超(超)临界锅炉的特点

超（超）临界锅炉的特点
一、引言
随着我国火力发电事业的快速发展和节能、环保要求的日趋严格，提高燃煤机组的容量与蒸汽参数，进一步降低煤耗是大势所趋。

在这个基础上，节约一次能源，加强环境保护，减少有害气体的排放，已越来越受到国内外的高度重视。

超超临界机组因其煤耗低，节约能源，我国已经把大幅度提高发电效率、加速发展洁净煤技术的超超临界机组作为我国可持续发展、节约能源、保护环境的重要措施。

尽管在同等蒸汽参数情况下，联合循环的效率比蒸汽循环的效率高10%左右，但是，由于PF-BC和IGCC尚处于试验或示范阶段，在技术上还存在许多不完善之处，而超临界技术已十分成熟，超超临界机组也已批量投运，且积累了良好的运行经验，国外已有一套完整而成熟的设计、制造技术。

因此，技术成熟的大容量超临界和超超临界机组将是我国清洁煤发电技术的主要发展方向，也是解决电力短缺、能源利用率低和环境污染严重等问题的最现实和最有效的途径。

超超临界压力锅炉的关键技术是多方面的，在材料的选择、水冷壁系统及其水动力安全性、受热面布置、再热系统汽温的调控等多方面均存在设计和制造上的高难技术。

二、超（超）临界锅炉的特点
超临界机组区别与普通机组主要有以下特点：
1、蒸汽参数的选择
机组的蒸汽参数是决定机组热经济性的重要因素。

一般压力为16.6～31.0MPa、温度在535~600℃的范围内，压力每提高1MPa，机组的热效率上升0.18％~0.29％：新蒸汽温度或再热蒸汽温度每提高10℃，机组的热效率就提高0.25％~0.3％；因此提高蒸汽参数是提高机组热效率的重要途径。

目前超超临界与超临界的划分界限尚无国际统一的标准，下表列举了一些发达国家的典型机组的参数[1]。

现在常规的超临界机组采用的蒸汽参数为24.1MPa、538℃/566℃。

一般认为蒸汽压力大于25MPa，蒸汽温度高于580℃称为超超临界。

研究分析[2]指出对600/600℃这一温度等级，当主汽压力自25MPa升高到28MPa，锅炉岛和汽机岛的钢耗量将分别增加3.5％和2%。

此外主汽压力28MPa时，汽机低压缸末级叶片排汽湿度将达到10.7%，已接近采用一次再热的极限值。

有文章表明[3]我国今后重点发展的超临界机组的参数将为汽机进口参数24.2MPa/566℃/566℃，锅炉的出口参数则为25.4MPa/571℃/569℃；超超临界机组的参数为汽机进口参数26.25MPa/600℃600℃，锅炉出口的参数则为27.56MPa/605℃/603℃；机组容量将主要为600MW和1000MW两种。

2、水冷壁的结构和形式
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。

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。

螺旋管圈水冷壁一般采用对冲燃烧方式，水冷壁上燃烧器开孔为小圆孔，比较容易实现，而且对管内负荷影响较小。

若采用切圆燃烧方式，在水冷壁上的燃烧器开孔则为大的矩形孔，在此处的管子布置复杂，并且会导致管内吸热不均匀。

ALSTOM—CE和日本三菱重工在亚临界控制循环锅炉长期设计、制造和运行经验基础上，开发了一次上升垂直管圈水冷壁变压运行超临界和超超临界锅炉[4]。

其特点是：采用内螺纹管防止超临界和超超临界锅炉变压运行至亚临界区域时，水冷壁系统中发生膜态沸腾；在各水冷壁管入口处设置节流圈使其管内流量与其吸热量相适应，以消除各管圈的热偏差。

内螺纹管具有良好的传热特性，内螺纹管内表面的槽可破坏蒸汽膜的形成，故直到较高的含汽率也难以形成膜态沸腾，而能维持核态沸腾，从而抑制金属温度的升高。

内螺纹管的金属温度可抑制得很低
3、高温过热器和再热器材质的选择[3]
早期的超超临界锅炉使用了大量的奥氏体钢，奥氏体钢比铁素体钢具有更高的热强性，但热膨胀系数大、导热性小，抗应力腐蚀能力低、工艺性差，热疲劳和低周疲劳性能(特别是厚壁件)也不如铁素体钢，且成本高得多，出现许多奥氏体钢制部件损伤事故。

世界各国一直致力于开发新材料和新工艺，改进和开发新型铁素体钢和改进了奥氏体耐热钢。

美、日等国协作研究了如9%~12%Cr钢NF616、HCM12A和TB12M等新材料；最近15~20年新型铁素体一马氏体的9%~12%Cr钢研制开发成功，允许主蒸汽温度提高至610℃，压力达到30MPa，再热蒸汽温度至625℃。

