王婧，楊金福，段立強(qiáng)，田李果，荊雨田，楊名

高參數(shù)超超臨界燃煤機(jī)組汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王婧1，楊金福2*，段立強(qiáng)1，田李果1，荊雨田1，楊名1

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

針對(duì)高參數(shù)超超臨界燃煤機(jī)組背壓抽汽汽輪機(jī) (backpressure extraction steam turbine，BEST)回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，對(duì)比分析了BEST對(duì)700℃一次再熱與二次再熱機(jī)組能耗的影響，并基于汽輪機(jī)通流與回?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)匹配及系統(tǒng)優(yōu)化方法，提出從整體系統(tǒng)角度出發(fā)優(yōu)化回?zé)嵯到y(tǒng)的思路。結(jié)果表明：采用BEST的700℃二次再熱機(jī)組比一次再熱機(jī)組煤耗更低，低負(fù)荷時(shí)節(jié)煤優(yōu)勢更明顯，在40%負(fù)荷時(shí)節(jié)煤11.7g/(kW·h)，采用BEST的700℃二次再熱機(jī)組比一次再熱調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性更好，700℃一次再熱機(jī)組更適合高負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)組；隨著負(fù)荷的降低，700℃二次再熱機(jī)組抽汽過熱度不斷增加，在低負(fù)荷時(shí)可通過向后調(diào)節(jié)BEST的抽汽位置來匹配最低煤耗。此外，提出采用回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽參數(shù)與汽輪機(jī)通流參數(shù)匹配的方法對(duì)機(jī)組整體系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，基于該方法可取消BEST，但需要對(duì)汽輪機(jī)三缸重新進(jìn)行負(fù)荷分配和通流設(shè)計(jì)。

高參數(shù)超超臨界燃煤機(jī)組；汽輪機(jī)；二次再熱；回?zé)嵯到y(tǒng)

0 引言

為積極應(yīng)對(duì)全球氣候變化，走綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展道路，我國承諾力爭于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，必須大力推進(jìn)能源體系清潔低碳發(fā)展，其中，發(fā)展高參數(shù)超超臨界發(fā)電機(jī)組、提高機(jī)組能效、減少碳排放、增強(qiáng)調(diào)峰能力是燃煤機(jī)組低碳發(fā)展的重要路徑之一[2-4]。目前我國600℃二次再熱超超臨界機(jī)組已經(jīng)成熟，并有多臺(tái)投入運(yùn)行，同時(shí)正積極研究700℃更高參數(shù)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)[5]。700℃超超臨界機(jī)組與600℃機(jī)組相比，蒸汽溫度壓力進(jìn)一步提高，熱力系統(tǒng)更復(fù)雜，而汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)過熱度高是一個(gè)突出的問 題[6-11]，因此有必要深入研究700℃機(jī)組汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

目前，超超臨界機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化采用的主要方法包括：采用背壓抽汽汽輪機(jī)(backpressure extraction steam turbine，BEST)替代回?zé)岢槠?、加裝外置式蒸汽冷卻器、利用機(jī)組耦合方法提高鍋爐給水溫度，增加再熱次數(shù)與回?zé)峒?jí)數(shù)等[5-12]。文獻(xiàn)[12-13]提出采用BEST替代700℃二次再熱超超臨界機(jī)組2—7級(jí)回?zé)岢槠麃斫档瓦^熱度。文獻(xiàn)[14]對(duì)650℃二次再熱超超臨界機(jī)組的壓力和溫度進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[15]利用尾部煙氣加熱給水和凝結(jié)水提高700℃一次再熱超超臨界機(jī)組系統(tǒng)效率。文獻(xiàn)[16]研究了廣東甲湖灣600℃一次再熱超超臨界機(jī)組采用BEST的實(shí)際工程應(yīng)用。文獻(xiàn)[17]研究了采用回?zé)崾狡啓C(jī)的700℃一次再熱超超臨界機(jī)組單耗情況，認(rèn)為機(jī)組在較高負(fù)荷時(shí)具有節(jié)能優(yōu)勢，適合高負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)組，該結(jié)論與文獻(xiàn)[6-7]中600℃二次再熱超超臨界機(jī)組的單耗隨負(fù)荷變化趨勢不同，600℃二次再熱超超臨界機(jī)組采用回?zé)崾狡啓C(jī)后在不同負(fù)荷下單耗均優(yōu)于不采用回?zé)崞啓C(jī)的基準(zhǔn)機(jī)組。文獻(xiàn)[18]針對(duì)當(dāng)前我國超超臨界燃煤機(jī)組汽輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的現(xiàn)狀，提出目前在700℃機(jī)組汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面缺少創(chuàng)新性，沒有在汽輪機(jī)初終參數(shù)確定的條件下，系統(tǒng)優(yōu)化高、中、低壓氣缸的負(fù)荷分配與進(jìn)排氣參數(shù)。

