王亞軍，朱佳琪，李 林，陳仁杰

華東電力設計院有限公司，上海 200063）

二次再熱機組回熱系統(tǒng)設計研究

王亞軍，朱佳琪，李 林，陳仁杰

華東電力設計院有限公司，上海 200063）

本文介紹二次再熱機組回熱系統(tǒng)的配置方案研究，以及回熱系統(tǒng)的基本參數對機組熱經濟性的影響。

二次再熱；回熱系統(tǒng)；配置。

1　概述

超超臨界發(fā)電技術經過幾十年的發(fā)展，已是成熟的先進技術。在國家“十五”和“十一五”計劃期間，中國超超臨界潔凈煤發(fā)電技術迅速成熟并擴大了應用范圍。自2006年首臺百萬等級超超臨界機組投產以來，至2015年8月底，國內已經投產的同等容量等級超超臨界機組分別超過120臺和82臺（主要采用8級或9級），為我國大幅降低平均發(fā)電煤耗起到了重要作用，并使我國超超臨界發(fā)電技術水平跨入國際先進行列，回熱系統(tǒng)的選擇直接影響機組的熱經濟性。

熱力發(fā)電廠最基本的蒸汽動力循環(huán)是朗肯循環(huán)。朗肯循環(huán)熱效率低的主要原因是蒸汽吸熱過程的平均溫度較低，致使煙氣與蒸汽之間的換熱溫差較大，相應做功能力損失較大。如采用回熱循環(huán)，利用已在汽輪機中做過功的蒸汽來加熱給水，以提高回熱循環(huán)的吸熱平均溫度，使循環(huán)熱效率提高。因此，選擇合適的回熱系統(tǒng)設計方案，對機組和全廠的熱經濟性起著決定性作用。影響汽輪機回熱系統(tǒng)效率的基本參數有回熱級數、給水溫度、回熱焓降分配、加熱器類型、加熱器端差和疏水收集方式、抽汽過熱度利用方式和抽汽管道壓降，它們都將影響到回熱過程的火用損，因而最終將影響汽輪機的熱耗率。

本文主要研究1000MW二次再熱機組的汽輪機回熱系統(tǒng)的配置方案。

2　國際上二次再熱機組回熱系統(tǒng)的配置

據不完全統(tǒng)計，全世界至少有52臺二次再熱超超）臨界機組投入運行。其中德國共投運11臺二次再熱超超）臨界機組，其中1臺機組為燃油和天然氣鍋爐，8臺機組為燃煤鍋爐；美國共投運23臺二次再熱超超）臨界機組，其中5臺機組為燃重油鍋爐，2臺機組為燃油和天然氣鍋爐，其它16臺為燃煤鍋爐；日本共投運13臺二次再熱超超）臨界機組，其中11臺機組為燃重油鍋爐，2臺機組為天然氣鍋爐；另外丹麥分別有兩臺二次再熱超超臨界機組，分別為1臺燃煤機組和1臺天然氣機組。

近20年來，只有1989年東芝2臺31 MPa/566℃，以及1998年丹麥Nordjylland電廠2臺29 MPa/582℃機組，機組參數見表1。

表1　最近投運的國外二次再熱機組參數

（1）丹麥Nordjylland電廠#3機組位于丹麥Aalborg附近，屬于丹麥Vattenfall公司。該電廠于1992年開始建設，1998年竣工，除了提供電力外，還為當地供熱。

