高參數超超臨界燃煤機組汽輪機熱力系統優化設計

王婧，楊金福，段立強，田李果，荊雨田，楊名

高參數超超臨界燃煤機組汽輪機熱力系統優化設計

王婧1，楊金福2*，段立強1，田李果1，荊雨田1，楊名1

（1．華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京市 昌平區 102206；2．中國科學院工程熱物理研究所，北京市 海淀區 100190）

針對高參數超超臨界燃煤機組背壓抽汽汽輪機 (backpressure extraction steam turbine，BEST)回熱系統設計現狀，對比分析了BEST對700℃一次再熱與二次再熱機組能耗的影響，并基于汽輪機通流與回熱系統參數匹配及系統優化方法，提出從整體系統角度出發優化回熱系統的思路。結果表明：采用BEST的700℃二次再熱機組比一次再熱機組煤耗更低，低負荷時節煤優勢更明顯，在40%負荷時節煤11.7g/(kW·h)，采用BEST的700℃二次再熱機組比一次再熱調峰的經濟性更好，700℃一次再熱機組更適合高負荷運行的機組；隨著負荷的降低，700℃二次再熱機組抽汽過熱度不斷增加，在低負荷時可通過向后調節BEST的抽汽位置來匹配最低煤耗。此外，提出采用回熱系統抽汽參數與汽輪機通流參數匹配的方法對機組整體系統進行優化，基于該方法可取消BEST，但需要對汽輪機三缸重新進行負荷分配和通流設計。

高參數超超臨界燃煤機組；汽輪機；二次再熱；回熱系統

0 引言

為積極應對全球氣候變化，走綠色低碳高質量發展道路，我國承諾力爭于2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和[1]。要實現“雙碳”目標，必須大力推進能源體系清潔低碳發展，其中，發展高參數超超臨界發電機組、提高機組能效、減少碳排放、增強調峰能力是燃煤機組低碳發展的重要路徑之一[2-4]。目前我國600℃二次再熱超超臨界機組已經成熟，并有多臺投入運行，同時正積極研究700℃更高參數超超臨界機組設計技術[5]。700℃超超臨界機組與600℃機組相比，蒸汽溫度壓力進一步提高，熱力系統更復雜，而汽輪機回熱系統過熱度高是一個突出的問 題[6-11]，因此有必要深入研究700℃機組汽輪機回熱系統優化設計方法。

目前，超超臨界機組回熱系統優化采用的主要方法包括：采用背壓抽汽汽輪機(backpressure extraction steam turbine，BEST)替代回熱抽汽、加裝外置式蒸汽冷卻器、利用機組耦合方法提高鍋爐給水溫度，增加再熱次數與回熱級數等[5-12]。文獻[12-13]提出采用BEST替代700℃二次再熱超超臨界機組2—7級回熱抽汽來降低過熱度。文獻[14]對650℃二次再熱超超臨界機組的壓力和溫度進行了優化。文獻[15]利用尾部煙氣加熱給水和凝結水提高700℃一次再熱超超臨界機組系統效率。文獻[16]研究了廣東甲湖灣600℃一次再熱超超臨界機組采用BEST的實際工程應用。文獻[17]研究了采用回熱式汽輪機的700℃一次再熱超超臨界機組單耗情況，認為機組在較高負荷時具有節能優勢，適合高負荷運行的機組，該結論與文獻[6-7]中600℃二次再熱超超臨界機組的單耗隨負荷變化趨勢不同，600℃二次再熱超超臨界機組采用回熱式汽輪機后在不同負荷下單耗均優于不采用回熱汽輪機的基準機組。文獻[18]針對當前我國超超臨界燃煤機組汽輪機系統設計方面的現狀，提出目前在700℃機組汽輪機熱力系統設計方面缺少創新性，沒有在汽輪機初終參數確定的條件下，系統優化高、中、低壓氣缸的負荷分配與進排氣參數。

因此，本文針對文獻[6-7]與[17]結論的差異，以及文獻[18]提出的問題，對采用BEST的700℃一次再熱與二次再熱機組進行對比，研究變負荷下機組能耗和過熱度變化趨勢，并提出700℃超超臨界燃煤機組汽輪機通流與回熱系統設計優化的新思路，供汽輪機設計企業參考，為高參數二次再熱超超臨界燃煤發電機組汽輪機的創新設計提供理論指導。

