第一讲 超临界锅炉概述

压力/bar
超临界 亚临界
温度/℃
水分子密度与压力、温度关系
水和汽之间的区别仅在于 分子间距离



水和汽之间的区 别仅仅是分子间 距离 分子间距离在一 定距离范围内就 称为水 分子间距离超过 这个界限就称为 汽
压力/bar
超临界 亚临界
温度/℃
水分子密度与压力、温度关系
微观解释

临界或超临界压力下，温度较低时，水分 子之间的距离紧密，处于液态水的状态。随着 温度的升高，分子动能增大，分子间距离逐渐 变大，宏观上看就是水的体积膨胀，或比容增 大。当达到临界温度时，分子之间的距离大于 液体水分子之间距离的上限，则水在这瞬间就 全部由水变成了蒸汽，之后的加热过程中，水 蒸汽温度升高，分子间距离继续增大，宏观上 水蒸气体积膨胀，比容变大。

四、超临界锅炉有什么优势
一、热效率高，节约燃料 朗肯循环热效率随主蒸汽压力、温度的 升高而提高，超临界压力机组比亚临界 机组热效率提高2—3%。

2003年度全国超临界机组运行经济指标统计数据
电厂名称
容量 MW 300
320 500
供电煤耗 g/kWh 324.5
337.2 329.5
发电煤耗 g/kWh 309.8
现场水冷壁的布置图
性能优越、成熟可靠的水冷壁
自由选择管子尺寸和数量：
布置与选择管径灵活，易于
获得足够的质量流速
螺旋管圈水冷壁所需管子根数 和管径，可通过改变管子水平倾斜 角度来调整，使之获得合理的设计 值，以确保锅炉安全运行与水冷壁 自身的刚性。
管子根数大大减少，而且这种 减少水冷壁管子根数的办法不加大 管子之间的节距，使管子和肋片的 金属壁温在任何工况下都安全。
二、 “超临界”是什么意思？
当流体的压力和温度超过一定的值（临 界点）时，流体会处于一种介乎于液态 和气态的中间态，称为超临界态。 对锅炉来说,主蒸汽压力超过（大于）临 界点压力（22.12MPa)的工况

超临界压力下朗肯循环过程的T—S图
三、超临界锅炉和直流锅炉 是一Βιβλιοθήκη Baidu事吗


超临界锅炉－－从压力上 分类 直流锅炉－－从有无汽包 分类 超临界锅炉一定是直流锅 炉 直流锅炉不一定是超临界 锅炉，可以是亚临界或以 下压力锅炉．
垂直水冷壁进口 螺旋水冷壁出口 螺旋水冷壁
内螺纹螺旋管圈水冷壁: 管间吸热偏差小，适应变压运行
水冷壁出口 介质温度 热负荷
流向
流向
燃烧器
燃烧器
燃烧器
燃烧器
前墙
侧墙
后墙
侧墙
前墙
侧墙
后墙
侧墙
垂直管布置水冷壁
螺旋上升式水冷壁
螺旋管在盘旋上升的过程中，每根管子都经过炉膛下部高热负 荷区域的整个周界，途经宽度方向不同热负荷分布的区域。因 此，螺旋管的每个管子，以整个长度而言，热偏差很小
16.给水品质要求高

直流锅炉要求的给水品质高，要求凝结 水进行100％的除盐处理。
17.控制系统复杂

控制系统复杂，调节装置的费用较高。
六、国产超临界锅炉主要特点
1.采用П型布置形式 2.螺旋管圈水冷壁 ３.采用前后墙对冲燃烧方式
４.采用新型低氮旋流燃烧器 ５.采用回转式空气预热器
６.采用直吹式制粉系统 ７.采用轴流式风机

12.水冷壁可灵活布置

水冷壁可灵活布置，可采用螺旋管圈或 垂直管屏水冷壁。采用螺旋管圈水冷壁 有利于实现变压运行。
13.热偏差影响大
超临界压力直流锅炉水冷壁管内工质温 度随吸热量而变，即管壁温度随吸热量 而变。 因此，热偏差对水冷壁管壁温度的影响 作用显著增大。

14.存在传热恶化的可能
足够的裕量 Margin Sufficient
1,500
1,000
500 内螺纹管 Tube 2000 2500 3000 3500
主蒸汽流量, t/h
内螺纹螺旋管圈水冷壁:充分均匀混合的中间过渡水冷壁
螺旋水冷壁
垂直水冷壁
垂直水冷壁入口集箱
混合集箱
半炉膛混合，减少吸热偏差小，适应变压运行
垂直水冷壁
五、直流锅炉的技术特点
1.取消汽包，能快速启停。

