超超临界二次再热机组优化设计

中国工程热物理学会工程热力学与能源利用

学术会议论文编号：121161超超临界二次再热机组优化设计

徐钢，周璐瑶，杨勇平*，刘彤，张锴

电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，能源动力与机械工程学院，华北电力大学，北京，102206 Tel：(010)61772472Email：xgncepu@；yyp@

摘要：本文针对超超临界二次再热机组开展热力系统的优化设计研究。论文对沿用传统8级回热抽汽系统、设置外置式蒸汽冷却器及增加回热级数等多种设计方案进行深入分析与优选，并给出主要优化措施的定量节能效果。研究结果表明：对于超超临界二次再热机组，外置式蒸汽冷却器可明显降低抽汽过热度，增加回热级数则有助于回热系统内水侧焓升的合理分配，这两项优化措施均有利于提高机组效率；经优化后的二次再热机组可比相同初参数、沿用传统回热系统的机组发电效率提高1.56个百分点，机组发电煤耗大幅降低8.56g/kWh，节能效果显著。

关键词：二次再热；热力系统；外置式蒸汽冷却器；回热级数优化；节能效果

0前言

我国能源结构决定了以煤电为主的发电格局，而且在我国的煤炭消耗中，电煤的消耗量占到了煤炭总产量的一半以上，所以降低燃煤发电机组的能耗是我国火力发电面临的重要任务。随着火电机组向大型化、高参数方向发展，超临界、超超临界发电技术进入快速发展阶段。从近年来国际上超超临界机组参数发展看，机组的参数水平不断提高，目前主蒸汽压力和温度已达25MPa、630℃水平，正在向28-35MPa、700℃水平发展。随着蒸汽参数的不断提高，采用二次再热对超超临界机组热力性能的进一步提升作用逐渐显现。我国已将二次再热超临界机组确定为国家科技能源“十二五”规划重点研究开发项目[1]，因而针对二次再热机组的节能理论研究具有十分重要的理论和现实意义。

目前，国外采用二次再热的机组主要有德国曼海姆电厂，日本川越电厂，丹麦Nordjylland电厂；中国国电集团公司也拟建超超临界二次再热燃煤发电示范项目，实现我国火力发电制造技术的突破，为加快700℃超超临界机组的开发和实施奠定良好基础，满足“十二五”中后期电力供需平衡[2-5]。而有关二次再热的研究主要有，严俊杰教授对二次再热机组热力系统进行热力学分析，建立二次再热机组热力系统的数学模型，对二次再热机组的热力系统进行热经济性分析；李建刚学者对二次再热机组循环吸热量进行数学建模研究[6-8]。总体上看，目前关于二次再热的研究大多是基于相关示范机组的性能分析，或是针对某项专门技术（如外置式蒸汽冷却器）的研究；而针对超超临界二次再热机组热力系统的综合全面优化研究较少。

有鉴于此，本文借鉴国外二次再热机组热力系统的设计，针对典型1000MW超超临本文由国家重点基础研究发展计划(973)项目(2009CB219801)，国家自然科学基金(51025624)和国际合作项目

（2010DFA72760-609）资助

界机组开展二次再热的优化设计研究。文章系统分析了二次再热机组沿用传统的8级抽汽回热方案时系统性能、研究外置式蒸汽冷却器的节能效果及优选方案，并在此基础上提出二次再热机组的10级回热加采用两级前置式外置蒸汽冷却器的优化设计方案，从而为我国超超临界二次再热机组的性能评估与优化设计提供理论基础与分析方法。

1二次再热机组热力系统的初步设计：沿用常规8级抽汽回热方案

1.1常规8级抽汽回热方案简介（参比机组）

目前国内已建成的超超临界机组均为一次中间再热机组，且绝大部分都采用了八级抽汽回热方案。图1给出了一个典型的八级抽汽回热系统简图，即3级高压回热加热器，1级除氧器（其本身也相当于一级回热加热器），4级低压回热加热器。

图1典型1000MW一次再热超超临界机组热力系统图（参比机组）图1所示是我国某典型1000MW一次再热超超临界机组的简化系统图，该机组在本文中被作为参比机组。该机组的锅炉为超超临界参数变压直流锅炉，汽轮机为N1000-26.25/600/600型超超临界、一次中间再热凝汽式汽轮机。其主蒸汽初压为26.25MPa，再热蒸汽压力为5.555MPa，主蒸汽和再热蒸汽的温度均为600℃。该机组回热系统具有8级非调整回热抽汽，其主要汽水参数如表1所示。该机组发电效率为44.78%，发电煤耗为274.69g/kWh。

表1典型1000MW超超临界一次再热机组回热系统汽水参数（参比机组）

加热器抽汽压力

(MPa)抽汽温度

(℃)

饱和温度

(℃)

过热度

(℃)

给水焓升

(kJ/kg)

1#7.494402.4288.4106.4102.5 2# 5.555352.7268.784.0223.9 3# 2.364483.0219.4263.6128.7 4# 1.165381.0184.4196.6175.8 5#0.589289.0156.0133.0127.4 6#0.241192.4124.767.7169.8 7#0.06086.186.10.094.0 8#0.02564.863.6 1.2103.3

1.2基于8级回热抽汽的二次再热机组(方案1)

所谓二次再热，是指在一次再热的基础上，增加了二次中间再热，锅炉侧增加一级再热器，汽轮机侧增加一个中压缸；即汽轮机高压缸排汽经过一次中间再热后进入一级中压缸，一级中压缸排汽经过二次中间再热后进入二级中压缸，二级中压缸排汽进入低压缸，低压缸排汽进入凝汽器。二次再热有望进一步提高机组发电效率，适合于蒸汽初参数特别是初压力比较高的超超临界机组。本文在前文参比的百万千瓦超超临界机组基础上，沿用传统8级抽汽回热方案，通过微调部分流程参数，提出了一个基于8级回热抽汽的二次再热机组热力系统设计，这是本文提出的第一个二次再热机组热力系统方案，简称为方案1，如图2所示。

图2沿用传统8级抽汽回热的二次再热机组热力系统图（方案1）如图2所示，在典型1000MW超超临界一次再热机组的基础上，提高机组初参数，将主蒸汽压力从26.25MPa提高到30MPa，主蒸汽温度仍为600℃；机组回热系统仍然沿用一次再热机组回热系统特点，采用8级回热抽汽；借鉴国外二次再热机组的回热系统布置，采用2级高压加热器，1级除氧器，5级低压加热器的回热系统布置结构[9-10]。在选择再热蒸汽参数时，参考在役机组以及前人研究经验，一次再热蒸汽压力取主蒸汽压力的0.3倍，二次再热压力取一次再热压力的0.3倍；鉴于二次中间再热机组的再热蒸汽温度的调节要比一次中间再热机组更加复杂，因此从安全角度考虑，再热蒸汽温度比主蒸汽温度应该有一定提高，并对二次中间再热机组锅炉的温度偏差控制留有适当裕量，本文将再热蒸汽温度定为610℃。表2给出了方案1的回热系统主要汽水参数。

表2沿用传统8级抽汽回热的二次再热机组回热系统汽水参数（方案1）

加热器抽汽压力

(MPa)抽汽温度

(℃)

饱和温度

(℃)

过热度(℃)给水焓升

（kJ/kg)

1#9.900402.4308.094.4160.0 2# 6.176521.0277.5243.5240.0 3# 2.970430.0225.2204.8160.0