1、第五章 超臨界鍋爐工作原理及基本型式超臨界鍋爐的工作原理根據鍋爐蒸發系統中汽水混合物流動工作原理進行分類，鍋爐可分為自然循環鍋爐、強制循環鍋爐和直流鍋爐三種。若蒸發受熱面內工質的流動是依靠下降管中水與上升管中汽水混合物之間的密度差所形成的壓力差來推動，此種鍋爐為自然循環鍋爐；若蒸發受熱面內工質的流動是依靠鍋水循環泵壓頭和汽水密度差來推動，此種鍋爐為強制循環鍋爐；若工質一次性通過各受熱面，此種鍋爐為直流鍋爐。直流鍋爐是由許多管子并聯，然后再用聯箱連接串聯而成。它可以適用于任何壓力，通常用在工質壓力16MPa的情況，且是超臨界參數鍋爐唯一可采用的爐型。1.直流鍋爐的工作原理直流鍋爐依靠給水泵的壓頭

2、將鍋爐給水次通過預熱、蒸發、過熱各受熱面而變成過熱蒸汽。直流鍋爐的工作原理如圖5-1所示。 圖5-1直流鍋爐的工作原理示意圖在直流鍋爐蒸發受熱面中，由于工質的流動不是依靠汽水密度差來推動，而是通過給水泵壓頭來實現，工質一次通過各受熱面，蒸發量D等于給水量G，故可認為直流鍋爐的循環倍率KG/D1。直流鍋爐沒有汽包，在水的加熱受熱面和蒸發受熱面間，及蒸發受熱面和過熱受熱面間無固定的分界點，在工況變化時，各受熱面長度會發生變化。沿直流鍋爐管子工質的狀態和參數的變化情況示于圖5-2： 圖5-2 直流鍋爐管子工質的狀態和參數的變化情況圖5-2直流鍋爐管子工質的狀態和參數的變化阻力，工質的壓力沿受熱面長度

3、不斷降低；工質的焓值沿受熱面長度不斷增加；工質溫度在預熱段不斷上升，而在蒸發段由于壓力不斷下降，工質溫度不斷降低，在過熱段工質溫度不斷上升。2.直流鍋爐的特點2.1直流鍋爐的結構特點直流鍋爐無汽包，工質一次通過各受熱面，且各受熱面之間無固定界限。直流鍋爐的結構特點主要表現在蒸發受熱面和汽水系統上。直流鍋爐的省煤器、過熱器、再熱器、空氣預熱器及燃燒器等與自然循環鍋爐相似。2.2直流鍋爐適用于壓力等級較高的鍋爐根據直流鍋爐的工作原理，任何壓力的鍋爐在理論上都可采用直流鍋爐。但實際上沒有中、低壓鍋爐采用直流型，高壓鍋爐采用直流型的較少，超高壓、亞臨界壓力等級的鍋爐可較廣泛地采用直流型，而超臨界壓力的

4、鍋爐只能采用直流型。中低壓鍋爐容量較小，儀表較簡單，自動化控制水平較低，對給水品質的要求不高，自然循環工作可靠，在經濟上采用自然循環較合理。當壓力超過14MPa時，由于汽水密度差越來越小，采用自然循環的可靠性降低。自然循環鍋爐的最高工作壓力大約在1920MPa左右。當壓力等于或超過臨界壓力時，由于蒸汽的密度與水的密度一樣，汽水不能靠密度差進行自然循環，只能采用直流鍋爐。2.3直流鍋爐可采用小直徑蒸發受熱面管且蒸發受熱面布置靈活直流鍋爐采用小直徑管會增加水冷壁管的流動阻力，但由于水冷壁管內的流動為強制流動，且采用小直徑管大大降低了水冷壁管的截面積，提高了管內汽水混合物的流速，因此保證了水冷壁管的