因此，本文針對(duì)文獻(xiàn)[6-7]與[17]結(jié)論的差異，以及文獻(xiàn)[18]提出的問題，對(duì)采用BEST的700℃一次再熱與二次再熱機(jī)組進(jìn)行對(duì)比，研究變負(fù)荷下機(jī)組能耗和過熱度變化趨勢，并提出700℃超超臨界燃煤機(jī)組汽輪機(jī)通流與回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的新思路，供汽輪機(jī)設(shè)計(jì)企業(yè)參考，為高參數(shù)二次再熱超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 高參數(shù)超超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)建模

1.1 高參數(shù)超超臨界機(jī)組概況

本文采用文獻(xiàn)[17]中耦合回?zé)崞啓C(jī)的方案1參數(shù)作為帶BEST的700℃一次再熱機(jī)組(方案1)的設(shè)計(jì)依據(jù)，并參考文獻(xiàn)[12-13]的BEST方案數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)700℃二次再熱機(jī)組(方案2)。設(shè)計(jì)工況初參數(shù)為35MPa/700℃/ 720℃/720℃。

方案1的熱力系統(tǒng)如圖1所示，參數(shù)見表1。方案2的熱力系統(tǒng)如圖2所示，基本參數(shù)見表2。

圖1 方案1的熱力系統(tǒng)配置

表1 方案1的抽汽參數(shù)

圖2 方案2熱力系統(tǒng)配置

表2 方案2回?zé)岢槠麉?shù)

方案1設(shè)高壓缸、中壓缸和低壓缸，一次再熱，10級(jí)抽汽回?zé)?4個(gè)高壓加熱器、1個(gè)除氧器和5個(gè)低壓加熱器)，3—6級(jí)回?zé)岢槠M(jìn)入回?zé)崾狡啓C(jī)做功。方案2設(shè)超高壓缸、高壓缸、中壓缸和低壓缸，二次再熱，回?zé)嵯到y(tǒng)也采用10級(jí)抽汽回?zé)幔?—7級(jí)回?zé)岢槠M(jìn)入回?zé)崾狡啓C(jī)做功。

1.2 機(jī)組的建模與單耗分析理論

1.2.1 機(jī)組建模和仿真

鑒于Ebsilon Professional軟件對(duì)高參數(shù)燃煤機(jī)組模擬的精確性[5-6,11-12]，本文運(yùn)用該軟件對(duì)700℃超超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。模型做以下假設(shè)：

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(jī)效率的修正曲線采用某600℃二次再熱機(jī)組汽輪機(jī)效率曲線；

2）每個(gè)模型設(shè)置發(fā)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(tǒng)分析理論和方法[19-20]，能為系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能降耗提供指導(dǎo)。

由熱力學(xué)第二定律可知，任何產(chǎn)品的投入?為產(chǎn)出?與過程?耗損之和，在燃煤發(fā)電中，可表示為

式中：F、P分別為煤和電的比?；和分別為系統(tǒng)煤的消耗量和發(fā)電量；為設(shè)備或過程總數(shù)；I為第個(gè)設(shè)備或過程的?耗損。

燃煤發(fā)電系統(tǒng)度電燃料單耗的一般表達(dá)式為

式中：min為理論最低燃料單耗，即系統(tǒng)無任何?耗損時(shí)的燃料單耗；b為第個(gè)設(shè)備或過程的附加燃料單耗。

發(fā)電的理論最低燃料單耗為

設(shè)備的附加?損失I為

電力生產(chǎn)中各設(shè)備的附加單耗為

2 一次再熱與二次再熱超超臨界燃煤機(jī)組單耗對(duì)比分析

2.1 700 ℃一次再熱與二次再熱機(jī)組總體單耗對(duì)比分析

700℃一次再熱與二次再熱超超臨界燃煤機(jī)組在不同工況下(THA、75%THA、50%THA、40%THA)的計(jì)算單耗和節(jié)煤量如表3所示。可以看出，700℃二次再熱機(jī)組的發(fā)電煤耗低于一次再熱機(jī)組的發(fā)電煤耗，在低負(fù)荷下二次再熱機(jī)組節(jié)煤效果更加明顯，如在THA工況下二次再熱機(jī)組比一次再熱機(jī)組節(jié)煤0.15g/(kW·h)，在50%THA工況下節(jié)煤7.23g/(kW·h)，在40%THA工況下節(jié)煤11.70g/(kW·h)。這說明700℃二次再熱機(jī)組比一次再熱機(jī)組調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性更好。這是因?yàn)槎卧贌釞C(jī)組與一次再熱機(jī)組相比，在一次再熱基礎(chǔ)上增加再熱過程，從而提高了平均吸熱溫度，使發(fā)電效率提高。

