1000MW超超临界二次再热燃煤发电技术分析

施伟

[摘    要]本文梳理超超临界的二次再热系统的实际使用性能，从设备、机组两个方面的单耗展开。并整理相应的关键因素，包括材料、调温及轴系三个部分，进一步分析机组系统的总体设计，涉及到总体思路、主机参数、主装置以及污染控制等。

[关键词]燃煤发电;锅炉;换热温差

[中图分类号]TM76 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）09–00–03

[Abstract]This paper combs the actual performance of ultra-supercritical secondary reheat system， and expands the unit consumption from two aspects： equipment and unit. The key factors， including material， temperature adjustment and shafting， are arranged， and the overall design of the unit system is further analyzed， which involves the overall idea， main engine parameters， main device and pollution control.

[Keywords]coal-fired power generation; boiler; heat transfer temperature difference

燃煤发电始终是我国电能领域极为重要的角色，而在提倡节能减排的社会趋势下，其实际的市场份额有所下调。所以，行业若要保持稳定发展状态，应当注重运转效率的提升以及控制能耗。根据近年的发电机组研究情况来看，实际水平已经得到优化，而在蒸汽参数持续扩大的过程中，二次再热系统在超超临界体系中所在展现的应用性能也发生变化。

1 二次再热系统的应用性能

为掌握系统实际的能量消耗成因和各装置的实际分布状况，基于由此得出的结果，调整消耗占比偏大的装置，以提高机组系统的使用性能。

1.1 设备单耗

该项应用性能分析是根据热力学进行探究，把机组内的所有装置运转消耗以量化方式表达，形成机组内部的能量消耗布局，为后续的系统调整及节约能耗提供探究的方向。

1.2 机组单耗

需要进行单耗分析的装置涉及到锅炉、汽轮机、加热装置、冷却装置、管道系统与其他部件，其中管道方面的能耗一般来源于压力及混流环节，而其他部件有水泵及发电装置等。根据对装置单耗的分析得出锅炉耗能最大。通常情况下，单耗计算结果和设计指标无过大出入，在不同工况中，锅炉消耗均占总体的绝大部分。同时，在负荷不断下调的过程中，所有装置的实际煤耗量都随之提高，其中锅炉的增加值同样位居榜首。由此基本可以断定，锅炉能耗占比在超超临界的机组系统内，也处于最高的状态。所以，如果想要合理调整机组性能，需以锅炉为重点[1]。

锅炉不同受热面的能耗存在差异，有水冷壁、低高温过热装置、空气预热装置等，除具体装置部件的能耗外，还有其他方面的损耗，如烟气散热、燃烧不彻底及排烟等不属于换热类的损耗，此类能耗至少占总体的0.5 %，而形成能耗的原因一般是燃烧煤的品质、锅炉结构及燃烧模式等因素影响，通常难以调整。从整体来看，水冷壁的耗能最大，形成此种情境的原因在于炉膛内的温度偏高，而此部件换热温差较为明显，占比一般超过0.25 %。因为经过水冷壁后的烟气，实际温度依旧处于高温的状态，所以由此到高温过热装置之内的所有受热面是高温不减的，煤炭的消耗量还是偏高。通过高温过热装置后，温度有所下调，且换热的温差随之减小，煤炭消耗便也降低。而空气预热装置在进口处的的烟气温度相对偏低，但受到被加热的气体温度偏低的影响，导致实际温差反而偏高，煤炭的消耗由此提高。如果要下调锅炉的实际能耗，提升其运转效率，先应控制其换热过程的消耗率，降低各环节的温差值。但因为蒸汽数据会受到锅炉材料性能的制约，为保证燃烧过程的连贯性，温度还需达到基本的燃点温度，同时如果排烟温度不够，会使部分烟气通道被腐蚀，再加上高温热源不可下调温度。因此，为达到提升设备运行效率的目的，需从控制低温吸热方面入手，转由高温吸热。

