超临界直流炉及其运行特性解析
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超临界机组发展、应用 及其运行特性
1 超临界机组及其发展
• 理论上认为,在水的状态参数达到临界点时 （压力22.129MPa、温度374.15℃），水 完全汽化会在一瞬间完成，即在临界点时 饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存 的二相区存在，二者的参数不再有区别。 由于在临界参数下汽水密度相等，因此在 超临界压力下无法维持自然循环即不能采 用汽包锅炉，直流锅炉成为唯一型式。
• 当燃水比（给水跟踪燃料流量的比例关系） 失调后，在一段相当长的时间里（非事故的 范围内），并不改变原来那三段受热面面积 的大小。
• 例如,增加给水流量，给水量的变化就破坏了原来的 平衡状态，汽包水位升高了；但由于燃料流量没有 变化，所以蒸发段的吸热量及其产生的蒸汽量可近 似认为不变。因为过热段的受热面是固定的，因此， 出口汽压、汽温都不会有什么变化，如同燃水比未 失调一样。
• 从各国的发展来看,高参数超超临界发电机组 是今后的发展方向。
• 欧盟为了发展超超临界发电技术先后制定了 若干研究计划，正在执行的Thermie计划 （先进的700℃燃煤电厂，1998～2014）， 计划建设参数为37.5MPa/700℃/720℃/720℃的 超超临界机组，主要目标是:使电厂的净效率 由47%提高到55%（对于低的海水冷却水温 度）或52%左右（对于内陆地区和冷却塔）； 降低燃煤电站的造价。
• 亚临界机组:蒸汽压力>16MPa • 超临界机组：蒸汽压力>22.1MPa • 超超临界机组：蒸汽压力>27MPa
(另一种方法是根据汽温来划分) 不同机组的效率对比
分类 参数
净效率 煤耗
亚临界 超临界
16~17MPa 538/538℃ 37~38%
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
24~28MPa 538/538℃ 40~41%
• 如果燃料方面的变化破坏了原来的平衡状态，比如 燃料量增加，蒸发段就会产生较多的蒸汽，但同时 过热段也吸收了较多的热量，所以可使汽温变化不 大，然而此时出口蒸汽压力和流量却都增加了。由 于给水流量没有改变，汽包中的部分水变成了多蒸 发的那部分蒸汽，所以汽包水位降低了。
• 从以上所述可以看出，在汽包锅炉中，水位是燃水 比是否失调的标志。用给水流量调节水位，实质上 起到了间接保持燃水比不变的作用。
D－水冷壁出口的蒸汽流量。 汽包锅炉的循环倍率一般为10～30。不同负荷时循环倍率也不同，负荷越低， 循环倍率越大。
• 汽包锅炉的蒸汽压力由燃烧率和汽轮机调节 汽门来控制。
• 汽包把整个锅炉的汽水流程分隔成三部分,即 加热段（省煤器）、蒸发段（水冷壁）和过 热段（过热器）。这三段受热面面积的大小 是固定不变的。汽包除作为汽水的分离装置 外，其中的存水和空间容积还作为燃水比失 调的缓冲器。
批百万千瓦级超超临界发电机组相继投入运
行，除达到很高可靠性外，其循环效率可达 到45%左右。
• 丹麦亦十分重视高参数超临界机组的发展,在
提高机组蒸汽参数的同时利用低温海水冷却 大幅提高机组效率。1998年投运的 Nordjylands电厂其机组参数为400MW ， 28.5MPa/580℃/580℃/580℃，机组效率高 达47%。2001年投运的AVV2电厂一台超超 临界机组，其机组效率高达49%，这是目前 世界上超超临界机组中运行效率最高的机组。
330~350g 310~320g
超超临界
30MPa以上 566/566℃ 44~46%
280~300g
• 大型超临界机组自1950年代在美国和德国开始投入 商业运行以来,发达国家积极开发应用高效超临界参 数发电机组。美国（169台）和前苏联（200多台） 是超临界机组最多的国家，而发展超超临界技术领 先的国家主要是日本、德国和丹麦。
• 德国是发展超超临界技术最早的国家之一，在早期 追求高参数，但后来蒸汽参数降低并长期稳定在 25MPa/545℃/545℃的水平上，其后蒸汽参数逐步 提高。2003年投产的Niederaussen电厂参数为 965MW，26MPa/580℃/600℃，设计热效率为 44.5%。
