超临界锅炉特点是什么？

超临界锅炉特点是什么？

（1）变压运行　现代超临界机组采用复合变压运行的方式，即在高负荷时保持额定的蒸汽压力，在低负荷时保持最低允许的供汽压力，在中间负荷时采用变压运行。也即在高负荷及低负荷区，负荷调节采用改变汽轮机调节阀开度的方式，而蒸汽压力保持不变；在中间负荷范围，采用变压运行，用改变锅炉主蒸汽压力的方式调节负荷。例如石洞口二厂的600MW机组，在85%负荷以上，采用定压运行，保持汽轮机进口汽压为24.12MPa；在85%到37%负荷，采用变压运行，蒸汽压力随负荷降低而降低，汽轮机进口汽压由24.12MPa降低到9.16MPa；在37%负荷以下，再采用定压运行，保持汽轮机的进口汽压为9.16MPa。这种复合变压运行方式可使机组在高负荷运行时保持额定压力，具有最佳的循环效率和良好的负荷调节性能；在中间负荷，采用变压运行，使汽轮机通流部分的容积流量基本不变，保持较高的内效率，并使汽轮机高压缸的蒸汽温度保持稳定，因而热应力较小，具有快速变负荷的能力；在低负荷时定压运行可防止压力过低出现流动不稳定等问题，因而具有最佳的综合性能。这样，采用变压运行可使机组具有夜间停机、快速启动以及频繁启停和变负荷的能力，并使机组在高负荷及低负荷时均保持高的效率，以及具有更低的最小负荷，因而是现代超临界机组发展的特点。可是，在超临界锅炉中，随着负荷的变化，工质压力要在超临界到亚临界的广泛压力范围内变化，由于工质物性的剧烈变化，使工质的传热与流动规律更为复杂，因而需要进行深入的研究，以确定其对锅炉传热、水动力、热偏差和动态特性等方面的影响。

日本首台超临界变压运行机组于1980年在广野电厂投入运行，其参数为600MW，24.11MPa，538/538℃。在100%负荷时的净效率为41.12%，在50%负荷时的净效率为39.11%，比定压运行时可相对提高约2%。在夜间停机后，从锅炉点火到满负荷的启动时间为3小时，周末停机后的启动时间为6小时，而同容量定压运行机组则需11小时。由于超临界变压运行机组能满足中间负荷和调峰的要求，因而得到广泛的采用，已成为超临界机组的主要形式。我国从俄罗斯引进的超临界机组为定压运行，其它超临界及超超临界机组均为变压运行机组。

（2）热物性特点　水的临界压力为22.1115MPa，临界温度为347.112℃。在临界点上，水与汽的参数完全相同，两者的差别消失。在低于临界压力时，存在一汽化阶段，汽液两相处于平衡共存状态。其特点是定温定压，即一定的压力对应一定的饱和温度，或一定的温度，对应一定的饱和压力。这一阶段吸收的热量称为汽化潜热。随着压力增加，汽化潜热逐步减少，到临界压力时，汽化潜热为零。

工质物性对流体的传热有重大影响。在临界点处，水的比热容为无穷大。在超临界压力下，存在比热容的峰值区，通常称最大比热容点的温度为准临界温度。在这一区域内，流体的物性剧烈变化。如流体的密度显著减小，比容显著增大，黏度和热导率显著减小。准临界温度随压力增加略有增加，比热容的峰值随压力增加而显著减小，即越接近临界压力，比热容峰值区的影响越大。超临界锅炉水冷壁系统的设计既包含亚临界压力时的汽化区，又包含超临界压力的准临界区，也就是发生相变的主要区域，工质物性变化剧烈，有可能发生传热恶化、水动力不稳定、热偏差过大等问题，因此水冷壁系统的设计成为超临界锅炉设计的关键，对其水动力与传热特性必须有深入的研究。

