700℃超超臨界一次再熱發電系統優化

楊美，周云龍，楊金福，王迪，韓東江，包佳鑫

700℃超超臨界一次再熱發電系統優化

楊美1,2，周云龍1*，楊金福2，王迪1，韓東江2，包佳鑫1

（1．東北電力大學能源與動力工程學院，吉林省 吉林市 1 32012；2．中國科學院工程熱物理研究所，北京市 海淀區 100190）

針對超超臨界一次再熱機組、汽輪發電機組抽汽回熱過熱度高，造成回熱系統不可逆損失大、系統完善度不佳等問題，分析了MAST CYCLE熱力系統(簡稱MC系統)熱力學性能，此系統可有效降低回熱抽汽過熱度，但系統相對復雜。采用熱力學參數優化、匹配及結構集成方法對超超臨界一次再熱機組進行分析優化，得到加4級外冷器優化系統為系統集成的最優方案，供電效率達到49.58%；并對其進行余熱利用挖潛，計算得到系統供電效率達到50.07%。研究結果為700℃超超臨界機組系統優化設計提供了一種更有效的途徑。

超超臨界機組；MAST CYCLE熱力系統；壓力優化；余熱利用；供電效率

0 引言

隨著全球經濟發展，能源消耗日益劇增?；剂鲜俏磥韼资耆祟惸茉幢匦杵罚⒈粡V泛應用于燃煤發電機組[1]。隨著可再生能源的利用率大幅度提高，燃煤發電份額逐漸減少，但仍將長期占據我國發電行業的主導地位，并且是亞洲大部分地區重要的電力來源。為了實現能源和環境的可持續發展，2020年英國石油公司(British petroleum，BP)在《世界能源展望(Energy Outlook)》中提出：2050年世界實現“零碳或低碳能源凈零排放”[2]。為了實現節能減排的目的，提高發電效率和減少污染物的排放已刻不容緩。

對燃煤發電機組而言，采用高參數大容量機組是提高機組發電效率的有效手段之一。我國現役機組已經達到百萬等級，初參數壓力達到25～ 30MPa，溫度為600℃左右。目前，也正在開展30～37MPa/700℃以上高超超臨界機組的研 究[3]。歐盟[4]、美國[5]以及日本[6]已開展了700℃超超臨界機組的設計研發[7]。王旭陽等[8]采用等焓升和等焓降法計算了700℃超超臨界機組抽汽參數，得到汽輪機熱效率為45.69%。蔡小燕等[9]對700℃超超臨界燃煤發電機組熱力系統熱力參數進行優化及?分析。楊金福等[10]針對超臨界參數燃煤發電機組，提出了“卡諾耗散熱機”與“動力島”設計理念。WANG等[11]基于給水加熱器疏水梯級利用方法，提出一種空氣回熱系統，形成疏水–煙氣–給水–空氣能量耦合高效利用系統。LIN等[12]基于“溫度對口”及“熱容流率匹配”方法，得到1 000 MW二次再熱超臨界熱電廠熱力系統及優化后新系統的熱經濟性分析。楊美 等[13]對700℃超超臨界燃煤二次再熱發電機組再熱壓力和抽汽參數進行了進一步的優化。胡宏偉等[14]在大容量機組寬負荷下，對2級除氧器熱力系統經濟性進行研究，結果表明，采用2級除氧器的系統經濟性較好。

為了實現節能減排、碳達峰的目標，國家科技部率先安排重點專項，燃煤發電機組要用低煤耗的火電大機組取代現有的小機組，即火電的“以大代小”工程。為了提高燃煤機組熱力學完善度，提出700℃超超臨界機組熱力系統[7]，以實現燃煤發電機組凈效率超過50%的目標。目前，700℃超超臨界一次燃煤發電機組尚處于研究階段，并沒有實際應用的電廠，因此通過理論計算，對機組進行系統設計優化具有較強的實際意義。

本文對700℃一次再熱超超臨界MC系統和700℃一次再熱超超臨界參比系統進行熱力學特性對比分析，并對一次再熱參比優化熱力系統進行集成優化，探究一種可以提高700℃一次再熱超超臨界系統效率的集成優化方法。

