前言

过去的十年中，中国的经济飞速发展。同时，中国的电力供应产业也相应的进行了快速的扩张。最近，建造新的热电站时主要考虑使用超临界蒸汽条件的发电设备。中国已经定下了大约230×600MWe或者更大的超临界发电设备，预期中国在2010年之前还需要170套发电设备。

虽然中国的发电容量由热电站、水电站和核能发电站混合组成，但燃煤火电站所占的比例是最大的。这种趋势在未来不久不会改变。

图1 燃煤发电站在中国的经济里扮演重要角色

（Oil：油；Coal：煤碳；Hydro：水力；Nuclear：核能）

中国已经探明的煤储藏量超过了10000亿吨，现在每年大约消耗20亿吨。虽然大部分的煤炭都是优质的烟煤（挥发性物质含量>20％，干燥，无渣），也有相当一部分的煤炭是贫煤和低挥发物的无烟煤。虽然从燃烧的角度来看存在一些问题，这些无烟煤也很适合于燃煤发电站进行燃烧发电。

图2 褐煤燃料在中国的煤炭储藏量中占有很大的比例

（Lean Coal：贫煤；Anthracite：无烟煤；Coal with Vdaf>20%：Vdaf>20%的煤炭）

1． “W”型下射式燃烧

使用先进的低氮氧化合物火炉，可以成功的燃烧干燥无渣、挥发性物质低至10％左右的煤炭（包括可以燃烧中国贫煤级或更高级的煤炭）。然而，为了更好的燃烧含挥发性低的无烟煤，在设计时必须采用“W”型下射式燃烧锅炉。下图3中所示的典型的炉膛布局和分层的燃烧方式，阐明了“W”型燃烧设计的基础。

图3 炉膛和燃烧布局

（primary combustion zone for early ignition&NOx control：进行早期点火和氮氧化合物生成控制的一级燃烧区  secondarycombustion zone for prolonged burnout：为延长燃烧时间、燃尽燃料的二级燃烧区）

随着可挥发性物质含量的降低，煤炭的点火、火焰的稳定和无油燃烧时最低负荷，都变得更加困难。另外，由于可挥发性物质含量的降低，也使得把未燃碳的水平降到较低点变得更加困难。面对这些问题，必须：

 l         细化pf等级

 l         炉内保留时间延长

 l         仔细导入空气和燃料

 l         炉内进行合理的分级

 l         优化炉内耐高温层

“W”型燃烧火炉特别适合对难以燃烧的煤炭进行稳定高效的燃烧。为了得到满意的燃烧效率，并更加适应这些难燃烧煤炭的燃烧，必须对炉膛和燃器进行合理的布局。这样可以使点火能力变得较强，并延长炉内保留时间。

在Mitsui Babcock设计中，扁焰喷烧器沿着两条燃烧弧线安装在一起。碾磨过的燃料以低速通过扁焰喷烧器，引入炉内。燃烧空气的主体高速通过燃烧弧线，引入炉内，使得火焰方向暂时向下一段时间。为了维持高燃烧温度，必须在炉的下部覆盖耐高温材料。为使燃烧更加完全并辅助控制氮氧化合物的生成，剩余的（三级）空气必须从火炉进料水平正上方导入。

正如所想象的那样，含低挥发性物质低的煤炭所含的挥发性含氮物质也较低。煤炭中大部分的氮仍然留在正在燃烧的颗粒中，只有在燃烧的最后阶段才被释放出来。对使用常规的低氮氧化合物燃烧技术来说，氮的释放时间有点太迟了。为了使碳更好的燃烧，必须保持相对的高温。在这种高温情况下，氮氧化合物的生成水平也较高。然而，除了使用三级空气以外，Mitsui Babcock公司特别为“W”型燃烧炉设计了新的外形并申请了专利。这种设计可以降低氮氧化合物的生成量，一般可以降低15～30％的氮氧化合物的排放水平。使用这种设计，燃烧后的灰烬中碳的含量并没有增高。

通过使用这种设计，Mitsui Babcock公司可以达到日渐严格的氮氧化合物排放标准。燃烧含挥发性物质较低的煤炭，而又要保持低氮氧化合物排放水平，这种难度是世界公认的，中国也不例外。如今对新电站的排放要求如下面的图4所示。