5、安全。由于直流鍋爐內工質的流動為強制流動，蒸發管的布置較自由，允許有多種布置方式，但應注意避免在最后的蒸發段發生膜態沸騰或類膜態沸騰。在工作壓力相同的條件下，水冷壁管的壁厚與管徑成正比，直流鍋爐采用小管徑水冷壁且不用汽包，可以降低鍋爐的金屬耗量。與自然循環鍋爐相比，直流鍋爐通常可節省約2030的鋼材。但由于采用小直徑管后流動阻力增加，給水泵電耗增加，因此直流鍋爐的耗電量比自然循環鍋爐大。2.4直流鍋爐的給水品質要求高直流鍋爐沒有汽包，不能進行鍋內水處理，給水帶來的鹽分除一部分被蒸汽帶走外，其余將沉積在受熱面上影響傳熱，使受熱面的壁溫有可能超過金屬的許用溫度，且這些鹽分只有停爐清洗才能除去，因此

6、為了確保受熱面的安全，直流鍋爐的給水品質要求高。通常要求凝結水進行100的除鹽處理。2.5直流鍋爐的自動控制系統要求高直流鍋爐無汽包且蒸發受熱面管徑小，金屬耗量小，使得直流鍋爐的蓄熱能力較低。當負荷變化時，依靠自身爐水和金屬蓄熱或放熱來減緩汽壓波動的能力較低。當負荷發生變化時，直流鍋爐必須同時調節給水量和燃料量，以保證物質平衡和能量平衡，才能穩定汽壓和汽溫。所以直流鍋爐對燃料量和給水量的自動控制系統要求高。2.6直流鍋爐的啟停和變負荷速度快為了保證受熱面的安全工作，且為了減少啟動過程中的工質損失和能量損失，直流鍋爐須設啟動旁路系統。直流鍋爐由于沒有汽包，在啟停過程及變負荷運行過程中的升、降溫速

7、度可快些，啟停時間可大大縮短，鍋爐變負荷速度提高。超臨界鍋爐的基本形式 超臨界參數機組能夠較大幅度提高循環熱效率，降低發電煤耗，但同時需提高對金屬材料的要求和金屬部件的焊接工藝水平。目前超超臨界機組的蒸汽壓力已提高到2531MPa，溫度控制在540600之間。前蘇聯境內超臨界機組數量及總容量居世界首位，美國、德國、日本等國也擁有相當數量的超臨界機組，其中日本是世界上超臨界機組技術最先進的國家，其超臨界機組可實現變壓運行。1.早期直流鍋爐的型式在上世紀二十年代，瑞士、德國及前蘇聯就開始采用直流鍋爐。由于當時鍋爐的容量小，蒸汽參數低，且控制技術和水處理技術差，直流鍋爐的發展較慢。直到上世紀六十年代

8、，由于鍋爐向大容量、高參數發展，且采用了膜式水冷壁和滑參數運行，給水處理技術也得到提高，因此直流鍋爐得到較快發展。直流鍋爐的結構特點主要表現在蒸發受熱面和汽水系統兩方面上，根據蒸發受熱面的結構不同，早期直流鍋爐有三種基本型式，即多次串聯垂直上升管屏式(本生式)、回帶管圈式(蘇爾壽式)及水平圍繞上升管圈式(拉姆辛)式。這三種型式直流鍋爐的結構如圖5-3、圖5-4、圖5-5所示。 圖5-3垂直上升管屏式 1垂直管屏；2過熱器；3外置式過渡區；4省煤器；5空氣預熱器；6給水出口；7過熱蒸汽出口；8煙氣出口 圖5-4回帶管屏式 1水平回帶管屏；2垂直回帶管屏；3過熱蒸汽出口；4過熱器；5外置式過渡區；

9、6省煤器；7給水入口；8空氣預熱器；9煙氣出口 圖5-5水平圍繞管圈式 1省煤器；2爐膛進水管；3水分配集箱；4燃燒器；5水平圍繞管圈；6汽水混合物出口集箱；7對流過熱器；8壁上過熱器；9外置式過渡區；10空氣預熱器1.1本生式本生式直流鍋爐的蒸發受熱面由多組垂直布置的管屏構成，管屏又由幾十根并聯的上升管和兩端的聯箱組成。每個管屏寬1.22米，各管屏間用23根不受熱的下降管連接，相互串聯。本生式的直流鍋爐具有熱偏差不大、安裝組合率高、制造方便等優點；其缺點為金屬耗量較大、對滑壓運行的適應性較差。1.2蘇爾壽式蘇爾壽式直流鍋爐的蒸發受熱面由多行程回帶管屏構成。依據回帶迂回方式的不同可回帶。蘇爾壽