1 超超臨界一次再熱機組

1.1 超超臨界一次再熱機組熱力系統

根據現有文獻資料和設計院提供的熱平衡圖，選用超超臨界一次再熱機組在700℃參數下熱力系統為研究對象，稱作參比系統。鍋爐采用一次再熱直流鍋爐，汽輪機采用凝汽式汽輪機，機組采用滑壓運行。蒸汽首先進入高壓缸做功，之后回到鍋爐進行再次加熱，高壓缸設置有2級回熱抽汽口，中壓缸和低壓缸各有4級回熱抽汽口。700℃超超臨界機組熱力系統(參比系統)結構如圖1所示。在對700℃機組超超臨界一次再熱機組進行熱力計算時，鍋爐效率取94.78%，管道效率取99.5%，廠用電率取3.9%。本機組采用深海水冷卻，背壓取2.2kPa[3]。主要組件的模型細節如表1所示，模擬值與設計值在誤差允許范圍內[13]。

B—鍋爐；HP—高壓缸；IP—中壓缸；LP—低壓缸；G—發電機；Hi—第i(i=1,2,…,10)級回熱加熱器；CP—凝結水泵。

表1 模擬參數及模塊設置

1.2 超超臨界一次再熱機組MC熱力系統

丹麥DONG ENERGY公司為了解決高參數下抽汽過熱度大的問題，首次提出了在熱力系統中增加一臺Best-Turbine回熱抽汽式背壓汽輪機的設想[15]，稱為MC系統。大量學者在MC系統上進行研究[16-20]，與常規系統相比，MC系統在減小回熱抽汽的過熱度上節能效果顯著。700℃超超臨界一次再熱機組MC熱力系統結構如圖2所示。

對1000MW超超臨界一次再熱燃煤發電機組中的再熱壓力和抽汽參數進行優化分析。根據機組布置結構和參數搭建系統仿真模型，選擇THA負荷作為模型設計工況。在設計工況下，高、中、低壓加熱器壓損分別為3%、5%和5%；一次再熱器和管道的壓損分別為6.4%、10.2%。各級回熱加熱器的端差如表2所示。

圖2 超超臨界一次再熱機組MC熱力系統結構圖

表2 回熱加熱器端差

2 系統分析方法

汽輪發電機組熱耗率指汽輪發電機組生產1kW·h電能所消耗的熱量，單位為kJ/(kW·h)。

式中a,el為汽輪發電機組的相對電效率，表示為

a,el=ht·ri·m·g(2)

式中：t為循環熱效率，%；ri為汽輪機相對 內效率，%；m為機械效率，%；g為發電機效率，%。

3 系統參數分析與優化

3.1 超超臨界機組熱力系統參數分析

為了對比分析700℃超超臨界機組MC系統和參比系統的熱力學性能，其發電功率都設為 1000MW。由于700℃超超臨界一次燃煤發電機組目前尚處于研究開發階段，沒有現役運行機組，因此參照設計院提供的相關數據及現有百萬機組運行參數情況，確定了熱力系統主要參數，如 表3所示。

計算得到MC系統與參比系統回熱抽汽參數對比，如圖3所示?？梢钥闯?，參比系統3#、4#、5#、6#回熱加熱器的過熱度達到371.3、320.3、275.0、231.35℃，相比于其他加熱器要高很多，能量沒有得到充分利用，造成了額外的?損失。參比系統過熱度高，導致熱力學完善度不佳，系統復雜。采用MC系統后，過熱度明顯降低，其數值為100.6、67.25、39.09、12.95℃。

表3 熱力系統主要參數

圖3 MC系統與參比系統抽汽參數對比

3.2 超超臨界機組熱力系統性能分析

在MC系統中，抽汽背壓式小汽輪機可以驅動前置泵、主給水泵組汽輪機，設計時一側連接給水泵組，按照同軸布置，既可以有效解決給水泵變速驅動問題，又可以達到降低汽輪機抽汽過熱度的問題。但是，在低負荷情況下，為了平衡抽汽背壓式小汽輪機過剩出力，應在抽汽背壓式小汽輪機另一側安裝可拆卸連接段，通過齒輪式變速器，直接連接一臺同步發電機，過剩的出力可以通過同步發電機輸出電能。對上述建立的 700℃超超臨界機組MC系統和參比系統進行熱力特性對比分析，得到主要汽水流量參數，如 表4所示。

