簡介
圖1 鍋爐的水冷壁系統直流鍋爐的水冷壁中的工質是靠水泵壓頭作強制流動，不像自然循環鍋爐那樣總是布置成垂直上升管屏，而可以較自由地布置成各種型式，圖1所示為幾種基本型式。(a)水平環繞上升式；(b)一次上升式；(c)多次上升式；(d)U型下降上升式；(e)II型上升下降式；(f)多次上升下降式；(g)水平曲折上升式。
水平環繞上升式水冷壁(或稱螺旋管圈水冷壁)對爐膛四周吸熱不均性不很敏感，允許工質焓增大(達1200 kJ/kg)。因無中間集箱，金屬耗量小些。但是，在安裝工地裝配的焊口多，安裝周期長。這種型式的水冷壁在超臨界壓力和亞臨界壓力情況下均可套用。水平曲折上升式水冷壁(圖1(g))對爐膛各面牆寬度的吸熱不均勻性也不敏感，易於組裝，但製造稍為複雜，阻力比前一種型式大。有許多彎頭，不易做成膜式水冷壁。 U型上升下降式、Ⅱ型上升下降式及多次上升下降管屏式水冷壁便於組裝，但不易疏水。因彎頭多，做膜式壁較麻煩。它們對沿寬度的吸熱不均性比較敏感。
多次上升式水冷壁(圖1(c))易於組裝，易做成膜式水冷壁，易疏水，工質一次上升之後有混合，但因有較多的集箱和不受熱的下降管，金屬耗量較大。為了保證鍋爐水冷壁的安全，要求水冷壁在任何工況條件下管壁溫度都不能超溫，並且管子之間(特別是相鄰管子之間)的管壁溫度相差不能太大，以避免產生太大的熱應力而造成破壞。
對垂直布置的水冷壁管而言，爐膛周界長度、管子直徑、管間節距決定了它的質量流速的大小。而管子直徑和節距的選擇都有一定的限制，例如管子的直徑過細會造成水冷壁管熱敏感性高，管子內壁上的結垢和熱負荷的變化，使某些管子產生過大的管間流量偏差而使管子超溫。因此管子內徑的選擇不宜過小。同時為了防止管間鰭片過熱燒損，管間節距不能太寬，一般以鰭端溫度與管子正面頂點溫度相等作為鰭片寬度選擇的原則。這樣一來，在一定的爐膛周界情況下，如果直流鍋爐採用垂直布置的水冷壁管，管子直徑不能過細，其管子根數基本固定，而為了保證水冷壁管子的安全，必須保證一定的工質流量，所以垂直管圈的質量流速大小是受到嚴格限制的。
爐膛周界尺寸的增加與鍋爐容量的增加是不成正比例的。容量較小的直流鍋爐水冷壁往往單位容量爐膛周界尺寸過大，水冷壁管子內難以保證足夠的質量流速。300 MW容量的鍋爐水冷壁不能設計成一次垂直上升型管圈；600 MW容量的鍋爐在負荷低於60%左右時質量流速也顯得不足(這裡指的是採用較粗的管子且無多次上升垂直管圈，即採用UP型一次上升水冷壁結構)。根據國外經驗，燃煤鍋爐水冷壁設計成一次上升垂直水冷壁管圈的極限容量最小應該在為700 MW以上。
解決爐膛周界和質量流速之間矛盾的方法一般有如下幾種：採用小管徑和多次混合的水冷壁(如上鍋300 MW的UP型鍋爐，採用內徑11 mm的管子)；水冷壁採用工質再循環(低倍率和複合循環鍋爐)；採用多次上升管圈型水冷壁(FW型鍋爐)；採用螺旋管圈型水冷壁。得到廣泛採用的是螺旋管圈水冷壁。例如，國產600 MW超臨界壓力直流鍋爐採用的就是螺旋管圈水冷壁。
螺旋管圈的一大特點就是能夠在爐膛周界尺寸一定的條件下，通過改變螺旋升角來調整平行管的數量，保征容量較小的鍋爐並列管束數量較小，從而獲得足夠的工質質量流速，使管壁得到足夠的冷卻。消除傳熱惡化對水冷壁管子安全的威脅。這樣水冷壁的設計就可避免採用熱敏感性太大的直徑過細的管子。
