中国电站锅炉钢结构技术发展：从300MW到1350MW的飞跃与环保节能新趋势

中国钢结构协会锅炉钢结构分会

总结

电站锅炉是火力发电厂的三大主机之一。经过 30 多年的快速发展，我国发电技术完成了从 300 MW 亚临界向世界上最大的 1 000 MW 超超临界技术的飞跃，我国在运火电机组的最大数量达到 1 350 MW。我国电站锅炉发展迅速，拥有世界上最大的锅炉设计、制造和运行技术，近十年来，世界上新建的大型电站大多主要在中国。近年来，环保节能已成为我国电力行业结构调整的重要方向，经过锅炉炉膛燃烧和尾排放的技术改造，火力发电厂排放标准达到并超过国家相关环保标准，火力发电在我国国民经济中发挥着压舱器作用。

由于锅炉本体全部悬挂在锅炉钢结构的顶面层上，因此屋面层受力较大，大型锅炉大板梁截面采用叠梁方案，横梁截面高度超过10 m。锅炉的钢结构承受着锅炉本体和用户传递的静载荷;锅炉本体的水平载荷通过导向装置传递到锅炉钢结构，锅炉导向装置和刚性梁确定锅炉膨胀中心，锅炉地震和风荷载等水平效应和导向装置传递的尾烟道不平衡力传递到钢结构上。

锅炉的钢结构全部由纯钢结构构件制成，大部分布置在露天，在寒冷地区或有特殊需要时完全拧紧或部分拧紧。锅炉钢结构复杂，构件数量多，全螺栓连接，大板梁等构件大，结构的设计、生产和检验复杂。大型锅炉钢结构的许多梁采用热轧H型钢等热轧截面，但由于大部分柱梁和竖向支撑承受较大的载荷，热轧截面不能满足使用要求，采用板拼I型、十字型或箱形等大量截面。

锅炉钢结构领域还有很多方面需要创新和改进，中国钢结构协会锅炉钢结构分会一直致力于指导行业的技术发展和行业自律，并组织会员单位编制了大量的设计标准， 制造、检验、鉴定、加固等方面。锅炉钢结构需要在设计制造、国产软件开发、高强度钢应用、钢管混凝土结构设计与应用、屈曲约束支护研究与应用、新产品开发等方面进行技术研究和创新，需要进一步建立更加完整的行业标准体系。

一、锅炉钢结构技术的发展历程

20世纪70年代以前，我国火力发电主要依靠100 MW及以下的小型发电设备，包括35、65、75、130、220、410 t/h（相当于100 MW）等型号，燃料为煤粉。与后来的大型设备相比，这一时期小型燃煤锅炉单位耗煤量较大，烟气中的有害物质基本没有得到处理，浪费了大量煤炭，污染了空气质量。我国最早的大型火力发电锅炉技术是 20 世纪 80 年代从国外引进的 300 MW 级锅炉。在引进设备的同时，我国锅炉技术专家通过学习和技术消化，掌握了设计和制造的关键技术。20 世纪 90 年代，600 MW 级锅炉技术得到发展[1]，而 21 世纪，随着国家经济的快速增长，火力发电市场也得到了迅速发展。

锅炉作为火力发电的主要设备之一，在短短十几年内完成了从亚临界到超超临界技术的飞跃，开发了世界上最大的1 000 MW超超临界∏锅炉技术和1 000 MW超超临界塔锅炉技术 [2]。随着大型电站锅炉的发展，锅炉的钢结构在设计、制造、安装等方面得到了全面的改进。由于超超临界锅炉效率更高，排放更环保，因此在国内得到广泛应用。

1987 年，当中国的大规模火力发电开始发展时，许多相关技术需要学习和消化。这些技术包括国外标准锅炉受热面设计、热计算、水循环技术、强度计算方法、锅炉钢结构设计方法及与国内标准的比较、密封与绝缘、新材料研究、大型设备配套设备采购、锅炉相关部件生产制造工艺研究等。

锅炉钢结构的主要作用是将锅炉本体的各个部分悬空并保持它们之间的相对位置，还要承受雪荷载、风荷载、地震作用、内压不平衡力、膨胀力等，承受电站设计单元提供的荷载和作用在锅炉钢结构上。锅炉本体的总重量和大量其他设备载荷通过臂架传递到锅炉钢结构的屋面层，最后集中到几根大板梁上，这些板梁将载荷传递到柱子上，然后传递到基础上。

从电站锅炉的布局来看，主要有∏布局、塔式布局等。∏布置适用于各种容量的锅炉和燃料，因此应用广泛，具有水平受热面，占地面积大。塔架布置适用于燃烧灰烟煤和褐煤的锅炉，无需翻烟道，可减少粉煤灰对受热面的局部磨损，占地面积小，但炉体高，安装维护较复杂。