• 日本因能源短缺,燃料主要依赖进口，因此采 用超临界发电机组占总装机容量的60%以上。 1989年和1990年，日本的川越（Kawagoe） 电厂先后投运两台参数为700MW ， 31MPa/566℃/566℃/566℃。这是日本发展 超超临界发电技术的标志性机组。近年来一
超临界机组工作原理
• 超临界机组的汽水流程中既没有汽包,又没有炉水小循环回路。超临界机 组是由受热面以及连接这些受热面的管道所组成 。
给水泵
D
W
θsl
去汽机
加热段 蒸发段 过热段
• 超临界机组汽水流程示意图
• 给水泵强制一定流量的给水进入炉内，一次性流过加热段、蒸发段和过 热段，然后去汽轮机。它的循环倍率始终为1，与负荷无关。
• 日本进行了目标分别为 31.4MPa/593℃/593℃/593℃、31MPa/630℃/630℃ 和34.3MPa/649℃/593℃/593℃的超超临界机组研 发计划。力争将发电机组设计效率提高到45% 以上。
• 美国也正在组织和支持一项发展更高参数超 超临界发电机组的研究项目——“760℃”计划, 目标是研制适合蒸汽参数为38.5MPa/760℃ 的新合金材料，将超超临界机组的主蒸汽温 度提高到760℃的水平，从而大大提高超超 临界机组的效率。俄罗斯也设计了新一代的
• 给水泵出口水压通过三段受热面里的工质，直接影响出口汽压，所以超 临界机组的汽压是由给水压力、燃料流量和汽轮机调节汽门共同决定的。
• 超临界机组汽水流程中的三段受热面没有固定的分界线。在不同负荷时， 由于给水温度变化等原因，使三段受热面的吸热量分配比例及与之有关 的三段受热面面积之间的比例都发生了变化。
超超临界机组，蒸汽参数为30～ 32MPa/580～600℃/580～600℃，预计电站 的效率可达44%～46%。
2 超临界机组的工作原理
• 汽包锅炉的工作原理
省煤器
过热器
给水
去汽轮机
水泵 热量
下
水
降
冷
管
壁
热
量
汽包锅炉的汽水流程示意图
汽包锅炉的循环倍率K可用下式表示:K=W/D 式中,W－进入水冷壁的水流量；
1 超临界机组及其发展
• 理论上认为,在水的状态参数达到临界点时 （压力22.129MPa、温度374.15℃），水 完全汽化会在一瞬间完成，即在临界点时 饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存 的二相区存在，二者的参数不再有区别。 由于在临界参数下汽水密度相等，因此在 超临界压力下无法维持自然循环即不能采 用汽包锅炉，直流锅炉成为唯一型式。
• 当燃水比（给水跟踪燃料流量的比例关系） 失调后，在一段相当长的时间里（非事故的 范围内），并不改变原来那三段受热面面积 的大小。
• 例如,增加给水流量，给水量的变化就破坏了原来的 平衡状态，汽包水位升高了；但由于燃料流量没有 变化，所以蒸发段的吸热量及其产生的蒸汽量可近 似认为不变。因为过热段的受热面是固定的，因此， 出口汽压、汽温都不会有什么变化，如同燃水比未 失调一样。
• 从各国的发展来看,高参数超超临界发电机组 是今后的发展方向。
• 欧盟为了发展超超临界发电技术先后制定了 若干研究计划，正在执行的Thermie计划 （先进的700℃燃煤电厂，1998～2014）， 计划建设参数为37.5MPa/700℃/720℃/720℃的 超超临界机组，主要目标是:使电厂的净效率 由47%提高到55%（对于低的海水冷却水温 度）或52%左右（对于内陆地区和冷却塔）； 降低燃煤电站的造价。
• 亚临界机组:蒸汽压力>16MPa • 超临界机组：蒸汽压力>22.1MPa • 超超临界机组：蒸汽压力>27MPa
(另一种方法是根据汽温来划分) 不同机组的效率对比
分类 参数
净效率 煤耗
亚临界 超临界
16~17MPa 538/538℃ 37~38%
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
24~28MPa 538/538℃ 40~41%
