毛健雄

(清華大學(xué)熱能工程系，北京 海淀 100084)

汽輪發(fā)電機(jī)組分軸高低位布置二次再熱超超臨界技術(shù)

毛健雄

(清華大學(xué)熱能工程系，北京 海淀 100084)

在嚴(yán)重霧霾要求改善大氣環(huán)境和氣候變化要求減排CO2的雙重壓力下，我國燃煤火電的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)我國能源革命對燃煤火電的要求，燃煤火電必采用更大容量、更高參數(shù)、更高效率、更低煤耗、更低排放和更加智能化的技術(shù)路線。面對挑戰(zhàn)，超超臨界技術(shù)從600 ℃等級向700 ℃，從一次再熱向二次再熱發(fā)展是必然的趨勢。分析了現(xiàn)行的常規(guī)設(shè)計1 000 MW二次再熱超超臨界技術(shù)的現(xiàn)狀及其存在的問題和解決方案，重點介紹了1 350 MW二次再熱超超臨界機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)組高低位分軸布置方案，并比較了該方案與現(xiàn)行的常規(guī)設(shè)計1 000 MW二次再熱超超臨界機(jī)組的性能。

二次再熱；超超臨界；燃煤火電

0 引言

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入中高速的新常態(tài)后，我國燃煤火電出現(xiàn)了以下的一些特點：

(1) 我國燃煤火電的容量、參數(shù)、效率和煤耗，均達(dá)到世界領(lǐng)先的水平，成為世界上具有超超臨界機(jī)組數(shù)量最多、裝機(jī)容量最大、蒸汽參數(shù)最高和供電煤耗最低的國家。

(2) 截止2015年底，我國火電裝機(jī)容量已達(dá)990 GW，但火電發(fā)電設(shè)備年均利用小時數(shù)則下降到4 329 h，創(chuàng)1978年以來年均利用小時數(shù)最低，出現(xiàn)了嚴(yán)重的產(chǎn)能過?，F(xiàn)象，這表明我國燃煤火電發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入深度調(diào)整期，亟需升級改造。

(3) 面對嚴(yán)重的產(chǎn)能過剩，“十三五”期間，要取消、緩核、緩建一批燃煤火電項目，在國家密集出臺一系列有關(guān)超低排放和節(jié)能改造政策的強力推動下，燃煤火電超低排放和節(jié)能改造已成為當(dāng)前重中之重的任務(wù)，新的燃煤火電機(jī)組建設(shè)步伐將會大大放緩，同時將會有相當(dāng)數(shù)量的落后燃煤火電產(chǎn)能被淘汰。這不但是現(xiàn)役燃煤機(jī)組進(jìn)行大規(guī)模超低排放和節(jié)能改造的一個難得的機(jī)遇期，而且也是思考在嚴(yán)重霧霾和二氧化碳減排的壓力下，應(yīng)該選用什么樣的新建燃煤火電機(jī)組，才能適應(yīng)和推動我國燃煤火電技術(shù)持續(xù)的發(fā)展。

(4) 我國燃煤火電技術(shù)十多年來的發(fā)展證明了，無論是煤粉爐還是循環(huán)流化床鍋爐，發(fā)展超超臨界技術(shù)是我國燃煤火電技術(shù)發(fā)展的主要方向，今后幾十年內(nèi)，我國燃煤火電技術(shù)的發(fā)展也必然會是發(fā)展更高參數(shù)、更大容量、更高效率、更低排放和更智能化超超臨界技術(shù)。

(5) 現(xiàn)在中國已經(jīng)投運的660 MW和1 000 MW一次再熱超超臨界機(jī)組已經(jīng)遠(yuǎn)超100臺，正在向更高參數(shù)、更大容量、更高效率、更低排放的二次再熱超超臨界方向發(fā)展。

本文結(jié)合工程實例，對比分析常規(guī)1 000 MW二次再熱超超臨界技術(shù)和1 350 MW二次再熱超超臨界技術(shù)。

1 二次再熱技術(shù)

我國燃煤火電現(xiàn)在面臨著提高效率和降低排放，特別是降低CO2排放的空前壓力。從熱力學(xué)的角度，進(jìn)一步大幅度提高效率的途徑就是提高蒸汽參數(shù)特別是溫度和增加再熱次數(shù)。在600 ℃等級的材料條件下， 除了對一次再熱技術(shù)進(jìn)一步創(chuàng)新改造挖潛之外，當(dāng)前唯一可大幅度提高效率的途徑就是二次再熱技術(shù)。在相同的溫度和壓力條件下，與一次再熱技術(shù)相比，二次再熱技術(shù)可提高熱效率2%左右，并降低CO2排放約4%。二次再熱機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中：HP為高壓缸；IP為中壓缸；LP為低壓缸；RH為再熱器；DEA為除氧器；CON為凝汽器。

