百万千瓦超超临界二次再热机组总体设计及经济性分析

摘要：本文针对百万等级超超临界二次再热机组的总体设计问题，从基本循环参数选择、回热系统优化以及汽轮机组布置等方面进行了详细的论述及分析，并基于热力系统的分析计算方法，对其经济性水平进行了合理的估计。

关键词：百万等级超超临界二次再热机组；热力系统

提高汽轮机发电机组的发电效率，最有效的措施就是提高機组热力循环的初参数以及降低终参数。在初终参数一定的情况下，通过增加再热次数，也能有效提高机组的发电效率。2016年9月，国内首台1000MW超超临界二次再热机组（国电泰州3号机组）已经正式投产运行，超超临界发电技术正式进入二次再热时代本文结合现有项目的一些公开数据，对百万等级超超临界二次再热机组总体设计及经济性水平进行合理的估计，供广大同行参考。

1 循环参数

国内已经投运的1000MW超超临界二次再热机组的主要循环参数达到31MPa/600℃/620℃/620℃，额定给水温度达到310℃～330℃。目前，欧洲和日本正在研究和发展更高参数的700℃等级的新一代高超超临界发电技术。但是，700℃等级的材料技术尚未取得关键性突破，其距离商业应用还需要一定时间。

主汽参数在沿用31MPa/600℃的成熟设计基础上，可适当提高主汽压力到32MPa，这除了可以在一定程度上提高机组的经济性外，还可以有效降低超高压缸的排汽温度。一次再热温度选择610℃，有两个好处：一是可以不用再对高压转子的高温部分进行冷却，减少汽轮机高压缸结构设计的复杂度，并减少冷却蒸汽对机组经济性的影响；二是可以有效降低高压缸的排汽温度。通过采用上述设计，可将超高压缸以及高压缸的排汽温度控制在420℃～440℃以内，这无疑将有利于再热蒸汽管道的设计。二次再热温度选择620℃，除了在热力循环上可以产生更多的经济性收益外，还可以显著提高汽轮机低压缸末几级的蒸汽干度，改善低压缸的流动状况，提高低压缸的效率。

随着汽轮机功率的增加以及经济性水平的提高，汽轮发电机组的回热系统也变得越来越复杂，特别是回热加热的级数越来越多。由文献[1]可知，1000MW超超临界机组采用10级回热系统可有效提高机组的宽负荷经济性。10级回热系统的一般布置形式为4个高压加热器、1个除氧器以及5个低压加热器。通过采用10级回热系统，机组的额定给水温度可达到310℃～330℃，比9级回热系统提高10℃～30℃。

热力循环最终给水温度的选择不仅仅要看锅炉效率与机组热耗的联合优化设计，还要结合锅炉烟气回热与蒸汽回热的联合优化设计。由文献[2]可知，通过烟气与蒸汽联合回热的优化设计，实现能量按品质高低的梯级利用，可以更加高效地利用锅炉尾部的烟气余热，提高机组的运行经济性。基于这一设计思想，百万千瓦等级汽轮机组的最终给水温度选择320℃。

2 回热系统

通过对回热系统过热度较大的高压加热器设置外置式蒸汽冷却器，可以进一步加大回热系统的用汽量，提高最终给水温度，从而提高循环热效率，改善机组的运行经济性。对于二次再热机组来说，每次再热后的首次回热抽汽温度均高达520℃以上，蒸汽的过热度达到240℃～310℃以上。因此，对这两级加热器设置两级串联的外置式蒸汽冷却器，无疑可以显著提高机组的最终给水温度，减少冷端损失。该机组按此方案设计，在100%负荷工况时可提高最终给水温度约12℃。

3 汽轮机结构设计思路

大型汽轮机配齐配汽及运行设计取消调节级，采用全周进汽、节流配汽方式以及全滑压运行方式，可比传统的喷嘴配汽设计方案具有更高的经济性。汽轮机由高到低可分为超高压缸、高压缸、中压缸以及低压缸。其中，超高压缸的分缸压力选择一次再热压力，高压缸分缸压力选择二次再热压力，中压缸分缸压力选择0.5MPa左右。

当前，大型电站汽轮机的通流设计理念是多级数、小焓降的设计理念，这一设计理念要求要尽可能多的排布通流级数，减少每一级的等熵焓降。因此，在这一设计理念下，极容易形成小径高比的叶片设计以及细长型的转子设计。这一点不论是对于末级动叶的设计，还是对于转子稳定性的设计，都是不利的，为了既不违背同流的设计理念，又能保证末叶以及转子的设计，无疑，就应采用双流甚至多流设计。下面进行具体的分析。

由此可得到百万千瓦等级汽轮机组超高压缸、高压缸以及中压缸分流设计的到末级动叶的主要设计数据。超高压缸的排汽容积流量为23 m3/s，末级的等熵焓降约为20 kJ/kg，按单流设计，末叶片的中径为853mm，叶片高度159mm，符合常规设计。高压缸的排汽容积流量为62 m3/s，末级的等熵焓降约为30 kJ/kg，按单流设计，末叶片的中径为1045mm，叶片高度298mm，显然不符合常规设计，因此，高压缸需要采用双分流设计。中压缸的排汽容积流量为306 m3/s，末级的等熵焓降约为72kJ/kg，按双流设计，末叶片的中径为1619mm，叶片高度301mm。

4 经济性分析

经初步计算，百万千瓦二次再热超超临界机组比普通一次再热机组发电煤耗降低约16克/千瓦时，按年利用5000小时计算，每台百万千瓦二次再热机组可节约标准煤7万吨/年，直接减排二氧化碳近18万吨，节能、环保优势明显，具有良好的经济和社会效益。

5 结论

本文对于百万千瓦超超临界二次再热机组的循环参数、回热系统、汽轮机总体设计以及经济性做了全面的论述分析，结果表明：通过参数和结构的优化，百万千瓦二次再热超超临界机组比普通一次再热机组发电煤耗降低约16克/千瓦时，机组的经济性水平明显提高。

参考文献：

[1]徐红波，陈青.1000MW超超临界机制带可调节级的十级回热系统设计和经济性分析[J].中国电力，2015，48（12）：74-78.

[2]王汝武，尹金亮.烟气-蒸汽联合回热循环[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2012，8（2）：101-104.