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超临界火电机组二次再热技术张经武2014-12主要内容1二次再热机组的概况2二次再热机组的经济分析3二次再热系统的特点4二次再热锅炉的关键技术5国内二次再热机组锅炉的设计特点6结束语1二次再热机组的概况1.1简介蒸汽中间再过热，就是将汽轮机（高压部分）内膨胀至某一中间压力的蒸汽全部引出，进入到锅炉的再热器中再次加热，然后回到汽轮机（低压部分）内继续作功。经过再热以后，蒸汽膨胀终了的干度有明显地提高。虽然最初只是将再热作为解决乏汽干度问题的一种办法，而发展到后来，它的意义已远不止此。现代大型机组几乎毫无例外地都采用再热循环，因此它已成为大型机组提高热效率的必要措施。从世界上现有的发电机组来说，再热方式分为一次再热和二次再热两种。1二次再热机组的概况1.2二次再热应用情况近几年来投产的锅炉全采用一次再热方式。而在早期（20世纪50年代至70年代）,受金属材料性能限制，有不少机组采用了二次再热方式。在国际上，从20世纪50年代开始，美国、西德、日本等国家均建造了大量二次再热发电机组。在美国的超临界压力锅炉中，一次再热机组除了1964年外，占了绝对优势，在1973年以后的机组，没有再采用二次再热。在二次再热机组中，又以再热汽温逐步升高的538/552/566℃这种机组使用得最普遍，共有12台，占二次再热机组的48%。1二次再热机组的概况日本的超临界压力机组中，二次再热机组中以538/552/566℃这种再热蒸汽温度逐步上升的机组用得最普遍，占二次再热机组的54.5%，而且日本二次再热机组采用的燃料多为重油。由于过分注重初压的提高（大于30MPa）采用二次中间再热而使机组结构复杂、运行困难、可用率不高，导致运行参数被迫下降，出现发展停滞和参数反复的现象。1二次再热机组的概况这期间，除了早期美国的三台机组外，只有日本川越电站两台700MW机组（31MPa/566/566/566℃,1989年）和丹麦二台415MW（28.5MPa,580/580/580℃，1998年）机组采用二次再热的超超临界机组。国外，近十多年投运的超超临界机组中，主蒸汽压力＞（30~31）MPa的机组台数仅三台，其中两台是二次再热机组。近五年来新投运的超超临界机组没有采用二次再热。国内，目前在建的有国电泰州电厂2×1000MW、华能莱芜电厂2×1000MW、华能安源电厂2×660MW、国电蚌埠电厂2×660MW等工程的二次再热机组。2二次再热机组的技术经济分析二次再热与一次再热机组的对比分析见下表。由下表可知，在所给参数范围内，在相同的主蒸汽压力下，采用二次再热使机组热经济性得到提高，其相对热耗率改善值约为1.4%～1.6%。项目蒸汽温度(℃)汽机入口蒸汽压力（MPa）252830二次再热较一次再热机组耗率改善值（%））565/565/5651.431.431.50二次再热较一次再热机组耗率改善值（%））593/593/5931.501.501.602二次再热机组的技术经济分析2二次再热机组的技术经济分析主汽出口压力由15MPa增加到35MPa，相对效率可以增加1%，主汽温度由520℃增加到640℃，相对效率可增加4.1%；再热蒸汽温度由520℃增加到640℃，相对效率可以增加3%左右。因此，提高机组的参数，可以提高机组的热效率。2二次再热机组的技术经济分析2二次再热机组的技术经济分析机组的参数由25.0MP/600/600℃提高到30.0MP/600/600℃，机组的效率提高约0.5%，若出口温度由600/600℃提高到600/610℃,机组的效率又提高0.25%左右，如蒸汽参数再提高到600/620℃，机组的效率又能提高0.25%。二次再热机组，若汽机入口参数为35.0MPa/600/620/620℃，相对于25.0MP/600/600℃的参数，机组的热效率提高了约2.4%~2.6%左右，可显著降低机组煤耗。