图4 中国对氮氧化合物排放的限制（中国标准GB13223－2003）

（Increasing NOxlevel restriction：渐增的氮氧化合物水平限制； NOxlevel：氮氧化合物水平；Anthracite：无烟煤；Thin&Lean Coal：贫煤；Bituminous：烟煤）

要达到预定的高燃烧温度，则需要大规格的炉膛。这样可以把热流失量和炉壁对热的吸收量限定在合适的水平上。同时也要考虑到炉管的吸热问题。当炉较低时，则把炉膛的设计成八角形。八角形平面和斜角可以确保所有的炉管，在炉膛底部进料处可以得到充足的热量供应。采用下射式大规格的炉膛，意味着这种锅炉比输出等量蒸汽的壁燃式锅炉的尺寸要大一点。到目前为止，规格最大的设备是600MWe类型，并且全部都在中国。值得骄傲的是，Mitsui Babcock公司是这种设备的第一个提供商。目前在中国运作的所有 “W”形下射式燃烧锅炉，都使用亚临界状态的蒸汽。

2． 炉膛设计

对于燃煤热电站来说，来自环境和经济的压力主要是减少排放，并更高效的利用有限的矿物燃料资源。为了实现这个目标，新电站开始大力关注使用超临界蒸汽状态的发电机。使用超临界状态的蒸汽可以直接提高循环效率，并减少燃料的使用量和排放量。要在超临界状态的蒸汽下运作，则需要直流型的锅炉。

在新电站对设备的需求中，特别注意变压运行时设备的适应能力，高压部件的负荷效率，快速的启动和关闭能力。这些要求对炉膛的热弹性设计，和炉膛在亚临界和超临界蒸汽条件下的表现要求都很高，也意味着对新电站来说，定压运作的垂直循环炉膛设计已经不再是个很好的选择了。

为了满足变压运作等的要求，新的带有常规的矩形测断面的直流式锅炉通常都采用螺旋炉管布局。最近，采用Benson技术（经西门子许可）设计的螺旋型炉管，成为最受欢迎的选择。事实上，Mitsui Babcock公司联合哈尔滨锅炉公司，从2002年至今已经在中国供应了（或者接到订单）超过40×600WMe的采用这种设计的锅炉。

直流型炉膛设计和螺旋型炉膛设计继续一起成功的发展。同时，由于西门子对内壁细纹管和使用低水/蒸汽流量（<1200kg/m²s）的优化工作取得进展，垂直管炉膛设计又重新引起人们的兴趣。这种新型的垂直管低流量炉膛设计，可以满足变压运作的要求，在运作上和螺旋型设计有着同样的好处。

2．1 低质量流量（LMF）垂直管炉膛技术

所有的锅炉炉膛中的压力损失都是由静压损失和动压损失构成的。

实际上，在当今所有的直流型锅炉设计中，锅炉满负荷运作时炉膛管总流量都大于1500kg/m²s（一些设计的参数可能是这个的两倍）。在这些设计中，动态损失（由摩擦和几何布局引起）都比静态损失明显来得大。

如果把总流量水平减少到1200kg/m²s或者更低，动压损失就会最小化，小到比静态损失还要小。在这种情况下，炉膛的水－热行为就和亚临界下“自然循环”的炉膛的表现相类似。下图5中描述了高流量设计（1800kg/m²s）和低流量设计（700kg/m²s）时的情况。

图5中必须提到的是，在高质量流量时，炉管之间总压力损失量相同。这是因为它们都连接到同一个进出口连接器上。同样，低质量流量时，也由于它们都连接到同一个进出口器上，炉管之间的总压力损失量也会相同（虽然损失量比高质量流量时的损失量要低）。

很明显，采用LMF设计时，吸热量多的管流量就大，于是总压力落差就小。这是因为静压损失的减少量比动压损失的增加量来得大。

在低质量流量设计中，确保炉管金属温度不至于过高的原因是采用了特殊优化过的内壁细纹管。它可以提高热传导率。

MitsuiBabcock公司把使用LMF技术设计的锅炉叫做Posiflow^TM锅炉。

2．2．使用LMF炉膛技术的成熟的经验

Mitsui Babcock公司在姚孟一号锅炉的更新工程中，成功的展示了垂直管低质量流量技术。姚孟发电站位于中国的河南省。它由4×300MWe锅炉组成，这些锅炉原先是由上海锅炉工厂在20世纪70年代提供的。

