设计要求

超临界压力锅炉水冷盛与亚临界压力锅炉相比，超临界压力锅炉最大特点体现在水冷壁系统的设计方面。当代超临界压力锅炉水冷壁设计必需体现超临界、直流锅炉与变压运行的三大要素。水冷壁管圈型式、质量流速、热偏差、流量分配等都是超临界压力锅炉水冷壁设计的关键因素。

水冷壁管圈

超临界压力锅炉螺旋管圈水冷壁管与水平线成一定倾角，从锅炉底部沿炉膛四周螺旋式盘绕上升，直至炉膛上部折焰角与炉膛出口处为止，通常盘绕1~2圈，螺旋倾角在100~200之间。 垂直管圈与通常的锅筒式锅炉相似，从冷灰斗至炉顶水冷壁管均作垂直布置，并且为满足变压运行需要，往往采用小管径一次上升式管圈。这两种型式在当代大 容t超临界压力锅炉上都得到了广泛采用，二者在水 冷壁结构设计、制造和安装等方面各有优缺点，但只要设计合理，都可以满足锅炉运行性能的要求。 质t流速超临界压力锅炉水冷壁管内质量流速 的合理选取十分关键，是关系到锅炉安全经济运行的重要因素.对于螺旋管圈，可以通过合理选择管径、根数和姗旋倾角等来确定合理的质量流速。对于垂直管圈特别是一次上升式垂直管圈，一般只能采用较小管径来满足对质量流速的要求，而且还需要采用内螺纹管解决水冷壁高热负荷区传热。

为了更有效地提高火力发电厂的经济性，因此超临界压力锅炉采用了更高的汽温和更大的锅炉容积。 由于水和蒸汽的压力超过临界压力后不可能有汽水双相混合物共存，故超临界压力锅炉只能采用没有锅筒的直流锅炉。同时，超临界压力也体现了当代电站锅炉最先进的技术。与亚临界锅炉相比，蒸汽参数更高，因此在锅炉受压元件的设计时需要采用更高等级的材质，并需要更完善的强度设计和寿命分析；由于它是直流锅炉，因此其水冷壁系统的设计与锅筒式锅炉有很大区别，并且还需要设计一套起动系统；由于超临界压力锅炉往往采用变压运行，因此在锅炉性能设计时还要兼顾超临界和亚临界各种不同运行工况时的特点，保证锅炉安全经济运行。

超临界压力锅炉在高负荷超临界状态运行时，介质作单相强制流动，对炉膛内的热偏差比较敏感，在水冷壁并联管之间，介质温度或管壁温度会产生 较大差值，因此在水冷壁设计时要作热偏差判断和计算。在水冷壁上部，往往还设置中间混合联箱以减少工 质热偏差，防止水冷壁超温或产生过大温差应力. 流t分配现代大容量超临界压力锅炉，水冷壁 由成百上千根并联管子组成，介质在这些管子中作强 制一次性流动，为了保证水冷壁的安全运行，应特别注意并联各管间的流量分配，无论在超临界压力或亚临 界压力工作状态，每个水冷壁管中都需要保持足够的冷却流量，使水冷壁安全运行。

超临界压力锅炉起动系统因为超临界压力锅炉是直流锅炉，因此必需配备一套起动系统(见直流锅炉起动系统)，供锅炉在滑参数起动时分离由水冷壁产生的汽水混合物，将饱和燕汽通向过热器，水则通往除氧器水箱或其它可被利用的地方。当代超临界压力锅炉起动流量约为25%~35%锅炉最大连续蒸发量 (BMCR)。

自20世纪50年代以来，超临界压力锅炉一直处在发展和应用之中，至今全世界已有600多台大型超临界压力锅炉在电厂运行。超临界压力锅炉的可靠性指标已与亚临界压力锅炉相当。世界上生产和使用超临界压力锅炉最多的国家是前苏联、美国、日本和德国，已在运行的各国最大机组是1300 MW(美国)、1200 MW(俄国)、1000 MW （日本)和800 MW(德国).超临界机组的平均容量已 达600MW等级，最大锅炉的蒸发量达4433t/h。

设计参数最高的超临界压力锅炉以日本和德国最为先进，当代已投运的超超临界变压运行锅炉参数为31.5 MPa、569/569/569C，正在研制的有34. 5 MPa、620/ 625C参数的锅炉。

截至2013年8月，中国已有61台超临界压力锅炉在运行，这些锅炉的可靠性和经济性指标都已得到了证实，为中国发展国产超临界锅炉提供了经验。中国对超临界压力锅炉的研究已有十多年历史，在中国发展超临界压力锅炉不但技术上是可行的，经济上也是有利的，特别是在原料昂贵地区。