因此，采用二次再热机组是目前阶段具有实施条件的大容量超超临界机组的发展方向。2二次再热机组的技术经济分析以1000MW二次再热超超临界机组为例，采用30MPa/600℃/620℃/620℃主机参数。其投资回收年限分析：•基本数据•初投资增加额：ΔP=9.141亿元≈9.2亿元•机组降低发电标煤耗：9.5g/kWh•基准收益率:I=0.08•计算结果初投资增加值的回收年限见下图。2二次再热机组的技术经济分析由以上曲线可看出，若要收回增加的初投资，当标煤价755元/t时需要30年的运营期，当煤价达到995元/t时需要15年，当煤价涨至1270元/t时需要10年。3二次再热系统的技术特点3.1循环热效率典型一次再热与二次再热热力系统如下图所示，一次再热系统中蒸汽在高压缸做功后进入锅炉进行一次再加热；而二次再热系统中蒸汽在超高压缸和高压缸中做功后在锅炉的二次再热器中再次加热。相比一次再热系统，二次再热系统锅炉增加一级再热系统，汽轮机则增加一级循环做功。3二次再热系统的技术特点3.2提高机组循环效率采用二次再热，整个热力循环可以等效为原朗肯循环叠加一个附加循环。由一次再热与二次再热两种系统的热力循环温-熵（T-S）图可见，二次再热系统比一次再热系统多叠加一个高参数的附加循环，其循环效率将比一次再热系统高。3二次再热系统的技术特点典型一次再热与二次再热热力系统及其循环T-S图一次再热系统二次再热系统再热器过热器锅炉高压缸中压缸低压缸过热器锅炉一次再热器二次再热器超高压缸高压缸中压缸低压缸给水泵给水泵冷凝器冷凝器TSTS3二次再热系统的技术特点3.3减少排放随着火力发电机组热效率的提高，单位发电量的CO2排放量明显降低，在相同蒸汽压力温度参数下，二次再热相比一次再热机组热效率提高2%，对应CO2减排约3.6%。因此二次再热还是一种可行的节能降耗、清洁环保的火力发电技术。超超临界机组单位发电量CO2排放随发电机组热效率的变化趋势，见下图。3二次再热系统的技术特点机组热效率与CO2排放量的关系机组热效率与CO2排放量的关系3二次再热系统的技术特点3.4材料性能的要求蒸汽参数越高，给水温度越高，则机组热效率越高。因此，提高蒸汽参数是现在火电机组提高效率的主要途径之一，然而材料的性能成为制约蒸汽参数大幅提高的主要技术瓶颈。目前合金铁素体（Ferrite）和合金奥氏体（Austenite)材料已经在600℃等级的超超临界机组中得到规模化应用。然而为了将机组的热效率进一步提高到50%以上，蒸汽温度参数需达到700℃等级，那么现在满足600℃运行条件的合金铁素体和奥氏体材料将无法满足机组安全运行的要求，新型镍基合金材料就成为必要的选择。3二次再热系统技术特点锅炉使用材料不同高温材料的比例3二次再热系统的技术特点传统超临界540℃等级合金钢（TP347H），其单价约为4万元/吨，目前已在超超临界600℃机组中大量使用的铁素体、奥氏体合金钢（HR3C），单价已达到12~15万元/吨，而700℃等级的镍基合金钢（Inconel617），其单价估计将高达78万元/吨。目前600℃一次再热2×1000MW超超临界机组总投资70~80亿元人民币，其中从锅炉至汽轮机单根长度约为160m的主蒸汽管和再热蒸汽管道的造价约3亿元人民币，若将参数提高致700℃等级，则该高温蒸汽管道的总价格可能上升至25亿元人民币以上，此外锅炉及汽轮机造价亦将相应上升，仅以2%的左右热效率的提高，其代价太大，难以为市场所接受。3二次再热系统的技术特点要在技术上和成本上完全解决700℃等级的高温材料，按照现在美、欧各国的发展计划，实现700℃等级的超超临界机组大规模投运也还需要10年的时间。而对于采用二次再热技术的机组，在不需要达到700℃等级蒸汽参数条件下，其机组热效率就可以达到较高水平，且材料上不存在技术瓶颈。因此在未来十年甚至更长一段时间内，发展二次再热技术是提高机组热效率的有效手段。