陽(yáng) 虹，余 炎，范世望，易小蘭，金益波，何海宇

梯次循環(huán)（EC）在超超臨界1 000 MW機(jī)組工程應(yīng)用與分析

陽(yáng) 虹1，余 炎1，范世望2，易小蘭2，金益波1，何海宇2

（1.上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠，上海 200240；2.上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240）

以廣東甲湖灣超超臨界1 000 MW一次再熱機(jī)組為例，對(duì)梯次循環(huán)（EC）的實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行了研究。在相同邊界條件下，對(duì)常規(guī)循環(huán)和EC分別進(jìn)行了熱力計(jì)算，并對(duì)EC的運(yùn)行靈活性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，采用EC可降低電廠設(shè)備投資，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，在電廠運(yùn)行方面無(wú)控制難點(diǎn)。EC適用于再熱蒸汽溫度600 ℃及以上的一次再熱、二次再熱項(xiàng)目，其成功應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)700 ℃超超臨界發(fā)電技術(shù)打下工程應(yīng)用基礎(chǔ)。

熱力系統(tǒng)；梯次循環(huán)；超超臨界1 000 MW；BEST透平；熱耗；再熱

為了降低燃煤電站發(fā)電煤耗，國(guó)內(nèi)新建火電機(jī)組大多采用大容量、高參數(shù)以及二次再熱等配置。隨著主蒸汽、再熱蒸汽溫度的大幅度提高，汽輪機(jī)的高中壓段，特別是再熱后加熱器（heater after reheat point，HARP）的抽汽溫度同步大幅度升高。以現(xiàn)有傳統(tǒng)的熱力系統(tǒng)為例，當(dāng)再熱蒸汽溫度為620℃時(shí)，3段抽汽溫度可達(dá)到510~530℃；當(dāng)再熱蒸汽溫度提高到700℃時(shí)，回?zé)岢槠麥囟葘⒊^(guò)620℃。這不僅造成極大的能級(jí)效率下降，同時(shí)對(duì)抽汽管道和加熱器的工作溫度等級(jí)提出了更高的要求，從而大幅度增加設(shè)備的制造成本，并危及運(yùn)行的可靠性[1-2]。

目前電廠熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，給再熱后的回?zé)岢槠鲈O(shè)1～2個(gè)外置蒸汽冷卻器（外置蒸冷器），以利用回?zé)岢槠倪^(guò)熱度。對(duì)于一次再熱機(jī)組，1個(gè)外置蒸冷器可提高給水溫度4～5 ℃，熱耗率收益11～14 kJ/(kW?h)；二次再熱機(jī)組可提高給水溫度9～11℃，熱耗率收益23～27 kJ/(kW?h)[3-4]：可見(jiàn)，外置蒸冷器方案解決了抽汽溫度高、能級(jí)效率低的問(wèn)題。但當(dāng)再熱蒸汽溫度提高到700℃時(shí)，上述方案不能解決加熱器的高溫風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，只不過(guò)將高溫由HARP后的加熱器轉(zhuǎn)移到外置式冷卻器中，高溫加熱器的可靠性及成本問(wèn)題依然存在。

為此，上海汽輪機(jī)廠提出了一種新型雙機(jī)回?zé)岢槠羝麩崃ο到y(tǒng)[5]。該系統(tǒng)配置了一臺(tái)抽汽背壓式給水泵小汽輪機(jī)（back pressure extraction steam turbine，BEST透平）。BEST透平進(jìn)汽來(lái)自高壓缸排汽，設(shè)計(jì)若干級(jí)抽汽和排汽為各級(jí)加熱器供汽。該系統(tǒng)采用非再熱蒸汽加熱給水，減少了回?zé)岢槠倪^(guò)熱度，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，因此稱(chēng)為梯次循環(huán)（echelon cycle，EC）。BEST透平可直接驅(qū)動(dòng)給水泵或帶1臺(tái)小發(fā)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)給水泵后多余的軸功率驅(qū)動(dòng)小發(fā)電機(jī)發(fā)電。對(duì)于不同參數(shù)不同容量的機(jī)組以及BEST透平滿(mǎn)足的不同功能，EC熱力系統(tǒng)配置和經(jīng)濟(jì)性收益也不盡相同[6-9]。本文以超超臨界1 000 MW一次再熱機(jī)組為例，說(shuō)明采用EC后整個(gè)熱力系統(tǒng)在配置、熱耗率、運(yùn)行等方面的變化。