2 二次再热机组的重要因素

2.1 部件材料

在此种机组中，需要锅炉及汽轮机等装置的构件可以承受工作高温，其包含的部件，包括锅炉中的高温过热装置及再热器管材等，与汽轮机中的转子、气缸以及各类阀门等。当前应用材料的技术已经较为成熟，部分材料可以承受700℃左右的高温，并能适应超过600℃的再热蒸汽。应当强调的是锅炉机组内的再热装置出口炉外段和集箱中的接头位置温度裕度仅为10℃，属于该设备内相对较弱的部分。所以需尽可能控制T92实际使用量，以降低由于高温而引发的爆管事故发生率。另一方面，汽轮机。因为再热蒸汽的实际温度已经升至600℃以上，且其内部的各构件均为铁素体材料。改良后的相关材料，如FB2等，其和常规材料相较，抵抗高温波动以及抵抗时长都实现强化，基本可以满足此类机组工作期间形成的高温以及应力等因素对材料的要求。所以單就部件的材料而言，当前所用的材料，可以达到安全标准。

2.2 温度调节

近几年，大部分一次再热机组进行温度调节时，通常会借助烟气挡板及喷水加以处理，甚至会结合燃烧加以调节。但在二次再热机组中，为降低热能的消耗，在设备出口区域的调节处理中，大幅降低，甚至完全不采用喷水的处理办法。结合相关实践经验，当前此类机组上，运用的调温手段包括烟气挡板以及再循环，此外还有装设摆动燃烧装置[2]。在此种机组下，三者可单独使用，也可结合应用。目前部分调温模式还未能在较大容量的机组中得到有效应用，所以，具体应用成效还需通过进一步的实验证实。

2.3 轴系

二次机组相比一次机组额外添加汽缸，由此使得整个机组的轴系有所延长。对此应当以气缸结构为基础加以改进，通过对各类特性的运算探究，得出更为细致的参数结果，以确保整个机组的轴系得以平稳地发挥作用。

3 总体设计规划

3.1 系统优化思路

以往的此类机组中，空气预热装置的进口位置使用所处空间内的空气，其温度约为30℃，由此使得此装置内的换热温差值偏高，进而使得能耗加大。对此，通过去除锅炉内各模块的界限，以优化烟气热量的整体布局，通过在烟气通道的尾端加以调整，使烟温偏高的区域进行给水，同时，温度相对偏低的部分则通过给水预热，以达到控制换热损失的目的。在该种优化处理模式下，只针对管道为尾端实施调整，其他部分不会因此受到影响。由此可以形成区别于以往的机组结构，利用给水操作提高空气温度，传送至空气预热组装置中。确定锅炉出口产出烟气无变化的基础上，针对锅炉展开合理设计。因为空气通过事先预热，所以到达空气预热装置时，吸热指数会有所下降，使得锅炉总体吸热值降低。在出口温度固定不变的情况下，设备内部的各部件所承受的温度差也会随之下调，由此产生的损耗便会减少，运转效率得以提升。

基于此，在环境空气到预热装置前，借助低温加热装置把空气温度上调至60℃。以锅炉内部的装置总量层面来看，额外加设一台预热装置，整体结构无过大变化，而在现实设计规划期间，由于机组系统的差异，使得受热面會扩大。因为换热温差值下调，使运转生产效率得以提升，耗煤量随之下降。最终的设计目的是使煤耗减少，发电质量及效率实现提升。

3.2 主机参数确定

在1000W的机组中，管件的选用及制作极为重要，具体而言，需确定锅炉的联箱及管道的钢质材料，以及受热面部分的材料。汽轮机在转子及阀门部分的材料需能承受至少600℃的高温，此种材料参数设定，根据当前相关技术，基本可以达到。实际的参数确定，需通过反复斟酌，结合我国该领域内的专家，将该部分的压力值设定成31兆帕，温度为600℃，而一次或二次的再热温度应为610℃。现实工作温度若高于600℃，锅炉设备所应用的材料，几乎已经达到其极限值，同时，其运转期间，对于温度的误差有较高的标准规范。但使用二次机组，其调温技术属于较新的内容，所以控制难度相对偏高。若从确保程度更高的要求出发，温度参数应在原定的基础上合理提升，并预留实际温度误差值的波动空间。因此温度最终锁定在610℃[3]。

