7.1.1 炉膛水冷壁
1.水冷壁的作用
炉膛水冷壁就是布置在炉膛四周的、管内流动介质一般为水或汽水两相混合物的受热面。若锅炉为蒸汽锅炉，水冷壁主要为蒸发受热面；若锅炉为热水锅炉或超临界压力锅炉，则水冷壁主要为加热受热面。
在自然循环锅炉炉膛内，如果管内工质向上流动，水冷壁也称上升管。水冷壁的基本作用为：①吸收炉膛内火焰的热量。由于炉内火焰温度较高，且烟速很低，因此这种吸热主要通过辐射方式来进行，在炉膛出口处将烟气的温度冷却到足够低的程度。②保护炉墙。由于水冷壁的存在，使得火焰只能部分或完全不接触炉墙，从而起到保护作用。除此之外，水冷壁还能起到悬吊炉墙、防止炉壁结渣等作用。
2.水冷壁的类型
（1）光管式水冷壁
水冷壁主要有两类，即光管式水冷壁和膜式水冷壁，如图7.1所示。
光管式水冷壁就是通过锅筒及集箱连接起来的一排布置在炉墙内侧的光管受热面；膜式水冷壁就是各光管之间用鳍片或扁钢焊接成的一组管屏。
图7.1 水冷壁管的型式
（a）光管；（b）鳍片管焊成的膜式水冷壁；（c）用扁钢焊成的膜式水冷壁；（d）涂有耐火水泥的销钉管水冷壁；（e）涂有耐火水泥的销钉管膜式水冷壁
1—管子；2—耐火层；3—绝热层；4—护板；5—扁钢；6—鳍片管；7—特制销钉；8—耐火水泥；9—耐火材料
光管水冷壁是由普通的无缝钢管弯制而成，一般是贴近燃烧室炉墙内壁、互相平行地垂直布置，上端与锅筒或上集箱连接，下端与下集箱连接。
水冷壁管布置的紧密程度用管子的相对节距来表示。管子的节距s与外径d之比（即s/d）称为相对节距。相对节距不同，说明水冷壁的吸热量和对炉墙的保护程度不同。若d不变，相对节距减小，说明s减小，管子排列紧密，即在同样大小的炉膛内布置水冷壁管多，水冷壁的吸热量大，炉墙的安全性增强，但火焰照射到炉墙上的辐射热量减少，炉墙对管子的反射热量少，管子金属的利用率低；相反，相对节距增大，水冷壁管的总的吸热量减小，对炉墙的保护作用差，但管子的利用率较高。
在一定的s/d下，水冷壁管中心线至炉墙内表面的距离e与管子外径的比值（即e/d）对水冷壁的吸热量及炉墙的保护作用也有影响，若e/d的数值大，则炉墙接受火焰的辐射热多。若d不变，说明管子与炉墙之间的距离增加，炉墙内表面对管子的辐射作用增强，因而水冷壁管的吸热量也较多。但这时炉墙温度升高，炉墙上容易结渣，焊在水冷壁管背面起固定作用的拉杆也容易烧坏。
现代锅炉为了减轻炉墙重量，常将水冷壁的一半埋在炉墙中（e＝0），这种炉墙称为敷管式炉墙。这种炉墙的主要优点是炉墙温度较低，炉墙可以减薄，使安装方便、节省材料，能够减轻锅炉的重量。自然循环锅炉常用的水冷壁管外径有60、76、83mm等，壁厚为3.5～6mm。管径越小，遮盖同样面积的炉墙所消耗的金属越少。
光管式水冷壁具有制造、安装简单等优点。但它的缺点是保护炉墙的作用小，炉膛漏风严重。由于焊接工艺的限制，以前普遍采用光管式水冷壁。现代小型锅炉受制造成本的限制时，有时也采用光管式水冷壁。
（2）膜式水冷壁
膜式水冷壁有两种型式，一种是光管之间焊扁钢形成膜式水冷壁；另一种是由轧制成型的鳍片管焊成。膜式水冷壁对炉墙的保护最好，炉墙的重量、厚度大为减少。因为膜式水冷壁的炉墙只需要保温材料，不用耐火材料，因而可采用轻型炉墙。同时，水冷壁的金属耗量增加不多。此外，膜式水冷壁的气密性好，大大减少了炉膛漏风，甚至也可采用微正压燃烧，提高锅炉热效率。由于蓄热能力小，炉膛燃烧室升温快，冷却亦快，可缩短启动和停炉时间。厂内预先组装好才出厂，可缩短安装周期，保证质量。膜式水冷壁的缺点主要是制造工艺较复杂，设计时必须考虑到它的一些特点。如不允许两相邻管子的金属温度差超过50℃（这个要求对自然循环锅炉是容易做到的），因要把水冷壁系统制成整体焊接的悬吊框式结构，设计膜式水冷壁时必须保证有足够的膨胀延伸自由，还应保证人孔、检查孔、看火孔以及管子横穿水冷壁等处有良好的密封性。水冷壁管穿过炉墙的部分要留出膨胀间隙。为了防止漏风，间隙内填充石棉绳。对于敷管炉墙，炉墙贴附在膜式水冷壁管外面形成一个整体，穿墙部分可不留间隙。膜式水冷壁由于具有显著的优点，因而得到了广泛的应用。大型锅炉几乎全部采用的是膜式水冷壁。