当超超临界锅炉蒸汽温度达到600/600℃水平，高温过热器和高温再热器的壁温也超过600℃。

管子内壁的蒸汽氧化和管子外壁的高温腐蚀(对含硫量高的煤)已成为影响机组安全运行的突出问题。

根据蒸汽氧化的化学反应式：
以及高温烟侧腐蚀的化学机理：
研究表明当管子外壁温度达到630℃左右是烟侧高温腐蚀最严惩的区域，采用Cr达2.5%
的高铬热强钢或加3%铜的奥氏体钢即超级304钢(18Cr10Ni3Cu，Super304H)，除能提高钢的热强性(即高温蠕变强度和持久强度)外，也均显著增加抗高温蒸汽氧化和抗烟侧高温腐蚀的能力
4、过热器与再热器的设计特点
1000MW与600MW超超临界锅炉的过热器采用传统的四级布置，即低温过热器一分隔屏过热器一后屏过热器，并采用三级左右六点喷水减温，分别布置在上述四级过热器的连接管上，以最大限度减少各级过热器左右侧汽温的偏差，喷水水源来自省煤器出口，以减少减温器简体与喷水管之间的温差与热应力，BMCR时的三级喷水量之和为7％BMCR。

采用较大的喷水量是因为超超临界锅炉主汽压力的变化范围大，升负荷时增加燃料、减少喷水，但由于消除偏差的需要，不能使过器的喷水为零。

再热器采用二级布置，即布置于尾部竖井内的低温再热器(水平式与立式)和布置于水平烟道内的末级再热器。

事故喷水减温器可以布置在低再入口管道上，也可以布置在二级再热器之间
5、锅炉的启动系统
以东方1000MW超超临界锅炉为例[5]，锅炉采用了带再循环泵的启动系统，由内置式汽水分离器、储水罐、再循环泵(简称BCP)、再循环流量调节阀(简称360阀)、储水罐水位调节阀(简称361阀)、大气式疏水扩容器、冷凝水箱、疏水泵等组成。

启动系统设计容量为25％BMCR，系统布置示意图如下图所示。

在锅炉未进入直流负荷前，来自储水罐的大部分饱和水通过BCP和360阀回流到省煤器人口，与锅炉给水混合后进人省煤器。

启动系统的其余疏水则通过361阀后引至大气式疏水扩容器和冷凝水箱，并通过两台疏水泵排往凝汽器冰质合格时)或系统外(水质不合格时)。

配置再循环泵的启动系统有以下优点：缩短启动时间、在启动过程中回收热量、减少启动过程中补给水量、改善BCP的调节特性、防止在快速降负荷时BCP进口循环水发生闪蒸引起循环泵的汽蚀等。

结合上面所述，由于国内汽机厂对冷凝器设计容量的限制和用户要求，超超临界锅炉均
采用了清洗水与水冷壁汽水膨胀疏水均全部排往大气式扩容器的启动系统，它属于工质可部分回收的启动系统，由于扩容器下方装有凝水箱和二台凝水泵，根据疏水(凝结水)的品质可以直接排入地沟或送往汽机冷凝器回收，启动系统按锅炉最低直流负荷25％BM—CR设计。

哈锅1000MW超超临界锅炉[6]在锅炉启动上也有类似的处理措施。

此外，锅炉采用的带再循环泵的排往大气式扩容器的启动系统，符合我国国情和运行实践，工质能部分回收，运行灵活性也较大，具有良好的热备用和允许停泵运行的能力。

三、总结
超超临界机组在国际上已是成熟的技术，而且发达国家正在向更高参数发展，而在我国处于起步阶段，各大锅炉厂都在引进不同的国外先进技术，对我国超超临界机组的发展起到很大的推进作用。

)考虑到制造、安装和维修等因素，并充分利用现有亚临界控制循环锅炉和直流锅炉中的成熟技术，如内螺纹管、节流管圈、水冷壁支撑结构和刚性梁结构等，在超大容量超超临界变压运行锅炉中采用一次垂直上升的内螺纹管水冷壁型式。

超大容量超超临界锅炉采用π型布置单炉膛双切圆燃烧技术，不仅可以针对我国燃煤电站锅炉煤种多变和燃煤品质逐渐变差的特点，发挥切圆燃烧技术的煤种适应性，而且可以有效地解决单切圆燃烧技术存在的烟温偏差问题。

近年来国内在亚临界机组锅炉的燃烧方面也取得了明显的技术进步。

尤其在燃用复杂多变的混煤燃烧方面取得了宝贵的经验。

参考文献
1.张参军.超超临界锅炉的特点.电站系统工Vol.21.No.3.May, 2005.P35-36
2.车东光,华洪渊.超超临界锅炉设计特点.锅炉制造.No.4.Dec, 2005.P5-7
3.陈听宽.超临界与超超临界锅炉技术的发展与研究. 世界科技研究与发展. Dec,
2005. P42-44
4.徐通模,袁益超.超大容量超超临界锅炉的发展趋势.动力工程. Vol.23 No.3. Jun,
2003.P2364-2366
5.徐海燕.东方1000MW超超临界锅炉技术特点.东方锅炉2007.2.P1-7
6.王振雷,李奕. 哈锅1000MW超超临界锅炉技术特点简介. 电站系统工程. Vol.22
No.5. Sep,2006.P42-44
7.樊泉桂. 超临界和超超临界锅炉煤粉燃烧新技术分析. 电力设备. Vol.07 No.2.
Feb, 2006. P23-26。