1 EC對(duì)熱力系統(tǒng)參數(shù)及設(shè)備的影響

1.1 EC熱力系統(tǒng)概況

圖1為甲湖灣項(xiàng)目超超臨界1 000 MW一次再熱機(jī)組采用的EC熱力系統(tǒng)。系統(tǒng)共10級(jí)回?zé)岢槠?高5低1除氧，其中1、2號(hào)高壓加熱器（高加）由汽輪機(jī)高壓缸供汽，3—6號(hào)加熱器由BSET透平供汽，7—10號(hào)低壓加熱器（低加）由汽輪 機(jī)低壓缸供汽，BEST透平僅驅(qū)動(dòng)給水泵，不帶 小發(fā)電機(jī)。

BEST透平進(jìn)汽來(lái)自汽輪機(jī)冷段再熱蒸汽，采用3抽1排汽，額定進(jìn)汽量約550 t/h，出力約32 MW。由于BEST透平需同時(shí)滿(mǎn)足給水泵耗功和4級(jí)加熱器的用汽需求，在不同工況下，其用汽量和給水泵耗功不可能完全匹配，因此在6段抽汽設(shè)置溢流閥和補(bǔ)汽閥[10]，以調(diào)節(jié)進(jìn)入6號(hào)低加的蒸汽流量。其中，補(bǔ)汽來(lái)自汽輪機(jī)中壓缸抽汽，溢流則排至7號(hào)低加。

圖1 采用EC的超超臨界1 000 MW機(jī)組熱力系統(tǒng)

1.2 采用EC后主要參數(shù)的變化

采用EC后，熱力系統(tǒng)參數(shù)有比較大的變化。表1為常規(guī)循環(huán)和EC這2種循環(huán)系統(tǒng)在額定工況下的主要數(shù)據(jù)對(duì)比。其中，常規(guī)循環(huán)也采用10級(jí)回?zé)?，汽輪機(jī)中壓缸供4級(jí)回?zé)岢槠?、4段抽汽設(shè)外置蒸冷器，最終給水溫度與EC相同，為308 ℃。

1.3 采用EC對(duì)各設(shè)備的影響

1.3.1對(duì)鍋爐的影響

由表1可見(jiàn)：采用EC后，3—6段抽汽的蒸汽焓值降低，回?zé)岢槠吭黾?，主蒸汽流量比常?guī)循環(huán)增加了約100 t/h；由于BEST透平汽源為高壓缸排汽，進(jìn)入鍋爐的再熱蒸汽量減少了約400 t/h，比常規(guī)循環(huán)小約17%。這可減小鍋爐再熱器換熱面積和熱段再熱蒸汽管道直徑，大幅降低電廠投資。對(duì)于二次再熱機(jī)組，收益將更加顯著。

1.3.2對(duì)汽輪機(jī)的影響

為實(shí)現(xiàn)10級(jí)回?zé)岢槠?，常?guī)循環(huán)的汽輪機(jī)中壓缸將承擔(dān)4級(jí)回?zé)岢槠?，設(shè)4個(gè)抽汽口，其中包括凝汽式小汽輪機(jī)的用汽量（最大工況約176 t/h），這需要增加軸向尺寸，大大增加汽缸的設(shè)計(jì)和制造難度。而采用EC，汽輪機(jī)中壓缸只需設(shè)置6段抽汽的補(bǔ)汽口，可同時(shí)作為廠用輔助蒸汽汽源，最大抽汽量約60 t/h。由于無(wú)抽汽口，通流葉片可以根據(jù)最優(yōu)焓降分配來(lái)設(shè)計(jì)，無(wú)抽汽壓力的限制和回?zé)岢槠臄_流，中壓缸效率可以提高約0.5%。

表1 常規(guī)循環(huán)和EC主要參數(shù)對(duì)比

Tab.1 Comparison of main parameters between the conventional cycle and EC

注：①為絕對(duì)壓力。

采用EC后，汽輪機(jī)的回?zé)岢槠繙p少，低壓排汽量比常規(guī)循環(huán)增加約8%，排汽損失略有增加?？梢圆捎酶笈牌娣e的末級(jí)長(zhǎng)葉片和低壓缸，以維持末級(jí)排汽損失不變[11]。

