超臨界壓力鍋爐

超臨界壓力鍋爐是指主蒸汽壓力超過臨界壓力22.12 MP的鍋爐。通常大容量超臨界壓力鍋爐的主蒸汽壓力定在24.5 MPa左右。當主蒸汽壓力達到25~31MPa時，又稱為超超臨界壓力鍋爐(ultra super critical Pressure boiler)。

基本介紹

• 中文名：超臨界壓力鍋爐
• 外文名：supercritical pressure boiler
• 特點：主蒸汽壓力超過臨界壓力22.12 MP
• 技術體現：超臨界壓力
• 技術關鍵：水冷壁系統的設計
• 技術優勢：更高的汽溫和更大的鍋爐容積

鍋爐簡介

為了更有效地提高火力發電廠的經濟性，因此超臨界壓力鍋爐採用了更高的汽溫和更大的鍋爐容積。 由於水和蒸汽的壓力超過臨界壓力後不可能有汽水雙相混合物共存，故超臨界壓力鍋爐只能採用沒有鍋筒的直流鍋爐。同時，超臨界壓力也體現了當代電站鍋爐最先進的技術。與亞臨界鍋爐相比，蒸汽參數更高，因此在鍋爐受壓元件的設計時需要採用更高等級的材質，並需要更完善的強度設計和壽命分析；由於它是直流鍋爐，因此其水冷壁系統的設計與鍋筒式鍋爐有很大區別，並且還需要設計一套起動系統；由於超臨界壓力鍋爐往往採用變壓運行，因此在鍋爐性能設計時還要兼顧超臨界和亞臨界各種不同運行工況時的特點，保證鍋爐安全經濟運行。

超臨界壓力鍋爐

發展現狀

自20世紀50年代以來，超臨界壓力鍋爐一直處在發展和套用之中，至今全世界已有600多台大型超臨界壓力鍋爐在電廠運行。超臨界壓力鍋爐的可靠性指標已與亞臨界壓力鍋爐相當。世界上生產和使用超臨界壓力鍋爐最多的國家是前蘇聯、美國、日本和德國，已在運行的各國最大機組是1300 MW(美國)、1200 MW(俄國)、1000 MW （日本)和800 MW(德國).超臨界機組的平均容量已 達600MW等級，最大鍋爐的蒸發量達4433t/h。

設計參數最高的超臨界壓力鍋爐以日本和德國最為先進，當代已投運的超超臨界變壓運行鍋爐參數為31.5 MPa、569/569/569C，正在研製的有34. 5 MPa、620/ 625C參數的鍋爐。

截至2013年8月，中國已有61台超臨界壓力鍋爐在運行，這些鍋爐的可靠性和經濟性指標都已得到了證實，為中國發展國產超臨界鍋爐提供了經驗。中國對超臨界壓力鍋爐的研究已有十多年歷史，在中國發展超臨界壓力鍋爐不但技術上是可行的，經濟上也是有利的，特別是在原料昂貴地區。

水冷壁系統

設計要求

超臨界壓力鍋爐水冷盛與亞臨界壓力鍋爐相比，超臨界壓力鍋爐最大特點體現在水冷壁系統的設計方面。當代超臨界壓力鍋爐水冷壁設計必需體現超臨界、直流鍋爐與變壓運行的三大要素。水冷壁管圈型式、質量流速、熱偏差、流量分配等都是超臨界壓力鍋爐水冷壁設計的關鍵因素。

水冷壁管圈

超臨界壓力鍋爐螺旋管圈水冷壁管與水平線成一定傾角，從鍋爐底部沿爐膛四周螺旋式盤繞上升，直至爐膛上部折焰角與爐膛出口處為止，通常盤繞1~2圈，螺旋傾角在100~200之間。 垂直管圈與通常的鍋筒式鍋爐相似，從冷灰斗至爐頂水冷壁管均作垂直布置，並且為滿足變壓運行需要，往往採用小管徑一次上升式管圈。這兩種型式在當代大 容t超臨界壓力鍋爐上都得到了廣泛採用，二者在水 冷壁結構設計、製造和安裝等方面各有優缺點，但只要設計合理，都可以滿足鍋爐運行性能的要求。 質t流速超臨界壓力鍋爐水冷壁管內質量流速 的合理選取十分關鍵，是關係到鍋爐安全經濟運行的重要因素.對於螺旋管圈，可以通過合理選擇管徑、根數和姍旋傾角等來確定合理的質量流速。對於垂直管圈特別是一次上升式垂直管圈，一般只能採用較小管徑來滿足對質量流速的要求，而且還需要採用內螺紋管解決水冷壁高熱負荷區傳熱。

注意事項

超臨界壓力鍋爐在高負荷超臨界狀態運行時，介質作單相強制流動，對爐膛內的熱偏差比較敏感，在水冷壁並聯管之間，介質溫度或管壁溫度會產生 較大差值，因此在水冷壁設計時要作熱偏差判斷和計算。在水冷壁上部，往往還設定中間混合聯箱以減少工 質熱偏差，防止水冷壁超溫或產生過大溫差應力. 流t分配現代大容量超臨界壓力鍋爐，水冷壁 由成百上千根並聯管子組成，介質在這些管子中作強 制一次性流動，為了保證水冷壁的安全運行，應特別注意並聯各管間的流量分配，無論在超臨界壓力或亞臨 界壓力工作狀態，每個水冷壁管中都需要保持足夠的冷卻流量，使水冷壁安全運行。

超臨界壓力鍋爐起動系統因為超臨界壓力鍋爐是直流鍋爐，因此必需配備一套起動系統(見直流鍋爐起動系統)，供鍋爐在滑參數起動時分離由水冷壁產生的汽水混合物，將飽和燕汽通向過熱器，水則通往除氧器水箱或其它可被利用的地方。當代超臨界壓力鍋爐起動流量約為25%~35%鍋爐最大連續蒸發量 (BMCR)。

材料選擇

超臨界壓力鍋爐用鋼由於超臨界壓力鍋爐特別 是超超臨界壓力鍋爐的汽壓、汽溫都很高，在確定鍋爐參數時首先要考慮高溫過熱器和高溫再熱器的用鋼問題。當汽溫超過540℃時，超臨界壓力鍋爐高溫段受熱面就需要採用奧氏體鋼種，這些鋼材不但要有耐高溫強度性能，而且還需要有抗高溫氧化的良好性能。與同容量亞臨界鍋爐相比，超臨界鍋爐的各級受熱面，通常採用較小直徑和較好一檔管材，旨在減小管壁厚度，適應調峰需要並延長使用壽命。

超臨界壓力水冷壁壁溫可達到500℃以上甚至540℃，比亞臨界壓力高得多，因此需要採用合金鋼，例如10CrMo910/P22、P91等相應等級的材料。 超臨界壓力鍋爐變壓運行現代大容量超臨界鍋爐都採用變壓運行，超臨界變壓運行鍋爐設計時要特別注意受壓部件的疲勞壽命計算和分析，不但要對高溫厚壁部件，還要對中溫部件如水冷壁及其剛性梁等都要作專門計算。另外，也要注意鍋爐總體性能設計和調溫手段，以適應大的調峰範圍。