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。

图10 采用超临界蒸汽条件的好处

（Plant Efficiency：发电站效率；Generated MWe）

采用超临界蒸汽在带来循环效率提高的同时，也降低了燃料的消耗量和污染的排放量，在下面的表格中阐明。这也意味着煤炭操作和磨粉车间的大小，空气和废气风扇，灰尘清除和传送系统都将得到简化。相关的厂用电耗也随着降低，这可以抵消为维持高蒸汽压力锅炉给水泵需要消耗的额外电量。

在这个比较中，燃料的使用量和排放量比亚临界锅炉的降低了4.4%。如果采用超临界状态下的蒸汽条件，则在整套设备的使用寿命里所节省的费用会变的举足轻重。不但可以节省燃料费用，还可以节省其他化学品和消耗品，包括FGD石灰石和水，以及为除去氮氧化合物而消耗的催化剂和氨。

5．0 总结

在中国，燃烧无烟煤的发电站最常采用 “W”型下射式燃烧锅炉。近年来，中国通常都在600MWe规格的亚临界压力锅炉使用“W”型下射式燃烧。

无烟煤本身有点不好燃烧。和燃烟煤锅炉比起来，燃无烟煤要想和它一样，在灰渣中保持低碳水平、低氮氧化合物水平并且不需要燃油支持，比较困难。然而，Mitsui Babcock公司至今为止所提供的设备的表现都令人满意，达到了用户规定的要求。除了这些成功的表现之外，Mitsui Babcock公司还不断提高和发展燃烧技术，促使他们的设备可以有更好的表现。

在2002年，Mitsui Babcock公司为300MWe的姚孟电站提供了世界上效用率最高的垂直管和Benson低质量流量炉膛。公司在这项技术上已经积累了丰富的运作经验。Mitsui Babcock公司和西门子公司（技术拥有者）通力合作，特地为设计低质量流量炉膛设计而开发了尖端的计算设计工具和“技术诀窍”。

如果要设计一个锅炉，使它能够用于超临界压力下，同时又具有在当今运作要求，比如变压条件下运作的能力，由于 “W”型下射式炉膛复杂的几何外形，一度使得这样的设计变得不可行。然而垂直管低质量流量技术的出现改变了这一状况。

Mitsui Babcock公司已经提供了600MW“W”型下射式燃烧锅炉和垂直管质量流量炉膛，在技术上处于独一无二的位置。由于拥有这项专门技术，Mitsui Babcock公司很有信心可以设计出使用超临界蒸汽条件的“W”型下射式燃烧锅炉

将这两项易于理解又成熟的技术结合起来，可以产生很大的环境和经济效益。在使用中国的无烟煤进行大规模发电时，这套解决方案代表了“最为可行的技术”。

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