3.3 主装置

锅炉整体结构以单炉膛踏为主体，并搭配平衡通风及悬吊框架等，受热区域采用当前最佳的材料，以保证其耐高温的性能。其调节温度技术是以摆动燃烧装置配以再热模块。和以往的筒式架构有区别，调整至桁架模式，经过此种调节，提高整体受力的均衡度，同时可减少部分前期投入。汽轮机的轴系不应长于百万千瓦规格的最大值，使用弹簧的基座，以强化隔振效果，使得在延长轴系的同时，还能保证基本的的安全。基于此，合理调整装置的实际容量与各模块的参数，并开展有关于轴系安全系数、不同压力情境下的模块等研究。

3.4 控制系统

现如今，有关此方面的研究已经有所成就，在1000 MW规格下的机组，尤其是再热系统及动静态特征等方面，以构建非线性的前提下，采用软测试工艺，掌握机组实际的工作状态信息，由此改进控制系统。另外，在规范化的数据框架中，借助信息技术及有关自动化技术，打造多对象的改进模块，利用多项自动控制手段，达到在线调整的目的。而利用总线工艺形成的自动控制系统，涉及到多个DCS运算法及设备温度自适应模块、自动控制开关等，有序整合后形成完整的控制系统，提高机组的运转效率及安全系数。

3.5 机组性能

综合运用二次再热以及烟气余热等技艺，整个机组的经济性有所优化，切实控制实际的煤炭消耗量，实际的发电质量也得以提升。同时，二次再热使得热耗量得以降低，实际热耗量下调至原本的半数左右。综合运用节能工艺和辅机本身的容量下调，工厂的用电率一般可下降0.8 %左右，整体变动幅度可达到15 %左右。从环境的角度分析，锅炉应用的燃烧装置及脱硫方式、湿式的除尘装置，配以干式的静电除尘装置等，最终的排烟量和易引起污染的气体均有所下降。

3.6 污染控制

通过燃烧煤炭进行发电的方式，势必会产生较大的污染问题，不利于生态均衡发展。所以，强化污染控制是有必要的。为此，机组内的烟气除尘环节可综合运用高频电源及静电除尘、湿式除尘技艺。在除尘装置的入口位置加设余热回收设备，并确保除尘率至少达到99.93 %，而脱硫环节的出口位置，除尘率需超过七成，可使用湿式装置处理，在假定煤种的情境下，最终烟气的粉尘占比不应超过每立方米3.3毫克[4]。

4 结束语

超超临界二次再热，既能减少不可再生资源的消耗量，同时控制污染排放，维护其机组的社会效益及经济性，对我国电力领域的研究，发挥出正面的价值。通过实践应用，此种燃煤机组基本可以实现稳定运行，并促使大型火电厂数量增多。相信在自动化程度不断加深的趋势下，二次再热技术会有更广阔的应用前景。

参考文献

[1] 杨名，段立强，刘庆新，等.超超临界二次再热燃煤发电系统优化设计[J].工程热物理学报，2020（9）：2119-2128.

[2] 郝迎宇，战继成，征虎燕，等.超超临界二次再热燃煤发电凝结水泵优化设计与应用[J].通用机械，2020（Z2）：61-64，80.

[3] 李洪泉.1000 MW超超临界二次再热燃煤机组烟气余热利用研究[J].山东电力技术，2019（10）：73-76.

[4] 郑玲红，石磊.1000 MW超超临界二次再热燃煤机组自启停控制系统设计与应用[J].广西电力，2018（5）：65-69.

[5] 高嵩，赵洁，黄迪南.1000 MW超超临界二次再热燃煤发电技术[J].中国电力，2017（6）：6.