1.3.3對(duì)加熱器的影響

由表1可見(jiàn)，EC對(duì)再熱后的加熱器影響最為明顯，3—6段抽汽的蒸汽溫度降低了100～200℃，最高運(yùn)行溫度也在350℃以下，可大大降低加熱器、抽汽管道以及相關(guān)閥門(mén)的材料等級(jí)。由于回?zé)岢槠倪^(guò)熱度降低，可取消常規(guī)循環(huán)中的外置蒸冷器，減少設(shè)備投資，提高運(yùn)行安全性。

1.3.4對(duì)給水泵小汽輪機(jī)的影響

BEST透平需要承擔(dān)大量的回?zé)岢槠?，進(jìn)汽流量大幅增加；但排汽流量較小，僅約進(jìn)汽流量的30%：因此進(jìn)出口蒸汽容積流量差別不大。額定工況下，BEST透平進(jìn)汽容積流量約24 m3/h，排汽約35 m3/h，葉片近似等通道設(shè)計(jì)。各級(jí)葉片均可采用合適的葉片高度和徑高比，從而達(dá)到較高的通流效率。同時(shí)，由于排汽面積小，與凝汽式小汽輪機(jī)相比余速損失較小，BEST透平缸效率可達(dá)到約90%。

2 經(jīng)濟(jì)性收益分析

在進(jìn)排汽參數(shù)和給水溫度相同的條件下，采用EC后汽輪機(jī)熱耗率可降低30～38 kJ/(kW?h)。其經(jīng)濟(jì)性收益可分為以下幾個(gè)方面：

1）回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化 實(shí)際工程應(yīng)用中，受再熱蒸汽壓力、中壓缸排汽壓力、末幾級(jí)標(biāo)準(zhǔn)葉片等因素限制，各級(jí)回?zé)岢槠麎毫﹄y以達(dá)到最優(yōu)配置。采用EC后，3—6段抽汽壓力可以按優(yōu)化熱力系統(tǒng)來(lái)選取[12-14]，本案例中可降低熱耗率4～6 kJ/(kW?h)。

2）能級(jí)利用 采用EC大大降低了再熱后回?zé)岢槠^(guò)熱度，提高了3—6號(hào)加熱器?效率[6]，與無(wú)外置蒸冷器方案相比可降低熱耗率約18 kJ/(kW?h)。對(duì)于采用外置蒸冷器方案，3、4號(hào)高加?效率也隨之提高，采用EC的熱耗率收益約2 kJ/(kW?h)。

3）小汽輪機(jī)效率提升 BEST進(jìn)排汽參數(shù)均在葉片通流設(shè)計(jì)的最優(yōu)范圍內(nèi)，缸效率可達(dá)到90%左右。而目前凝汽式給水泵小汽輪機(jī)的效率最高約85%，這增加了10～12 kJ/(kW?h)機(jī)組熱耗率[15]。

4）汽輪機(jī)效率的變化 中壓缸取消回?zé)岢槠?，缸效率提高，低壓排汽流量增加，效率下降，在熱耗率方面基本持平。若采用更大的排汽面積，可進(jìn)一步降低熱耗率，針對(duì)不同背壓和長(zhǎng)葉片損失特性，采用EC的熱耗率收益預(yù)計(jì)5～18 kJ/(kW?h)。

需要指出的是，在具體工程項(xiàng)目中上述因素會(huì)相互關(guān)聯(lián)，相互制約，各方面收益不能簡(jiǎn)單迭加。

3 EC的運(yùn)行靈活性

BEST透平由于承擔(dān)了回?zé)岢槠?，運(yùn)行工況比凝汽式小汽輪機(jī)略為復(fù)雜。圖2是給水泵耗功和主蒸汽流量的關(guān)系曲線，其中汽輪機(jī)為帶補(bǔ)汽閥滑壓運(yùn)行方式。從圖2可以看出，給水泵耗功與主汽流量呈非線性關(guān)系，而回?zé)岢槠颗c主蒸汽流量基本為線性。因此，在非設(shè)計(jì)工況，BEST透平流量與給水泵耗功不能完全匹配。另外，為了滿(mǎn)足機(jī)組啟動(dòng)以及加熱器切除等事故工況，系統(tǒng)需要配置額外的管道。圖3為與BEST透平相關(guān)的3—7段抽汽系統(tǒng)。除了正常工況排汽至6號(hào)低加，BEST透平還設(shè)置3路管道：1）BEST透平排汽溢流管道，至 7號(hào)低加；2）6號(hào)低加補(bǔ)汽管道，來(lái)自汽輪機(jī)中壓缸；3）BEST透平排汽旁路管道，至凝汽器。