表3 700℃一次再熱與二次再熱機(jī)組在不同工況下的單耗和節(jié)煤量

2.2 鍋爐的附加單耗對(duì)比分析

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

表4 700℃一次再熱與二次再熱機(jī)組在不同工況下鍋爐的附加單耗和節(jié)煤量

2.3 汽輪機(jī)的附加單耗對(duì)比分析

表5和圖3分別為700℃一次再熱與二次再熱機(jī)組汽輪機(jī)系統(tǒng)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?zé)崾狡啓C(jī)單耗)及能耗分布圖。可以看出，一次再熱機(jī)組汽輪機(jī)總附加單耗隨著負(fù)荷降低先減小后升高，在75%負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)；二次再熱機(jī)組汽輪機(jī)總附加單耗隨著負(fù)荷降低不斷減小，且始終小于一次再熱機(jī)組汽輪機(jī)總附加單耗。

表5 700℃一次再熱與二次再熱機(jī)組在不同工況下汽輪機(jī)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(jī)組在不同工況下汽輪機(jī)能耗分布

2.4 回?zé)峒訜崞鞯母郊訂魏膶?duì)比分析

表6為700℃一次再熱與二次再熱機(jī)組回?zé)峒訜崞髟诓煌r下的附加單耗?？梢钥闯?，隨著負(fù)荷的降低，一次再熱機(jī)組回?zé)峒訜崞鲉魏南冉档秃笊?，二次再熱機(jī)組回?zé)峒訜崞鲉魏牟粩嘟档?；二次再熱機(jī)組回?zé)峒訜崞鲉魏母哂谝淮卧贌釞C(jī)組，這是因?yàn)槎卧贌釞C(jī)組參數(shù)提高后進(jìn)入回?zé)岢槠到y(tǒng)的過熱度比一次再熱機(jī)組的高，?損耗相對(duì)較大。

表6 700℃一次再熱與二次再熱機(jī)組回?zé)峒訜崞髟诓煌r下的附加單耗

2.5 抽汽過熱度對(duì)比分析

圖4、5分別為700℃一次再熱、二次再熱機(jī)組在不同工況下各級(jí)抽汽的過熱度，圖6 為700℃一次再熱與二次再熱機(jī)組在不同工況下各級(jí)抽汽的平均過熱度。從圖4、5可以看出，隨著負(fù)荷的降低，一次再熱機(jī)組與二次再熱機(jī)組的抽汽過熱度均逐漸增大，一次再熱機(jī)組1—6級(jí)抽汽的過熱度隨負(fù)荷變化明顯，7—10級(jí)變化較?。欢卧贌釞C(jī)組1—7級(jí)抽汽的過熱度隨負(fù)荷變化明顯，8—10級(jí)變化較小。例如，一次再熱機(jī)組第1級(jí)回?zé)峒訜崞髟赥HA工況下過熱度是172℃，在40% THA工況下過熱度達(dá)到246℃，提高了 74℃；而二次再熱機(jī)組第1級(jí)回?zé)峒訜崞髟赥HA工況下過熱度是181℃，在40%THA工況下過熱度達(dá)到261℃，提高了80℃。從圖6可以看出，一次再熱與二次再熱機(jī)組在不同工況下各級(jí)抽汽的平均過熱度基本接近。

圖4 700℃一次再熱機(jī)組在不同工況下各級(jí)抽汽的過熱度

圖5 700℃二次再熱機(jī)組變工況下各級(jí)抽汽的過熱度

圖6 700℃一次再熱與二次再熱機(jī)組在不同工況下各級(jí)抽汽的平均過熱度

3 BEST抽汽位置對(duì)機(jī)組單耗的影響

從上述過熱度的分析可知，隨著負(fù)荷的降低，回?zé)嵯到y(tǒng)的過熱度不斷升高，因此可考慮在低負(fù)荷過熱度較高的情況下將BEST的抽汽位置向后面幾級(jí)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)，達(dá)到降低低負(fù)荷下過熱度及煤耗的作用。不同文獻(xiàn)中對(duì)BEST的抽汽位置有不同研究，如文獻(xiàn)[6]中600℃二次再熱機(jī)組的回?zé)崞啓C(jī)從超高壓缸抽汽，文獻(xiàn)[12-13]中700℃二次再熱機(jī)組從中壓缸抽汽進(jìn)入BEST做功，文獻(xiàn)[16]中700℃二次再熱機(jī)組從超高壓缸抽汽。本文對(duì)700℃二次再熱機(jī)組BEST的不同抽汽位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，模擬抽汽位置變化對(duì)700℃二次再熱機(jī)組煤耗的影響，結(jié)果見表7?？梢姡?0%負(fù)荷以上時(shí)，抽汽壓力為7.3MPa時(shí)機(jī)組煤耗最低；在40%負(fù)荷時(shí)，抽汽壓力為3.2MPa時(shí)機(jī)組煤耗最低。因此，在汽輪機(jī)運(yùn)行中，可根據(jù)負(fù)荷情況調(diào)節(jié)抽汽位置，從而提高能效。

