电站锅炉是火力发电站的三大主机之一。我国发电技术经过 30 多年的高速发展，完成了从 300 MW 亚临界到世界最大的 1 000 MW 超超临界技术的飞跃，目前国内已经运行的火电机组最大已经达到 1 350 MW。我国电站锅炉发展迅猛，拥有世界上最大型锅炉设计、制造和运行技术，最近十几年，世界上大部分新建大型电站主要在国内。近年来，环保节能成为中国电力工业结构调整的重要方向，经过对锅炉炉膛燃烧和尾部排放的技术改造，火力发电站的排放标准已经达到和优于国家的有关环保标准，火力发电在我国国民经济中起到压舱石的作用。

由于锅炉本体全部悬吊在锅炉钢结构的最上面的顶板层，造成顶板层受力较大，大型锅炉大板梁截面采用叠梁方案，梁截面高度超过 10 m。锅炉钢结构承受锅炉本体和用户等传递的静载；锅炉本体的水平荷载通过导向装置传递到锅炉钢结构，锅炉导向装置与刚性梁等一起确定锅炉膨胀中心，并将导向装置传递过来的锅炉地震和风载及尾部烟道不平衡力等水平作用传到钢结构上。

锅炉钢结构全部采用纯钢结构构件，大部分为露天布置，在寒冷地区或有专门需要时采用全紧身封闭或部分紧身封闭。锅炉钢结构结构复杂、构件数量多、全螺栓连接、大板梁等构件较大，结构的设计、制作和检验较复杂。大型锅炉钢结构许多梁采用热轧 H 型钢等热轧截面，但是由于大部分柱子和梁以及垂直支撑承受较大荷载，热轧截面不能满足使用要求，大量采用了板拼工字型、十字型或箱型等截面。

锅炉钢结构领域仍然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在致力于引导行业技术发展和行业自律，已经组织会员单位编写了很多设计、制造、检验、鉴定、加固等方面的标准。锅炉钢结构需要在设计和制造、国产软件开发、高强钢应用、钢管混凝土结构设计和应用、屈曲约束支撑研究与应用、开发新产品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。

我国在 20 世纪 70 年代以前，火力发电主要依靠 100 MW 及以下小型发电设备，包括 35、65、75、130、220、410 t / h（相当于 100 MW）等型号，燃料是煤粉。相比后来的大型设备，这个时期的小型燃煤锅炉单位煤耗量大，烟气有害物质基本没有处理，浪费了大量燃煤，也对空气质量造成污染。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 等级锅炉，这些锅炉一般是中间再热、自然循环、锅筒式燃煤技术。引进设备的同时，我国锅炉技术专家通过学习和技术消化，掌握了设计和制造关键技术。在 20 世纪 90 年代，开发出了 600 MW 等级锅炉技术 ^[1] ，进入 21 世纪后，随着国家经济的快速增长，火力发电市场也迅猛发展。

作为火力发电主设备之一的锅炉，短短十几年就完成了从亚临界到超超临界技术的飞跃，开发出了世界最大的 1 000 MW 超超临界  ∏  式锅炉技术和 1 000 MW 超超临界等级塔式锅炉技术 ^[2] 。随着大型电站锅炉的发展，锅炉钢结构从设计、制造、安装等诸方面技术均得以全面提升。由于超超临界锅炉拥有更高的效率及更环保的排放，故在国内被广泛采用。

1987 年，正值我国大型火力发电开始发展的时期，许多相关技术需要学习和消化。这些技术包括国外标准的锅炉受热面设计、热力计算、水循环技术、强度计算方法、锅炉钢结构设计方法以及与国内标准的对照、密封和保温、新材料的研究、大型设备的配套设备采购、锅炉相关部件的生产制造工艺研究等。

锅炉钢结构主要作用是悬吊锅炉本体各部件，并维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，承受电站设计单位提供并作用在锅炉钢结构上的荷载。锅炉本体总重量和大量的其他设备荷载，通过吊杆传到锅炉钢结构的顶板层，最终集中到几根大板梁，大板梁将荷载传到柱子，然后传至基础。

从电站锅炉布置形式看，主要有  ∏  式布置、塔式布置等。 ∏  式布置适用于各种容量的锅炉和燃料，故应用广泛，具有水平受热面，占地面积较大。塔式布置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。

