第二章 超临界锅炉的特性及本厂超超临界机组概述

第一节超临界直流锅炉的一些特性对于水和水蒸气而言，压力超过临界压力22.129MPa的状态，即为超临界状态，对应的饱和温度为374.15度。

采用超临界技术的机组的最大优势是大幅度提高了循环热效率，降低发电煤耗。

一、超临界直流炉的特点：直流锅炉依靠给水泵的压头将锅炉给水一次通过预热、蒸发、过热各受热面而变成过热蒸汽。

对于超临界直流炉一般有以下特点：超临界直流炉取消了汽包，且水冷壁的金属储热量及工质储热量小，即热惯性小，能快速启停，响应负荷的速率快；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，减少了金属耗量；因此锅炉本体金属消耗量小，锅炉质量小；但是由于参数较高，对金属材料的要求较高，总成本较高；水冷壁的流动阻力全部依靠给水泵克服，给水泵的功耗较大；为保证锅炉启动时的最小流量，特别设置了一套启动系统，在启动初期即相对于控制循环的一个汽包炉，回收工质和热量；汽温调节采用中间点温度作为超前信号，水煤比主调，喷水减温作为细调；直流炉由于不存在排污，故要求给水品质极高，且在启动阶段有一冷态冲洗和热态冲洗过程，以去除系统中的铁；由于变压运行，为防止传热恶化，任何情况下都必须限制水冷壁的壁温飞升；超临界直流炉对热工自动化程度要求极高。

二、超临界机组循环热效率超临界机组循环热效率除了汽轮机技术因素外，另一个主要因素就是锅炉的压降损失。

其中水冷壁的压降损失最大，限制其压降损失，采用限制质量流速的办法。

但是上面提到要有较高的质量流速，这是从锅炉的安全出发的，为此水冷壁管现一般采用内螺纹管，在很大程度上解决了这个问题。

而且还可在很大程度上消除炉膛热偏差对水冷壁的影响，克服了传热恶化。

特别是在炉膛高热负荷区域采用类螺纹管，可避免锅炉在亚临界压力下的膜态沸腾，也可推迟或避免超临界压力下的类膜态沸腾。

这在目前已经有了比较成熟的技术。

特别是对于带炉水泵的启动系统，在低负荷时有足够的流量并达到水冷壁冷却要求的质量流速，高负荷时质量流速也不至于过高。

三、超临界锅炉水冷壁工作特性：1、超临界压力下水冷壁管内工质温度随吸热量变化。

随着水冷壁吸热量的增加，管内工质温度不断提高。

2、水冷壁管内传热与工质物理特性密切相关。

在拟临界温度附近，随着工质吸热量增加，工质温度变化不大，比体积急剧变化导致膨胀量迅速增大，容易引起水动力不稳或流量分配不均；温导系数急剧变小，可能引起工质对管壁的传热恶化，导致类模态沸腾。

在这区域工质温度此时变化不大。

在该区域外，工质比热容很小，温度随吸热变化较大。

因此应该控制下辐射区水冷壁的吸热量，使大比热容区域避开受热最强的区域。

故应该调整好水煤比，控制好中间点温度，否则发生类膜态沸腾导致传热恶化时，管内工质温度并没有明显升高，但壁温出现大幅升高或壁温偏差增大。

类模态沸腾：大比热容区内，随着水冷壁管吸热量增加，靠近管子壁面处的流体温度提高，密度降低，温导系数降低，使传热性较差的流体与管壁接触，在热负荷较大时就可能导致水冷壁管壁冷却不良，以致发生传热恶化。