图5 强制流动特点和自然循环特点之间的比较

（Current designs－Vertical Tube Furnace：现在的设计－垂直管炉膛，High mass flow：高质量流量；Low mass flow：低质量流量；Total pressure drop：总压力降；Dynamic pressure losses：动压损失；Static pressure losses：静压损失；Heat input to tube：管内热输入量；Water flow：水流量）

图6 姚孟“Posiflow”锅炉

姚孟一号锅炉更新工程中，Mitsui Babcock公司负责的部分包括将现存的UP型锅炉炉膛，按照同尺寸、同吸热面积，用“Posiflow”锅炉炉膛进行更换。姚孟的这次更新在许多方面都很有挑战性，或许比新建一座使用垂直管LMF技术的电站要碰到的问题还要多。特别要提到的问题是：

  l         热释放的体积极高，达到188kw/m3。这个数值几乎达到了“W”型下射式燃烧炉膛设计预期能力的两倍。

  l         热分布非常的不平均。原因是有切向燃器燃烧系统和双炉设计引起的“热角”和“冷角”的存在。

  l         炉膛内部有一分隔墙，墙体两面沿着整个炉膛都受热。这种情况说明整面墙上都没有给转换/混合连接器留有余地。另外，为了维持分隔墙管道的整体性和布局方式，这些管道还需要“包装”。分隔墙边缘的管道比内部管道吸热要高。

设备更新完毕之后，在对所担保的性能进行测试以及后来电站的运作情况来看，主要的性能得到了提高。根据对姚孟进行的单个管流量，温度和相关的热流量进行测试的结果可以肯定，“Posiflow^TM”锅炉如期望的一样正常运作。到目前为止，锅炉已经运作了三年，从试运作到现在效率都很高。

LMF技术是为直流型锅炉设计的，在亚临界和超临界压力下都可以使用。第一次全面运用是在姚孟，运用在一个亚临界锅炉上。然而，需要指出的是，虽然它没有运用在超临界状态，流体密度仍然随着温度的改变而改变。流体的这种积极反应，在超临界状态下会得到充分的应用。许多操作测试（包括实验规格和全规格的设备）都在超临界状态下进行。

3． 垂直管LMF“W”型下射式燃烧锅炉的设计

由于“W”型下射式燃烧锅炉的外形，燃器燃烧弧形和八角形低炉设计，使得采用螺旋炉膛变得很困难。采用LMF技术，就可以使用简单的垂直管布局和超临界状态的蒸汽。事实上，炉膛的外形和管道的布局，和目前的亚临界鼓型锅炉版本几乎就是一样的。主要的不同之处是相对直径和管道斜度不同，LMF设计中所用的管道直径较小。

将成熟的经验和在姚孟所使用的垂直管LMF炉膛设计结合起来，同时参考大量的“W”型下射式燃烧的设计，Mitsui Babcock公司很有信心可以提供超临界PF燃无烟煤的锅炉设计。下一页将介绍一个这样设计的例子。

在进行这项设计时，必须验证并解决几个问题：

  l         对一个亚临界鼓型 “W”型下射式燃烧锅炉，比较典型的炉膛用的是66.7毫米OD管。超临界LMF下射设计用的是38毫米OD管或者更小的管，当然小管相对的承载能力也较弱。因此，需要认真考虑如何设计LMF下射锅炉的结构和其他一些问题，比如考虑采取以下一些措施：将进入连接管（无负荷）的弯曲管数目减到最少，增加低炉前后墙的支撑吊杆等。

  l         当和相当的亚临界锅炉相比，直流锅炉的管心距和直径之间的比通常都是增高的。另外，热传导系数变小。这些因素增加了对管道冷却能力的要求。前面所提到的西门子开展优化内壁细纹管的工作，包括了250000次测试，使得管道有最佳的冷却能力。使用优化过的内部细纹管以及低质量流量率，确保金属温度即使在“不稳定”情况下，也可以保持在一个可接受的范围内。Mitsui Babcock公司已经对制造这种管的技术申请了专利。

  l         在自然循环亚临界锅炉中，炉膛里产生的蒸汽量一般都在25～35％（质量百分比）这个范围内。这种水/蒸汽混合物相对比较均匀。在超临界锅炉中，蒸发作用随着负荷而改变，蒸汽质量可以达到100％（质量百分比）这个顶点。如果有合适的条件，在蒸汽质量很高的时候，水/蒸汽很可能可以在炉膛的蒸发器内发生分层。通常，自然循环亚临界锅炉和特殊的“W”型燃烧类型在炉膛内部都采用分支。然而，在超临界时，分层的危险有可能使一条分支只有水流，而另一条分支只有蒸汽（这时管道烧坏的可能性就很大）。这种情况在临界状态时就应当避免。锅炉中先前承担结构支持功能的分支管，在超临界设备中，应该改用坚固的吊杆支持（和恒负载支持）。