設計螺旋管圈水冷壁的另一個要素就是螺旋管圈盤繞的圈數。這與螺旋角和爐膛高度有關。圈數太少會部分喪失螺旋管圈在減少吸熱偏差方面的效益；圈數太多會增加水冷壁的阻力從而增加水泵功耗，而且在減少吸熱偏差的效益方面增益不大，合理的盤繞圈數的推薦值是1.5～2.5圈左右。
螺旋管圈水冷壁優缺點
螺旋管圈水冷壁主要有以下優點：①能根據需要獲得足夠的質量流速，保證水冷壁的安全運行；②管間吸熱偏差小，特別是對於容量比較小的鍋爐，並列管子根數少，同時由於沿爐膛高度方向的熱負荷變化平緩，因而熱偏差小，螺旋管在盤旋上升的過程中，管子繞過爐膛整個周界，既途經寬度上熱負荷大的區域又途經熱負荷小的區域，因此就螺旋管的各管，以整個長度而言吸熱偏差很小。據有關資料介紹，當螺旋管盤繞圈數為1.5～2.0圈時，其吸熱偏差不會超過0.5%(冷灰斗也採用螺旋管圈)；③抗燃燒乾擾的能力強。據有關資料介紹，在前牆的吸熱量增加15%，右側牆保持不變，而後牆的吸熱量減少10%，左側牆亦減少5%時，螺旋管圈的吸熱偏差仍不會超過1%，其出口溫度偏差在15℃之內。而如果換了垂直管圈，管問的吸熱量偏差就會毫無緩衝地落在+15%～一15%之問。如果垂直管的進口分配節流圈是按65%的熱負荷整定的話，那么40%負荷時出口管間溫差將達到160℃，這是不能接受的；④可以不設定水冷壁進口的分配節流圈。垂直管圈為了減少熱偏差，在水冷壁進口要按照沿寬度上的熱負荷分布曲線設計配置流量分配節流圈。這種節流圈一方面增加了水冷壁的阻力，另一方面針對某一鍋爐負荷設定的節流圈，在鍋爐負荷變化時部分地失去作用，給水冷壁的設計帶來很大複雜性。冷灰斗也採用螺旋的螺旋管圈，吸熱偏差很小，可以取消進口分配節流圈。因此它的阻力有時竟會低於垂直管圈；⑤適應於鍋爐變壓運行的要求。螺旋管圈在變壓過程中不難解決低負荷時汽水兩相分配不均的問題。同時它能在低負荷時維持足夠的質量流速，因此它能毫無困難地採用變壓運行方式。
但採用螺旋管圈水冷壁有以下缺點：①螺旋管圈的承重能力弱，需要附加的爐室懸吊系統；②製造成本高。螺旋冷灰斗、燃燒器水冷套以及螺旋管至垂直管屏的過渡區等部組件結構複雜，製造困難；③爐膛四角上需要進行大量單彎頭焊接對口，安裝難度大；④管子長度大，阻力較大，增加了給水泵的功耗。
螺旋管圈水冷壁分類
圖2 水冷壁總體布置圖螺旋管圈水冷壁按冷灰斗的管圈型式以及垂直管屏與螺旋管圈的過渡形式可分為兩類：垂直管圈冷灰斗加分叉管過渡的型式和螺旋冷灰斗加中間混和集箱過渡的型式。經常採用的是後一種組合型式。因為螺旋冷灰斗的吸熱偏差小，在水冷壁進口不裝配節流圈的情況下也能保證很小的工質出口溫差，中間混合集箱過渡又能在低負荷時獲得均勻的汽水兩相分配，而且結構上下部螺旋管圈和上部垂直管屏的轉換根數之比沒有限制。圖2為採用這種組合的DGl900/25．4-Ⅱ1型鍋爐的水冷壁總體圖布置。
圖3 螺旋冷灰斗的結構冷灰斗螺旋水冷壁的結構如圖3所示。過渡段水冷壁的結構如圖4所示。螺旋盤繞水冷壁前牆、兩側牆出口管全部抽出爐外，後牆出口管則是4抽1根(或3抽1根)管子直接上升成為垂直水冷壁後牆凝渣管，另3根抽出到爐外，抽出爐外的所有管子均進入螺旋盤繞水冷壁出口集箱，由連線管從螺旋盤繞水冷壁出口集箱引入位於鍋爐左右兩側的兩個混合集箱混合後，再通過連線管從混合集箱引入到垂直水冷壁進口集箱，然後由垂直水冷壁進口集箱引出光管形成垂直水冷壁管屏，垂直光管與螺旋管的管數比為3：1。這種結構的過渡段水冷壁可以把螺旋盤繞水冷壁的荷載平穩地傳遞到上部水冷壁。