①機組熱效率

發(fā)電效率不供熱時）47%

供電效率不供熱時） 44.4%

熱電聯產效率 90%

②汽機主要參數

制造廠：GEC ALSTOM高壓缸、中壓缸為英國生產，低壓缸為法國生產）

型式：超超臨界兩次再熱，五缸四排汽：超高壓缸VHP）、高壓缸HP）/中壓0缸IP0）合缸，中壓1缸IP1）/中壓2缸IP2）合缸，2個低壓缸LP）

機組容量：340 / 411MW

機組供熱：420 / 0 MJ/s

主汽壓力：28.5 MPa

一次高溫再熱蒸汽壓力：7.4 MPa

二次高溫再熱蒸汽壓力：1.9MPa

主汽溫度：580℃

一次高溫再熱蒸汽溫度：580℃

二次高溫再熱蒸汽溫度：580℃

Nordjylland電廠#3機組原則性熱力系統(tǒng)圖見圖1。

圖1　Nordjylland電廠#3機組原則性熱力系統(tǒng)圖

③該工程二次再熱汽輪機回熱系統(tǒng)特點

二次再熱，采用2高3中4低1除氧共10級回熱，其中2號高加采用1級外置式串聯蒸汽冷卻器；#7加熱器采用混合式，降低傳熱端差，提高機組熱經濟性；低壓加熱器疏水設疏水泵；回收所有部件冷卻器的熱量。

（2）日本川越電廠1、2號機組是當時作為世界上首臺大容量超超臨界壓力機組而設計、制造的。自1987年7月開工以來，經過安裝和調整，于1988年11月鍋爐點火，1989年正式投入商業(yè)運行。機組的主要設備參數見表2。

表2　日本川越電廠1、2號機組的主要設備參數

其中，汽輪機為超高壓缸（主蒸汽） 和高壓缸（一次再熱蒸汽） 部分合缸布置在同一缸內，并采用1只雙流構造的中壓缸（二次再熱蒸汽） 和2 只低壓缸。與現有的常規(guī)超超臨界、一次中間再熱機組一樣由4 缸組成，由于采用合缸技術，非常好地解決了當時汽輪機軸系的長度限制問題。不過由于只有4缸，汽輪機抽汽數量有限，因此川越電廠汽輪機回熱系統(tǒng)采用了常規(guī)的3高4低1除氧的配置。東芝公司的二次再熱汽輪機結構見圖2。

圖2　TOSHIBA東芝）700MW二次再熱汽輪機結構圖

3　二次再熱回熱系統(tǒng)配置

3.1回熱系統(tǒng)的技術規(guī)范

影響汽輪機回熱系統(tǒng)效率的基本參數有回熱級數、給水溫度、回熱焓降分配、加熱器類型、加熱器端差和疏水收集方式、抽汽過熱度利用方式和抽汽管道壓降，它們都將影響到回熱過程的火用損，因而最終將影響汽輪機的熱耗率。

3.1.1回熱級數的確定原則

在采用回熱循環(huán)的發(fā)電廠，影響抽汽回熱系統(tǒng)熱經濟性的主要因素有：回熱給水總焓升溫升）在各加熱器間的加熱分配、鍋爐最佳給水溫度、回熱加熱級數，三者之間緊密聯系，互有影響。圖3為機組熱效率增量、給水溫度與回熱級數的關系。

圖3　回熱級數、給水溫度與機組熱效率

由圖3可知，當給水溫度一定時，隨著回熱級數的增加，回熱抽汽的做功增加，附加冷源熱損失減少，汽輪機絕對內效率將增加。理論上，給水回熱的級數越多，汽輪機的熱循環(huán)過程就越接近卡諾循環(huán)，循環(huán)效率就越高，但加熱級數增加時，熱效率的增長逐漸放慢，相對得益不多，運行也更加復雜。

因此，在選擇回熱加熱級數時，需要考慮以下因素。

（1）取決于汽輪機本體結構，要求本體結構能夠實現。

（2）按等焓溫升原則布置回熱抽汽，同時考慮在合適的級別抽取回熱。

（3）不同回熱級數的其給水溫度要求，存在一個最佳給水溫度，從而使得汽輪機內效率提高到最高；綜合考慮鍋爐和汽輪機的設計，使全廠效益最大化，合理確定給水溫度。

（4）對于一定的給水溫度，存在一個最佳回熱級數，使得汽輪機汽輪機內效率提高到最大值?？紤]到增加一級加熱器所增加設備投資費用，所增加的費用應當能從節(jié)約燃料的收益中得到補償，同時還要盡量避免發(fā)電廠的熱力系統(tǒng)過于復雜，以保證運行的可靠性。