  图7 “W”型下射式燃烧直流式超临界600MWe锅炉

图8 亚临界和超临界支撑特点的比较

（Number of “bent” tubes entering furnace top headers minimised for supercritical boiler:

超临界锅炉中，进入炉膛顶部连接管的“弯”管数量减到最少；

Subcritical Drum Type Boiler：亚临界鼓型锅炉；Tubes：管；

Supercritical LMF Type Boiler：超临界LMF型锅炉；

Constant Load Support：恒负载支持；Solid Sling Rods：坚固的吊杆）

和所有的直流型锅炉设计时一样，在开始新设计之前，对炉膛回路中的热－水行为进行了非常详细和彻底的研究。这些研究包括静态和动态稳定性的验证，在LMF设计时还对“正反应”特点的重要性进行研究。

静态稳定性研究内容是在流量发生改变而热量输入恒定时，一根管（或管组）中的压力是如何降低的。在二相流体中，几何外形，热输入点，蒸汽生成量，蒸汽生成处以及压力等因素都可以引起不稳定。

需要阐明为什么压力损失会随着液体质量流量的增加一起上升。如果单一的压力损失会随着两个或更多的质量流量率而改变，则这种情况通常都是不可接受的，因为这有可能会导致不稳定。

动态稳定性研究内容是当输入热量不稳定时，一根管（或管组）会有什么样的反应。研究时将输入热量提高30％并维持10秒钟，模拟典型的热量不稳定情况。在一套可接受的设计系统里，在早期有限的时间里就应该将振荡反应的端倪消除掉。

毫无疑问，LMF设计主要的特点是在热吸收量上升的时候，一根管（或管组）可以对流量表现出积极的反应。热吸收量只要上升15％，就足以使典型的锅炉炉膛内发生的所有可能发生的情况。当炉膛在亚临界压力和低负荷（最低的质量流量）的情况下运作时，管的这种积极的流量反应表现的特别明显。然而，即使锅炉在高负荷和超临界条件下运作时，尽管这时是单相流体，而且蒸汽密度也确实会随着温度而改变，管的这种积极的流体反应仍然可以表现出来。下图9中描述了这个特点。

采用具有积极流体反应特点的LMF炉膛设计，可以确保炉膛内金属温度在可接受的范围内控制的很好。此外，炉膛内水/蒸汽压损失达到最小。和其他直流型超临界锅炉相比，采用LMF炉膛设计的压力损失一般可以减少70％或者更多。这可以减少主锅炉给水泵的电力消耗量，使之使用更经济，同时也可以提高整个电站的循环效率。

图8 静态稳定性良好的例子

（Static stability of the Front Wall：前墙的静态稳定性；pressure drop：压力差）

图9 积极流体反应特性的例子

（Flow Response Characteristic(Lower Furnace Front Wall)：流体反应特性（低炉前墙）；

Deviation in Mass Flow：质量流量的差别；Variation in Heat Absorption：热吸收量的变化）

4．0．超临界－更好的投资

高蒸汽压和蒸汽温度可以产生更高的效率。这篇文章里所讨论的LMF“W”型下射式燃烧锅炉，是为出口处的压力和温度分别为24.8 569°C/569°C的锅炉中主要的蒸汽条件而设计的。在现在的中国市场上，这种蒸汽条件代表了“正常”的超临界蒸汽状态。然而，如果有需要的话，这种设计也可以扩展到在更高蒸汽温度的情况下使用。

把现在正在进行商业运作的600MW亚临界“W”型下射式燃烧锅炉，和本文所讨论的采用LMF设计的超临界锅炉进行比较后发现，采用超临界使整个循环效率从41.51%提高到43.35%（也就是提高了4.4% )。

下图10中说明了这种情况。

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