超临界压力锅炉用钢由于超临界压力锅炉特别 是超超临界压力锅炉的汽压、汽温都很高，在确定锅炉参数时首先要考虑高温过热器和高温再热器的用钢问题。当汽温超过540℃时，超临界压力锅炉高温段受热面就需要采用奥氏体钢种，这些钢材不但要有耐高温强度性能，而且还需要有抗高温氧化的良好性能。与同容量亚临界锅炉相比，超临界锅炉的各级受热面，通常采用较小直径和较好一档管材，旨在减小管壁厚度，适应调峰需要并延长使用寿命。

超临界压力水冷壁壁温可达到500℃以上甚至540℃，比亚临界压力高得多，因此需要采用合金钢，例如10CrMo910/P22、P91等相应等级的材料。 超临界压力锅炉变压运行现代大容量超临界锅炉都采用变压运行，超临界变压运行锅炉设计时要特别注意受压部件的疲劳寿命计算和分析，不但要对高温厚壁部件，还要对中温部件如水冷壁及其刚性梁等都要作专门计算。另外，也要注意锅炉总体性能设计和调温手段，以适应大的调峰范围。

炉膛水冷壁就是布置在炉膛四周的、管内流动介质一般为水或汽水两相混合物的受热面。若锅炉为蒸汽锅炉，水冷壁主要为蒸发受热面；若锅炉为热水锅炉或超临界压力锅炉．则水冷壁主要为加热受热面。

在自然循环锅炉炉膛内，如果管内工质向上流动，水冷壁也称上升管。水冷壁的基本作用为：①吸收炉膛内火焰的热量。由于炉内火焰温度较高，且烟速很低，因此这种吸热主要通过辐射方式来进行，在炉膛出口处将烟气的温度冷却到足够低的程度。②保护炉墙。由于水冷壁的存在，使得火焰只能部分或完全不接触炉墙，从而起到保护作用。除此之外，水冷壁还能起到悬吊炉墙、防止炉壁结渣等作用。

本书为普通高等教育“十一五”规划教材(高职高专教育)。

本书针对高职高专教育的需要，介绍了当前大机组电厂锅炉本体设备及系统运行。主要内容包括锅炉燃料特性、燃料燃烧空气量烟气量的确定方法、锅炉燃烧理论和燃烧设备、制粉系统、锅炉机组热平衡、锅炉蒸发系统及设备、过热器、再热器、省煤器、空气预热器的结构及工作特点等，并针对汽包锅炉和直流炉启动、停运和运行调整进行了介绍。书中增加了超临界/超超临界压力锅炉启动系统内容，所涉及的清洁燃烧理论和设备、直流炉设备系统及运行部分的内容，是在收集大量生产现场资料和系统设备图纸的基础上编写而成的，有利于学生对理论的理解和实践设备的认知，具有一定的独创性。

本书可作为高职高专电力技术类火电厂集控运行、电厂热能动力装置专业教材，也可供发电厂技术人员培训使用。

炉膛水冷壁管的外部腐蚀先在高压，液态排渣炉上发现，后来在其它超高压锅炉甚至在超临界压力锅炉的下辐射部分相继发现严重的外部腐蚀问题。事实上，任何容量参数型式的锅炉的炉膛水冷壁上都可能发生腐蚀。

腐蚀通常发生在燃烧器中心线位置标高上下,对于管子来说，向火侧的正面点腐蚀得最快，侧面较好，背面几乎不发生腐蚀，腐蚀速度高达2 mm/a，一般情况下为1.1～1.5 mm/a。目前，对这种高温腐蚀发生的机理还认识得不很清楚。但研究表明，发生腐蚀的管壁附近，没有例外地都是还原性气氛。并且当管壁温度超过300℃时，才发生腐蚀。温度越高，腐蚀越严重。H₂S及SO₂的浓度越高，腐蚀越严重。

防止或减轻水冷壁管腐蚀的措施有：

(1)燃料脱硫，如果能在进入炉膛前彻底脱除燃料中的硫分，则几乎不会产生高温腐蚀。但现有的技术水平，还不能实现。

(2)尽量减少H₂S及SO₂的产生，降低其浓度，可采用燃烧过程脱硫的办法。

(3)改善环境气氛，合理组织燃烧室的空气动力场，不使燃烧过程有局部的缺氧，抑制还原性气氛的产生。

(4)设法降低管壁温度，采用烟气再循环。

(5)在可能发生腐蚀的区域贴壁喷入空气流，形成保护膜。

(6)采用耐腐蚀的材料，如在水冷壁管上喷涂氧化铝等。