电站锅炉系统主要包括炉前的磨煤系统、锅炉本体及其支撑系统，以及炉后脱硝、除尘、脱硫装置等环保系统，如图1所示。

1-煤仓房;2-锅炉;3-脱硝装置;4-除尘装置;5-脱硫装置;6-烟囱。

图 1 电站锅炉系统布局示意图 mm

近十年来，世界上新型大型锅炉大多主要在中国。中国电厂锅炉发展迅速，拥有世界最大的锅炉设计、制造和运行技术。电站锅炉是电站的三大主机之一。目前，火力发电仍是我国的主要发电方式。近年来，环保节能已成为我国电力行业结构调整的重要方向，经过锅炉炉膛燃烧和尾排放的技术改造，火力发电厂的排放标准达到并超过国家相关环保标准。

目前，电站锅炉主要采用超临界技术，超超临界机组技术相对成熟。超超临界锅炉主蒸汽出口压力达到30 MPa左右，主蒸汽出口温度达到623 °C。 与亚临界锅炉相比，超超临界直流锅炉无汽包，启停速度快，比亚临界锅炉具有更大的经济性，单台机组发电热效率可达50%，最低煤耗仅为255 g·（kW·h）-1，而亚临界压力装置约为 327 g/（kW·h），每年可节省大量煤炭。同时，低氮氧化物技术可以减少燃烧过程中氮氧化物等有害物质的形成65%，脱硫率可达98%以上，达到节能、降耗、环保的目的。电站放电经过炉膛燃烧和尾部排放的技术改造，已满足最新版国家标准GB 13223-2011《火力发电厂大气污染物排放标准》的相关要求。目前，我国燃煤电站的排放完全可以达到甚至超过天然气发电的排放标准，社会效益明显。

1 000 MW 超超临界∏锅炉顶板长约 80 ~ 100 m，占地面积约 4 000 m2，总质量约 18 000 t，承重钢结构约为 8 000 ~ 12 000 t。锅炉总质量和大量其他设备负载通过吊杆传递到屋顶，顶部的单个大板梁承载超过 1 × 105 kN。1 000 MW 超超临界塔锅炉高度超过 150 m，顶板梁跨度超过 35 m，单板梁承载能力大于 1.25 × 105 kN，翼缘厚度为 150 mm，单板梁重量超过 6 500 kN。主柱由截面边长为 2 500 mm、钢板厚度为 100 mm、单截面柱质量为 100 t、抗震作用下承载力大于 1.26 × 105 kN 的大型焊接方钢板柱制成。在150多米的高程处悬挂着2.5×105 kN的锅炉载荷，其他高程的支撑载荷也在105 kN×5 kN以上，从整个锅炉钢结构传递到基础的垂直永久载荷达到8 × 105 kN，是我国工业和建筑钢结构行业设计的最大钢结构。图 2 显示了正在建设的 2 × 1 000 MW 超超临界机组。

图 2 2× 1 000 MW 超超临界机组

国家发展和改革委员会 （NDRC） 和国家能源局 （NEA） 在《能源生产和消费革命战略（2016-2030 年）》中指出，煤炭消费比重需要进一步降低，清洁能源将成为能源增长的主体。但目前，火力发电仍是我国的主要动力来源。国务院印发的《中国制造2025》强调推进大型、高效、超清洁排放燃煤机组产业化，这是国家产业政策大力支持的方向，未来将有更多的大型超超临界机组投产。火电行业将进一步淘汰小型和老旧机组，发展具有超清洁排放的大型机组。目前运行的最大火力发电锅炉数量已达到 1 350 MW。

国家大力发展煤电行业，确保煤电企业健康发展，发挥煤电供应的基础性作用，一是保证电煤燃料的“数量”、“质量”和“价格”，二是完善电价形成机制，合理引导煤电成本， 三是做好重点地区、重点时段动力煤供应保障，加大对煤电企业纾困的政策支持力度。从 2022 年下半年开始，将有大量新建电站投入使用，作为火力发电厂三大主机之一，锅炉行业和企业都面临着各种挑战，锅炉行业必须坚持创新，研发新产品，设计和制造市场所需的产品， 使企业始终处于国际市场的技术前沿。锅炉技术也在不断创新和发展，近年来，二次再热技术，将再热蒸汽循环再加热，进一步提高了蒸汽的效率，从而提高了锅炉机组的发电效率，进一步节约了能源。