施伟

[摘    要]本文梳理超超临界的二次再热系统的实际使用性能，从设备、机组两个方面的单耗展开。并整理相应的关键因素，包括材料、调温及轴系三个部分，进一步分析机组系统的总体设计，涉及到总体思路、主机参数、主装置以及污染控制等。

[关键词]燃煤发电;锅炉;换热温差

[中图分类号]TM76 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）09–00–03

[Abstract]This paper combs the actual performance of ultra-supercritical secondary reheat system， and expands the unit consumption from two aspects： equipment and unit. The key factors， including material， temperature adjustment and shafting， are arranged， and the overall design of the unit system is further analyzed， which involves the overall idea， main engine parameters， main device and pollution control.

[Keywords]coal-fired power generation; boiler; heat transfer temperature difference

燃煤发电始终是我国电能领域极为重要的角色，而在提倡节能减排的社会趋势下，其实际的市场份额有所下调。所以，行业若要保持稳定发展状态，应当注重运转效率的提升以及控制能耗。根据近年的发电机组研究情况来看，实际水平已经得到优化，而在蒸汽参数持续扩大的过程中，二次再热系统在超超临界体系中所在展现的应用性能也发生变化。

1 二次再热系统的应用性能

为掌握系统实际的能量消耗成因和各装置的实际分布状况，基于由此得出的结果，调整消耗占比偏大的装置，以提高机组系统的使用性能。

1.1 设备单耗

该项应用性能分析是根据热力学进行探究，把机组内的所有装置运转消耗以量化方式表达，形成机组内部的能量消耗布局，为后续的系统调整及节约能耗提供探究的方向。

1.2 机组单耗

需要进行单耗分析的装置涉及到锅炉、汽轮机、加热装置、冷却装置、管道系统与其他部件，其中管道方面的能耗一般来源于压力及混流环节，而其他部件有水泵及发电装置等。根据对装置单耗的分析得出锅炉耗能最大。通常情况下，单耗计算结果和设计指标无过大出入，在不同工况中，锅炉消耗均占总体的绝大部分。同时，在负荷不断下调的过程中，所有装置的实际煤耗量都随之提高，其中锅炉的增加值同样位居榜首。由此基本可以断定，锅炉能耗占比在超超临界的机组系统内，也处于最高的状态。所以，如果想要合理调整机组性能，需以锅炉为重点[1]。

锅炉不同受热面的能耗存在差异，有水冷壁、低高温过热装置、空气预热装置等，除具体装置部件的能耗外，还有其他方面的损耗，如烟气散热、燃烧不彻底及排烟等不属于换热类的损耗，此类能耗至少占总体的0.5 %，而形成能耗的原因一般是燃烧煤的品质、锅炉结构及燃烧模式等因素影响，通常难以调整。从整体来看，水冷壁的耗能最大，形成此种情境的原因在于炉膛内的温度偏高，而此部件换热温差较为明显，占比一般超过0.25 %。因为经过水冷壁后的烟气，实际温度依旧处于高温的状态，所以由此到高温过热装置之内的所有受热面是高温不减的，煤炭的消耗量还是偏高。通过高温过热装置后，温度有所下调，且换热的温差随之减小，煤炭消耗便也降低。而空气预热装置在进口处的的烟气温度相对偏低，但受到被加热的气体温度偏低的影响，导致实际温差反而偏高，煤炭的消耗由此提高。如果要下调锅炉的实际能耗，提升其运转效率，先应控制其换热过程的消耗率，降低各环节的温差值。但因为蒸汽数据会受到锅炉材料性能的制约，为保证燃烧过程的连贯性，温度还需达到基本的燃点温度，同时如果排烟温度不够，会使部分烟气通道被腐蚀，再加上高温热源不可下调温度。因此，为达到提升设备运行效率的目的，需从控制低温吸热方面入手，转由高温吸热。

