第五章超临界锅炉工作原理及基本型式超临界锅炉的工作原理根据锅炉蒸发系统中汽水混合物流动工作原理进行分类，锅炉可分为自然循环锅炉、强制循环锅炉和直流锅炉三种。
若蒸发受热面内工质的流动是依靠下降管中水与上升管中汽水混合物之间的密度差所形成的压力差来推动，此种锅炉为自然循环锅炉；若蒸发受热面内工质的流动是依靠锅水循环泵压头和汽水密度差来推动，此种锅炉为强制循环锅炉；若工质一次性通过各受热面，此种锅炉为直流锅炉。
直流锅炉是由许多管子并联，然后再用联箱连接串联而成。
它可以适用于任何压力，通常用在工质压力≥16MPa的情况，且是超临界参数锅炉唯一可采用的炉型。
1.直流锅炉的工作原理直流锅炉依靠给水泵的压头将锅炉给水—次通过预热、蒸发、过热各受热面而变成过热蒸汽。
直流锅炉的工作原理如图5-1所示。
图5-1直流锅炉的工作原理示意图在直流锅炉蒸发受热面中，由于工质的流动不是依靠汽水密度差来推动，而是通过给水泵压头来实现，工质一次通过各受热面，蒸发量D等于给水量G，故可认为直流锅炉的循环倍率K＝G/D＝1。
直流锅炉没有汽包，在水的加热受热面和蒸发受热面间，及蒸发受热面和过热受热面间无固定的分界点，在工况变化时，各受热面长度会发生变化。
沿直流锅炉管子工质的状态和参数的变化情况示于图5-2：图5-2 直流锅炉管子工质的状态和参数的变化情况图5-2直流锅炉管子工质的状态和参数的变化阻力，工质的压力沿受热面长度不断降低；工质的焓值沿受热面长度不断增加；工质温度在预热段不断上升，而在蒸发段由于压力不断下降，工质温度不断降低，在过热段工质温度不断上升。
2.直流锅炉的特点2.1直流锅炉的结构特点直流锅炉无汽包，工质一次通过各受热面，且各受热面之间无固定界限。
直流锅炉的结构特点主要表现在蒸发受热面和汽水系统上。
直流锅炉的省煤器、过热器、再热器、空气预热器及燃烧器等与自然循环锅炉相似。
2.2直流锅炉适用于压力等级较高的锅炉根据直流锅炉的工作原理，任何压力的锅炉在理论上都可采用直流锅炉。
但实际上没有中、低压锅炉采用直流型，高压锅炉采用直流型的较少，超高压、亚临界压力等级的锅炉可较广泛地采用直流型，而超临界压力的锅炉只能采用直流型。
中低压锅炉容量较小，仪表较简单，自动化控制水平较低，对给水品质的要求不高，自然循环工作可靠，在经济上采用自然循环较合理。
当压力超过14MPa时，由于汽水密度差越来越小，采用自然循环的可靠性降低。
自然循环锅炉的最高工作压力大约在19～20MPa左右。
当压力等于或超过临界压力时，由于蒸汽的密度与水的密度一样，汽水不能靠密度差进行自然循环，只能采用直流锅炉。
2.3直流锅炉可采用小直径蒸发受热面管且蒸发受热面布置灵活直流锅炉采用小直径管会增加水冷壁管的流动阻力，但由于水冷壁管内的流动为强制流动，且采用小直径管大大降低了水冷壁管的截面积，提高了管内汽水混合物的流速，因此保证了水冷壁管的安全。
由于直流锅炉内工质的流动为强制流动，蒸发管的布置较自由，允许有多种布置方式，但应注意避免在最后的蒸发段发生膜态沸腾或类膜态沸腾。
在工作压力相同的条件下，水冷壁管的壁厚与管径成正比，直流锅炉采用小管径水冷壁且不用汽包，可以降低锅炉的金属耗量。
与自然循环锅炉相比，直流锅炉通常可节省约20％～30％的钢材。
但由于采用小直径管后流动阻力增加，给水泵电耗增加，因此直流锅炉的耗电量比自然循环锅炉大。
2.4直流锅炉的给水品质要求高直流锅炉没有汽包，不能进行锅内水处理，给水带来的盐分除一部分被蒸汽带走外，其余将沉积在受热面上影响传热，使受热面的壁温有可能超过金属的许用温度，且这些盐分只有停炉清洗才能除去，因此为了确保受热面的安全，直流锅炉的给水品质要求高。