2、锅炉钢结构的主要技术

2.1 锅炉钢结构的技术现状

锅炉的钢结构全部由纯钢结构构件制成，大部分布置在露天，在寒冷地区或有特殊需要时完全拧紧或部分拧紧。锅炉结构的主要特点体现在锅炉本体全部悬挂在框架的最上部，结构复杂，结构构件数量多，全螺栓连接，大板梁等构件较大，结构的设计、生产和检验较为复杂。锅炉框架主要承受锅炉本体和用户传递的静载荷，需要分析垂直力和水平力的力。由于结构体系大，荷载集中在柱顶，竖向支撑沿结构垂直方向布置，以加强结构刚度并传递水平力。随着超超临界等大型锅炉的应用，锅炉框架所承受的垂直和水平载荷越来越大，结构的受力越来越大，构件的横截面越来越大。大型锅炉的钢结构柱和大部分横梁和竖向支撑由于承受较大的载荷而不能满足使用要求，热轧H型钢的截面不能满足使用要求，大量大型锅炉钢结构柱采用板式横柱或箱形柱。图 3 显示了塔式锅炉结构的布局示意图。

图 3 塔式锅炉结构布置示意图

这

锅炉框架的塔座一般采用地脚螺栓铰接，有时采用固定连接。根据锅炉本体运行、维护、管道支撑等的需要，锅炉框架应设置多个水平层;根据运维需要，多处应铺设网格平台或钢板平台。同时，在水平层上布置水平支撑，以传递锅炉防摇装置的力，保持柱的稳定性。同时，柱子之间的竖向支座将水平力传递到基础上。

锅炉本体受压部件的大部分重量通过臂架作用在顶板上，顶板主要由大板梁、小板梁、水平支撑和挂点梁组成，载荷通过屋面构件传递到锅炉框架塔。一般大型锅炉板梁，考虑到运输和提升条件，根据叠梁设计，叠梁分为上下两部分。较长的组件（如大型板梁）有时会沿长度分段，以方便运输。

根据工程合同的要求，锅炉钢结构的设计与制造可采用国内相关规范、美国钢结构规范、欧洲规范、印度规范、土耳其规范等有关国家的标准。在设计过程中，根据项目要求，不断优化设计，使结构布局更加合理和完善，节省场地和制造成本，节省设备成本。

2.2 锅炉钢结构抗侧向力分析

锅炉是一个大型的悬挂结构，大量的锅炉本体载荷悬挂在顶部，同时，它还必须承受分布在各个高程上的设备支撑载荷。锅炉本体的水平荷载通过导向装置传递到锅炉钢结构，锅炉导向装置和刚性梁共同确定锅炉膨胀中心，锅炉地震和风荷载等水平作用以及从刚性梁传递的尾烟道不平衡力传递到钢结构， 参见图 4。

图 4 锅炉升降导轨示意图

由于结构和载荷的特殊性，应根据锅炉的特点和外部条件选择锅炉的钢结构，应选择承载性能好、经济合理的结构体系。可选择框架结构、框架支撑结构和支撑结构，设计需要满足GB/T 22395-2022《锅炉钢结构设计规范》中的有关规定。

由于锅炉本体等大型设备的空间需要，锅炉钢结构可能存在垂直和水平不规则性，这就要求设计人员根据设计规范采取相应的技术措施。

在锅炉钢结构系统的设计中，根据结构的需要，布置相应的构件，以抵抗锅炉本体和各种设备通过导向装置传递的风荷载，以及钢结构本身所承受的风荷载。图 5 显示了计算流体动力学 （CFD） 分析期间塔式锅炉气压系数的分布。

图 5 风压系数分布

锅炉钢架抗震分析可用于分析在频繁和罕见地震下支护钢框架结构（包括炉体和不包括炉体）的响应，得到在频繁地震和罕见地震下结构的顶部侧移和结构的层间侧移， 并检查杆件应力。还可以模拟和分析炉体对钢结构的影响，并进行相应的抗震分析。图 6 显示了锅炉本体和钢结构组合时的抗震分析。

图 6 锅炉本体与钢结构结合时的地震作用

2.3 锅炉板和梁等大型构件的设计

由于荷载和跨度大，锅炉钢结构中的大板梁设计为堆叠梁，有时由于运输或安装的需要，长度方向也会分段。对于塔式锅炉，大板梁一般设计为上部∏形，下部设计为两个工字形，或整个截面设计为工字形。塔锅炉板梁的两端是垂直板，厚度可达 200 mm，用于传递支座反作用力（图 7）。对于∏锅炉，通常使用焊接工字钢，1 000 MW 超超临界塔式锅炉的最大高度为 10.8 m（图 8）。必要时，需要对大型板梁等大型构件进行优化设计，将有限元方法与理论计算方法相结合，建立分析模型，并对各零件的应力分量和挠度分布进行分析计算。

图 7 大型板梁∏塔式锅炉

图 8 在长度截面中堆叠的工字钢

锅炉厂积极开展产学研活动，与国内多所高校和设计院合作，开展纯钢结构、充混凝土钢管结构、屈曲约束支座等方面的大承载载荷大型构件的研究，形成自主技术。

2.4 锅炉钢结构制造

这

1 000 MW超超临界∏塔式锅炉钢结构质量约为8 000~12 000 t，1 000 MW超超临界塔式锅炉钢结构质量约为11 000~13 000 t，其中塔最大翼缘厚度为100 mm，大板梁厚度为150 mm。