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，炉后的脱硝、除尘、脱硫装置等环保系统，见图 1。

1—煤仓间；2—锅炉；3—脱硝装置；4—除尘装置；5—脱硫装置；6—烟囱。

图 1 电站锅炉系统布置示意 mm

最近十几年，世界上大部分新建大型锅炉主要在国内。我国电站锅炉发展迅猛，拥有世界上最大型锅炉设计、制造和运行技术。电站锅炉是发电站的三大主机之一。目前，火力发电仍然是我国主要的发电方式。最近几年，环保节能成为中国电力工业结构调整的重要方向，经过对锅炉炉膛燃烧和尾部排放的技术改造，火力发电站的排放标准已经达到和优于国家的有关环保标准。

目前，电站锅炉主要是采用超临界技术，超超临界机组在技术上已经比较成熟。超超临界锅炉的主汽出口压力已经达到 30 MPa 左右，主汽出口温度达到 623 ℃ 。超超临界直流锅炉没有汽包，启停速度快，与亚临界锅炉比，具有较大经济性，单台机组发电热效率最高可达 50%，煤耗最低仅有 255 g·（kW·h） ^-1 ，而亚临界压力机组为 327 g/（kW·h）左右，每年可节约大量燃煤；同时采用低氧化氮技术，在燃烧过程中可减少 65% 的氮氧化合物及其他有害物质的形成，且脱硫率可超 98%，实现节能降耗、环保的目的。经过对炉膛燃烧和尾部排放的技术改造，电站 的 排 放 已 经 达 到 最 新 版 国 家 标 准 GB 13223—2011《火电站大气污染物排放标准》 的有关要求。现在，我国燃煤电站的排放已经完全可以达到甚至优于天然气发电的排放标准，社会效益明显。

1 000 MW 的超超临界 ∏ 型锅炉顶板标高约80 ~ 100 m，占地 4 000 m ² 左右，锅炉本体总质量约18 000 t，承重的钢结构质量约 8 000 ~ 12 000 t。锅炉总质量和大量的其他设备荷载，通过吊杆传到顶板，顶部单根大板梁承载超过 1 × 105 kN。1 000 MW超超临界塔式锅炉高度超过 150 m，顶部大板梁跨度超过 35 m，单根大板梁承载超过 1.25 × 105 kN，翼缘厚度 150 mm，单根大板梁重超 6 500 kN。主柱采用大型焊接方形钢板柱，截面边长 2 500 mm，钢板厚度达到 100 mm，单节柱质量为 100 t，在地震作用下的承载超过 1.26 × 105 kN。有 2.5 × 105 kN 锅炉荷载悬吊在 150 多米标高处，其他标高处支撑荷载也超过 5 × 105 kN，整个锅炉钢结构传到基础的垂直永久荷载达到 8 × 105 kN，是目前工业和建筑钢结构行业中我国自行设计的最大钢结构。图 2 为某在建 2 × 1 000 MW 超超临界机组。

图 2 某 2× 1 000 MW 超超临界机组

国家发改委和能源局在《能源生产和消费革命战略（2016—2030）》 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量主体。但目前火力发电仍然是我国的主力电源。国务院发布的《中国制造 2025》 强调推动大型高效超净排放燃煤机组产业化，大型化、高效、超净排放是国家产业政策大力支持的方向，今后将有更多的大型超超临界机组投入运行。火电行业必将进一步淘汰小旧机组，发展超净排放的大型机组。目前已经运行的火电锅炉最大已经达到 1 350 MW。

国家大力发展煤电产业，保障煤电企业健康发展以发挥煤电保供基础作用，一是确保电力燃料的 “量”“质”“价”，二是完善电价形成机制，合理疏导煤电成本，三是做好重点区域、重点时段电煤保供，加大对煤电企业纾困的政策支持力度。从 2022 年下半年开始，新建电站大量上马，作为火力发电站的三大主机之一，锅炉行业和企业面临着各种挑战，锅炉行业必须坚持创新，研发新产品，设计制造市场需要的产品，使企业始终处于国际市场技术最前端。锅炉技术也在不断创新和发展，最近几年的二次再热技术，将再热蒸汽循环再加热一次，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，进一步节省能源。

2.1 锅炉钢结构技术现状

锅炉钢结构全部采用纯钢结构构件，大部分为露天布置，在寒冷地区或有专门需要时采用全紧身封闭或部分紧身封闭。锅炉构架的主要特点体现在锅炉本体全部悬吊在构架的最上部，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、制作和检验较复杂。锅炉构架主要承受锅炉本体和用户等传递的静载，需要进行竖向力和水平力等的受力分析。由于结构体系庞大，并且较大荷载集中在柱顶，结构布置时考虑水平作用影响，在结构竖向布置了垂直支撑，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，锅炉构架承受的竖向和水平方向荷载越来越大，结构的受力较大，构件截面越来越大。大型锅炉钢结构柱子和大部分梁以及垂直支撑由于承受较大荷载，热轧 H 型钢截面不能满足使用要求，需要板拼截面，目前大量大型锅炉钢结构柱子采用了板拼十字柱或箱型柱。图 3 为塔式锅炉构架的布置示意。