• 如果燃料方面的变化破坏了原来的平衡状态，比如 燃料量增加，蒸发段就会产生较多的蒸汽，但同时 过热段也吸收了较多的热量，所以可使汽温变化不 大，然而此时出口蒸汽压力和流量却都增加了。由 于给水流量没有改变，汽包中的部分水变成了多蒸 发的那部分蒸汽，所以汽包水位降低了。
• 从以上所述可以看出，在汽包锅炉中，水位是燃水 比是否失调的标志。用给水流量调节水位，实质上 起到了间接保持燃水比不变的作用。
D－水冷壁出口的蒸汽流量。 汽包锅炉的循环倍率一般为10～30。不同负荷时循环倍率也不同，负荷越低， 循环倍率越大。
• 汽包锅炉的蒸汽压力由燃烧率和汽轮机调节 汽门来控制。
• 汽包把整个锅炉的汽水流程分隔成三部分,即 加热段（省煤器）、蒸发段（水冷壁）和过 热段（过热器）。这三段受热面面积的大小 是固定不变的。汽包除作为汽水的分离装置 外，其中的存水和空间容积还作为燃水比失 调的缓冲器。
批百万千瓦级超超临界发电机组相继投入运
行，除达到很高可靠性外，其循环效率可达 到45%左右。
• 丹麦亦十分重视高参数超临界机组的发展,在
提高机组蒸汽参数的同时利用低温海水冷却 大幅提高机组效率。1998年投运的 Nordjylands电厂其机组参数为400MW ， 28.5MPa/580℃/580℃/580℃，机组效率高 达47%。2001年投运的AVV2电厂一台超超 临界机组，其机组效率高达49%，这是目前 世界上超超临界机组中运行效率最高的机组。
330~350g 310~320g
超超临界
30MPa以上 566/566℃ 44~46%
280~300g
• 大型超临界机组自1950年代在美国和德国开始投入 商业运行以来,发达国家积极开发应用高效超临界参 数发电机组。美国（169台）和前苏联（200多台） 是超临界机组最多的国家，而发展超超临界技术领 先的国家主要是日本、德国和丹麦。
• 德国是发展超超临界技术最早的国家之一，在早期 追求高参数，但后来蒸汽参数降低并长期稳定在 25MPa/545℃/545℃的水平上，其后蒸汽参数逐步 提高。2003年投产的Niederaussen电厂参数为 965MW，26MPa/580℃/600℃，设计热效率为 44.5%。
• 日本因能源短缺,燃料主要依赖进口，因此采 用超临界发电机组占总装机容量的60%以上。 1989年和1990年，日本的川越（Kawagoe） 电厂先后投运两台参数为700MW ， 31MPa/566℃/566℃/566℃。这是日本发展 超超临界发电技术的标志性机组。近年来一
超临界机组工作原理
• 超临界机组的汽水流程中既没有汽包,又没有炉水小循环回路。超临界机 组是由受热面以及连接这些受热面的管道所组成 。
给水泵
D
W
θsl
去汽机
加热段 蒸发段 过热段
• 超临界机组汽水流程示意图
• 给水泵强制一定流量的给水进入炉内，一次性流过加热段、蒸发段和过 热段，然后去汽轮机。它的循环倍率始终为1，与负荷无关。
• 日本进行了目标分别为 31.4MPa/593℃/593℃/593℃、31MPa/630℃/630℃ 和34.3MPa/649℃/593℃/593℃的超超临界机组研 发计划。力争将发电机组设计效率提高到45% 以上。
• 美国也正在组织和支持一项发展更高参数超 超临界发电机组的研究项目——“760℃”计划, 目标是研制适合蒸汽参数为38.5MPa/760℃ 的新合金材料，将超超临界机组的主蒸汽温 度提高到760℃的水平，从而大大提高超超 临界机组的效率。俄罗斯也设计了新一代的
• 给水泵出口水压通过三段受热面里的工质，直接影响出口汽压，所以超 临界机组的汽压是由给水压力、燃料流量和汽轮机调节汽门共同决定的。
• 超临界机组汽水流程中的三段受热面没有固定的分界线。在不同负荷时， 由于给水温度变化等原因，使三段受热面的吸热量分配比例及与之有关 的三段受热面面积之间的比例都发生了变化。
超超临界机组，蒸汽参数为30～ 32MPa/580～600℃/580～600℃，预计电站 的效率可达44%～46%。
2 超临界机组的工作原理
• 汽包锅炉的工作原理
省煤器
过热器
给水
去汽轮机
水泵 热量
下
水
降
冷
管
壁
热
量
汽包锅炉的汽水流程示意图
汽包锅炉的循环倍率K可用下式表示:K=W/D 式中,W－进入水冷壁的水流量；