10、式鍋爐具有布置方便、金屬耗量較少優點。由于此種鍋爐很少采用中間聯箱，兩聯箱間的管子很長，管子間及管屏間的熱偏差很大；另外還具有制造困難、垂直升降回帶不易疏水排氣、水動力穩定性較差等缺點。1.3拉姆辛式拉姆辛式直流鍋爐的蒸發受熱面由多根并聯的水平或微傾斜管子沿爐膛周界盤旋而上構成。拉姆辛式直流鍋爐具有水動力較穩定、熱偏差較小、金屬耗量較少、疏水排氣方便，適宜滑壓運行等優點。但此種支吊困難，膨脹問題不易解決，現場組裝工作量大。2.現代直流鍋爐的型式現代直流鍋爐有三種主要型式：一次垂直上升管屏式（UP型）；爐膛下部多次上升、爐膛上部一次上升管屏式(FW型)；螺旋圍繞上升管屏式。2.1一次垂直上升管屏

11、式直流鍋爐(通用壓力鍋爐)美國拔柏葛鍋爐公司首先采用一次垂直上升管屏式直流鍋爐(UP型)，此種鍋爐是在本生鍋爐的基礎上發展而來的，鍋爐壓力既適用于亞臨界也適用于超臨界。水冷壁有三種型式：適用于大容量的亞臨界壓力及超臨界壓力鍋爐的一次上升型；適用于較小容量的超臨界鍋爐的上升上升型；適用于較小容量亞臨界壓力鍋爐的雙回路型。由于一次上升型垂直管屏采用一次上升，各管間壁溫差較小，適合采用膜式水冷壁；一次上升垂直管屏有一次或多次中間混合，每個管帶入口設有調節閥，質量流速約為20003400kg(m2.s)，可有效減少熱偏差；一次上升型垂直管屏還具有管系簡單、流程短、汽水阻力小、可采用全懸吊結構、安裝方便

12、的優點。但由于一次上升型垂直管屏具有中間聯箱，不適合于作滑壓運行，特別適合于600MW及以上的帶基本負荷的鍋爐。圖5-6為上海鍋爐廠生產的第二代300MW鍋爐。該鍋爐容量為1025th，額定壓力為1666MPa。水冷壁為一次上升型，平均質量流速為2020kg(m2.s)。冷灰斗采用22X5.5光管，下中輻射區采用25X6光管、下輻射四個切角管屏采用25X7內螺紋管。各級間混合充分，兩相流動在混合器及分配箱中汽液分配較均勻。 圖56 1025t/h亞臨界壓力直流鍋爐 1前屏過熱器；2后屏過熱器；3高溫過熱器；4第二級再熱器；5第一級過熱器；6低溫再熱器引出管；7低溫過熱器；8省煤器；9調節擋板；

13、10空氣預熱器2.2螺旋式水冷壁直流鍋爐此種鍋爐是西德等國為適應變壓運行的需要發展起來的一種型式。水冷壁采用螺旋圍繞管圈，由于管圈間吸熱較均勻，在蒸汽生成途中可不設混合聯箱，因此鍋爐滑壓運行時不存在汽水混合物分配不均問題。 圖5-7 265MW的蘇爾壽螺旋式水冷壁直流鍋爐布置圖。空氣預熱器；2大梁；3省煤器進口聯箱；4空氣及煙氣擋板；5省煤器；6環形風道；7第一級再熱器；8末級過熱器；9第二級再熱器；10屏式過熱器；11中間混合聯箱；12測流量管；13螺旋式水冷壁；14啟動熱交換器；15燃燒器；16煙氣再循環風機圖57 265MW機組的蘇爾壽螺旋式水冷壁直流鍋爐，由于螺旋管圈承受荷重的能力差，

14、有時在鍋爐上部采用垂直上升管屏。圖58為上海石洞口二廠引進的600MW機組鍋爐簡圖。該鍋爐為中國的首次采用的超臨界參數鍋爐，水冷壁下部采用螺旋圍繞管圈，上部采用一次上升垂直管屏，兩者間采用中間混合聯箱。鍋爐壓力隨負荷而變，在034負荷時，鍋爐壓力為10.2MPa；在3489時，鍋爐壓力為10.225.1MPa；在89100負荷時，鍋爐壓力為25.125.4MPa。石洞口二廠600MW機組于1992年投入運行，運行初期測得的發電煤耗率為281.2g(kWh)，熱效率為42，顯示了明顯的經濟效率。 圖58石洞口二廠引進的600MW機組鍋爐簡圖1爐膛灰斗；2螺旋水冷壁；3過渡件；4垂直水冷壁；5折焰