图 3 塔式锅炉构架布置示意

锅炉构架柱脚一般采用地脚螺栓铰接连接方式，有时也采用固接连接。根据锅炉本体运行、检修、管道支吊等的需要，锅炉构架应设置多个水平层；根据运行和维修的需要，在很多地方应铺设栅格平台或花钢板平台。同时，在水平层上布置水平支撑，以传递锅炉止晃装置的力和保持柱子的稳定。同时柱间的垂直支撑将水平力传递到基础。

锅炉本体受压部件的大部分重量通过吊杆作用于顶板，顶板主要由大板梁、小板梁、水平支撑及吊点梁组成，荷载通过顶板构件传给锅炉构架柱。一般大型锅炉大板梁，考虑到运输及起吊条件按叠梁设计，叠梁分为上下两部分。有时也将大板梁等较长的构件在长度方向分段，以方便运输。

根据项目合同要求，锅炉钢结构设计和制造可以采用国内相关规范、美国钢结构规范、欧洲相关规范、印度规范、土耳其规范等相关国家的标准。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，节约场地以及制造成本，节省设备造价。

2.2 锅炉钢结构抗侧力分析

锅炉是大型悬吊结构，大量的锅炉本体荷载悬吊在顶部，同时还要承受分布在各标高的设备支承荷载。锅炉本体的水平荷载，通过导向装置传到锅炉钢结构，锅炉导向装置与刚性梁一起确定锅炉膨胀中心，并将刚性梁传过来的锅炉地震和风载及尾部烟道不平衡力等水平作用传到钢结构上，见图 4。

图 4 锅炉某标高导向装置示意

由于结构和荷载的特殊性，锅炉钢结构应根据锅炉的特点和外界条件，选择承载性能好又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。

由于锅炉本体和其他大型设备的空间需要，锅炉钢结构可能会出现竖向和水平不规则，需要设计人员根据设计规范，采取相应的技术措施。

在锅炉钢结构体系设计中，根据结构需要，布置相应构件抵抗锅炉本体及各种设备通过导向装置传过来的风荷载，以及钢结构本身承受的风荷载。图 5 为计算流体动力学分析（CFD）时某塔式锅炉的风压系数分布。

图 5 风压系数分布

锅炉钢架抗震分析，可以通过对支撑钢框架结构内，包括炉体和不包括炉体两种工况在多遇和罕遇地震下的响应分析，得出结构在多遇地震、罕遇地震下结构顶部侧移和层间侧移，校核杆件应力；也可以通过模拟分析炉体对钢结构的作用，进行相应的抗震分析。图 6 为锅炉本体和钢结构联合作用时的地震作用分析。

图 6 锅炉本体和钢结构联合作用时的地震作用

2.3  锅炉大板梁等大型构件设计

由于荷载和跨度较大，锅炉钢结构中大板梁设计成叠梁，有时由于运输或安装需要，长度方向也要分段。对于塔式锅炉，大板梁一般上部设计成∏型，下部设计成两个工字型，或者整个截面设计成工字型。塔式锅炉大板梁的两端节点为竖板，最厚达到 200 mm，传递支反力（图 7）。对于  ∏ 型锅炉，大板梁一般采用焊接工字型叠梁，1 000 MW 超超临界塔式锅炉大板梁最大高度 10.8 m（图 8）。必要时需对大板梁等大型构件进行优化设计，将有限元方法以及理论计算方法相结合，建立分析模型，分析计算其各个部位应力分量及挠度分布。

图 7 塔式锅炉∏式大板梁

图 8 长度方向分段的工字型叠梁

各锅炉厂积极开展产学研活动，与国内多所大学、设计院合作，对承重较大的大型构件进行了纯钢结构、钢管混凝土结构、屈曲约束支撑等方面的研究，形成了自主技术。

2.4 锅炉钢结构制造

1 000 MW 超超临界 ∏ 式锅炉钢结构质量约 8 000 ~ 12 000 t，1 000 MW 超超临界塔式锅炉钢结构质量约 11 000 ~ 13 000 t，其中立柱的翼缘厚度最大达到 100 mm，大板梁的厚度达到 150 mm，所以制作过程中对大型构件的尺寸控制、起吊翻身、焊接变形的控制、 大板梁制作、 巨型柱梁斜撑制作非常重要。