2 二次再热机组的重要因素

2.1 部件材料

在此種机组中，需要锅炉及汽轮机等装置的构件可以承受工作高温，其包含的部件，包括锅炉中的高温过热装置及再热器管材等，与汽轮机中的转子、气缸以及各类阀门等。当前应用材料的技术已经较为成熟，部分材料可以承受700℃左右的高温，并能适应超过600℃的再热蒸汽。应当强调的是锅炉机组内的再热装置出口炉外段和集箱中的接头位置温度裕度仅为10℃，属于该设备内相对较弱的部分。所以需尽可能控制T92实际使用量，以降低由于高温而引发的爆管事故发生率。另一方面，汽轮机。因为再热蒸汽的实际温度已经升至600℃以上，且其内部的各构件均为铁素体材料。改良后的相关材料，如FB2等，其和常规材料相较，抵抗高温波动以及抵抗时长都实现强化，基本可以满足此类机组工作期间形成的高温以及应力等因素对材料的要求。所以单就部件的材料而言，当前所用的材料，可以达到安全标准。

2.2 温度调节

近几年，大部分一次再热机组进行温度调节时，通常会借助烟气挡板及喷水加以处理，甚至会结合燃烧加以调节。但在二次再热机组中，为降低热能的消耗，在设备出口区域的调节处理中，大幅降低，甚至完全不采用喷水的处理办法。结合相关实践经验，当前此类机组上，运用的调温手段包括烟气挡板以及再循环，此外还有装设摆动燃烧装置[2]。在此种机组下，三者可单独使用，也可结合应用。目前部分调温模式还未能在较大容量的机组中得到有效应用，所以，具体应用成效还需通过进一步的实验证实。

2.3 轴系

二次机组相比一次机组额外添加汽缸，由此使得整个机组的轴系有所延长。对此应当以气缸结构为基础加以改进，通过对各类特性的运算探究，得出更为细致的参数结果，以确保整个机组的轴系得以平稳地发挥作用。

3 总体设计规划

3.1 系统优化思路

以往的此类机组中，空气预热装置的进口位置使用所处空间内的空气，其温度约为30℃，由此使得此装置内的换热温差值偏高，进而使得能耗加大。对此，通过去除锅炉内各模块的界限，以优化烟气热量的整体布局，通过在烟气通道的尾端加以调整，使烟温偏高的区域进行给水，同时，温度相对偏低的部分则通过给水预热，以达到控制换热损失的目的。在该种优化处理模式下，只针对管道为尾端实施调整，其他部分不会因此受到影响。由此可以形成区别于以往的机组结构，利用给水操作提高空气温度，传送至空气预热组装置中。确定锅炉出口产出烟气无变化的基础上，针对锅炉展开合理设计。因为空气通过事先预热，所以到达空气预热装置时，吸热指数会有所下降，使得锅炉总体吸热值降低。在出口温度固定不变的情况下，设备内部的各部件所承受的温度差也会随之下调，由此产生的损耗便会减少，运转效率得以提升。

基于此，在环境空气到预热装置前，借助低温加热装置把空气温度上调至60℃。以锅炉内部的装置总量层面来看，额外加设一台预热装置，整体结构无过大变化，而在现实设计规划期间，由于机组系统的差异，使得受热面会扩大。因为换热温差值下调，使运转生产效率得以提升，耗煤量随之下降。最终的设计目的是使煤耗减少，发电质量及效率实现提升。

3.2 主机参数确定

在1000W的机组中，管件的选用及制作极为重要，具体而言，需确定锅炉的联箱及管道的钢质材料，以及受热面部分的材料。汽轮机在转子及阀门部分的材料需能承受至少600℃的高温，此种材料参数设定，根据当前相关技术，基本可以达到。实际的参数确定，需通过反复斟酌，结合我国该领域内的专家，将该部分的压力值设定成31兆帕，温度为600℃，而一次或二次的再热温度应为610℃。现实工作温度若高于600℃，锅炉设备所应用的材料，几乎已经达到其极限值，同时，其运转期间，对于温度的误差有较高的标准规范。但使用二次机组，其调温技术属于较新的内容，所以控制难度相对偏高。若从确保程度更高的要求出发，温度参数应在原定的基础上合理提升，并预留实际温度误差值的波动空间。因此温度最终锁定在610℃[3]。