（5）在抽汽級數一定的情況下，高加個數和低加個數的分配對汽機熱耗影響很小，因此，高加和低加的個數，主要取決于除氧器抽汽口的位置，結合等焓溫升，綜合考慮。

3.1.2回熱級數選擇

目前，已投運的1000MW級一次再熱超超臨界機組的回熱級數為8級，與超臨界機組相同，但與超臨界機組相比，給水溫度提高了10多度，加熱器傳熱溫差增加，在一定程度上犧牲了熱效率。隨著我國能源政策以及節(jié)能減排要求的日益推進，國內開展了超超臨界一次再熱機組9級回熱抽汽的研究并取得了較大進展，已經在最近一些正在施工的機組上得到應用。

與一次再熱機組相比，二次再熱的最高給水溫度提高了將近30℃，至少應增加一級抽汽，而汽缸個數的增加也為增設回熱抽汽口提供了有利條件。經過咨詢三大動力廠及國外主要制造商，按其1000MW級二次再熱機組的汽輪機結構，結合依托示范工程的技術條件，二次再熱機組可選用9級，10級，11級回熱系統(tǒng)。以下為二次再熱工程不同回熱級數技術經濟對比見表3。

表3　不同回熱級數技術經濟對比

從表3可以看出，每增加一級回熱抽汽得到的收益隨著回熱級數增加下降，收益增加值越小。從9級回熱到10級回熱，熱耗降低較多，收益較大，其增量投資回收時間短，具有明顯效果。

而從10級增加到11級，則收益有所減小。如以10級為基準，考慮11級增量的投資回收期，靜態(tài)為1840-400）/（433.5-293.25）=10.2年，動態(tài)投資回收期為13.9年，已經很不經濟。

且考慮到11級回熱抽汽需在汽機超高壓缸體開孔，缸體受力復雜，同時使得抽汽、疏水系統(tǒng)更加復雜，綜合比較投入與收益，設備本體的結構等可以得出，對于二次再熱機組，回熱級數宜設置為10級。

10級回熱方案有4級高加1級除氧5級低加（簡稱415）、5級高加1級除氧4級低加（簡稱514）和3級高加3級中加3級低加1級除氧（簡稱3331）三個方案。第二個方案514設置5級高加時，每級高加間的溫升太小，才11℃左右，經濟性不明顯；且抽汽口間距太近，對汽機本體結構也有影響；第三個方案3331，案采用3級高加3級中加1級除氧3級低加時，雖然熱耗有所下降，但系統(tǒng)比較復雜，需要設置兩臺混合式加熱器，廠用電增加，與國內通常的方案區(qū)別較大；第一個方案415，采用4級高加1級除氧5級低加時，溫升分配更均勻，熱耗收益適中，與國內常規(guī)方案相似，更易推廣。

3.1.3回熱焓降分配

目前國內三大動力廠汽輪機設計的均采用單軸五缸四排汽二次再熱汽輪機，汽輪機額定進汽參數為31 MPa，同時主機模塊將采用現有成熟汽缸模塊，因此回熱焓降分配已由汽輪機本身結構的特點根據汽輪機抽排）汽壓力基本確定。

目前，國內三大主汽廠1000MW二次再熱機組回熱系統(tǒng)推薦方案均為10級回熱系統(tǒng)，且均采用4級高加1級除氧5級低加方案。

3.2加熱器類型對回熱經濟性的影響

加熱器類型有混合式和表面式兩類。就回熱加熱器本身而言，混合式加熱器由于汽水直接接觸傳熱，端差為零，能將水加熱到加熱蒸汽壓力所對應的飽和溫度，熱經濟性高于有端差的表面式加熱器。同時由于沒有金屬傳熱面，構造簡單，在金屬耗量、制造、投資以及匯集各種汽、水流等方面都優(yōu)于表面式。

3.2.1混合式加熱器

在混合式加熱器由于加熱蒸汽與給水之間沒有傳遞端差，可以將給水加熱到加熱蒸汽壓力下的飽和溫度，因此，熱經濟較好。同時由于沒有金屬傳熱面，構造簡單，在金屬耗量、制造、投資以及匯集各種汽、水流等方面都優(yōu)于表面式。但混合式加熱器給水或凝結水與抽汽混合壓力受抽汽壓力制約，相應混合式加熱器后要配置水泵對給水或凝結水進行升壓，所組成的回熱系統(tǒng)復雜。為保證系統(tǒng)的安全性，還要設置備用水泵和容積大且足夠高度的給水箱。