3.1 正常運(yùn)行工況

額定設(shè)計(jì)工況下，BEST透平排汽基本滿(mǎn)足 6號(hào)低加回?zé)嵊闷?；高?fù)荷工況下，給水泵耗功增幅較大，當(dāng)BEST透平排汽量超過(guò)6號(hào)低加回?zé)岢槠繒r(shí)，打開(kāi)管道1，多余排汽溢流至7號(hào)低加；低負(fù)荷工況則相反，打開(kāi)管道2，從汽輪機(jī)的中壓缸抽出部分蒸汽作為6號(hào)低加的補(bǔ)充汽源。

圖2 給水泵耗功與主蒸汽流量關(guān)系

圖3 BEST透平相關(guān)的3—7段抽汽系統(tǒng)

3.2 啟動(dòng)和停機(jī)

EC啟動(dòng)過(guò)程與常規(guī)循環(huán)類(lèi)似，由電泵啟動(dòng)至約30%負(fù)荷，滿(mǎn)足沖轉(zhuǎn)條件后，啟動(dòng)BEST透平，打開(kāi)管道3，排汽至凝汽器。當(dāng)電泵切換至汽泵且穩(wěn)定運(yùn)行后，BEST透平排汽切換至6號(hào)低加，按壓力從低到高逐級(jí)投入各加熱器。如采用汽泵啟動(dòng)，需配置1.5 MPa（絕對(duì)壓力）以上的輔助汽源。

正常停機(jī)時(shí)，先切除各級(jí)加熱器，再逐步停機(jī)。汽輪機(jī)甩負(fù)荷工況，旁路迅速打開(kāi)，維持BEST透平的進(jìn)汽參數(shù)，以提供鍋爐最低流量，等故障排除后，汽輪機(jī)重新啟動(dòng)帶負(fù)荷。

3.3 加熱器故障工況

當(dāng)6號(hào)低加故障切除時(shí)，為不影響7號(hào)低加的正常運(yùn)行，可打開(kāi)管道3上的旁通閥，使BEST透平排汽至凝汽器，根據(jù)當(dāng)時(shí)的運(yùn)行情況關(guān)閉溢流管道上的溢流閥或補(bǔ)汽管道的補(bǔ)汽閥。如果6號(hào)低加需要長(zhǎng)期切除，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，運(yùn)行人員可以手動(dòng)調(diào)節(jié)排汽溢流閥，使一部分排汽進(jìn)入7號(hào)低加，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)7號(hào)低加故障切除時(shí)，6號(hào)低加的用汽量大幅增加。如果BEST透平運(yùn)行在排汽溢流工況，則關(guān)閉溢流閥；如果BEST透平排汽量仍不能滿(mǎn)足6號(hào)低加，則打開(kāi)中壓缸抽汽口管道的補(bǔ)汽閥；如果BEST透平運(yùn)行在該補(bǔ)汽閥開(kāi)啟狀態(tài)，只要繼續(xù)開(kāi)大閥門(mén)，增加中壓缸抽汽量。

其他加熱器切除工況與常規(guī)循環(huán)相同。

綜上分析可見(jiàn)，通過(guò)在BEST透平排汽配置相關(guān)管道，可以解決不同負(fù)荷下BEST透平出力與回?zé)岢槠康钠ヅ鋯?wèn)題，同時(shí)滿(mǎn)足機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)、加熱器切除等特殊工況，保證了EC的運(yùn)行靈活性。

4 示范項(xiàng)目的運(yùn)行情況

廣東陸豐甲湖灣電廠一期工程2×1 000 MW超超臨界機(jī)組為我國(guó)首個(gè)EC項(xiàng)目。該機(jī)組汽輪機(jī)主蒸汽壓力28 MPa，主蒸汽溫度600 ℃，再熱蒸汽溫度620 ℃，排汽壓力4.8 kPa，末級(jí)葉片高度1 220 mm，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)熱耗7 121 kJ/(kW?h)。甲湖灣電廠2臺(tái)機(jī)組分別于2018年11月和2019年4月順利通過(guò)168 h試運(yùn)行，各方面指標(biāo)優(yōu)良。

在機(jī)組性能方面，根據(jù)2號(hào)機(jī)組焓降試驗(yàn)結(jié)果，在700 MW負(fù)荷下（此時(shí)BEST透平排汽進(jìn)入過(guò)熱區(qū)，可以實(shí)測(cè)效率），BEST透平的通流效率達(dá)到92%以上。按設(shè)計(jì)效率曲線推算，額定負(fù)荷調(diào)節(jié)閥全開(kāi)工況下，BEST透平的缸效率大于91%。同時(shí)汽輪機(jī)的中壓缸實(shí)測(cè)效率也達(dá)到94.5%，創(chuàng)國(guó)內(nèi)超超臨界1 000 MW等級(jí)機(jī)組中壓缸效率新高。