（3）水冷壁结构型式　对超临界变压运行锅炉，水冷壁结构型式主要集中在螺旋管圈水冷壁和由内螺纹管组成的垂直管水冷壁两种型式。其它的结构型式如多次垂直上升，垂直上升下降和多组水平回绕上升等管圈型式，由于在变压运行时，两相流分配困难，因而仅适用于定压运行锅炉。螺纹管圈水冷壁是首先应用于超临界变压运行锅炉的水冷壁型式。这是在炉膛的下部及中部即炉膛的高热负荷区，用螺旋盘绕的方式形成膜式水冷壁，到炉膛上部再通过中间混合集箱或分叉管过渡到垂直管水冷壁。螺纹管圈的主要优点是可以自由地选择管子的尺寸和数量，因而能选择较大的管径和较高的质量流速，管圈中每根管子能同样地绕过炉膛的各个壁面，因而每根管子的吸热量相同，管间的热偏差最小。由于这些优点使这种结构型式能安全地用于变压运行，并得到广泛的应用，至今仍是超临界锅炉水冷壁的主要结构型式。其缺点是螺旋管圈的制造安装支承等工艺较为复杂及流动阻力较大。

为了克服螺旋管圈的上述缺点，开发了采用内螺纹管的垂直水冷壁型式，日本三菱重工从1989年至今已有11台机组投入运行，容量为700MW和1000MW。由于垂直管圈的质量流速受到炉膛周界的限制，不能自由选择，因此只能适用于600MW以上的大型机组，应用内螺纹管来防止传热恶化的发生，以允许较低的质量流速。例如对600MW机组，选用Φ28×6mm的内螺纹管，最大负荷时的质量流速约为1600kg/（m·s）。由于炉膛热负荷分布不均匀，在水冷壁进口采用成组节流圈来补偿管子的吸热偏差，同时在后烟道中布置部分对流蒸发器，降低水冷壁出口的温度水平，以减小炉膛水冷壁在变压运行时的温度偏差。三菱重工认为垂直管水冷壁结构简单，支承方便；安装焊口少，可靠性增加；水冷壁落渣容易，使水冷壁的结渣减少；管内流速降低，压力损失减小；受热部分压力损失占水冷壁总损失的份额减小，由热负荷变化引起的流量变化小。由于具有这些优点，在今后将会有更多的发展。目前，两种水冷壁结构型式均已得到成功运行。

（4）锅炉本体结构型式　超临界锅炉普遍采用的本体结构型式为双烟道布置和塔式布置两种（如图1所示）。双烟道布置是传统普遍采用的型式，烟气由炉膛经水平烟道进入尾部烟道，再在尾部烟道通过各受热面后排出。其主要优点是锅炉高度较低，尾部烟道烟气向下流动有自生吹灰作用，各受热面易于布置成逆流形式对传热有利等。其主要缺点是烟气流经水平烟道和转弯烟室，引起灰分的浓缩集中，使尾部受热面的局部磨损加重；燃烧器布置比较困难，烟气分布的不均匀性较大；水平烟道中的受热面垂直布置不能疏水；炉膛前后墙结构差别大，后墙水冷壁的布置比较复杂等。我国电站锅炉普遍采用这种布置方式。塔式布置是将所有承压对流受热面布置在炉膛上部，烟气一路向上流经所有受热面后再折向后部烟道，流经空气预热器后排出。这种布置方式的最大优点是烟气温度比较均匀，对流受热面的磨损较轻，对流受热面水平布置易于疏水，水冷壁布置比较方便，穿墙管大大减少等，因而在大型锅炉中采用更为优越，在欧洲得到广泛的采用，积累了丰富的经验。上海外高桥电厂引进的900MW锅炉采用这种布置型式。