1 高參數超超臨界機組熱力系統建模

1.1 高參數超超臨界機組概況

本文采用文獻[17]中耦合回熱汽輪機的方案1參數作為帶BEST的700℃一次再熱機組(方案1)的設計依據，并參考文獻[12-13]的BEST方案數據，設計700℃二次再熱機組(方案2)。設計工況初參數為35MPa/700℃/ 720℃/720℃。

方案1的熱力系統如圖1所示，參數見表1。方案2的熱力系統如圖2所示，基本參數見表2。

圖1 方案1的熱力系統配置

表1 方案1的抽汽參數

圖2 方案2熱力系統配置

表2 方案2回熱抽汽參數

方案1設高壓缸、中壓缸和低壓缸，一次再熱，10級抽汽回熱(4個高壓加熱器、1個除氧器和5個低壓加熱器)，3—6級回熱抽汽進入回熱式汽輪機做功。方案2設超高壓缸、高壓缸、中壓缸和低壓缸，二次再熱，回熱系統也采用10級抽汽回熱，2—7級回熱抽汽進入回熱式汽輪機做功。

1.2 機組的建模與單耗分析理論

1.2.1 機組建模和仿真

鑒于Ebsilon Professional軟件對高參數燃煤機組模擬的精確性[5-6,11-12]，本文運用該軟件對700℃超超臨界機組熱力系統進行建模和仿真。模型做以下假設：

1）超高壓缸、高壓缸、中壓缸、低壓缸在THA工況下的效率分別為90%、90%、93.5%、89.9%，變工況下汽輪機效率的修正曲線采用某600℃二次再熱機組汽輪機效率曲線；

2）每個模型設置發電量為660MW；

3）冷凝器壓力為4.6kPa。

1.2.2 單耗分析理論和模型

單耗分析法是基于?分析法的能量系統分析理論和方法[19-20]，能為系統優化和節能降耗提供指導。

由熱力學第二定律可知，任何產品的投入?為產出?與過程?耗損之和，在燃煤發電中，可表示為

式中：F、P分別為煤和電的比?；和分別為系統煤的消耗量和發電量；為設備或過程總數；I為第個設備或過程的?耗損。

燃煤發電系統度電燃料單耗的一般表達式為

式中：min為理論最低燃料單耗，即系統無任何?耗損時的燃料單耗；b為第個設備或過程的附加燃料單耗。

發電的理論最低燃料單耗為

設備的附加?損失I為

電力生產中各設備的附加單耗為

2 一次再熱與二次再熱超超臨界燃煤機組單耗對比分析

2.1 700 ℃一次再熱與二次再熱機組總體單耗對比分析

700℃一次再熱與二次再熱超超臨界燃煤機組在不同工況下(THA、75%THA、50%THA、40%THA)的計算單耗和節煤量如表3所示。可以看出，700℃二次再熱機組的發電煤耗低于一次再熱機組的發電煤耗，在低負荷下二次再熱機組節煤效果更加明顯，如在THA工況下二次再熱機組比一次再熱機組節煤0.15g/(kW·h)，在50%THA工況下節煤7.23g/(kW·h)，在40%THA工況下節煤11.70g/(kW·h)。這說明700℃二次再熱機組比一次再熱機組調峰的經濟性更好。這是因為二次再熱機組與一次再熱機組相比，在一次再熱基礎上增加再熱過程，從而提高了平均吸熱溫度，使發電效率提高。

表3 700℃一次再熱與二次再熱機組在不同工況下的單耗和節煤量

2.2 鍋爐的附加單耗對比分析

表4為700℃一次再熱與二次再熱超超臨界燃煤機組在不同工況下鍋爐的附加單耗和節煤量，可以看出：700℃二次再熱機組鍋爐附加單耗始終低于一次再熱機組；隨著負荷的降低，2種機組鍋爐附加單耗均逐漸增大，但在低負荷下，二次再熱機組鍋爐的附加單耗明顯低于一次再熱機組，如在40%THA工況下，二次再熱機組鍋爐的附加單耗比一次再熱機組低10.49g/(kW·h)。由此可知，二次再熱機組總體發電煤耗在變負荷下的節煤效果主要從鍋爐端實現。