英國與前蘇聯兩國的某些800MW，1000MW大機組的低壓加熱器，部分或全部采用混合式。我國從前蘇聯引進型機組如綏中電廠800MW）、田灣核電廠1000MW）等采用混合式低壓加熱器，能使熱效率提高0.03%～0.05%。綏中電廠凝結水原則性熱力系統(tǒng)圖見圖4。

對遼寧綏中電廠針對混合式低加的運行可靠性做了專門的調研。根據調研結果，混合加熱器本體控制方面比表面式加熱器要簡單，沒有正常疏水調閥的控制，只需要監(jiān)視其水位、壓力、溫度就可以，同時沒有凝結水旁路，其運行可靠性比表面式加熱器高。

同時，調研中了解到兩個混合式加熱器曾發(fā)生水位控制困難的問題，主要原因是該混合式加熱器為立式布置，因此水位波動比較大，不容易控制，后來運行人員逐漸掌握其特性后才得以解決。

不過每個混合式加熱器后都必須配置泵，同時為保證泵的必需汽蝕余量以及負荷波動時要設一定儲量的水箱，這都將使回熱系統(tǒng)和主廠房布置復雜化，投資和土建費用增加。

由于國內電網調度的原因，新建超超臨界機組業(yè)主對于廠用電率指標很重視，配置多級凝泵使得廠用電率增加，這是不利因素。因此對于采用多個加熱器組成的熱力系統(tǒng)來說，表面式除因有端差熱經濟性低而外，在系統(tǒng)簡單性、運行安全可靠性以及系統(tǒng)投資等方面要優(yōu)于混合式。因此自我國引進美國、歐洲等西方大容量高參數機組時也跟隨了其流派，高低加采用表面式加熱器。

圖4　引進前蘇聯技術的綏中電廠800MW機組#7、#8混合式低壓加熱器

3.2.2表面式加熱器

表面式加熱器通過金屬壁面加熱給水，因此存在傳熱端差，經濟性較混合式加熱器略低。但是，表面式加熱器所組成的回熱系統(tǒng)簡單，運行安全可靠，所需要設置的水泵少，節(jié)省廠用電。因此自我國引進美國、歐洲等西方大容量高參數機組時也按其技術流派，高、低加采用表面式加熱器。

綜上所述，考慮表面式和混合式加熱器的優(yōu)缺點，二次再熱工程推薦采用表面式加熱器。

3.3加熱器端差和抽汽管道壓降

加熱器端差越小，機組的熱經濟性越高，但設計時端差的減小，是以增大換熱面積和投資為代價的。大容量機組端差減小的效益大，一般選較小值。經與汽機廠和高加廠交流，推薦二次再熱工程加熱器端差取值見表4。

表4　加熱器端差取值

抽汽管道壓降使該級抽汽利用時產生能量的貶值，增大上一級抽汽量而使回熱經濟性下降，對抽汽管道壓降影響最大的是抽汽管的介質流速和局部阻力。抽汽管道的管徑通過技術經濟比較確定，抽汽管道壓降取值如下：

高壓抽汽管道壓降不大于抽汽壓力3%

低壓抽汽管道壓降不大于抽汽壓力5%

3.4疏水收集方式

對于表面式加熱器，疏水收集方式有兩種：一是利用相鄰加熱器汽側壓差，使疏水逐級自流的方式，高壓加熱器疏水逐級自流，最后進入除氧器而匯于給水；低壓加熱器疏水逐級自流，最后進入凝汽器熱井而匯于主凝結水。二是采用疏水泵，將疏水打入該加熱器出口處，由于這個匯入點的混合溫差最小，因此混合產生的附加冷源熱損失也最小。

