超臨界壓力鍋爐材料選擇

超臨界壓力鍋爐用鋼由于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采用奧氏體鋼種，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，通常采用較小直徑和較好一檔管材，旨在減小管壁厚度，適應調峰需要并延長使用壽命。

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，因此需要采用合金鋼，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采用變壓運行，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，以適應大的調峰范圍。

自20世紀50年代以來，超臨界壓力鍋爐一直處在發(fā)展和應用之中，至今全世界已有600多臺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(fā)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，正在研制的有34. 5 MPa、620/ 625C參數的鍋爐。

截至2013年8月，中國已有61臺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(fā)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(fā)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(qū)。

超臨界壓力鍋爐在高負荷超臨界狀態(tài)運行時，介質作單相強制流動，對爐膛內的熱偏差比較敏感，在水冷壁并聯管之間，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，往往還設置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 由成百上千根并聯管子組成，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，應特別注意并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(tài)，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(xù)蒸發(fā)量 (BMCR)。

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，并且為滿足變壓運行需要，往往采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采用，二者在水 冷壁結構設計、制造和安裝等方面各有優(yōu)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，是關系到鍋爐安全經濟運行的重要因素.對于螺旋管圈，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。對于垂直管圈特別是一次上升式垂直管圈，一般只能采用較小管徑來滿足對質量流速的要求，而且還需要采用內螺紋管解決水冷壁高熱負荷區(qū)傳熱。

為了更有效地提高火力發(fā)電廠的經濟性，因此超臨界壓力鍋爐采用了更高的汽溫和更大的鍋爐容積。 由于水和蒸汽的壓力超過臨界壓力后不可能有汽水雙相混合物共存，故超臨界壓力鍋爐只能采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采用更高等級的材質，并需要更完善的強度設計和壽命分析；由于它是直流鍋爐，因此其水冷壁系統的設計與鍋筒式鍋爐有很大區(qū)別，并且還需要設計一套起動系統；由于超臨界壓力鍋爐往往采用變壓運行，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。

爐膛水冷壁就是布置在爐膛四周的、管內流動介質一般為水或汽水兩相混合物的受熱面。若鍋爐為蒸汽鍋爐，水冷壁主要為蒸發(fā)受熱面；若鍋爐為熱水鍋爐或超臨界壓力鍋爐．則水冷壁主要為加熱受熱面。

在自然循環(huán)鍋爐爐膛內，如果管內工質向上流動，水冷壁也稱上升管。水冷壁的基本作用為：①吸收爐膛內火焰的熱量。由于爐內火焰溫度較高，且煙速很低，因此這種吸熱主要通過輻射方式來進行，在爐膛出口處將煙氣的溫度冷卻到足夠低的程度。②保護爐墻。由于水冷壁的存在，使得火焰只能部分或完全不接觸爐墻，從而起到保護作用。除此之外，水冷壁還能起到懸吊爐墻、防止爐壁結渣等作用。

本書為普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材(高職高專教育)。

本書針對高職高專教育的需要，介紹了當前大機組電廠鍋爐本體設備及系統運行。主要內容包括鍋爐燃料特性、燃料燃燒空氣量煙氣量的確定方法、鍋爐燃燒理論和燃燒設備、制粉系統、鍋爐機組熱平衡、鍋爐蒸發(fā)系統及設備、過熱器、再熱器、省煤器、空氣預熱器的結構及工作特點等，并針對汽包鍋爐和直流爐啟動、停運和運行調整進行了介紹。書中增加了超臨界/超超臨界壓力鍋爐啟動系統內容，所涉及的清潔燃燒理論和設備、直流爐設備系統及運行部分的內容，是在收集大量生產現場資料和系統設備圖紙的基礎上編寫而成的，有利于學生對理論的理解和實踐設備的認知，具有一定的獨創(chuàng)性。

本書可作為高職高專電力技術類火電廠集控運行、電廠熱能動力裝置專業(yè)教材，也可供發(fā)電廠技術人員培訓使用。

爐膛水冷壁管的外部腐蝕先在高壓，液態(tài)排渣爐上發(fā)現，后來在其它超高壓鍋爐甚至在超臨界壓力鍋爐的下輻射部分相繼發(fā)現嚴重的外部腐蝕問題。事實上，任何容量參數型式的鍋爐的爐膛水冷壁上都可能發(fā)生腐蝕。

腐蝕通常發(fā)生在燃燒器中心線位置標高上下,對于管子來說，向火側的正面點腐蝕得最快，側面較好，背面幾乎不發(fā)生腐蝕，腐蝕速度高達2 mm/a，一般情況下為1.1～1.5 mm/a。目前，對這種高溫腐蝕發(fā)生的機理還認識得不很清楚。但研究表明，發(fā)生腐蝕的管壁附近，沒有例外地都是還原性氣氛。并且當管壁溫度超過300℃時，才發(fā)生腐蝕。溫度越高，腐蝕越嚴重。H₂S及SO₂的濃度越高，腐蝕越嚴重。

防止或減輕水冷壁管腐蝕的措施有：

(1)燃料脫硫，如果能在進入爐膛前徹底脫除燃料中的硫分，則幾乎不會產生高溫腐蝕。但現有的技術水平，還不能實現。

(2)盡量減少H₂S及SO₂的產生，降低其濃度，可采用燃燒過程脫硫的辦法。

(3)改善環(huán)境氣氛，合理組織燃燒室的空氣動力場，不使燃燒過程有局部的缺氧，抑制還原性氣氛的產生。

(4)設法降低管壁溫度，采用煙氣再循環(huán)。

(5)在可能發(fā)生腐蝕的區(qū)域貼壁噴入空氣流，形成保護膜。

(6)采用耐腐蝕的材料，如在水冷壁管上噴涂氧化鋁等。