锅炉钢结构的结构构件较多，钻孔量大，一般柱和斜撑都需要三维钻。一台 1 000 MW 超超临界锅炉钢结构有超过 200 000 个螺栓孔。由于承受的荷载较大，螺栓孔多，对钻孔精度要求较高 ^[3-4]  。

锅炉钢结构采用的材料，大多是较厚的板材，柱子翼缘厚度一般在 50 ~ 100 mm，因此需要按锅炉有关规范进行入厂检验和生产过程的检验。进行截面拼接时，大型厚板截面需要严格按工艺要求进行下料、拼接、组立、焊接成型、矫正和热处理。

对于叠合式大板梁的制造，由于叠合面的螺栓一般有 1 500 多个，有的项目还需要长度方向分段，一根大板梁上的螺栓孔超过了 2 500 个。因此，最关键的是钻孔精度和控制尺寸公差，焊前预热、焊接、无损检测等工序也十分重要，必须按照相关工艺及作业指导书精心生产，确保整体连接穿孔率 100%。大板梁的起拱，在实际制造中需要进行理论和实践的完美结合，才能达到设计要求。

图 9 为大板梁车间制造照片，图 10 为 10.8 m 高三叠大板梁现场安装照片。

图 9 大板梁车间制造

图 10  10. 8 m 高三叠大板梁现场安装照片

3.1 规范行业的设计和制造

锅炉钢结构是锅炉的重要受力部件，需要按照 TSG 11—2020《锅炉安全技术监察规程》 中的相关要求进行安全监测，目前还没有任何形式的审查制度。锅炉钢结构分会将根据有关规范和行业需要，组织相关部门和专家开展相应工作，规范行业设计和制造行为。

3.2 设计软件开发

锅炉钢结构技术的发展，推动了 Staad-Pro 和 Xsteel 等计算软件和详图软件在我国的使用并推广应用到其他行业。目前正积极研究新型锅炉钢结构的设计方式，对设计和计算软件进行二次开发，编写智能化设计软件，有效提高设计和制造效率。

3.3 高强钢应用

锅炉钢结构承重柱和梁基本采用 Q355 等级材料，目前已经在较厚钢板中采用 Q460 等级材料，设计和制造技术专家还在研究扩大使用范围的可能性，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在部分强度控制的构件上推广采用高强热轧 H 型钢。由于锅炉钢结构构件全部采用高强螺栓连接，还将研究超高强度的高强螺栓应用，优化设计和制造。

3.4 优秀技术人才培养

锅炉钢结构是我国自行设计的重要的大型结构，其复杂程度超过了大型房屋建筑，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本领域的设计和工艺专家，为我国大型工业钢结构培养和储备人才。

3.5 钢管混凝土结构设计和应用

锅炉构架是大型火力发电站的主要承载结构，属于大型重载结构体系。为提高结构体系的抗震性能与结构体系的经济性，在传统钢结构构架的基础上将传统钢柱替换为钢管混凝土柱，显著降低结构用钢量，提高结构体系抗震性能，钢管混凝土结构在实际工程中具有广阔的应用前景。

3.6 屈曲约束支撑研究与应用

目前国内外在锅炉钢结构中应用屈曲约束支撑并不广泛。锅炉钢结构由于其自身的特点，与民用大跨高层建筑存在较大的差别，可以借鉴建筑结构屈曲约束支撑的应用经验 ^[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撑的布置，确保其在满足抗震性能的前提下最大限度地节省用钢量。

3.7 建立更加完整的行业标准体系

锅炉钢结构分会已经组织行业专家编写了十几部设计和制造检验标准，目前正在编写鉴定和加固以及太阳能钢结构方面的标准，后续还将继续加大力度，编写太阳能光热和光伏等相应的技术标准和手册，同时还将研究编写电站其他构筑物的相关标准，规范和指导行业行为。

煤电行业在我国国民经济中起到压舱石的作用，目前仍有大量的新建火力发电站在筹划和建设。锅炉钢结构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，不断创新。

来源：刘树新,张永倩,刘圆,等. 锅炉钢结构技术发展的现状与展望[J].钢结构(中英文), 2024, 39(11): 56-62.

DOI: 10.13206/j.gjgS24101036.