3.直流锅炉水冷壁
相对来说，直流锅炉的水冷壁设计难度较大。直流锅炉的水冷壁中的工质是靠水泵压头作强制流动，不像自然循环锅炉那样总是布置成垂直上升管屏，而可以较自由地布置成各种型式，图7.2所示为几种基本型式。
图7.2 直流锅炉的水冷壁系统
（a）水平环绕上升式；（b）一次上升式；（c）多次上升式；（d）U型下降上升式；（e）Π型上升下降式；（f）多次上升下降式；（g）水平曲折上升式
水平环绕上升式水冷壁（或称螺旋管圈水冷壁）对炉膛四周吸热不均性不很敏感，允许工质焓增大（达1200kJ/kg）。因无中间集箱，金属耗量小些。但是，在安装工地装配的焊口多，安装周期长。这种型式的水冷壁在超临界压力和亚临界压力情况下均可应用。
水平曲折上升式水冷壁（图7.2（g））对炉膛各面墙宽度的吸热不均匀性也不敏感，易于组装，但制造稍为复杂，阻力比前一种型式大。有许多弯头，不易做成膜式水冷壁。
U型上升下降式、Π型上升下降式及多次上升下降管屏式水冷壁便于组装，但不易疏水。因弯头多，做膜式壁较麻烦。它们对沿宽度的吸热不均性比较敏感。
多次上升式水冷壁（图7.2（c））易于组装，易做成膜式水冷壁，易疏水，工质一次上升之后有混合，但因有较多的集箱和不受热的下降管，金属耗量较大。
为了保证锅炉水冷壁的安全，要求水冷壁在任何工况条件下管壁温度都不能超温，并且管子之间（特别是相邻管子之间）的管壁温度相差不能太大，以避免产生太大的热应力而造成破坏。
对垂直布置的水冷壁管而言，炉膛周界长度、管子直径、管间节距决定了它的质量流速的大小。而管子直径和节距的选择都有一定的限制，例如管子的直径过细会造成水冷壁管热敏感性高，管子内壁上的结垢和热负荷的变化，使某些管子产生过大的管间流量偏差而使管子超温。因此管子内径的选择不宜过小。同时为了防止管间鳍片过热烧损，管间节距不能太宽，一般以鳍端温度与管子正面顶点温度相等作为鳍片宽度选择的原则。这样一来，在一定的炉膛周界情况下，如果直流锅炉采用垂直布置的水冷壁管，管子直径不能过细，其管子根数基本固定，而为了保证水冷壁管子的安全，必须保证一定的工质流量，所以垂直管圈的质量流速大小是受到严格限制的。
炉膛周界尺寸的增加与锅炉容量的增加是不成正比例的。容量较小的直流锅炉水冷壁往往单位容量炉膛周界尺寸过大，水冷壁管子内难以保证足够的质量流速。300MW容量的锅炉水冷壁不能设计成一次垂直上升型管圈；600MW容量的锅炉在负荷低于60%左右时质量流速也显得不足（这里指的是采用较粗的管子且无多次上升垂直管圈，即采用UP型一次上升水冷壁结构）。根据国外经验，燃煤锅炉水冷壁设计成一次上升垂直水冷壁管圈的极限容量最小应该在为700MW以上［1］。
解决炉膛周界和质量流速之间矛盾的方法一般有如下几种：采用小管径和多次混合的水冷壁（如上锅300MW的UP型锅炉，采用内径11mm的管子）；水冷壁采用工质再循环（低倍率和复合循环锅炉）；采用多次上升管圈型水冷壁（FW型锅炉）；采用螺旋管圈型水冷壁。得到广泛采用的是螺旋管圈水冷壁。例如，国产600MW超临界压力直流锅炉采用的就是螺旋管圈水冷壁。
螺旋管圈的一大特点就是能够在炉膛周界尺寸一定的条件下，通过改变螺旋升角来调整平行管的数量，保证容量较小的锅炉并列管束数量较小，从而获得足够的工质质量流速，使管壁得到足够的冷却。消除传热恶化对水冷壁管子安全的威胁。这样水冷壁的设计就可避免采用热敏感性太大的直径过细的管子。