锅炉钢结构的结构构件很多，钻孔量大，一般柱子和斜撑需要三维钻孔。一个 1 000 MW 的超超临界锅炉钢结构有超过 200 000 个螺栓孔。由于载荷大，螺栓孔多，要求钻孔精度高 [3-4]。

锅炉钢结构所用的材料大多为厚板，塔法兰的厚度一般为50~100mm，因此需要根据锅炉的有关规范进行进货检验和生产过程的检验。拼接型材时，需要严格按照工艺要求对大厚板型材进行下料、拼接、组装、焊接成型、校正和热处理。

对于叠合大板梁的制造，由于叠合面上一般有 1 500 多个螺栓，而且有些工程还需要在长度方向上进行分段，因此大板梁上有 2 500 多个螺栓孔。因此，最重要的是钻孔精度和尺寸公差的控制，焊前预热、焊接、无损检测等工序也很重要，必须按照相关工艺和作业指导书精心生产，确保整体连接穿孔率100%。大型板梁的拱形需要在实际制造中将理论与实践完美结合，才能满足设计要求。

图 9 是大型板梁车间的制造照片，图 10 是 10.8 m 高的三折板梁现场安装的照片。

图 9 大型板梁车间制造

图 10 10. 8 m 高三折大板梁现场安装照片

3、锅炉钢结构技术前景

3.1 规范行业设计制造

锅炉钢结构是锅炉的重要受力部件，需要按照TSG 11-2020《锅炉安全技术监督规程》中的相关要求进行监测，目前尚无形式的审查制度。锅炉钢结构分会将根据相关规范和行业需要，组织有关部门和专家开展相应工作，规范行业的设计和制造行为。

3.2 设计软件开发

这

锅炉钢结构技术的发展促进了 Staad-Pro 和 Xsteel 等计算软件和详图设计软件在中国的使用，并促进了其他行业的应用。目前，我们正在积极研究新型锅炉钢结构的设计方法，进行设计计算软件的二次开发，编写智能化设计软件，有效提高设计制造效率。

3.3 高强度钢的应用

锅炉钢结构的承重柱和梁基本采用 Q355 级材料，较厚的钢板已采用 Q460 级材料，设计和制造技术专家也在研究扩大使用范围的可能性，以优化锅炉钢结构的结构设计 [5]。锅炉钢结构分会正在组织研究，推广在一些强度控制构件上使用高强度热轧 H 型钢。由于所有锅炉钢结构构件均采用高强度螺栓连接，因此还将研究超高强度高强度螺栓的应用，以优化设计和制造。

3.4 优秀技术人才的培养

锅炉钢结构是我国设计的重要大型结构，其复杂程度超过了大型住宅建筑，需要规范行业的设计和制造行为，锅炉钢结构分会将大力培养该领域的设计和工艺专家，并为我国大型工业钢结构培养和储备人才。

3.5 钢管混凝土结构的设计与应用

锅炉框架是大型火力发电厂的主要承重结构，属于大型重型结构系统。为了提高结构体系的抗震性能和结构体系的经济性，在传统钢结构框架的基础上，用混凝土填充钢管柱取代了传统的钢柱，大大减少了结构的用钢量，提高了结构体系的抗震性能。

3.6 屈曲约束支座的研究与应用

目前，屈曲约束支护在锅炉钢结构中的应用在国内外尚未得到广泛应用。由于锅炉钢结构自身的特点，与民用大跨度高层建筑有很大的不同，我们可以借鉴屈曲约束支护在建筑结构中的应用经验[6-9]，通过试验研究和有限元分析研究锅炉钢结构中屈曲约束支护的布置，以确保在满足抗震性能的前提下能最大限度地节约钢材。

3.7 建立较完整的行业标准体系

锅炉钢结构分会组织行业专家编纂了十几项设计制造检验标准，目前正在编纂标识和加固与太阳能钢结构的标准，并将不断加大力度，编制相应的太阳能光热和光伏技术标准和手册，还将研究编制电站其他结构的相关标准，以规范和指导行业行为。

燃煤发电行业在我国国民经济中起着压舱石作用，目前仍有大量新建火电厂正在规划建设中。锅炉钢结构的相关从业人员和单位在开发锅炉钢结构新技术的同时，还应在其他发电领域进行技术开发和持续创新。

来源： Liu Shuxin， Zhang Yongqian， Liu Yuan， et al. 锅炉钢结构技术发展现状与展望[J].钢结构， 2024， 39（11）： 56-62

DOI：10.13206/j.gjgS24101036。