表4 主要汽水流量參數

基于EBSILON仿真計算結果，進一步計算分析700℃超超臨界機組MC系統和參比系統熱力學性能，結果如表5所示?？梢钥闯觯捎肕C系統后汽輪機組熱耗率由6633.54kJ/(kW×h)降為6607.50kJ/(kW×h)，熱耗率降低了26.04%，供電效率由49.18%增加到了49.37%，在數值上增加了0.19%。

表5 700℃超超臨界一次再熱機組熱力學性能分析

3.3 超超臨界機組熱力系統參數優化及匹配

采用回熱式Best汽輪機后，降低了回熱加熱系統的過熱度，從回熱加熱器端節約了能量，但是部分蒸汽進入回熱式Best汽輪機后，進入中壓缸做功的蒸汽量減少，即降低了蒸汽在中壓缸的做功能力。在MC機組中，進入Best小汽輪機的蒸汽并沒有進入再熱器中進行加熱，因此在系統優化上，其焓升分配與參比系統有所不同，對應的一次再熱壓力也不相同。為對比MC系統的最佳一次再熱壓力和優化后熱力系統的性能，分別計算兩者在THA工況下的最佳一次再熱壓力。首先，2個對比系統的回熱系統均采用10級回熱。采用隨機全局優化遺傳算法對10級回熱系統的再熱壓力和抽汽參數進行了優化。假定汽輪機各級段效率1,2,…,m固定，采用全局隨機尋優遺傳算法，優化10級回熱一次再熱機組再熱壓力及各級的抽汽參數。當一次再熱壓力確定時，可以得到每級回熱抽汽蒸汽的參數。一次再熱壓比rh1/0對熱效率的影響如圖4所示。

圖4 一次再熱壓比Prh1/P0對熱效率的影響

由圖4可以看出，隨著一次再熱蒸汽壓比增大，發電效率先增加到峰值點，然后減少。在主蒸汽參數和終參數一定的情況下，當MC系統的一次再熱壓比為0.201時，對應的熱效率最高值為54.48%，此時為最佳再熱壓比。參比系統的最佳一次再熱壓比為0.254，對應的熱效率最高值為54.32%?？傮w來說，MC系統對應的最佳一次再熱壓比比參比系統的最佳一次再熱壓比要低。

為了分析其原因，選擇參比系統最佳再熱壓比0.254(再熱壓力為9.46MPa)，Best系統最佳再熱壓比0.201(再熱壓力為7.47MPa)，做出各自循環熱力過程-圖，分別如圖5、6 所示。對于MC系統，蒸汽在高壓缸做功以后，一部分蒸汽回到再熱器中進行再熱，另一部分蒸汽則進入Best小汽輪機做功，因此進入再熱器進行再次加熱的蒸汽量減少。通過與參比系統進行對比可知，MC系統減小了再熱循環的附加循環再熱動力系數rh，削弱了再熱的影響。換句話說，MC系統再熱系統的附加動力系數隨著一次再熱壓力的升高而降低，造成最佳一次再熱壓力比參比系統提前出現，即最佳一次再熱壓力降低。

圖5 參比系統T-S圖

圖6 Best系統T-S圖

3.4 超超臨界機組熱力系統結構集成及余熱利用

優化后參比機組的最佳再熱壓比為0.254(再熱壓力為9.46MPa)的熱力系統稱為優化方案1，進一步對方案1的熱力系統進行優化。為了進一步降低3、4、5和6級回熱加熱器的過熱度，在方案1基礎上，提出以下方案：在3#回熱抽汽段加裝外置式蒸汽冷卻器(1級外冷器)的方案2；同時在3#和4#回熱抽汽段加裝外置式蒸汽冷卻器(2級外冷器)的方案3；同時在3#、4#和5#回熱加熱器的抽汽段加裝3級外置式蒸汽冷卻器(3級外冷器)的方案4；同時在3#、4#、5#和6#回熱抽汽段加裝外置式蒸汽冷卻器(4級外冷器)的方案5。對比研究不同組合方案的熱力系統熱力學性能，結果如表6所示。