表4 700℃一次再熱與二次再熱機組在不同工況下鍋爐的附加單耗和節煤量

2.3 汽輪機的附加單耗對比分析

表5和圖3分別為700℃一次再熱與二次再熱機組汽輪機系統在不同工況下的附加單耗(包括超高壓缸、高壓缸、中壓缸、低壓缸及回熱式汽輪機單耗)及能耗分布圖。可以看出，一次再熱機組汽輪機總附加單耗隨著負荷降低先減小后升高，在75%負荷時出現拐點；二次再熱機組汽輪機總附加單耗隨著負荷降低不斷減小，且始終小于一次再熱機組汽輪機總附加單耗。

表5 700℃一次再熱與二次再熱機組在不同工況下汽輪機能耗

Tab.5 Energy consumption of 700℃ units with single and double reheat under different conditions g/(kW×h)

圖3 700℃一次再熱與二次再熱機組在不同工況下汽輪機能耗分布

2.4 回熱加熱器的附加單耗對比分析

表6為700℃一次再熱與二次再熱機組回熱加熱器在不同工況下的附加單耗。可以看出，隨著負荷的降低，一次再熱機組回熱加熱器單耗先降低后升高，二次再熱機組回熱加熱器單耗不斷降低；二次再熱機組回熱加熱器單耗高于一次再熱機組，這是因為二次再熱機組參數提高后進入回熱抽汽系統的過熱度比一次再熱機組的高，?損耗相對較大。

表6 700℃一次再熱與二次再熱機組回熱加熱器在不同工況下的附加單耗

2.5 抽汽過熱度對比分析

圖4、5分別為700℃一次再熱、二次再熱機組在不同工況下各級抽汽的過熱度，圖6 為700℃一次再熱與二次再熱機組在不同工況下各級抽汽的平均過熱度。從圖4、5可以看出，隨著負荷的降低，一次再熱機組與二次再熱機組的抽汽過熱度均逐漸增大，一次再熱機組1—6級抽汽的過熱度隨負荷變化明顯，7—10級變化較小；二次再熱機組1—7級抽汽的過熱度隨負荷變化明顯，8—10級變化較小。例如，一次再熱機組第1級回熱加熱器在THA工況下過熱度是172℃，在40% THA工況下過熱度達到246℃，提高了 74℃；而二次再熱機組第1級回熱加熱器在THA工況下過熱度是181℃，在40%THA工況下過熱度達到261℃，提高了80℃。從圖6可以看出，一次再熱與二次再熱機組在不同工況下各級抽汽的平均過熱度基本接近。

圖4 700℃一次再熱機組在不同工況下各級抽汽的過熱度

圖5 700℃二次再熱機組變工況下各級抽汽的過熱度

圖6 700℃一次再熱與二次再熱機組在不同工況下各級抽汽的平均過熱度

3 BEST抽汽位置對機組單耗的影響

從上述過熱度的分析可知，隨著負荷的降低，回熱系統的過熱度不斷升高，因此可考慮在低負荷過熱度較高的情況下將BEST的抽汽位置向后面幾級汽輪機調節，達到降低低負荷下過熱度及煤耗的作用。不同文獻中對BEST的抽汽位置有不同研究，如文獻[6]中600℃二次再熱機組的回熱汽輪機從超高壓缸抽汽，文獻[12-13]中700℃二次再熱機組從中壓缸抽汽進入BEST做功，文獻[16]中700℃二次再熱機組從超高壓缸抽汽。本文對700℃二次再熱機組BEST的不同抽汽位置進行調節，模擬抽汽位置變化對700℃二次再熱機組煤耗的影響，結果見表7。可見，在50%負荷以上時，抽汽壓力為7.3MPa時機組煤耗最低；在40%負荷時，抽汽壓力為3.2MPa時機組煤耗最低。因此，在汽輪機運行中，可根據負荷情況調節抽汽位置，從而提高能效。

表7 700℃二次再熱機組BEST不同抽汽壓力下機組單耗

4 高參數超超臨界機組通流與回熱系統節能設計思路

文獻[18]提出目前采用的BEST系統等方法是基于傳統 HP-IP-LP 結構形式的汽輪機及其熱力系統的局部節能改造優化，而沒有在初終參數確定后，從有效熱力焓降的整體工藝流程角度出發，開展高、中、低三缸結構參數合理匹配和回熱、再熱系統參數的優化設計。目前，超超臨界機組的設計方案缺乏從整體到局部優化的創新設計理念。林萬超[21]提出了火電廠熱力系統有效熱力焓降的經典計算方法。很多專家學者結合實際熱力系統的特征，提出了一些改進的熱力性能分析方法，如嚴俊杰等[22-23]采用等效焓降法，得到二次再熱機組相應的各級回熱加熱器等效焓降和各級抽汽效率的計算公式。