设计螺旋管圈水冷壁的另一个要素就是螺旋管圈盘绕的圈数。这与螺旋角和炉膛高度有关。圈数太少会部分丧失螺旋管圈在减少吸热偏差方面的效益；圈数太多会增加水冷壁的阻力从而增加水泵功耗，而且在减少吸热偏差的效益方面增益不大，合理的盘绕圈数的推荐值是1.5～2.5圈左右。
螺旋管圈水冷壁主要有以下优点：①能根据需要获得足够的质量流速，保证水冷壁的安全运行；②管间吸热偏差小，特别是对于容量比较小的锅炉，并列管子根数少，同时由于沿炉膛高度方向的热负荷变化平缓，因而热偏差小，螺旋管在盘旋上升的过程中，管子绕过炉膛整个周界，既途经宽度上热负荷大的区域又途经热负荷小的区域，因此就螺旋管的各管，以整个长度而言吸热偏差很小。据有关资料介绍，当螺旋管盘绕圈数为1.5～2.0圈时，其吸热偏差不会超过0.5%（冷灰斗也采用螺旋管圈）；③抗燃烧干扰的能力强。据有关资料介绍，在前墙的吸热量增加15%，右侧墙保持不变，而后墙的吸热量减少10%，左侧墙亦减少5%时，螺旋管圈的吸热偏差仍不会超过1%，其出口温度偏差在15℃之内。而如果换了垂直管圈，管间的吸热量偏差就会毫无缓冲地落在＋15%～－15%之间。如果垂直管的进口分配节流圈是按65%的热负荷整定的话，那么40%负荷时出口管间温差将达到160℃，这是不能接受的；④可以不设置水冷壁进口的分配节流圈。垂直管圈为了减少热偏差，在水冷壁进口要按照沿宽度上的热负荷分布曲线设计配置流量分配节流圈。这种节流圈一方面增加了水冷壁的阻力，另一方面针对某一锅炉负荷设置的节流圈，在锅炉负荷变化时部分地失去作用，给水冷壁的设计带来很大复杂性。冷灰斗也采用螺旋的螺旋管圈，吸热偏差很小，可以取消进口分配节流圈。因此它的阻力有时竟会低于垂直管圈；⑤适应于锅炉变压运行的要求。螺旋管圈在变压过程中不难解决低负荷时汽水两相分配不均的问题。同时它能在低负荷时维持足够的质量流速，因此它能毫无困难地采用变压运行方式。
图7.3 水冷壁总体布置图
但采用螺旋管圈水冷壁有以下缺点：①螺旋管圈的承重能力弱，需要附加的炉室悬吊系统；②制造成本高。螺旋冷灰斗、燃烧器水冷套以及螺旋管至垂直管屏的过渡区等部组件结构复杂，制造困难；③炉膛四角上需要进行大量单弯头焊接对口，安装难度大；④管子长度大，阻力较大，增加了给水泵的功耗。
螺旋管圈水冷壁按冷灰斗的管圈型式以及垂直管屏与螺旋管圈的过渡形式可分为两类［1－3］：垂直管圈冷灰斗加分叉管过渡的型式和螺旋冷灰斗加中间混和集箱过渡的型式。经常采用的是后一种组合型式。因为螺旋冷灰斗的吸热偏差小，在水冷壁进口不装配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的汽水两相分配，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。图7.3为采用这种组合的DG1900/25.4－Ⅱ1型锅炉的水冷壁总体图布置。
图7.4 螺旋冷灰斗的结构
冷灰斗螺旋水冷壁的结构如图7.4所示。
过渡段水冷壁的结构如图7.5所示。螺旋盘绕水冷壁前墙、两侧墙出口管全部抽出炉外，后墙出口管则是4抽1根（或3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，抽出炉外的所有管子均进入螺旋盘绕水冷壁出口集箱，由连接管从螺旋盘绕水冷壁出口集箱引入位于锅炉左右两侧的两个混合集箱混合后，再通过连接管从混合集箱引入到垂直水冷壁进口集箱，然后由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。这种结构的过渡段水冷壁可以把螺旋盘绕水冷壁的荷载平稳地传递到上部水冷壁。
4.卫燃带