通常要求凝结水进行100％的除盐处理。
2.5直流锅炉的自动控制系统要求高直流锅炉无汽包且蒸发受热面管径小，金属耗量小，使得直流锅炉的蓄热能力较低。
当负荷变化时，依靠自身炉水和金属蓄热或放热来减缓汽压波动的能力较低。
当负荷发生变化时，直流锅炉必须同时调节给水量和燃料量，以保证物质平衡和能量平衡，才能稳定汽压和汽温。
所以直流锅炉对燃料量和给水量的自动控制系统要求高。
2.6直流锅炉的启停和变负荷速度快为了保证受热面的安全工作，且为了减少启动过程中的工质损失和能量损失，直流锅炉须设启动旁路系统。
直流锅炉由于没有汽包，在启停过程及变负荷运行过程中的升、降温速度可快些，启停时间可大大缩短，锅炉变负荷速度提高。
超临界锅炉的基本形式超临界参数机组能够较大幅度提高循环热效率，降低发电煤耗，但同时需提高对金属材料的要求和金属部件的焊接工艺水平。
目前超超临界机组的蒸汽压力已提高到25～31MPa，温度控制在540～600℃之间。
前苏联境内超临界机组数量及总容量居世界首位，美国、德国、日本等国也拥有相当数量的超临界机组，其中日本是世界上超临界机组技术最先进的国家，其超临界机组可实现变压运行。
1.早期直流锅炉的型式在上世纪二十年代，瑞士、德国及前苏联就开始采用直流锅炉。
由于当时锅炉的容量小，蒸汽参数低，且控制技术和水处理技术差，直流锅炉的发展较慢。
直到上世纪六十年代，由于锅炉向大容量、高参数发展，且采用了膜式水冷壁和滑参数运行，给水处理技术也得到提高，因此直流锅炉得到较快发展。
直流锅炉的结构特点主要表现在蒸发受热面和汽水系统两方面上，根据蒸发受热面的结构不同，早期直流锅炉有三种基本型式，即多次串联垂直上升管屏式(本生式)、回带管圈式(苏尔寿式)及水平围绕上升管圈式(拉姆辛)式。
这三种型式直流锅炉的结构如图5-3、图5-4、图5-5所示。
图5-3垂直上升管屏式1－垂直管屏；2－过热器；3－外置式过渡区；4－省煤器；5－空气预热器；6－给水出口；7－过热蒸汽出口；8－烟气出口图5-4回带管屏式1—水平回带管屏；2－垂直回带管屏；3－过热蒸汽出口；4－过热器；5－外置式过渡区；6－省煤器；7－给水入口；8－空气预热器；9－烟气出口图5-5水平围绕管圈式1－省煤器；2－炉膛进水管；3－水分配集箱；4－燃烧器；5－水平围绕管圈；6－汽水混合物出口集箱；7－对流过热器；8－壁上过热器；9－外置式过渡区；10－空气预热器1.1本生式本生式直流锅炉的蒸发受热面由多组垂直布置的管屏构成，管屏又由几十根并联的上升管和两端的联箱组成。
每个管屏宽1.2～2米，各管屏间用2～3根不受热的下降管连接，相互串联。
本生式的直流锅炉具有热偏差不大、安装组合率高、制造方便等优点；其缺点为金属耗量较大、对滑压运行的适应性较差。
1.2苏尔寿式苏尔寿式直流锅炉的蒸发受热面由多行程回带管屏构成。
依据回带迂回方式的不同可回带。
苏尔寿式锅炉具有布置方便、金属耗量较少优点。
由于此种锅炉很少采用中间联箱，两联箱间的管子很长，管子间及管屏间的热偏差很大；另外还具有制造困难、垂直升降回带不易疏水排气、水动力稳定性较差等缺点。
1.3拉姆辛式拉姆辛式直流锅炉的蒸发受热面由多根并联的水平或微倾斜管子沿炉膛周界盘旋而上构成。
拉姆辛式直流锅炉具有水动力较稳定、热偏差较小、金属耗量较少、疏水排气方便，适宜滑压运行等优点。
但此种支吊困难，膨胀问题不易解决，现场组装工作量大。
