电站锅炉(卷名：机械工程)
utility boiler
火力发电厂中向汽轮发电机组提供蒸汽的锅炉，包括锅炉本体和一些辅助设备。燃料在锅炉的炉膛中燃烧后放出热能，经过金属壁面传热使锅炉中的水转化成具有一定压力和温度的过热蒸汽，然后把蒸汽送入汽轮机，由汽轮机驱动发电机发电。全世界火力发电量约占总发电量的70％，在中国约占80％。因此，电站锅炉无论从它的作用还是从能源消耗来看，对国民经济的发展都有重大的影响。
组成和原理 它主要由水汽系统和燃烧系统两部分组成。
水汽系统 给水先经过省煤器，然后进入锅筒。水在由锅筒、下降管和水冷壁组成的回路中循环流动，并吸收炉膛中高温火焰和烟气的辐射热量变成饱和蒸汽，然后进入过热器并在其中被加热成 540℃的过热蒸汽。过热蒸汽被送入汽轮机高压缸，经膨胀作功降温降压后回到锅炉的再热器中，再加热到540℃，然后送到汽轮机的中压缸和低压缸中继续膨胀作功。
燃烧系统 原煤进入磨煤机加热干燥并磨成煤粉。有两种方式将煤粉送入炉膛中与来自空气预热器的热空气混合燃烧。一种为直吹式，即将由磨煤机磨制的煤粉直接送入炉膛中燃烧；另一种为仓储式，即将磨煤机磨制的煤粉先送到煤粉仓中储存，然后用给粉机将煤粉送入炉膛中燃烧。燃烧生成的烟气流经炉膛和对流烟道中的受热面把热量传给水汽和空气，然后经过除尘器、引风机和烟囱排入大气。
锅炉本体的结构类型 电站锅炉的本体结构类型主要取决于燃料特性、锅炉容量和蒸汽参数等因素。常见的有倒U型、塔型和箱型（图1）。
倒 U型 适用于各种容量的锅炉和燃料，故应用广泛。锅炉的高度比其他炉型低，受热面布置较方便，风机和除尘设备都可放在地面上，但占地面积较大。图1中的锅炉本体便是倒U型的一个实例。
塔型 适用于燃用多灰烟煤和褐煤的锅炉，无转弯烟道，可减轻飞灰对受热面的局部磨损，且占地面积较小。但炉体高，安装和检修较复杂。
箱型 适用于容量较大的燃油和燃气锅炉。炉膛以上的烟道分为两部分：一部分直接接在炉膛出口，烟气上流；另一部分烟气下流。其优点是结构紧凑，占地面积较小，锅炉与汽轮机的连接较方便。缺点是制造工艺较复杂，检修困难。
燃烧器的布置方式 主要有前墙布置、前后墙对冲布置和四角布置3种方式(图2)。按前两种方式布置时，一般采用旋流式燃烧器，其优点是煤粉管道布置较简单，但不宜用于低挥发分和高灰分的燃料。四角布置就是把直流式燃烧器布置在炉膛四角，其喷口中心线与炉膛中心的一个假想圆相切。四角布置的缺点是风道布置较复杂，但燃烧比较稳定，它适用于多种燃料（包括褐煤、烟煤和贫煤等）。
循环方式 电站锅炉蒸发系统内工质的循环有自然循环、辅助循环、直流和复合循环4种方式。
自然循环 依靠蒸发系统的下降管和上升管中工质的密度差建立循环。超高压以下的锅炉普遍采用自然循环方式。亚临界压力锅炉也可采用自然循环方式，但锅筒内压力一般限于20兆帕以下。
辅助循环 与自然循环的主要差别是在蒸发系统的下降管和上升管之间装有循环泵。循环推动力除靠工质密度差以外，还加上循环泵的压力。因此蒸发面的布置较自由，锅筒直径也可较小。这种循环方式主要用于亚临界压力的锅炉。
直流锅炉 直流锅炉中没有锅筒，给水依靠给水泵压力通过各级受热面最终全部变成过热蒸汽输出。直流锅炉广泛用于高压以上的机组，它能用到超临界压力参数。直流锅炉因没有锅筒，采用小直径的管子，锅炉中汽水和金属的蓄热量比较小，也不能靠排污去除随给水进入锅炉的盐分，所以对自动控制和水处理（见锅炉水处理的要求比较高。
复合循环 在直流锅炉汽水系统中增设循环泵，把直流锅炉与辅助循环二者结合起来。复合循环锅炉的汽水系统有多种布置方案。图3是一个典型的超临界压力复合循环示意图。在高负荷时，循环泵作为增压泵，系统按直流锅炉方式运行。当低于一定负荷投入再循环时，通过水冷壁的流量为给水流量与再循环流量之和。这种系统的特点是减小了高、低负荷下水冷壁中流速的差值，有利于低负荷运行，且高负荷时的流动阻力也不致太大。图4为一种亚临界压力的复合循环系统，也称为低倍率循环。在这种系统中，蒸发受热面出口装设汽水分离器。满负荷时的循环倍率在1.2～2.0之间。同纯直流锅炉相比，低倍率循环锅炉的蒸发系统的阻力较小，更适于变压运行，而且所用分离器的直径远小于一般的锅筒。
展望 电站锅炉的发展趋势是：
①提高蒸汽压力和过热蒸汽温度，以提高电站效率。例如对过热和再热汽温均为540℃的锅炉，当把出口汽压从17兆帕提高到24兆帕时，电站效率约可提高 2％；若温度不变而进一步提高压力，则电站效率提高不了多少。而这时若提高过热蒸汽温度却能较有效地提高电站效率。为此需要寻求价格合理、工艺性能较好的高强度耐热钢材。
②增大单机容量，以降低电站单位功率(千瓦)的设备造价。例如单机容量从150兆瓦增大到300兆瓦时，机组设备造价下降约20％；由300兆帕增至600兆瓦时，则降低15％。因此，电站锅炉的发展方向总的说来是增大单机容量。但增大到一定容量时再继续增大，经济效益将显著减小。单机容量究竟应增大到何等程度，尚是一个值得探索的问题。
③由于世界上的能耗日益增大，而石油和天然气从长远的观点来看又供应不足，因此燃煤锅炉的比例将增大，并研制烧劣质煤的锅炉。为了使劣质煤得到有效的利用，还有待于掌握煤和灰渣的各种特性，因为它影响到燃烧设备的布置，受热面的积灰、磨损和腐蚀。
④由于承担基本负荷的核电站的比例日益增大，要求火电机组承担负荷调节任务，而变压运行方式在负荷变动时有较高的经济性并可降低汽轮机的热应力，所以适于带中间负荷的变压运行锅炉日益受到重视。设计这种锅炉尚有待于解决的主要技术问题是低负荷运行时燃烧的稳定性、锅炉部件的疲劳强度、锅炉的启动控制、辅助设备在低负荷运行时的经济性等。
⑤电站锅炉的排烟中含有飞灰、硫氧化物SOX和氮氧化物NOX ，会污染环境。其中飞灰的污染在技术上已基本解决，解决其他污染是正在研究的课题。（见彩图）
