超临界锅炉的简介

超临界锅炉的简介

一. 锅炉的作用和要求

1、 锅炉的作用

锅炉（Boiler）是指利用燃料的燃烧热能或其他热能加热给水（或其他工质）以生产规

定参数和品质的蒸汽、热水（或其他工质、或其他工质蒸汽）的机械设备。用以发电的锅炉

称电站锅炉或电厂锅炉，又泛称为蒸汽发生器（Steam Generator）。

在电站锅炉中，通常将化石燃料（煤、石油、天然气等）燃烧释放出来的热能，通过受

热面的金属壁面传给其中的工质——水，把水加热成具有一定压力和温度的蒸汽。蒸汽驱动

汽轮机，把热能转变为机械能；汽轮机再带动发电机，将机械能转变为电能供给用户。

电站锅炉中的“锅”指的是工质流经的各个受热面，一般包括省煤器、水冷壁、过热器

及再热器等以及通流分离器件如联箱、汽包（汽水分离器）等；“炉”一般指的是燃料的燃

烧场所以及烟气通道，如炉膛、水平烟道及尾部烟道等。

2、 电力系统运行对电站锅炉提出的要求

电力是不能大规模储存的，所以对于电站锅炉来说，它的出力要随外界的负荷需要而变

化，这是发电厂生产的一个重要特点。电站锅炉要达到这一要求，就必须按照外界负荷需要

及时调整燃料量、风量以及给水量。尤其是现在趋向于大电网运行，电力需求的峰谷差可以

达到电网容量的50%左右，所以要求电站锅炉要具有很大的变负荷运行能力。

概括说来，对电站锅炉总的要求是即要安全稳定又要经济。因此，对电站锅炉的基本要

求有以下几点：

1）锅炉的蒸发量要满足汽轮发电机组的要求，能够在铭牌参数下长期运行，并具有较

强的调峰能力。

2）在宽负荷范围内运行时能够保持正常的汽温和汽压。

3）锅炉要具有较高的经济性。

4）耗用钢材量要少，以减少初投资，降低成本。

5）锅炉在运行中要具有较强的自稳定能力。

二. 锅炉的分类

锅炉的分类可以按循环方式、燃烧方式、排渣方式、运行方式以及燃料、蒸汽参数、炉

型、通风方式等进行分类，其中按循环方式和蒸汽参数的分类最为常见。

1、按循环方式分类

锅炉按照循环方式可分为自然循环锅炉、控制循环锅炉和直流锅炉。

自然循环锅炉：给水经给水泵升压后进入省煤器，受热后进入蒸发系统。蒸发系统包括

汽包、不受热的下降管、受热的水冷壁以及相应的联箱等。当给水在水冷壁中受热时，部分

水会变为蒸汽，所以水冷壁中的工质为汽水混合物，而在不受热的下降管中工质则全部为水。

由于水的密度要大于汽水混合物的密度，所以在下降管和水冷壁之间就会产生压力差，在这

种压力差的推动下，给水和汽水混合物在蒸发系统中循环流动。这种循环流动是由于水冷壁

的受热而形成，没有借助其他的能量消耗，所以称为自然循环。在自然循环中，每千克水每

循环一次只有一部分转变为蒸汽，或者说每千克水要循环几次才能完全汽化，循环水量大于

生成的蒸汽量。单位时间内的循环水量同生成蒸汽量之比称为循环倍率。自然循环锅炉的循

环倍率约为4～30。 控制循环锅炉：在循环回路中加装循环水泵，就可以增加工质的流动推动力，形成控制

循环锅炉。在控制循环锅炉中，循环流动压头要比自然循环时增强很多，可以比较自由地布

置水冷壁蒸发面，蒸发面可以垂直布置也可以水平布置，其中的汽水混合物即可以向上也可

以向下流动，所以可以更好地适应锅炉结构的要求。控制循环锅炉的循环倍率约为3～10。

自然循环锅炉和控制循环锅炉的共同特点是都有汽包。汽包将省煤器、蒸发部分和过热

器分隔开，并使蒸发部分形成密闭的循环回路。汽包内的大容积能保证汽和水的良好分离。

但是汽包锅炉只适用于临界压力以下的锅炉。

直流锅炉：直流锅炉没有汽包，工质一次通过蒸发部分，即循环倍率为1。直流锅炉的

另一特点是在省煤器、蒸发部分和过热器之间没有固定不变的分界点，水在受热蒸发面中全

部转变为蒸汽，沿工质整个行程的流动阻力均由给水泵来克服。如果在直流锅炉的启动回路