2.现代直流锅炉的型式现代直流锅炉有三种主要型式：一次垂直上升管屏式（UP型）；炉膛下部多次上升、炉膛上部一次上升管屏式(FW型)；螺旋围绕上升管屏式。
2.1一次垂直上升管屏式直流锅炉(通用压力锅炉)美国拔柏葛锅炉公司首先采用一次垂直上升管屏式直流锅炉(UP型)，此种锅炉是在本生锅炉的基础上发展而来的，锅炉压力既适用于亚临界也适用于超临界。
水冷壁有三种型式：适用于大容量的亚临界压力及超临界压力锅炉的一次上升型；适用于较小容量的超临界锅炉的上升－上升型；适用于较小容量亚临界压力锅炉的双回路型。
由于一次上升型垂直管屏采用一次上升，各管间壁温差较小，适合采用膜式水冷壁；一次上升垂直管屏有一次或多次中间混合，每个管带入口设有调节阀，质量流速约为2000～3400kg ／(m2.s)，可有效减少热偏差；一次上升型垂直管屏还具有管系简单、流程短、汽水阻力小、可采用全悬吊结构、安装方便的优点。
但由于一次上升型垂直管屏具有中间联箱，不适合于作滑压运行，特别适合于600MW及以上的带基本负荷的锅炉。
图5-6为上海锅炉厂生产的第二代300MW锅炉。
该锅炉容量为1025t／h，额定压力为16．66MPa。
水冷壁为一次上升型，平均质量流速为2020kg／(m2.s)。
冷灰斗采用ф22X5.5光管，下中辐射区采用ф25X6光管、下辐射四个切角管屏采用ф25X7内螺纹管。
各级间混合充分，两相流动在混合器及分配箱中汽液分配较均匀。
图5－6 1025t/h亚临界压力直流锅炉1－前屏过热器；2－后屏过热器；3－高温过热器；4－第二级再热器；5－第一级过热器；6－低温再热器引出管；7－低温过热器；8－省煤器；9－调节挡板；10－空气预热器2.2螺旋式水冷壁直流锅炉此种锅炉是西德等国为适应变压运行的需要发展起来的一种型式。
水冷壁采用螺旋围绕管圈，由于管圈间吸热较均匀，在蒸汽生成途中可不设混合联箱，因此锅炉滑压运行时不存在汽水混合物分配不均问题。
图5-7 265MW的苏尔寿螺旋式水冷壁直流锅炉布置图。
空气预热器；2－大梁；3－省煤器进口联箱；4－空气及烟气挡板；5－省煤器；6－环形风道；7－第一级再热器；8－末级过热器；9－第二级再热器；10－屏式过热器；11－中间混合联箱；12－测流量管；13－螺旋式水冷壁；14－启动热交换器；15－燃烧器；16－烟气再循环风机图5－7 265MW机组的苏尔寿螺旋式水冷壁直流锅炉，由于螺旋管圈承受荷重的能力差，有时在锅炉上部采用垂直上升管屏。
图5－8为上海石洞口二厂引进的600MW机组锅炉简图。
该锅炉为中国的首次采用的超临界参数锅炉，水冷壁下部采用螺旋围绕管圈，上部采用一次上升垂直管屏，两者间采用中间混合联箱。
锅炉压力随负荷而变，在0％～34％负荷时，锅炉压力为10.2MPa；在34％～89％时，锅炉压力为10.2～25.1MPa；在89％～100％负荷时，锅炉压力为25.1～25.4MPa。
石洞口二厂600MW机组于1992年投入运行，运行初期测得的发电煤耗率为281.2g／(kW．h)，热效率为42％，显示了明显的经济效率。
图5－8石洞口二厂引进的600MW机组锅炉简图1－炉膛灰斗；2－螺旋水冷壁；3－过渡件；4－垂直水冷壁；5－折焰角及管屏；6－延伸侧墙；7A－尾部包覆管及管屏；7B－炉顶管；8－省煤器；9－大屏过热器；10－后屏过热器；11－末级过热器；12－一级再热器；13－末级再热器；14－汽水分离器；15－集箱；16－连接导管2.3炉膛下部多次上升，上部一次上升管屏式直流锅炉(FW型)炉膛下部多次上升、上部一次上升管屏式直流锅炉是美国福斯特•蕙勒（FW）公司以本生型锅炉为基础发展起来的一种型式。