15、角及管屏；6延伸側墻；7A尾部包覆管及管屏；7B爐頂管；8省煤器；9大屏過熱器；10后屏過熱器；11末級過熱器；12一級再熱器；13末級再熱器；14汽水分離器；15集箱； 16連接導管2.3爐膛下部多次上升，上部一次上升管屏式直流鍋爐(FW型)爐膛下部多次上升、上部一次上升管屏式直流鍋爐是美國福斯特蕙勒（FW）公司以本生型鍋爐為基礎發展起來的一種型式。該類型鍋爐的蒸發受熱面采用較大管徑，由于爐膛下部熱負荷較高，通常下部采用23次垂直上升管屏，使每個流程的焓增量減少，且各流程出口的充分混合可以減少管子間的熱偏差；而爐膛上部熱負荷低，且工質比容大，故采用一次上升管屏。爐膛上、下部間由于采用了中間混

16、合，故不適合滑壓運行。此種類型鍋爐適合300600MW容量的機組。圖59為600MW的FW型燃油超臨界壓力直流鍋爐爐膛受熱面布置圖。 圖59 600MW鍋爐的FW型直流鍋爐爐膛受熱面布置圖3DG3000/26.15-1型鍋爐的型式鄒縣1000MW超超臨界鍋爐采用日本BHK公司技術，由BHK進行性能設計并提供鍋爐的性能保證，東方鍋爐（集團）股份有限公司和東方-日立鍋爐有限公司共同進行鍋爐的基本設計、技術設計、施工設計和鍋爐制造供貨。DG3000/26.15-1型鍋爐是復合變壓運行的超超臨界本生直流鍋爐，一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道結構，采用煙氣擋板調節再熱汽溫，固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、平

17、衡通風、露天布置、前后墻對沖燃燒，燃用濟北礦區煤。爐膛水冷壁分上下兩部分，下部水冷壁采用全焊接的螺旋上升膜式管屏，螺旋水冷壁管采用了內螺紋管，上部水冷壁采用全焊接的垂直上升膜式管屏，螺旋水冷壁與上部垂直水冷壁的過渡方式采用中間混合集箱形式。螺旋管圈水冷壁部分，剛性梁由垂直剛性梁和水平剛性梁構成網格結構，剛性梁體系及爐墻等的自重荷載完全由垂直搭接板支吊，采用了可膨脹的帶張力板的垂直剛性梁支承系統，下部爐膛和冷灰斗的荷載能傳遞給上部垂直水冷壁。剛性梁和水冷壁之間相互不直接焊接，可以相對滑動。爐膛水冷壁采用懸掛結構，整個水冷壁和承壓件向下膨脹，由于水冷壁的四周壁溫比較均勻，因此水冷壁與垂直搭接板之間

18、相對脹差較小，剛性梁與水冷壁相對滑動。爐膛寬度為33973.4mm，深度為15558.4mm，高度為64000mm。水冷壁中介質向上流動。冷灰斗的角度為55°，除渣口的喉口寬度為1289.7mm。從水冷壁進口到折焰角下一定距離的爐膛下部水冷壁（包括冷灰斗水冷壁）采用螺旋盤繞膜式管圈，中部螺旋水冷壁管的傾角為23.578°，螺旋盤繞膜式管圈均采用材料15CrMo、厚度6.4mm、雙面坡口扁鋼。水冷壁前墻和側墻螺旋管與垂直管的管數比為1：2。后墻的螺旋管與前墻、側墻有所不同，每兩根螺旋管有一根直接上升為垂直水冷壁，垂直水冷壁進口集箱引出的管子數與螺旋管數之比為1：1。上爐膛水冷壁采用結構和制造較為簡單的垂直管屏，由上部管屏、折焰角管屏、水平煙道包墻管屏和凝渣管四部分組成。水冷壁出口工質匯入上部水冷壁出口集箱