中加入循环泵，则可以形成复合循环锅炉。即在低负荷或者本生负荷以下运行时，由于经过

蒸发面的工质不能全部转变为蒸汽，所以在锅炉的汽水份离器中会有饱和水份离出来，分离

出来的水经过循环泵再输送至省煤器的入口，这时流经蒸发部分的工质流量超过流出的蒸汽

量，即循环倍率大于1。当锅炉负荷超过本生点以上或在高负荷运行时，由蒸发部分出来的

是微过热蒸汽，这时循环泵停运，锅炉按照纯直流方式工作。

2、按蒸汽参数分类

锅炉按照蒸汽参数分为低压锅炉（出口蒸汽压力，下同，≤2.45MPa）、中压锅炉（2.94～

4.90 MPa）、高压锅炉（7.8～10.8 MPa）、超高压锅炉（11.8～14.7 MPa）、亚临界压力锅炉

（15.7～19.6 MPa）、超临界压力锅炉（>22.1 MPa）和超超临界压力锅炉（>27 MPa）。

3、锅炉技术派系分类

在上世纪，美国、日本和一些欧洲国家已经形成了各具特色的三个技术派系，即承袭美

国Babcock and Wilcox（B&W）公司特色、承袭原美国Combustion Engineering（CE）公司

特色和承袭美国Foster Wheeler（FW）公司特色的三大派系。三大派系锅炉技术的主要特

点如下：

B&W派系 A、亚临界压力下的锅炉都采用自然循环锅炉；锅炉汽包内采用旋风分离器。

B、采用前墙、后墙或者对冲布置的旋流式燃烧器。

C、过热汽温和再热汽温多采用烟道挡板或烟气再循环调温。

D、对于超临界压力的锅炉采用欧洲本生式直流锅炉和通用压力锅炉。

CE派系 A、蒸汽压力在13.7MPa表压以下的采用自然循环，亚临界压力采用控制循

环汽包锅炉，汽包内采用轴流式汽水份离器；

B、采用角置切向燃烧摆动直流燃烧器；

C、过热汽温采用喷水调节，再热汽温采用摆动式燃烧器加微量喷水调节；

D、超临界压力采用苏尔寿直流锅炉和复合循环锅炉。

FW派系 A、亚临界压力下采用自然循环，汽包内部常用水平式分离器；

B、采用前、后墙或对冲布置旋流式燃烧器；

C、广泛采用辐射过热器，甚至炉膛内设置全高的墙式过热器或双面曝光的

过热器隔墙，用烟气挡板调温；

D、超临界压力采用FW－本生式直流锅炉。

另外德国因为自身的煤炭资源较丰富，煤种以褐煤具多，所以德国的锅炉技术发展相对

较独立，对于100MW以上机组均采用本生式直流锅炉，而且都考虑变压运行。

前苏联的锅炉技术发展道路也很具特色。他们不发展亚临界参数，超高压及以下均为自然循环锅炉，从300MW起均为超临界压力直流锅炉，且以拉姆辛锅炉为主。

4、其他分类

锅炉按燃烧方式可分为层式燃烧锅炉、悬浮燃烧锅炉、旋风燃烧锅炉和循环流化床锅炉。

对悬浮燃烧煤粉炉，按燃烧器可以分直流燃烧器和旋流燃烧器两种；按燃烧方式组织的不同，

又分四角（八角）切圆和前后墙对冲两种。常见的火焰型式有切向、墙式及对冲、U型、W

型等数种。

锅炉按使用燃料可分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉及燃用其他燃料（如油页岩、垃

圾、沼气等）锅炉。

锅炉按照排渣方式可分为固态排渣和液态排渣两种。固态排渣是指炉膛下部排出的灰渣

呈灼热的固态，落入排渣装置经冷却水粒化后排出。液态排渣指炉膛内的灰渣以熔融状态从

炉膛底部排出。上世纪50年代、60年代为强化燃烧和解决燃用低挥发分低灰熔点燃煤的困

难，液态排渣炉发展较快。但因燃烧温度高、排出NOX较多对环境保护不利、对煤种变化敏

感、运行可靠性易受影响等因素限制，现在发展基本停滞，大部分锅炉采用固态排渣方式。

锅炉按通风方式可分为平衡通风锅炉、微正压锅炉（2～4KPa）和增压锅炉。平衡通风

锅炉指的是进入锅炉的供风由风机提供，燃烧后的烟气经风机抽吸出去，炉膛燃烧室呈负压

