超临界二氧化碳(supercritical CO2,S-CO2)循环作为一种先进的动力循环,有望进一步提高热功转换效率。同时S-CO2循环具有结构紧凑、系统简单、响应速度快等优势在发电领域引起了广泛的关注。S-CO2循环与煤粉炉结合时,会面临两个主要问题。一是S-CO2循环工质流量约是水机组的8倍,锅炉压降控制特别是冷却壁的构型及气动力特点(对应水工质锅炉的水动力)是研究重点。二是CO2进入锅炉的温度大约为500℃,尾部烟道中300～500℃温区之间热量难以吸收。顶底循环可以实现能量梯级利用,但是底循环受热面需要优化设计。本文将以1000MWS-CO2发电机组为研究对象,对锅炉受热面进行概念设计及优化,重点关注冷却壁气动力特性。分流模式是解决锅炉大流量的有效方案。工质进入锅炉前一分为二,分别流经不同的受热面,单个受热面内工质质量流速减小一半,管长减小一半,摩擦压降减小为1/8。分流模式下的冷却壁被分为4部分管屏,形成了模块化设计。计算结果表明,分流模式冷却壁能够与水机组在相同管径的条件下,压降仍维持在合理范围内。同时由于管屏高度限制,螺旋管圈不能绕炉膛一周,既起不到均匀出口气温的作用,反而会大大增加冷却壁压降。因此,垂直管屏更加适合模块化设计的S-CO2锅炉冷却壁。为了进一步研究冷却壁采用垂直管屏时的流量分配和出口气温分布特点,本文依据回路法编制了冷却壁流动换热数学模型,给出了回路入口节流圈的设计方法。分别就回路入口加装节流圈和不加装节流圈两种情况进行分析。研究发现,由于CO2始终处于超临界状态,近似为常物性,气动力呈现出良好的单值性,流动稳定性好。回路的流量分配对热负荷偏差不敏感,但流量分配对结构偏差十分敏感。入口加装节流圈,能够使回路流量与热负荷良好匹配,改善回路出口气温偏差,也有助于减小外壁最大温度。分流模式下,S-CO2锅炉的对流受热面也与水机组有很大不同。底循环加热器取代了传统水机组锅炉中的省煤器,吸收烟气热量。基于遗传算法和熵产分析对底循环受热面进行了优化设计。水平烟道受热面,其布置型式也由传统的U形布置优化为直管型式。锅炉热力计算结果显示本文设计的S-CO2锅炉各受热面工质和烟气压降都在允许范围内,换热面的各种热力参数都符合设计要求。本文研究成果对未来S-CO2锅炉设计具有一定的参考价值。