与自然循环锅炉相比，直流炉从冷态启 动到满负荷运行，变负荷速度可提高一 倍左右。
2.压力适应性广

适用于亚临界和超临界以及超超临界压 力锅炉。
3.金属耗量少

锅炉本体金属消耗量最少，锅炉重量轻。 一台300MW自然循环锅炉的金属重量约 为5500t～7200t，相同等级的直流炉的 金属重量仅有4500t～5680t，一台直流 锅炉大约可节省金属2000t。加上省去了 汽包的制造工艺，使锅炉制造成本降低。
S 水的临界点 临界点 T


饱和水线
饱和汽线

常见困惑：水和蒸汽没有区别的状态 是怎样的？



压力越高，水蒸汽分子间 的距离和液体水分子间的 距离的差距越小 从而使得水和水蒸汽之间 的物性差别随着压力升高 越来越小 直至达到临界压力时，水 和水蒸汽没有差别，在同 一温度下，要么全部是水， 要么全部为气（其实是很 “稠密”的蒸汽）。
汽温调节的主要方式是调节燃料量与给 水量之比，辅助手段是喷水减温或烟气 侧调节。 由于没有固定的汽水分界面，随着给水 流量和燃料量的变化，受热面的省煤段、 蒸发段和过热段长度发生变化，汽温随 着发生变化，汽温调节比较困难。

11.容易发生水动力不稳定
低负荷运行时，给水流量和压力降低， 受热面入口的工质欠焓增大，容易发生 水动力不稳定。 由于给水流量降低，水冷壁流量分配不 均匀性增大；压力降低，汽水比容变化 增大；工质欠焓增大，会使蒸发段和省 煤段的阻力比值发生变化。
变压运行的超临界参数直流炉，在亚临 界压力范围和超临界压力范围内工作时， 都存在工质的热膨胀现象。 在亚临界压力范围内可能出现膜态沸腾； 在超临界压力范围内可能出现类膜态沸 腾。

15.启停速度受汽机限制

启停速度和变负荷速度受过热器出口集 箱的热应力限制，但主要限制因素是汽 轮机的热应力和胀差。
直流炉可以适用于任何压 力，但如果压力太低，则 不如自然循环锅炉，所以 一般应用在P≥16MPa的锅 炉上。当然超（超）临界 参数锅炉必须采用直流型 式
循环倍率
超临界压力锅炉水冷壁出口蒸汽干度为１； 亚临界压力汽包锅炉水冷壁出口蒸汽干度为 ０.１６－０.２５； 超高压汽包锅炉水冷壁出口蒸汽干度为０.１ ２５－０.２。
4.水泵压头高

水冷壁的流动阻力全部要靠给水泵来克 服，这部分阻力约占全部阻力的25％～ 30％。所需的给水泵压头高，既提高了 制造成本，又增加了运行耗电量。
5.需要专门的启动系统

直流锅炉启动时约有30％额定流量的工 质经过水冷壁并被加热，为了回收启动 过程的工质和热量并保证低负荷运行时 水冷壁管内有足够的重量流速，直流锅 炉需要设置专门的启动系统，而且需要 设置过热器的高压旁路系统和再热器的 低压旁路系统。加上直流锅炉的参数比 较高，需要的金属材料档次相应要提高， 其总成本不低于自然循环锅炉。
1.采用П型布置形式
П型布置是传统普遍采用的方式， 烟气由炉膛经水平烟道进入尾部烟 道，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。
锅炉∏型布置和塔型布置的比较
布置简图
世 • 界上烟煤型锅炉典型布置 概念 日 • 本超临界燃煤锅炉均采用此种布 置方式 适 • 合600MW-1050MW超临界燃煤 变压锅炉
600MW超临界机组
技术专题介绍1
超临界锅炉技术概述
郑州电力高等专科学校
杨建华
引子
前面展示的就是超临界机组，它是近几年 来迅速发展的一种大型燃煤火力发电机组。 我们在学习中可能会有以下问题：