状态（－50～－200Pa），现在大型电站锅炉基本都采用平衡通风方式。微正压锅炉炉壳密封

要求高，多用于燃油、燃气锅炉。增压锅炉炉内烟气压力高达1～1.5 MPa，多用于燃气－

蒸汽联合循环锅炉。

按锅炉型式分类，有Π型锅炉、“T”型、箱型锅炉、塔型锅炉以及D型锅炉等。Π型锅

炉是电站锅炉最常见的一种炉型，几乎适用于各种容量和不同燃料。箱型锅炉和D型锅炉主

要燃用重油和天然气。塔型锅炉更适用于多灰分烟煤和褐煤，德国此种炉型较多。

5、超临界锅炉分类

按水循环方式分，有纯直流超临界锅炉、复合循环超临界锅炉两种型式。按水冷壁管型

来分有光管、内螺纹管、来复线管三种，从传热角度出发，内螺纹和来复线管优于光管。按

水冷壁管组布置分有垂直、螺旋盘绕、盘绕加垂直 (复合式水冷壁)三种形式。

三. 锅炉的安全和经济指标

在火力发电厂中，锅炉是重要设备之一，它的安全性和经济性对于发电生产是非常重要

的。锅炉本身是高温高压的设备，一旦发生爆炸和破裂，将导致人员伤亡和重大设备损坏事

故，后果是很严重的。锅炉的构件繁多，尤其是锅炉的受热面工作条件恶劣，在运行中会发

生各种各样的事故。锅炉的附属设备也会发生故障，影响到锅炉的安全运行。另外，锅炉又

是耗费一次能源的大户，必须注意节约能源，提高锅炉运行的经济性。所有这些问题都需要

有一些指标来进行考核，以利于总结经验，对锅炉的设计、制造、安装、运行和检修提供可

靠的参考。

1、 锅炉的安全指标

锅炉运行的安全性指标不能进行专门的测量，而用下述几种指标来衡量：

1） 检修之间运行的小时数连续运行小时数＝两次

2） %100运小时数总运行小时数＋事故停事故停运小时数事故率＝ 3） %100统计期间总小时数小时数运行总小时数＋备用总可用率＝

锅炉事故率和可用率的统计期间，可以用一个适当长的周期来计算。原来我们国家大型

电站锅炉在正常情况下，一般两年安排一次大修和若干次小修。因此在统计时可以以一年或

两年作为一个统计期间。随着锅炉设计、制造、安装、运行以及检修水平的提高，现在大型

电站锅炉，尤其是600MW及以上容量的锅炉的大修周期都有不同程度的延长，达到三年或更

长。所以相应的事故率有下降而可用率上升。但如果按照机组容量来比较的话，则机组容量

越大，可用率会相应降低。

2、 锅炉的经济性指标

锅炉在运行中要耗用一定的燃料，每公斤燃料具有一定的热值。但是所耗用的热量未能

完全被利用，有些燃料未能完全燃烧，排出的烟气也带走热量等等。锅炉的经济性可用锅炉

效率和锅炉的投资来说明。

锅炉效率的定义为：锅炉每小时的有效利用热量与耗用燃料输入热量的百分比。

只用锅炉净效率来说明锅炉运行的经济性是不够的，因为锅炉效率只反应了燃烧和传热

过程的完善程度，但从火力发电厂的作用看，只有供出的蒸汽和热量才是锅炉的有效产品，

自用蒸汽消耗及排污水的吸热量并不向外供出，而是自身消耗或损失了。而且，要使锅炉能

正常运行，生产蒸汽，除使用燃料外，还要使其所有的辅助系统和附属设备正常运行，这也

需要消耗能源。因此，锅炉运行的经济指标，除锅炉效率外，还有锅炉净效率。

锅炉净效率是指扣除了锅炉机组运行时的自用能耗（热耗和电耗）以后的锅炉效率。

四. 超临界锅炉的特点

1、临界状态

超临界机组的过热器出口主蒸汽压力超过22.129Mpa。目前运行的超临界机组运行压力

均为24Mpa~25Mpa。水的临界点在相图上是饱和水线和饱和汽线的转化点。随着压力的升

高，饱和水转化成饱和蒸汽所需要的汽化潜热逐渐减少，理论上认为,在水的状态参数达到

临界点时(22.115MPa，374.15℃)，饱和水瞬间就可以完成向饱和蒸汽的转化，水的汽相和

液相之间的性质无差别。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