二次再熱機(jī)組的蒸汽參數(shù)一般選擇為600 ℃/620 ℃/620 ℃/31 MPa，二次再熱過熱蒸汽吸熱量比一次再熱的減少，再熱蒸汽吸熱量增多，其機(jī)組結(jié)構(gòu)，熱力系統(tǒng)， 操作控制更加復(fù)雜，汽溫的各種調(diào)節(jié)控制方法還需運行實踐積累經(jīng)驗。

傳統(tǒng)設(shè)計的二次再熱機(jī)組，主蒸汽和兩次再熱蒸汽管道在鍋爐與汽輪機(jī)房之間多次來回。對于特大型機(jī)組，鍋爐越來越高，單根蒸汽管道的平均長度就達(dá)200 m。其存在的問題主要有：

(1) 增加了壓力較低的近200 m長的高溫大直徑第二次再熱管道，布置困難。

(2) 大直徑高溫蒸汽管道價格昂貴。

(3) 增加了系統(tǒng)阻力，降低了蒸汽的做功能力；增加了散熱損失。

(4) 大大增加了系統(tǒng)儲存的蒸汽量，汽輪機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)慣性顯著增加。

(5) 與一次再熱機(jī)組相比，容量為1 000 MW的二次再熱機(jī)組的總投資估計需增加約4.4億元人民幣。相當(dāng)于提升1%效率的成本達(dá)2.2億元人民幣。再考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性上升，其投入產(chǎn)出比并沒有明顯的優(yōu)勢。

為了縮短大容量二次再熱機(jī)組昂貴的大直徑主蒸汽和再熱蒸汽管道的長度，從而打開更高蒸汽參數(shù)以及高效二次再熱超臨界機(jī)組的發(fā)展瓶頸，提出了4個解決方案(如圖2所示)： (1)臥式鍋爐；(2)地下鍋爐；(3)整體提高汽輪機(jī)平臺；(4)高低位分軸布置[1-2]。

顯然，前3個方案對于容量達(dá)1 000 MW的超超臨界機(jī)組來說均是不現(xiàn)實的，唯一可行的方案就是汽輪發(fā)電機(jī)組分軸高低位布置方案。

2 汽輪發(fā)電機(jī)組分軸高低位布置方案及其優(yōu)點

汽輪發(fā)電機(jī)組分軸高低位布置技術(shù)是上海外高橋第三發(fā)電有限公司馮偉忠提出的創(chuàng)新技術(shù)，其特點是將汽輪機(jī)的高壓缸和第一級中壓缸布置在高位，靠近鍋爐過熱器和一級過熱器出口聯(lián)箱處，從而大大地縮短了高溫主蒸汽和再熱蒸汽管道的長度[3-4]。該布置方案如圖3—5所示，其優(yōu)點主要有：

(1) 采用高低位分軸布置，可最大限度地減少管道總量，二次再熱機(jī)組的優(yōu)勢得以發(fā)揮。

(2) 采用了雙軸技術(shù)，單機(jī)機(jī)組容量的瓶頸被打開，按現(xiàn)有的鍋爐和汽輪機(jī)設(shè)計技術(shù)，單機(jī)容量可達(dá)1 300～1 500 MW，而且更具有優(yōu)化機(jī)組二次再熱熱力學(xué)性能的潛力。

上海申能公司平山電廠二期1 350 MW超超臨界機(jī)組是采用高低位分軸布置技術(shù)二次再熱的更高效、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的示范工程，并集成了上海外高橋第三發(fā)電有限公司一系列創(chuàng)新技術(shù)，示范工程預(yù)期目標(biāo)為：

(1) 供電效率(包括煙氣脫硫裝置(Flue gas desulfurization，F(xiàn)GD)和選擇性催化還原脫硝裝置(selective catalytic reduction，SCR))為48.9.%，供電煤耗為251 g/(kW·h) ，實現(xiàn)用600 ℃等級的材料和投資達(dá)到700 ℃等級的效率。

(2) 達(dá)到污染物排放優(yōu)于燃?xì)鈾C(jī)組的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，即粉塵排放低于5 mg/m3，SO2排放低于15 mg/m3，NOx排放低于20 mg/m3。

(3) 為將來的供電效率為52%、蒸汽溫度為700 ℃的超超臨界機(jī)組在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行示范[5]。

該示范工程的汽輪機(jī)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 上海申能公司平山電廠二期1 350 MW雙軸高低位布置二次再熱汽輪機(jī)設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of 1 350 MW double reheat USC with the Cross-compound, High and Low Positioned steam turbounit in Shenneng Pingshan Power Plant