因此在所有疏水收集方式中，疏水逐級自流的熱經濟性最差，但可通過加裝外置式疏水冷卻器來加以改善，采用疏水泵方式熱經濟性僅次于沒有疏水的混合式加熱器。不同疏水收集方式的熱經濟變化為0.5%～0.15%，雖然疏水逐級自流方式的熱經濟性最差，但由于系統(tǒng)簡單可靠、投資小、維護工作量小而被廣泛采用。二次再熱機組由于采用10級回熱，低壓加熱器級數比常規(guī)多，因此考慮為提升機組經濟性和平衡系統(tǒng)可靠性，高壓加熱器疏水采用疏水逐級自流方式，低壓加熱器為減少大量疏水直接流入凝汽器增加冷源熱損失，采用疏水泵與疏水冷卻器組合的方式。

對于常規(guī)百萬超超臨界機組來說，國內三大汽輪機廠由于引進技術方的流派不同疏水收集方式也不盡相同，其中哈爾濱和東方分別引進日本東芝和日立技術，其技術來源為美國西屋和GE技術，疏水方式采用疏水逐級自流的方式。而上海汽輪機廠引進德國西門子技術，其疏水方式采用高加疏水逐級自流，低加采用疏水泵與外置疏水冷卻器組合的方式，相比雖增加了設備投資和運行復雜度，但減少了大量疏水直接流入凝汽器增加冷源熱損失，提高了機組熱經濟性。從國內已投產的百萬上海汽輪機機組運行情況來看，玉環(huán)、金陵、北侖等工程低加疏水泵和外置式疏水冷卻器的運行均非?？煽浚瑫r通過疏水泵變頻運行在部分負荷下可獲得一定的節(jié)能效益。

3.5抽汽過熱度利用方式

由于二次再熱提高了高壓缸和中壓缸第一級抽汽的過熱度，當與之對應的加熱器出口水溫不變時，該加熱器的換熱溫差加大，不可逆損失就會增加。因此需裝設蒸汽冷卻器，其他抽汽溫度都低于450℃，過熱度不高，與給水溫差小，對給水溫度提升有限，系統(tǒng)更加復雜，因此，其他抽汽不建議設置外置式蒸汽冷卻器。

3.5.1蒸汽冷卻器形式和連接方式

蒸汽冷卻器可分為內置式和外置式兩種，分別見圖5、圖6。

圖5　內置式蒸汽冷卻器

圖6　外置式蒸汽冷卻器

外置式蒸汽冷卻器由于在連入熱力系統(tǒng)的方式上較靈活、多樣，且可直接提高給水溫度，經濟效果比內置式的要好，但是系統(tǒng)相對復雜，并增加投資。綜合考慮，過熱度較大的抽汽高加宜采用外置式蒸汽冷卻器。

外置式蒸汽冷卻器主要有串聯和并聯兩種方式，由于連接方式不同，其熱經濟效果也不相同，且有較大差異。一般來說，外置式串聯蒸汽冷卻器的熱經濟性比并聯高，原因在于外置式串聯蒸汽冷卻器的進水溫度比較高，傳熱過程平均溫差較小，火用損失小，抽汽過熱度利用充分，效果顯著，但是給水系統(tǒng)阻力有所增加。并聯方式能相對減少給水系統(tǒng)阻力，但是蒸汽冷卻器進水溫度較串聯時低，傳熱溫差大，同時給水分流后進入下一級加熱器的主給水流量減少，相應的回熱抽汽量有所減少，熱經濟相對較低。因此，推薦采用外置式蒸汽冷卻器串聯連接方式。

3.5.2外置式蒸汽冷卻器的容量選擇

根據汽輪機廠提供的熱平衡圖參數，我們與高加廠進行了咨詢配合，由于換熱量相對較小，前置蒸汽冷卻器換熱面積小，既要考慮汽側蒸汽合理的流速，又要考慮高加結構合理的長徑比，前置蒸汽冷卻器為部分容量。經高加技術經濟比較，二次再熱機組針對2#、4#高加設置的外置式蒸汽冷卻器在給水側按并聯考慮，單臺前置流量按不小于給水流量25%容量考慮，外置式蒸汽冷卻器局部熱力系統(tǒng)圖見圖7。