超临界压力下工质的大比热容特性：比热容温度比热容：单位质量的某种物质温度升高1℃吸收的热量叫做这种物质的比热容，简称：比热，用字母“c”表示。

是一个复合单位，是由质量、温度、热量的单位组合而成的。

在国际单位制中，比热的单位是焦耳/（千克·摄氏度）读作焦每千克摄氏度3、热强度越大的管子或管屏流量越小（强制流动与自然循环不同）。

因为随着吸热量增加，工质温度上升，导致工质比体积增大，流速提高，流动阻力相应增加，当工质流动阻力增加到与管组两端的压差相同时，受热强的管中工质流量就会自动减少。

故受热越强的管壁越危险。

所以要加强对水冷壁温度测点的监视。

这在运行过程中是经常出现的一个现象。

从现实运行经验来看，超临界直流锅炉水动力不稳定性多发生在机组低负荷且水冷壁热负荷分布不均的情况下。

水冷壁热负荷分布主要决定于火焰中心位置及受热面结焦和积灰等条件。

低负荷时，由于制粉系统的运行方式变化炉膛的火焰充满度肯定发生变化，一旦发生火焰中心的偏斜，就容易产生热偏差。

在热偏差的作用下，管屏间或管内流量重新分配，在热负荷高的管屏或管内，加热段变短，汽水两相流及蒸汽过热段变长，使流动阻力大幅增加，导致流量自动减少，从而超温，甚至可能导致水冷壁发生爆管。

4、变压运行时水冷壁工质跨越亚临界压力和临界压力然后过渡到超临界压力区。

由此可见，超临界直流炉对锅炉下部炉膛水冷壁及灰斗是有一定要求的，必须保证在各种负荷下均有足够的冷却能力，并能有效地补偿沿炉膛周界上的热偏差，水动力特性稳定。

有些锅炉配置的是螺旋管圈，作用是很明显的。

而有些锅炉配置一次上升内螺纹管垂直管屏水冷壁，加装了带有混合器和分配器的水冷壁中间联箱，以降低水冷壁下联箱出口的工质温度偏差（如浙江玉环电厂）。

所以对于带启动循环泵系统的锅炉，是可以完全满足低负荷水冷壁有足够的冷却能力的，以及足够的质量流速。

所以对于超临界锅炉水冷壁工质温度的控制是必须引起重视的。

蒸汽参数为25-26MPa之间的超临界锅炉，为了保证热强度最高的下辐射区水冷壁安全工作，应控制其出口工质温度最高不超过400℃。

因为对应这一蒸汽压力的下辐射区水冷壁的工作压力约为30MPa左右，对应的拟临界温度约为402℃左右。

对这的控制实际上是为了防止相变剧烈点下移到燃烧器区域，即防止工质对应压力下的大比热容区处于受热最强的燃烧器区域，防止发生类膜态沸腾，工质比体积急剧变化导致水动力多值性，引起超温。

还有一个问题就是水冷壁壁温温差，照理下辐射区水冷壁处于高热负荷区域，辐射吸热是比较强的，温升较大。

而上辐射区水冷壁辐射吸热就小多了，温升肯定小多了，那产生热偏差应该主要在下辐射区。

但从实际运行来看，水冷壁温差主要却体现在上水冷壁区域。

那是因为上辐射区水冷壁管内工质参数处于大比热容区，同时工质经过二次流量分配，且上辐射区水冷壁管内工质质量流速较低，致使其热偏差较大。

上面提到机组低负荷时水冷壁热负荷分布不均还有一个很重要的原因。

因为随着机组负荷降低，压力降低，至一定负荷时，水冷壁进入亚临界压力范围内（超临界也只是指的在一定的负荷之上），水冷壁管中的工质为汽水两相混合物，汽水比体积变化比较大，同时负荷的降低使得管内质量流速也降低，从而使并列运行的水冷壁的热偏差敏感性增强，金属温差增大。

所以在机组启动、运行过程中，加强对水冷壁各壁温测点的监视是十分重要的。

四、超临界锅炉中间点温度控制超临界锅炉有一个重要的参数控制，那就是中间点温度。

现在中间点温度一般取分离器出口温度。

在直流状态运行工况下，水冷壁中工质温度随吸热量的变化而变化，水冷壁出口工质温度的变化将直接影响过热汽温。

所以中间点温度作为控制过热汽温的超前信号及调节的参考温度。

另外，中间点温度的变化不仅与水冷壁的吸热量有关，而且与水冷壁进口工质温度和流量有关，可有效的防止水冷壁发生膜态沸腾或类膜态沸腾以及水冷壁管壁过热。

合理控制中间点温度首先一个关键就是合理调整水煤比，只有这样，才能有效的控制水冷壁管内的工质温度，避免燃烧最强的燃烧器区域水冷壁吸收过多的热量，防止发生传热恶化，从而使烟气温度高的区域保持较低的金属管壁温度，减轻金属高温腐蚀，提高水冷壁管的寿命和运行可靠性。