3 二次再熱高低位分軸布置機(jī)組的容量選擇

由于采用1 350 MW容量高低位分軸布置的設(shè)計，因而能夠選擇達(dá)到最佳熱耗值的第二再熱壓力約為2.25 MPa，見圖6。

若機(jī)組容量選1 000 MW，單軸布置。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)，單軸的汽缸總數(shù)不能超過5個，最多只能按1個高壓缸，1個第一中壓缸，1個第二中壓缸和2個低壓缸考慮。這樣，基于第二中壓缸的進(jìn)汽容積流量(對應(yīng)首級葉片長度)的限制，其進(jìn)汽壓力必須遠(yuǎn)高于最佳值(見圖6)以控制進(jìn)汽容積流量，目前上汽型的第二再熱壓力為3.41 MPa，顯然，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了最佳值2.25 MPa，熱耗必然上升。另外，由于常規(guī)布置1 000 MW機(jī)組的二次再熱壓力大幅上升，其第一中壓缸和第二中壓缸內(nèi)的葉片級數(shù)的分布與1 350 MW高、低位布置汽輪機(jī)的葉片分布完全不同，其回?zé)岢闅饪诘奈恢靡蚕鄳?yīng)作調(diào)整(見圖7—8)。如此一來，常規(guī)布置1 000 MW機(jī)組的第一和第二中壓缸的汽缸效率和回?zé)岬男б婢蜁艿接绊憽Ｒ虼?，對于二次再熱，機(jī)組容量為1 000 MW并非最佳選擇。

此外，1 350 MW機(jī)組的二次再熱壓力低，在同樣的再熱蒸汽溫度下，其低壓缸的排汽濕度低，其個別原工作于濕蒸汽區(qū)的葉片變?yōu)樘幱诟烧羝麉^(qū)，由于在干蒸汽區(qū)工作設(shè)計葉型的長葉片的效率遠(yuǎn)高于濕蒸汽區(qū)的葉片，這使得低壓缸的效率上升，見圖9。

通過熱力學(xué)計算，比較1 350 MW二次再熱機(jī)組高低位布置方式(方案一)與1 000 MW二次再熱機(jī)組傳統(tǒng)布置方式(方案二)的熱耗，其結(jié)果為： (1)方案一大幅降低主蒸汽管道壓降和再熱系統(tǒng)壓降而降低的熱耗，降低熱耗值42 kJ/(kW·h)；(2)方案一的二次再熱壓力可取最佳值，抽汽口布置方面的優(yōu)化降低熱耗33.4 kJ/(kW·h)；(3)方案一提高了低壓缸末段蒸汽干度而提高了機(jī)組效率所降低的熱耗23.8 kJ/(kW·h)；(4)方案一對排汽壓力(真空)進(jìn)行了優(yōu)化，從而降低了機(jī)組熱耗47.9 kJ/(kW·h)?？傊?，方案一比方案二熱耗共下降147.1 kJ/(kW·h)，折合標(biāo)準(zhǔn)煤耗約下降5.5 g/(kW·h)。由于高低位布置大大縮短了高溫蒸汽管道的長度，因而與常規(guī)布置的二次再熱超超臨界機(jī)組設(shè)計方案進(jìn)行比較，前者在進(jìn)口P92高溫大直徑管道方面的投資節(jié)省近3 000萬美元。

4 1 350 MW高低位分軸布置二次再熱示范工程的設(shè)計性能和意義

(1) 1 350 MW高低位分軸布置二次再熱技術(shù)使二次再熱的蒸汽參數(shù)和與汽輪機(jī)功率的優(yōu)化組合達(dá)到性能和效率的最佳匹配，可達(dá)到600 ℃等級機(jī)組組的最高供電效率。

(2) 在原設(shè)計的供電效率為48.9.%和供電煤耗251 g/(kW·h)的基礎(chǔ)上，1 350 MW高低位分軸布置二次再熱示范工程在設(shè)計時，對各項參數(shù)又進(jìn)一步進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化所產(chǎn)生的熱耗降低如表2所示。

表2 1 350 MW高低位分軸布置二次再熱示范工程參數(shù)優(yōu)化Table 2 Parameters optimization of 1 350 MW double reheat USC unit with high and low positioned demonstration project

(3) 1 350 MW高低位分軸布置二次再熱示范工程的性能優(yōu)勢如表3所示。需要對表3說明的是：

1) 在參數(shù)優(yōu)化后，1 350 MW工程的熱耗從6 947 kJ/(kW·h)降低至6 882 kJ/(kW·h)，同時， 通過采用一系列創(chuàng)新技術(shù)而產(chǎn)生的凈效率增加量相應(yīng)地從1.82%增加至2.3%，使得高低位布置的二次再熱機(jī)組的設(shè)計凈效率從48.92%增加至49.8%。

表3 1 350 MW二次再熱高低位分軸布置方式和1 000 MW常規(guī)布置方式的熱耗和效率的比較Table 3 Comparison of heat rate and efficiency between 1 350 MW double reheat USC unit with high and low and 1 000 MW conventional arrangement

