总含盐量(电导率)，硬度、SiO2、Cu、Fe、O2、pH等
二、超临界压力螺旋管水冷壁的结构及特点
(一) 超临界压力锅炉水冷壁的整体结构 (二)螺旋管圈水冷壁主要组件的结构 (三)螺旋管圈的悬吊装置 (四)刚性梁结构
(一) 超临界压力锅炉水冷壁的整体结构
螺旋管圈水冷壁按冷灰斗的管圈型式以及螺旋管圈上部向 垂直管屏的过渡方式分为两大类型：