3.3 主装置

锅炉整体结构以单炉膛踏为主体，并搭配平衡通风及悬吊框架等，受热区域采用当前最佳的材料，以保证其耐高温的性能。其调节温度技术是以摆动燃烧装置配以再热模块。和以往的筒式架构有区别，调整至桁架模式，经过此种调节，提高整体受力的均衡度，同时可减少部分前期投入。汽轮机的轴系不应长于百万千瓦规格的最大值，使用弹簧的基座，以强化隔振效果，使得在延长轴系的同时，还能保证基本的的安全。基于此，合理调整装置的实际容量与各模块的参数，并开展有关于轴系安全系数、不同压力情境下的模块等研究。

3.4 控制系统

现如今，有关此方面的研究已经有所成就，在1000 MW规格下的机组，尤其是再热系统及动静态特征等方面，以构建非线性的前提下，采用软测试工艺，掌握机组实际的工作状态信息，由此改进控制系统。另外，在规范化的数据框架中，借助信息技术及有关自动化技术，打造多对象的改进模块，利用多项自动控制手段，达到在线调整的目的。而利用总线工艺形成的自动控制系统，涉及到多个DCS运算法及设备温度自适应模块、自动控制开关等，有序整合后形成完整的控制系统，提高机组的运转效率及安全系数。

3.5 机组性能

综合运用二次再热以及烟气余热等技艺，整个机组的经济性有所优化，切实控制实际的煤炭消耗量，实际的发电质量也得以提升。同时，二次再热使得热耗量得以降低，实际热耗量下调至原本的半数左右。综合运用节能工艺和辅机本身的容量下调，工厂的用电率一般可下降0.8 %左右，整体变动幅度可达到15 %左右。从环境的角度分析，锅炉应用的燃烧装置及脱硫方式、湿式的除尘装置，配以干式的静电除尘装置等，最终的排烟量和易引起污染的气体均有所下降。

3.6 污染控制

通过燃烧煤炭进行发电的方式，势必会产生较大的污染问题，不利于生态均衡发展。所以，强化污染控制是有必要的。为此，机组内的烟气除尘环节可综合运用高频电源及静电除塵、湿式除尘技艺。在除尘装置的入口位置加设余热回收设备，并确保除尘率至少达到99.93 %，而脱硫环节的出口位置，除尘率需超过七成，可使用湿式装置处理，在假定煤种的情境下，最终烟气的粉尘占比不应超过每立方米3.3毫克[4]。

4 结束语

超超临界二次再热，既能减少不可再生资源的消耗量，同时控制污染排放，维护其机组的社会效益及经济性，对我国电力领域的研究，发挥出正面的价值。通过实践应用，此种燃煤机组基本可以实现稳定运行，并促使大型火电厂数量增多。相信在自动化程度不断加深的趋势下，二次再热技术会有更广阔的应用前景。

参考文献

[1] 杨名，段立强，刘庆新，等.超超临界二次再热燃煤发电系统优化设计[J].工程热物理学报，2020（9）：2119-2128.

[2] 郝迎宇，战继成，征虎燕，等.超超临界二次再热燃煤发电凝结水泵优化设计与应用[J].通用机械，2020（Z2）：61-64，80.

[3] 李洪泉.1000 MW超超临界二次再热燃煤机组烟气余热利用研究[J].山东电力技术，2019（10）：73-76.

[4] 郑玲红，石磊.1000 MW超超临界二次再热燃煤机组自启停控制系统设计与应用[J].广西电力，2018（5）：65-69.

[5] 高嵩，赵洁，黄迪南.1000 MW超超临界二次再热燃煤发电技术[J].中国电力，2017（6）：6.