2) 如果將來采用700 ℃材料和全部創(chuàng)新技術(shù)，將1 350 MW二次再熱的溫度提高到700 ℃等級，則其供電效率可達(dá)53%。

(4) 由于大大縮短了大直徑高溫蒸汽管道的長度，從而能夠進(jìn)一步降低機(jī)組投資成本。根據(jù)設(shè)計院的初步測算，1 350 MW二次再熱機(jī)組的單臺機(jī)組，高低位布置與常規(guī)布置相比，可節(jié)省投資1.75億元。

(5) 相對于現(xiàn)在正在開發(fā)的700 ℃超超臨界技術(shù)，高低位分軸布置二次再熱機(jī)組技術(shù)在采用600 ℃等級的材料時，就可實現(xiàn)常規(guī)設(shè)計的700 ℃超超臨界機(jī)組的預(yù)期效率。因高低位分軸布置技術(shù)可極大地節(jié)省昂貴的鎳基超級金高溫高壓管道材料，因而打破了700 ℃技術(shù)的發(fā)展瓶頸，未來700 ℃參數(shù)的材料一旦成熟，該技術(shù)方案在700 ℃參數(shù)條件下的發(fā)電凈效率更可躍升至53%，相應(yīng)供電煤耗可降至236 g/(kW·h)。

5 結(jié)語

目前，已經(jīng)有多臺600 ℃等級的二次再熱機(jī)組投入運行，還有將近30臺常規(guī)布置的二次再熱機(jī)組正在建設(shè)之中和將要進(jìn)行建設(shè)。從本文對常規(guī)布置的1 000 MW二次再熱超超臨界機(jī)組和高低位分軸布置的1 350 MW二次再熱機(jī)組的比較中可以看出，1 350 MW高低位分軸布置二次再熱機(jī)組克服了1 000 MW二次再熱超超臨界機(jī)組存在的一系列問題，其設(shè)計供電煤耗要比相同蒸汽參數(shù)條件下的1 000 MW二次再熱超超臨界機(jī)組低16 g/(kW·h)，因此，1 350 MW高低位分軸布置二次再熱超超臨界機(jī)組應(yīng)該是我國燃煤發(fā)電機(jī)組的發(fā)展方向。

[1] 毛健雄. 關(guān)于超低排放和節(jié)能改造[C]//第二屆煤電超低排放和節(jié)能改造技術(shù)交流研討會. 呼和浩特： 中國電力科技網(wǎng)， 2016.

[2] 毛健雄. 超超臨界技術(shù)的發(fā)展[C]//第九屆超超臨界機(jī)組技術(shù)交流年會. 南京: 中國動力工程學(xué)會, 2015.

[3] FENG Weizhong. Cross compound turbine generator unit with elevated and conventional turbine layouts[C]//ASME 2016 Power and Energy Conference. Charlotte: ASME, 2016.

[4] 馮偉忠. 新型高效超臨界機(jī)組設(shè)計技術(shù)研究——高低位分軸布置汽輪發(fā)電機(jī)組[C]//第九屆超超臨界機(jī)組技術(shù)交流年會. 南京: 中國動力工程學(xué)會, 2015.

[5] MAO Jianxiong, FENG Weizhong. Ways to further improve efficiency for ultra-supercritical coal-fired power plants in China[C]//1stIEA Clean Coal Centre Workshop on Advanced Ultra-supercritical Coal fired Power Plants, Vienna: IEA, 2012.

(編輯 蔣毅恒)

Double Reheat Ultra-Supercritical Technology with Cross-Compound, High and Low Positioned Steam Turbounit

MAO Jianxiong

(Department of Thermal Engineering, Tsinghua University， Haidian District, Beijing 100084, China)

The development of China’s coal-fired power generation is facing great challenges for CO2emission reduction under the double pressure of both serious smog and climate change. The roadmap and technologies of coal-fired power generation were studied to meet the increasingly strict requirements for greater capacity, higher steam parameters, higher efficiency, lower coal consumption, lower emission and more intelligent. It is inevitable for ultra-supercritical (USC) technology to develop from 600 ℃ to 700 ℃ level and from single reheat to double reheat. The status, problems and solutions were discussed for conventional 1 000 MW double reheat USC technology. Specific emphasis was put on 1 350 MW double reheat USC with the Cross-compound, High and Low Positioned steam turbine unit. The performance of this solution was compared with that of 1 000 MW double reheat USC.

double reheat； ultra-supercritical; coal-fired power generation

TM621

： A

： 2096-2185(2016)03-0037-06

2016-10-10

毛健雄(1935—)，男，榮譽博士，教授， 研究方向為熱能工程和清潔煤發(fā)電技術(shù)，maojx@tsinghua.edu.cn。