表7 700℃二次再熱機(jī)組BEST不同抽汽壓力下機(jī)組單耗

4 高參數(shù)超超臨界機(jī)組通流與回?zé)嵯到y(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)思路

文獻(xiàn)[18]提出目前采用的BEST系統(tǒng)等方法是基于傳統(tǒng) HP-IP-LP 結(jié)構(gòu)形式的汽輪機(jī)及其熱力系統(tǒng)的局部節(jié)能改造優(yōu)化，而沒有在初終參數(shù)確定后，從有效熱力焓降的整體工藝流程角度出發(fā)，開展高、中、低三缸結(jié)構(gòu)參數(shù)合理匹配和回?zé)?、再熱系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，超超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)方案缺乏從整體到局部優(yōu)化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念。林萬超[21]提出了火電廠熱力系統(tǒng)有效熱力焓降的經(jīng)典計(jì)算方法。很多專家學(xué)者結(jié)合實(shí)際熱力系統(tǒng)的特征，提出了一些改進(jìn)的熱力性能分析方法，如嚴(yán)俊杰等[22-23]采用等效焓降法，得到二次再熱機(jī)組相應(yīng)的各級(jí)回?zé)峒訜崞鞯刃ъ式岛透骷?jí)抽汽效率的計(jì)算公式。

本文提出采用有效熱力焓降的方法，從系統(tǒng)角度出發(fā)，重新設(shè)計(jì)700℃超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)，對(duì)各級(jí)抽汽參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，合理分配各級(jí)回?zé)峒訜崞鞯撵式?，選取合適的回?zé)岢槠恢?，保證抽汽參數(shù)與回?zé)嵯到y(tǒng)匹配，盡量在汽輪機(jī)設(shè)計(jì)階段解決過熱度的問題，而不是通過額外增加更多附加設(shè)備來解決。可將BEST各級(jí)參數(shù)逐級(jí)設(shè)計(jì)回到高壓缸、中壓缸和低壓缸相應(yīng)參數(shù)位置，重新設(shè)計(jì)汽輪機(jī)，在滿足回?zé)岢槠訜峤o水溫度的前提下，盡量降低抽汽過熱度，保證高參數(shù)蒸汽在汽輪機(jī)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(tǒng)，但需要對(duì)汽輪機(jī)三缸重新進(jìn)行負(fù)荷分配和通流設(shè)計(jì)優(yōu)化。

5 結(jié)論

針對(duì)目前700℃超超臨界燃煤機(jī)組汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，對(duì)采用BEST的700℃一次再熱與二次再熱機(jī)組進(jìn)行了對(duì)比分析，從整體系統(tǒng)角度出發(fā)，提出優(yōu)化回?zé)嵯到y(tǒng)的思路，為設(shè)計(jì)更加高效的高參數(shù)超超臨界燃煤機(jī)組汽輪機(jī)系統(tǒng)提供理論指導(dǎo)。具體結(jié)論如下：

1）采用BEST的700℃二次再熱機(jī)組發(fā)電煤耗低于一次再熱機(jī)組，在低負(fù)荷下二次再熱機(jī)組比一次再熱節(jié)煤效果更明顯，在40% THA工況下，節(jié)煤11.70g/(kW·h)。對(duì)700℃一次再熱機(jī)組而言，回?zé)崞啓C(jī)方案更適合高負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)組，700℃二次再熱機(jī)組比一次再熱機(jī)組調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性更好。

2）隨著負(fù)荷的降低，700℃超超臨界燃煤機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)的過熱度不斷升高，發(fā)電煤耗增大。在低負(fù)荷時(shí)可根據(jù)負(fù)荷情況調(diào)節(jié)BEST的抽汽位置來提高能效。在50%負(fù)荷以上時(shí)，抽汽壓力為7.3MPa時(shí)機(jī)組煤耗最低，在40%負(fù)荷時(shí)，抽汽壓力為3.2MPa時(shí)機(jī)組煤耗最低。

3）提出取消BEST的新型高參數(shù)超超臨界燃煤機(jī)組汽輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，建議基于700℃汽輪機(jī)初終參數(shù)與汽輪機(jī)通流效率不變的條件下，從汽輪機(jī)通流與回?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)匹配及系統(tǒng)優(yōu)化角度對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但該方法需要對(duì)汽輪機(jī)三缸重新進(jìn)行負(fù)荷分配和通流設(shè)計(jì)。

[1] 胡鞍鋼．中國實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)及主要途徑[J]．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2021，21(3)：1-8．

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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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB0602101, 2018YFB0604404)。

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

(責(zé)任編輯 尚彩娟)