3二次再热系统的技术特点3.5汽轮机结构超超临界二次再热机组汽轮机相比传统一次再热机组需增加一级超高压缸，如日本川越电厂，其汽轮机由四个汽缸构成，超高压缸（主蒸汽）和高压缸（高压再热蒸汽）为对向流合缸结构,中压缸（低压再热蒸汽）为单缸分流式，低压缸为双缸四排汽结钩。汽轮机全长相比一次再热机组有所增加，轴系结构及其应力分布也更加复杂。此外为使超高压、高压汽缸以及相配套的法兰盘、主要阀门和密封垫圈在高温高压工作条件下仍能满足安全运行要求，其结构需重新设计并采用高温强度高的新型材料。此外还应以控制性能更高的数控电气-油压式（EHC）调速器来代替机械-油压式（MHC）调速器，以应对二次再热而产生的控制复杂化等问题。3二次再热系统的技术特点3.6热力系统对于典型的超临界二次再热机组的热力系统，除增加一套二次再热系统外，高压加热器还需采用外置蒸汽冷却器，而且由于低压抽汽过热度很大，所以低压加热器的回热抽汽通常也采用外置蒸汽冷却器进行过热度热量的跨级利用。其高压加热器的回热抽汽过热度可直接用于提高给水温度，低压加热器的回热抽汽过热度可跨级用于提高除氧器的进水温度。此外，根据机组的具体情况，低压加热器回热抽汽过热度还可能用于提高高压加热器的进水温度或者直接用于提高给水温度。此外，连接汽轮机与锅炉之间的再热蒸汽管道需增加一根再热冷管与再热热管。4二次再热锅炉的关键技术4.1机组参数对于超超临界二次再热机组，机组参数的选取非常重要。根据理想工况热力循环的计算结果以及国外现有技术经验，最佳再热蒸汽压力一般选取为高压缸入口初压的20%~35%。再热蒸汽温度越高，中间再热的经济性也越好，然而受到材料及烟道布置的影响，二次再热机组再热蒸汽温度一般不大于一次再热机组的再热蒸汽温度。此外为了防止低压加热器蒸汽压力过低应尽量提高过热器出口蒸汽压力，但是受到给水泵、高压加热器选型的影响，主蒸汽出口压力一般选择为30MPa左右，再热蒸汽压力选取为10MPa/3MPa左右。4二次再热锅炉的关键技术早期，二次再热机组温度参数多为538/552/566℃，这种再热蒸汽温度逐步提高的机组应用最为普遍，在美国和日本投运的二次再热机组中分别有12台和6台采用该温度参数，分别占当时该国投运二次再热机组的48%和54.5%。目前国内新建或拟建的超超临界二次再热机组温度均在600/600/600℃以上，如国电泰州电厂二期2×1000MW超超临界二次再热燃煤机组温度参数为600/610/610℃，华能莱芜电厂2×1000MW超超临界二次再热机组温度参数为600/620/620℃，国电蚌埠电厂和华能安源电厂的2×660MW超超临界二次再热机组温度参数为600/620/620℃。4二次再热锅炉的关键技术4.2二次再热锅炉过热器和再热器的吸热特点对于二次再热锅炉，不是简单的增加一级再热器，而是需要系统的考虑锅炉整体布置，设计时要特别考虑高温受热面的布置、调温方式的选择和温度偏差的控制等一系列问题。目前，国内660MW和1000MW二次再热机组锅炉的参数为32.1（32.97）MPa.a）/605/623/623℃。二次再热机组的参数和常规的超临界参数相比：过热蒸汽压力比常规的超临界压力（26.25MPa.a）高~6.0MPa左右，压力参数提高，降低汽轮机的热耗，提高机组的循环效率；提高一次再热蒸汽出口温度使循环效率提高；二次再热的引入使循环效率进一步提高。4二次再热锅炉的关键技术从上述的参数可见，二次再热锅炉的过热蒸汽出口温度没有提高，但过热蒸汽的出口压力比常规的超临界压力高~6.0MPa左右；二次再热机组选用的一次再热蒸汽压力有了大幅度的提高，一次再热蒸汽进口压力是常规一次再热机组蒸汽进口压力的两倍；二次再热机组选用的二次再热蒸汽的进口压力较低，仅为常规一次再热机组再热蒸汽压力的一半；一次再热和二次再热蒸汽的出口温度均较常规的超临界一次再热机组提高了~20℃；由于二次再热的引入，二次再热机组的再热蒸汽吸热和过热蒸汽吸热比例和常规的一次再热机组相比有较大的变化，对于一次再热超临界机组，过热蒸汽吸热/再热蒸汽吸热为~82/18，对于二次再热超临界机组，过热蒸汽吸热/再热蒸汽吸热为~72/2