对于不易着火的燃料，为使燃料迅速着火和稳定燃烧，例如，W型火焰锅炉的炉膛，或在旋风炉及液态排渣炉中为了获得较高的温度，常常需要把一部分水冷壁管表面遮盖起来，以减少该部位的吸热量，这部分水冷壁表面称为卫燃带。常用的敷设卫燃带的方法是在卫燃带区域的水冷壁管表面焊上许多长20～25mm、直径6～12mm的销钉（或称抓钉），然后敷上铬矿砂耐火可塑料，如图7.6所示。耐火可塑料是由耐火物料制成的粒状和粉状料中加入一定比例的可塑性黏土和化学复合结合剂等调配而成，呈泥膏状或干混料，并在使用中具有良好可塑性，以捣打、压挤方式成型的材料［2］。铬矿砂耐高温性能良好，而其导热系数比粘土耐火砖高得多，有利于冷却。在这种卫燃带构造中销钉起着冷却和固定的作用，焊接质量要好。
图7.5 过渡段水冷壁结构示意图
图7.6 卫燃带的构造
1－水冷壁管；2－销钉；3－铬矿砂耐火可塑料
5.炉顶、折烟角及冷灰斗
较大容量的锅炉一般做成平炉项，炉顶由顶棚管过热器组成。但一般在炉膛后墙水冷壁上部接近炉膛出口处设有折焰（烟）角。见图7.7。这样做的目的是：提高炉膛内烟气流的充满程度，避免涡流与死角，提高炉膛辐射受热面的利用程度，改善屏式过热器及对流过热器的冲刷条件，防止上部烟气短路。增加水平连接烟道长度，在不增加锅炉深度下，可布置更多的对流受热面。
对于固态排渣的煤粉炉来说，为了使炉膛内温度较高区域呈熔化状态的灰渣，在下落至灰斗过程中冷凝成固态，燃烧器下部的前后墙水冷壁都做成斗状，见第2章有关各图及图7.3和图7.4。这样做的目的是使燃烧中心形成的呈熔化状态的灰渣在下落过程中，由于下部斗状水冷壁的强烈吸热，灰渣能被迅速冷却成为固态而落入灰斗，定期排出炉外。故前后墙水冷壁的下部称为冷灰斗。
图7.7 折焰角结构示意图
（a）用于燃煤炉；（b）用于燃油然气炉；（c）HG－410/100－1型锅炉所用结构
1—上升管；2—集箱；3—连接管；4—三叉管；5—节流小孔；6—刚性梁
图7.8 水冷壁悬吊结构
1—钢架大梁；2—拉杆；3—水冷壁管；4—下集箱；5—上集箱6—弹簧；7—吊钩
燃油和气体燃料中的灰分很少，可忽略不计，也不用考虑灰渣冷却和排灰问题，炉底不设排渣口，故燃油和燃气炉的炉底做成平的。只烧油或气体燃料的锅炉，为了减少炉底漏风量、提高炉膛严密性并增加水冷壁的吸热量，常将前墙或后墙的水冷壁向后或向前弯曲并少许倾斜（倾斜的方向应使炉底水冷壁管内的炉水在流动方向逐渐升高以防止汽水分层）成为炉膛的炉底。由水冷壁组成的炉底，因为管内有水冷却，温度较低，因此称为冷炉底。有时为了提高炉膛温，需要减少炉底水冷壁的吸热量，可在炉底水冷壁管上敷设耐火材料。有些小型锅炉，为了简化结构，炉底不布置水冷壁管，直接用耐火材料砌筑成炉底。这种炉底没有任何工质冷却，温度很高，所以称为热炉底。热炉底在炉膛火焰的辐射下，堆集在耐火材料表面的灰分常会熔化，但一般不会影响锅炉的安全运行。液态排渣的煤粉炉的炉底也属于热炉底。
在小容量工业锅炉中，水冷壁管常是用支撑下集箱的办法固定，热膨胀向上进行。大型电站锅炉的水冷壁与上下集箱直接焊接，长度达几十米，采用上部固定、下部能自由膨胀的方法解决其热膨胀问题，即将水冷壁的上集箱吊挂、固定在锅炉钢架上，下集箱则由水冷壁悬吊着。如图7.8所示。水冷壁悬挂在锅炉钢架或锅炉房钢架的大梁1上，用拉杆2把上集箱吊住。
为使长且薄的水冷壁具有足够的刚性，避免受热产生结构变形，在炉墙外，沿炉膛高度方向，每间隔3～4m，设置一层环绕炉壁的水平刚性梁。刚性梁一般由工字钢组成，通过吊拉件与水冷壁管连接。
大容量锅炉的支撑、刚性梁和膨胀定位对锅炉的安全运行不可忽视，本书受篇幅所限不能详述，具体可见参考文献［1，4，5］。
图7.9 凝渣管束
（a）p≥9.8MPa；（b）p＜9.8MPa时
1—凝渣管排；2—后水冷壁上集箱；
3—凝渣管排上集箱
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