– 1. 超临界锅炉中的“超临界”是什么意思？它 和直流锅炉是一回事吗？ – 2.超临界锅炉有什么优势？ – 3.超临界锅炉有什么特点？和亚临界机组有什 么不同的地方？
主 • 要用于褐煤型锅炉 -高灰份 缺 • 乏1000MW超临界燃煤变压锅炉经验 需 • 研究大容量超临界锅炉可靠性
业绩
结构与安装
具 • 备成熟的结构技术及众多业绩， 可靠性高 煤 • 适应性好（采挡板调节再热汽温）
性能及运行
再 • 热器采用喷水及燃烧器摆动调温，对经 济性和煤适应性有影响。
DBC/BHK/BHDB
内螺纹螺旋管圈水冷壁: 采用内螺纹管，提高水冷壁安全裕度
技术特点：
35
30%MCR 50％THA 70%THA MCR BRL
4,500
采用管螺旋管圈
控制合理的设计平均质量流速， 防止亚临界状态下的传热恶化，提 高高负荷下的安全裕度。
30
4,000
省煤器进口压力 3,500 25 过热器出口压力 3,000 设计平均 20
2.螺旋管圈水冷壁
对于超临界变压运行锅炉，螺旋管圈 水冷壁是首先应用于超临界变压运行锅 炉的水冷壁型式。
炉膛水冷壁采用螺旋管圈＋垂直管圈 方式【即下部炉膛的水冷壁采用螺旋管 圈（内螺纹管），上部炉膛的水冷壁为 垂直】，保证质量流速符合要求。 水冷壁采用全焊接的膜式水冷壁 水冷壁采用一次中间混合联箱来实现 螺旋管至垂直水冷壁管的过渡
8.热惯性小


水冷壁的金属储热量和工质储热量最小，即热 惯性最小，使快速启停的能力进一步提高，适 用机组调峰的要求。 但热惯性小也会带来问题，它使水冷壁对热偏 差的敏感性增强。当煤质变化或炉内火焰偏斜 时，各管屏的热偏差增大，由此引起各管屏出 口工质参数产生较大偏差，进而导致工质流动 不稳定或管子超温。
采用较高质量流速设计，且进口不需装设节流圈，螺旋管圈 水冷壁的传热、流量分配和介质出口温度等不会受到燃烧器、 磨煤机切换等工况的影响 。对煤种变化、炉膛结渣以及机组 负荷变化所引起的吸热量的变化适应性好，变负荷、变压运 行能力强
主要内容
一、“临界点”是怎么回事 二、 “超临界”是什么意思？ 三、超临界锅炉和直流锅炉是一回事吗 四、超临界锅炉有什么优势 五、直流锅炉的技术特点 六、国产超临界锅炉主要特点

一、“临界点”是怎么回事
一、“临界点”

水在加热过程中存在一个状态 点——临界点 低于临界点压力，从低温下的水 加热到过热蒸汽的过程中要经过 汽化过程，即经过水和水蒸汽共 存的状态； 而如果压力在临界压力或临界压 力以上时，水在加热的过程中就 没有汽水共存状态而直接从水转 变为蒸汽。 临界点的主要影响参数是压力， 水的临界点压力为22.115MPa。
320.7 3l1.2
厂用电 率% 4.53
4.90 5.55
华能南京电厂
华能营口电厂 华能伊敏电厂
国华盘山电厂
石洞口电厂 绥中电厂
500
600 800
331.O
308.2 329.2
3l1.1
297.1 3l2.9
6.0
3.6 4.93

二、污染排放低，保护环境
– 低NOx排放 – 低CO2排放
6.需要汽水分离器

系统中的汽水分离器在低负荷时起汽水 分离作用并维持一定的水位，在高负荷 时切换为纯直流运行，汽水分离器作为 通流承压部件。
7.需要较高的质量流速

为了达到较高的质量流速，必须采用小 管径水冷壁。这样，不但提高了传热能 力而且节省了金属，减轻了炉墙重量， 同时减小了锅炉的热惯性。
内螺纹螺旋管圈水冷壁: 不需设置水冷壁进口节流圈
垂直水冷壁 + 内螺纹管 螺旋水冷壁 + 内螺纹管
炉膛水冷壁型式
流量调整困难 (进口节流圈)
采用高质量流速，且质量流速可 以自由调整。
负荷变化 和煤种变 化适应性 对比
节流圈为针对锅炉某一负荷、某一煤种而设计。 由于节流圈的固有特性，对所有负荷进行流量 合理分配、调节较为困难；机组运行一段时间， 节流圈将不可避免地结垢，偏离设计值。对煤 种变化、炉膛结渣等所引起的炉膛热负荷变化 适应性较差。
压力, MPag 质量流速 (kg/m2s)
质量流速
2,500
15
2,000
选取较高的质量流速
较高的流速可以确保更高的传热 性能和流动可靠性，确保水冷壁有 较高的安全性和较大的安全裕度。
结论：通过采用内螺纹管及选取合适的质量流 速，水冷壁安全裕度得到极大的提高，汽水阻 力仅增加约10%。
10 光管 5 临界质量流速 0 0 500 1000 1500
9.流动阻力大
为保证足够的冷却能力和防止低负荷下 发生水动力多值性以及脉动，水冷壁管 内工质的重量流速在MCR负荷时提高到 2000㎏/（㎡·s）以上。加上管径减小的 影响，使直流锅炉的流动阻力显著提高。 600MW以上的直流锅炉的流动阻力一般 为5.4MPa～6.0MPa。

10.汽温调节