图1　锅炉本体结构型式

（5）高温材料　超临界锅炉参数的提高主要受到材料的限制，尤其是过热器与再热器的受热管及集箱以及主蒸汽管道的高温材料。过热器与再热器是锅炉内金属温度最高的受压部件，所用材料应具有足够的持久强度、蠕变极限及屈服极限，还应具有较好的抗氧化性、耐腐蚀性及良好的焊接性能和加工性能，并具有合适的热膨胀、导热及弹性系数。对于538℃级的汽温，一般采用1%～2%CrMo钢，566℃级的汽温采用9%Cr钢。对于600℃级的超超临界锅炉，其高温段的受热面应采用奥氏体不锈钢，主蒸汽管道及集箱采用9%Cr钢。对于650℃以上的汽温则应采用高温合金材料。从对材料的要求来看，我国目前已具有发展566℃级的超临界锅炉的能力，在此基础上进一步开发600℃级的超超临界锅炉。对于水冷壁管，由于其温度水平较低，对超临界锅炉可应用15%CrMo钢，对超超临界锅炉应用1%CrMo钢。

（6）再热器　随着蒸汽压力的提高，汽轮机乏汽的干度下降，为此采用中间再热的方法，以提高汽轮机乏汽的干度。同时由热力学可知，采用再热循环可以提高朗肯循环的效率，一般可使机组的效率提高2%～3%，因此在超高压以上的电站中普遍采用。在超临界机组中，采用两级再热，可以进一步提高热效率，但是管路系统复杂，成本加大，因此在一般超临界机组中，基本上都采用一级再热，当主蒸汽压力为24～25MPa时，再热蒸汽的压力约为4～5MPa。

在超超临界机组中，丹麦和日本川越的机组采用两级再热，美国也倾向采用两级再热。一般认为采用两级再热可比单级再热提高效率2%左右，同时由于采用两级再热可提高低压汽轮机排汽的干度，减少对汽轮机尾部动叶的磨蚀；可使汽轮机高压部分的焓降减小，提高汽轮机转子的稳定性；对锅炉来说，可使每级再热器的焓增减少，减小再热汽温的热偏差。因此在超超临界锅炉中采用两级再热更为有利。丹麦超超临界机组的主蒸汽压力28.15MPa，两级再热蒸汽的压力分别为7.14MPa和11.9MPa。根据热力学分析，当主蒸汽压力为30MPa时，最佳的给水温度为340℃，最佳的再热蒸汽压力为10.15MPa和21.4MPa。但是，为使锅炉水冷壁能采用1%Cr钢作为水冷壁管材料，锅炉给水温度不能超过310℃，因此实际采用的再热蒸汽压力低于上述最佳值。但由于采用两级再热将使系统复杂，因此多数超临界机组仍采用一级再热。

（7）汽温调节　过热汽温由煤水比作为粗调，同时装有三级喷水减温器进行细调。再热汽温一般由尾部烟道的烟气挡板及烟气再循环进行调节，同时装有事故喷水，在必要时应用。由于高压给水喷水调节再热汽温将使机组的热效率降低，因此在一般情况下不能用喷水调节再热汽温。（8）炉膛及燃烧器　现代超临界锅炉一般都配备先进的燃烧系统，以降低NOx的排放和飞灰中可燃物的含量。据三菱重工介绍，在新的超临界锅炉中，炉膛设计采用中间无隔墙的反向双切圆燃烧方式，采用A2PM低NOx燃烧器，在轴向和经向均为浓淡分隔燃烧方式，既减少过量空气又利于煤粉的着火燃烧。采用先进的MACT燃烧系统进行炉内脱NOx处理，在主燃烧器上方留有足够的空间作为NOx的还原区，使NOx与碳作用降低NOx的含量。在NOx还原区上方再供给空气实现未燃碳的完全燃烧。同时改进磨煤机的煤粉分离器，采用MRS磨煤机，在磨煤机出口原有的固定式分离器之外，增加一转动式分离器，提高煤粉的细度，实现超细煤粉燃烧，有利于煤粉的完全燃烧及降低NOx的排放。