而且还可减小汽温调节的滞后时间，保持汽温在合理的范围之内。

为此，超临界直流炉采用了一个温度保护：中间点温度达℃时锅炉MFT，这相对于汽包炉的一个汽包水位保护。

当然，影响中间点的因素还有省煤器进口水温、煤质成分、燃烧调节、积灰和结焦程度、减温水量的变化、制粉系统的运行方式等等因素。

五、超临界锅炉汽温调整及特性超临界锅炉过热汽温的调整上，首先就应该是水煤比的调节，然后喷水减温、燃烧的调整、烟气挡板的调整、炉膛及烟道的吹灰等等，控制好中间点温度。

毕竟水煤比在直流炉上体现出了水冷壁吸热的多少，转而反应出过热器吸热的多少。

因此中间点温度是比较直观的反应出这些问题的，过高，肯定“煤多水少”，温度升高将没法控制，即使通过减温水控制住，由于喷进的减温水直接转化成蒸汽，在当时的情况下立即引起主汽压力的升高，负荷一定时必然导致煤量发生变化，从而炉膛燃烧产生较大扰动，同时也将导致水量发生变化，对机组的扰动就开始变大了。

如再调整不当，恶性循环下去汽温肯定将无法控制，而且将导致分离器出口温度高锅炉MFT。

而且过高时水冷壁出口管段成为过热器，也将危及水冷壁的安全运行；中间点温度过低，肯定“煤少水多”，温度降低将不好控制，有可能水冷壁出口段受热面工作在湿蒸汽区，锅炉在亚临界压力下工作时，有可能引起分离器带水运行，严重时可能导致过热器进水，严重影响机组安全。

而且汽温的大幅下降，将引起汽机产生进水的可能，汽机也只能打闸了。

再热汽温的调节基本上是采用烟气挡板、燃烧器摆角配以事故减温水等调节，这个应该是比较好理解的。

但是水煤比对其的影响也不小，因为水煤比的变化将直接影响炉膛水冷壁的吸热发生变化，必然导致烟气温度发生变化，从而直接影响到再热汽温。

当然再热汽温减温水大量的增加，必然导致中压缸做功能力增强，排挤高压缸的做功能力，使主汽压力上涨，影响到过热汽温发生变化，也将引起水和煤发生变化，产生扰动。

这就要求调整时比较及时，保证机组的汽压、汽温比较平稳。

同时再热汽温减温水大量的增加也影响机组经济运行，但从实际运行经验来看，烟气挡板对再热汽温的影响是比较滞后的，减温水调节是比较迅速的，这就产生了一个矛盾，原则上还是要在保证汽温的基础上尽量少使用减温水。

而且过、再热汽温的烟气挡板也是要求匹配调节的，并且尽量保持挡板比较大的开度，防止尾部受热面的积灰。

当然机组负荷的变化对汽温也存在影响，毕竟过、再热汽温的特性是不相同的。

也涉及到受热面的布置，现在的超临界直流机组一般过热汽温特性主要体现为辐射特性，而再热汽温特性主要体现为对流特性。

由于超临界压力下工作的水冷壁内工质温度随吸热量的增加而增加，所以燃烧方式、煤质的变化，引起炉膛辐射换热量的变化，而水冷壁储热小，热敏感性强，必然引起中间点温度变化，对汽温产生较大的影响。

燃烧方式前面已经提到，下面说一下煤质的影响。

例如煤的发热量由高到低的变化，为维持汽温及机组负荷，必然加煤，而此时我们应该及时调整水煤比，控制中间点温度合适。

但是煤的增加是比较缓慢的，且煤的影响比较滞后，在一定的时间内，炉膛的辐射吸热量减少，蒸发段后移，必然导致中间点温度降低，过热汽温下降。

从表面上看是煤增加了，水煤比变小了，即煤多水少，照理过热汽温应该上涨，为什么却下降了。

这里应该理解煤的增加只是一个量的增加而不是质的增加，折合成标准煤的话煤量应该是下降了。

如果能做到水煤比中的煤取的是煤的发热量，应该是最合理的，但是这是不可能实现的。

特别是煤质变化幅度比较大的情况，甚至达到水煤比的极限，那么过热汽温下降肯定是没法可调了，这在今后的运行中必须引起注意。