超临界锅炉
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超临界锅炉（supercritical steam generator）是指运作在超临界压力的锅炉，常用来产生压力。若发电厂机组的锅炉使用超临界锅炉，称为超临界机组。
在一般火力发电厂的锅炉中，锅炉主蒸气的温度每上升一华氏度（1℉，约17.22°C / 摄氏度），其整体发电浪费之热耗率便相应减少0.016%。因此目前全球的火力发电厂均思考如何提升锅炉的蒸气温度以减缓热耗率。一般发电厂会以先提高锅炉温度，后调整锅炉压力作为提升发电机组效率的手段。然而锅炉及其周边附带设施的材质的组成在提升锅炉温度的关系乃非常密切，因此构建锅炉的材料在提升发电效率上乃十分重要。[1]
在一般锅炉中流体会形成气泡，不过在超临界锅炉中，是运作在临界压力以上 – 3,200 psi或22 MPa。因此水会立刻变成蒸汽，水进入高压蒸汽涡轮发动机时会作功，其状态会较临界条件要低，最后进入锅炉的冷凝器，因此使用较少的燃料，其产生的温室气体也会比较少。在火力发电厂中，使用超临界锅炉可以提高热效率，二氧化碳排放量较以往减少15%[2]。
超临界锅炉的历史
现代的超临界锅炉有时也会称为是本森锅炉（Benson boilers）[3]。马克·本森在1922年有申请在高压时将水转换为蒸气的锅炉专利。
安全性是本森申请专利背后的主要考量。早期蒸气设计在较低的压力100 bar（10 MPa；1,450 psi）下运作，对应当时的汽轮机发展技术。其中一个特别的技术特点是铆接水/蒸汽分离的汽鼓。汽鼓的位置在充水管通过加热炉后终端的位置。
汽鼓的目的是要在其中部分注水，在水上方是是挡板填充的部位，可以收集锅炉中产生的水蒸气，而挡板会可以收集冷凝的水滴，再回流到水锅中。几乎干燥的水汽会由经过汽鼓排出。不过汽鼓也是锅炉最容易出现锅炉爆炸的部位，常常会有灾难性的影响。
假如锅炉中不要有蒸发式液气分离的过程，就可以不需要汽鼓。假如水进入锅炉时已加压到超过临界压力（3,206磅力每平方英寸, 22.10兆帕斯卡），加热到超过临界温度（706 °F, 374 °C），透过简易的喷嘴，使水膨胀成在临界压力以下的干蒸气，就不需要有蒸发式液气分离的过程。可以在锅炉蒸发器的下游增加一节流阀来达成。
随着此一技术继续进步，超临界锅炉的设计已脱离了马克·本森一开始设计的概念。1929年时已有一个测试用的锅炉，而1929年时才开始用在柏林Gartenfeld的火力发电厂中，一开始是由一个全开的节流阀，运作在次临界的模式。第二个本森锅炉是在1930年在Berlin cable factory中运作，其中没有将流体加压到40、180 bar（4、18 MPa；580、2,611 psi）的压力阀。此一应用代表了新的变压本森锅炉的诞生，此一技术之后，最早本森锅炉的专利也不再有人使用，不过后来的技术仍沿用“本森锅炉”的名字。
1957年，位于美国俄亥俄州的Philo电厂的六号机成为全世界第一个商业运转的超临界发电厂[4]，而且可以在超超临界的条件下短时间运转[5]，美国第一个设计在超超临界条件下运转的燃煤发电厂是位在阿肯色州，在2012年运行的John W. Turk Jr.燃煤电厂[5]。
以下是一些有关超临界锅炉用在直流蒸气发电厂的创新：
- 基于本森锅炉的新型热回收蒸汽发生器，已成功的在英国中部的Cottam电厂使用，
- 燃煤蒸气锅炉壁上的垂直管路，结合了本森系统在操作上的优点以及鼓式锅炉在设计上的优点。中国的姚孟电厂是第一个以此型式设计的电厂，在2001年开始营运。
2014年6月3日，澳大利亚政府的研究机构CSIRO发表声明说他们已经开发了应用太阳能，运作在23.5 MPa（3,410 psi）及570 °C（1,060 °F）的超临界锅炉，声称是太阳能发电的世界纪录[6]。
现代的定义
以下有关锅炉的定义是来自美国进步中心针对中国大陆燃煤发电厂报告中的资料[7]
- 亚临界（Subcritical） – 705 °F（374 °C），3,208psi（22MPa 或 218atm）。
- 超临界（Supercritical） – 1,000—1,050 °F（538—566 °C）的范围。涡轮的速度会迅速加快，需要特殊的材料。
- 超超临界（Ultra-supercritical） – 1,400 °F（760 °C）以上，压力超过5,000 psi（35MPa 或 340atm）。有一些新增的创新技术，可以进一步提高效率，但没有具体的说明。
在火力发电产业中，会用“高效低排放”（High-Efficiency，Low-Emissions，简称HELE）来描述超临界及超超临界火力发电机组的技术[8][9]。
相关条目
参考资料
- ^ 存档副本 (PDF). [2018-09-19]. （原始内容存档 (PDF)于2018-09-19）.
- ^ 超臨界水發電機組的發展與未來趨勢 梁明在 (PDF). [2018-02-09]. （原始内容存档 (PDF)于2018-02-09）.
- ^ BENSON Boilers for Maximum Cost Effectiveness (PDF). steam power plant solutions/benson boiler. 2001 [15 December 2016]. （原始内容存档 (PDF)于2017-08-29）.
- ^ Philo 6 Steam-Electric Generating Unit. ASME. [12 February 2018]. （原始内容存档于2019-06-01）.
- ^ 5.0 5.1 First U.S. Ultrasupercritical Power Plant in Operation. POWER Magazine. 2013-02-01 [2018-02-12]. （原始内容存档于2020-11-11） （美国英语）.
- ^ Jeffrey, Colin. CSIRO sets world record in generating "supercritical" steam using solar power. gizmag.com. June 3, 2014 [2014-06-09]. （原始内容存档于2016-06-24）.
- ^ Everything You Think You Know About Coal in China Is Wrong. [2018-02-10]. （原始内容存档于2021-05-15）.
- ^ Submission to the inquiry into the retirement of coal fired power stations. Minerals Council of Australia. : 12 [2018-02-10]. （原始内容存档于2018-03-02）.
- ^ Wiatros-Motyka, Malgorzata. An overview of HELE technology deployment in the coal power plant fleets of China, EU, Japan and USA. IEA Clean Coal Centre. : 9.