圖7　外置式蒸汽冷卻器局部熱力系統(tǒng)圖

3.5.3給水溫升優(yōu)化

外置式蒸汽冷卻器可最終提高進入鍋爐的給水溫度以提高工質在鍋爐內吸熱過程的平均溫度，從而提高機組的熱效率。但是由于給水加熱溫度提高，回熱抽汽量增加，對于相同的發(fā)電量來說，需要增加進入汽輪機中的新蒸汽量，當給水加熱溫度超過某一數值時，將使熱耗率增大，從而使循環(huán)熱效率降低。因此對于一定的進汽壓力，都存在相應的最佳給水溫度，使熱效率達最大值。

目前國內投運的超臨界機組的最高給水溫度約為285～290℃，超超臨界機組的最高給水溫度約為300℃。對于二次再熱機組，VWO工況的主蒸汽壓力提高至31.9 MPa（a），給水溫度應隨著提高至約330℃。另外，對于二次再熱機組，一抽汽源來自于高壓缸排汽，即一次再熱冷段，其壓力又受到最佳再熱壓力的限制。因此，經過綜合經濟性計算和比較，推薦最終給水溫度為330℃，其中#1加熱器出口水溫～320℃，兩級外置蒸汽冷卻器提升給水溫度～10℃。

3.5.4高加運行控制分析

由圖7可知，2號高加前置蒸汽冷卻器和4號高加前置蒸汽冷卻器和給水管道并聯后，與高加串聯，且布置在最后一級高加后。

外置式蒸汽冷卻器由于在連入熱力系統(tǒng)的方式上較靈活、多樣，且可直接提高給水溫度，經濟效果比內置式的要好，但是系統(tǒng)相對復雜，投資也相對較高。外置式蒸汽冷卻器主要有串聯和并聯兩種方式。由于連接方式不同，其熱經濟效果也不相同，且有較大差異。一般來說，外置式串聯蒸汽冷卻器的熱經濟性比并聯高，原因在于外置式串聯蒸汽冷卻器的進水溫度比較高，傳熱過程平均溫差較小，抽汽過熱度利用充分，效果顯著，但是給水系統(tǒng)阻力較大。并聯方式能相對減少給水系統(tǒng)阻力，但是蒸汽冷卻器進水溫度較串聯時低，傳熱溫差大，同時給水分流后進入下一級加熱器的主給水流量減少，相應的回熱抽汽量有所減少，熱經濟相對較低。

針對二次再熱機組高、中壓缸第1級抽汽2抽和4抽）過熱度高的特點，因此二次再熱回熱系統(tǒng)采用2臺外置式蒸汽冷卻器與主給水串聯的方式，布置在1號高加出口，提高給水溫度10℃，從而進一步提高機組熱效率。

4　總結

結合以上描述，并根據依托國電泰州二期實施情況，推薦二次再熱回熱系統(tǒng)采用四級高壓加熱器、一個除氧器和五級低加組成，同時根據二次再熱汽輪機的特點，為進一步提高機組的熱經濟性，增加了兩只外置式蒸汽冷卻器。該回熱系統(tǒng)配置是在常規(guī)成熟的汽輪機八級回熱的基礎上發(fā)展而來，技術延續(xù)性好，成熟度高。因此，推薦二次再熱機組采用10級抽汽回熱加2級外置式蒸汽冷卻器的汽輪機回熱系統(tǒng)。

［1］ GB 50660-2011，大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范［S］.

［2］ GB151-1999，管殼式換熱器［S］.

［3］ GB50764-2012，電廠動力管道設計規(guī)范［S］.

Design on Regenerative System of Double Reheat Unit

WANG Ya-jun， ZHU Jia-qi， LI Lin， CHENG Ren-jie
（East China Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200063， China）

The article introduces the research on the configuration scheme of the regenerative system of double reheat unit and the influence of the basic parameters on the thermal efficiency of units.

double reheat； heat regenerative system； configuration.

TM621

A

1671-9913（2016）03-0016-09

2016-02-17

王亞軍（1974- ），男，安徽舒城人，高級工程師，從事電站熱機專業(yè)的設計。