在運(yùn)行穩(wěn)定性方面，BEST透平從沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定，軸振優(yōu)良。在升負(fù)荷過(guò)程中，完成了電泵-汽動(dòng)泵切換、排汽切換、加熱器投入等步驟，BEST透平的各排汽控制閥門(mén)與進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥聯(lián)動(dòng)，邏輯合理，控制精度高。

在安全性方面，BEST透平在沖轉(zhuǎn)過(guò)程中進(jìn)行了手動(dòng)跳機(jī)、超速跳機(jī)等試驗(yàn)，保護(hù)響應(yīng)迅速穩(wěn)定。汽輪機(jī)進(jìn)行了100%→60%甩負(fù)荷，50%→0%甩負(fù)荷，100%→0%超甩負(fù)荷等試驗(yàn)。在BEST透平供汽的加熱器切除試驗(yàn)中，BEST透平進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥、排汽溢流閥、6號(hào)低加補(bǔ)汽閥、排汽旁通閥等動(dòng)作聯(lián)鎖正常，確保機(jī)組運(yùn)行安全可靠性。

5 結(jié) 論

1）采用EC可降低熱耗率30～38 kJ/(kW·h)，折合煤耗1.0～1.4 g/(kW·h)。對(duì)于二次再熱和進(jìn)汽溫度700 ℃機(jī)組，收益將更加顯著。

2）采用EC大幅降低再熱后抽汽管道及加熱器的溫度，取消外置蒸冷器，減少設(shè)備投資；同時(shí)再熱流量比常規(guī)循環(huán)減少約17%，可降低再熱系統(tǒng)造價(jià)。

3）通過(guò)在BEST透平排汽設(shè)置溢流、補(bǔ)汽和旁通管道，可以滿(mǎn)足EC的正常運(yùn)行、啟動(dòng)停機(jī)及加熱器事故工況要求，不增加控制難度，可保證機(jī)組運(yùn)行安全性、靈活性。

4）甲湖灣電廠一期工程是國(guó)內(nèi)首個(gè)EC示范項(xiàng)目，其成功投運(yùn)為下一代700 ℃超超臨界火電機(jī)組儲(chǔ)備關(guān)鍵技術(shù)。

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Application and analysis of echelon cycle in ultra supercritical 1 000 MW unit

YANG Hong1, YU Yan1, FAN Shiwang2, YI Xiaolan2, JIN Yibo2, HE Haiyu2

(1. Shanghai Electric Power Generation Equipment Co., Ltd., Shanghai Turbine Plant, Shanghai 200240, China;2. Shanghai Turbine Plant Co., Ltd., Shanghai 200240, China)

By taking the ultra-supercritical 1 000 MW single reheat unit at Guangdong Jiahuwan bay as an example, the actual engineering application of echelon cycle (EC) was studied. Under the same boundary conditions, thermal calculation of the conventional cycle and EC were carried out, and operation flexibility of the EC was analyzed. The results show that, using EC can reduce the equipment investment of power plants, improve the unit economy, and have no control difficulties in plant operation. The EC is applicable to power units with single-reheat/double-reheat with reheat temperature of 600 ℃ and above, and its successful application lays the foundation of engineering application for 700 ℃ ultra supercritical power generation technology.

thermal system, echelon cycle, ultra-supercritical 1 000 MW, BEST turbine, heat rate, reheat

Scientific and Research Planning Project of Shanghai Science and Technology Committee (15dz1206400)

TK262

B

10.19666/j.rlfd.201907169

陽(yáng)虹, 余炎, 范世望, 等. 梯次循環(huán)（EC）在超超臨界1 000 MW機(jī)組工程應(yīng)用與分析[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(12): 129-133. YANG Hong, YU Yan, FAN Shiwang, et al. Application and analysis of echelon cycle in ultra supercritical 1 000 MW unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 129-133.

2019-07-30

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目(15dz1206400)

陽(yáng)虹(1972)，女，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事汽輪機(jī)產(chǎn)品研制與企業(yè)管理工作，yanghong@shanghai-electric.com。

（責(zé)任編輯 劉永強(qiáng)）