由表6可以看出，熱力系統采用不同外置式冷卻器方案后，抽汽的過熱度大大降低的同時，給水溫度也有不同程度的提高。在相同出力 1 000MW的前提下，優化后無外置式冷卻器方案和加裝外置式冷卻器4種不同組合方案下，發電效率都有不同程度的提高。對比表6發現，對于優化后的一次再熱機組，在采用了1級外冷器的方案2中，供電效率達49.48%，比一次再熱機組MC系統的供電效率49.37%，在數值上提高了0.11%；采用方案3(優化后的2級外置式冷卻器)時，供電效率比優化前一次再熱機組在數值上提高了0.30%；采用方案5(優化后的4級外置式冷卻器)時，供電效率在數值上提高了0.40%。因此，本文選擇方案3和方案5為優選方案。

表6 不同組合方案的熱力系統熱力學性能對比

對其進行煙氣余熱利用，將15.46MW熱量加熱給水從4#高加進口引出部分流量，加熱后回到1#高加出口，給水溫度從原4#高加進口水溫升高到1#高加出口水溫；將10.89MW熱量從8#低加進口引出部分凝結水流量，加熱后回到6#低加出口，凝結水溫度從原8#低加進口水溫升高到6#低加出口水溫。方案3和方案5余熱利用熱力學性能對比如表7所示?？梢钥闯?，方案3(采用2級外冷器)余熱利用系統供電效率高達50.02%，比優化前不采用余熱利用機組在數值上增加了0.84%；方案5(采用4級外冷器)余熱利用系統供電效率高達50.07%，比優化前不采用余熱利用機組在數值上增加了0.89%，效果顯著。

表7 方案3和方案5余熱利用熱力學性能對比

4 結論

針對燃煤發電機組熱力系統完善度不佳的問題，采用熱力學參數優化、匹配及結構集成方法，提出700℃超超臨界一次再熱發電優化系統，得到如下結論：

1）在700℃超超臨界一次再熱參比系統中，分析得到中壓缸抽汽的平均過熱度高達300℃，針對抽汽過熱度偏高的問題，引進MAST CYCLE熱力系統，分析得到機組平均過熱度降低到了 58℃，供電效率由49.18%增加到了49.37%，在數值上增加了0.19%。

2）基于汽輪機回熱系統參數匹配及系統優化的方法，對700℃超超臨界一次再熱參比系統的再熱壓力和抽汽點熱力參數進行優化，優化后的機組供電效率在數值上提高了0.16%。

3）對于優化后的一次再熱機組，在采用了4級外冷器的方案5中，供電效率達到49.58%，比參比系統在數值上提高了0.40%；并對方案5進行余熱利用，系統供電效率高達50.07%，比參比系統機組在數值上增加了0.89%，效果顯著。

4）建議汽輪機制造廠針對汽輪機進行高中低三缸負荷優化設計，尤其是要對汽輪機通流部分進行校核設計；針對Best小汽輪機進行通流部分設計評估并開展現場性能試驗研究，為今后 700℃超超臨界系統設計優化提供參考。

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Optimization of 700℃ Ultra-supercritical Single Reheat Power Generation System

YANG Mei1,2, ZHOU Yunlong1*, YANG Jinfu2, WANG Di1, HAN Dongjiang2, BAO Jiaxin1

(1. School of Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. Chinese Academy of Sciences University, Haidian District, Beijing 100190, China)

The superheat degree of steam extraction is high in the ultra-supercritical single reheat unit. It results in largely irreversible loss and poor system perfection. The thermodynamic performance of the MAST CYCLE thermodynamic system was analyzed, which can effectively reduce the superheat of regenerative extraction steam. However, the system is relatively complex. The optimization system of single reheat with 4-stage external coolers is the best scheme of system integration, and the power supply efficiency reaches 49.58%.The waste heat of the system was used. The calculation results show that the power supply efficiency of the system reaches 50.07%，which provides a more effective way for the optimization design of 700 ℃ ultra-supercritical unit system.

ultra-supercritical unit; MAST CYCLE thermodynamic system; pressure optimization; waste heat utilization; power supply efficiency

2021-04-29。

10.12096/j.2096-4528.pgt.21046

TK 47

國家重點研發計劃項目(2018YFB0604404)；吉林市科技發展計劃項目(20190104125)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2018YFB0604404); Jilin Science and Technology Development Plan Project (20190104125).

(責任編輯 楊陽)