本文提出采用有效熱力焓降的方法，從系統角度出發，重新設計700℃超超臨界機組汽輪機，對各級抽汽參數進行優化，合理分配各級回熱加熱器的焓降，選取合適的回熱抽汽位置，保證抽汽參數與回熱系統匹配，盡量在汽輪機設計階段解決過熱度的問題，而不是通過額外增加更多附加設備來解決。可將BEST各級參數逐級設計回到高壓缸、中壓缸和低壓缸相應參數位置，重新設計汽輪機，在滿足回熱抽汽加熱給水溫度的前提下，盡量降低抽汽過熱度，保證高參數蒸汽在汽輪機中充分做功，抽出的蒸汽滿足加熱給水要求即可。該方法可簡化系統，但需要對汽輪機三缸重新進行負荷分配和通流設計優化。

5 結論

針對目前700℃超超臨界燃煤機組汽輪機回熱系統設計的現狀，對采用BEST的700℃一次再熱與二次再熱機組進行了對比分析，從整體系統角度出發，提出優化回熱系統的思路，為設計更加高效的高參數超超臨界燃煤機組汽輪機系統提供理論指導。具體結論如下：

1）采用BEST的700℃二次再熱機組發電煤耗低于一次再熱機組，在低負荷下二次再熱機組比一次再熱節煤效果更明顯，在40% THA工況下，節煤11.70g/(kW·h)。對700℃一次再熱機組而言，回熱汽輪機方案更適合高負荷運行的機組，700℃二次再熱機組比一次再熱機組調峰的經濟性更好。

2）隨著負荷的降低，700℃超超臨界燃煤機組回熱系統的過熱度不斷升高，發電煤耗增大。在低負荷時可根據負荷情況調節BEST的抽汽位置來提高能效。在50%負荷以上時，抽汽壓力為7.3MPa時機組煤耗最低，在40%負荷時，抽汽壓力為3.2MPa時機組煤耗最低。

3）提出取消BEST的新型高參數超超臨界燃煤機組汽輪機系統設計思路，建議基于700℃汽輪機初終參數與汽輪機通流效率不變的條件下，從汽輪機通流與回熱系統參數匹配及系統優化角度對汽輪機進行優化設計，但該方法需要對汽輪機三缸重新進行負荷分配和通流設計。

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Optimal Design of Steam Turbine System for Advanced Ultra-supercritical Double Reheat Coal-fired Units

WANG Jing1, YANG Jinfu2*, DUAN Liqiang1, TIAN Liguo1, JING Yutian1, YANG Ming1

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

In view of the current situation of backpressure extraction steam turbine (BEST) regenerative system design for advanced ultra-supercritical coal-fired units, the influence of BEST on energy consumption of 700℃coal-fired units with single and double reheat system was compared and analyzed. Based on parameter matching and system optimization method of steam turbine flow and regenerative system, the idea of optimizing regenerative system from the system perspective was put forward. The results show that the coal consumption of 700℃double reheat coal-fired units with BEST is lower than that of single reheat units, and the coal saving advantage is more obvious at low load. The coal saving is 11.7g/(kW·h) at 40% load. 700℃ double reheat units with BEST is more economical for peak adjustment than single reheat units, and 700℃ single reheat units with BEST is more suitable for high load operation units. With the reduction of load, the extraction superheat of 700℃ double reheat units with BEST increases continuously, therefore, the extraction position of BEST can be adjusted backward to match the minimum coal consumption. In addition, a method of matching the extraction parameters of the regenerative system with the flow parameters of the steam turbine was proposed to optimize the whole system of the units. Based on this method, the BEST can be cancelled, but the load distribution and flow design of the three cylinders of the steam turbine need to be redesigned.

advanced ultra-supercritical coal-fired units; steam turbine; double reheat; regenerative system

2021-05-06。

10.12096/j.2096-4528.pgt.21053

TK 26

國家重點研發計劃項目(2017YFB0602101, 2018YFB0604404)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2017YFB0602101, 2018YFB0604404).

(責任編輯 尚彩娟)