超臨界火力發(fā)電機組二次再熱技術(shù)研究

張方煒，劉原一，譚厚章，張經(jīng)武

(1.華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京 100120；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049；3.東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006)

1 概述

我國是以煤炭為主要一次能源的國家，火力發(fā)電在我國電力生產(chǎn)中占有主導(dǎo)地位。2011年我國總發(fā)電裝機容量為105576億kWh，其中火力發(fā)電裝機容量為76546億kWh，約占總裝機容量的72.5%。隨著化石燃料的枯竭以及國際社會對電廠CO2排放限制的增強，發(fā)展高參數(shù)大容量的超超臨界機組、提高火電機組發(fā)電效率、降低污染物及CO2排放成為我國電力生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

發(fā)展超高參數(shù)機組，尤其是700℃超超臨界機組是解決目前能源危機的主要方法。700℃超超臨界火電機組是目前國際上參數(shù)最高、最先進(jìn)的高效、節(jié)能和低排放發(fā)電設(shè)備，可大幅度提高機組發(fā)電效率。然而推廣700℃級別的超超臨界機組首先必須解決在700℃溫度條件下金屬材料強度、抗高溫腐蝕和使用壽命等問題。目前的技術(shù)條件下，700℃等級金屬材料的研制、加工制造工藝均無法得到大規(guī)模的推廣，國內(nèi)外均未有700℃等級超超臨界機組投運。

二次中間再熱技術(shù)是提高機組熱效率的另一種有效方法。蒸汽中間再熱是指將汽輪機高壓缸中膨脹至某一中間壓力的蒸汽全部引出，送入到鍋爐再熱器中再次加熱，然后送回到汽輪機中壓缸或低壓缸中繼續(xù)做功。再熱技術(shù)可以提高蒸汽膨脹終了的干度，提高蒸汽的做功能力，蒸汽中間再熱可分為一次再熱和二次再熱。31MPa/566℃/566℃/566℃的二次再熱技術(shù)相比傳統(tǒng)的24.1MPa/566℃/566℃一次再熱技術(shù)，其熱效率可提高約5%。此外，由于二次再熱技術(shù)中蒸汽參數(shù)相對700℃超超臨界機組低很多，目前已有的材料可滿足二次再熱機組的大規(guī)模生產(chǎn)，不存在明顯的技術(shù)瓶頸。然而二次再熱機組的熱力系統(tǒng)相對復(fù)雜，帶來相對高昂的初期建設(shè)投資，運行和操作相對傳統(tǒng)一次再熱機組也更為復(fù)雜。本文將對二次再熱系統(tǒng)的技術(shù)特點及二次再熱鍋爐關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

2 二次再熱系統(tǒng)的技術(shù)特點

2.1 循環(huán)熱效率

典型一次再熱與二次再熱熱力系統(tǒng)如圖1所示，一次再熱系統(tǒng)中蒸汽在高壓缸做功后進(jìn)入鍋爐進(jìn)行一次再加熱；而二次再熱系統(tǒng)中蒸汽在超高壓缸和高壓缸中做功后會分別在鍋爐的一次再熱器和二次再熱器中再次加熱。相比一次再熱系統(tǒng)，二次再熱系統(tǒng)鍋爐增加一級再熱系統(tǒng)，汽輪機則增加一級循環(huán)做功。

圖1 典型一次再熱與二次再熱熱力系統(tǒng)及其循環(huán)T-S圖

由兩種系統(tǒng)的熱力循環(huán)溫-熵(T-S)圖1可見，整個熱力循環(huán)可以等效為原朗肯循環(huán)疊加一個附加循環(huán)。由圖1可知，二次再熱系統(tǒng)比一次再熱系統(tǒng)多疊加一個高參數(shù)的附加循環(huán)，其循環(huán)效率將比一次再熱系統(tǒng)高。圖2表示一次再熱、二次再熱機組在蒸汽溫度參數(shù)一定時，蒸汽壓力變化對機組熱效率的影響。隨著蒸汽參數(shù)的增加機組熱效率明顯提高，在相同蒸汽壓力溫度條件下，二次再熱機組的熱效率比一次再熱機組提高2%左右。

在超超臨界機組參數(shù)范圍的條件下，即主蒸汽壓力大于31MPa，主蒸汽溫度高于600℃時，主蒸汽壓力每提高1MPa，機組熱耗率降低0.13%～0.15%，主蒸汽溫度每提高10℃，機組熱耗率降低0.25%～0.3%，再熱蒸汽溫度升高10℃，機組熱耗率降低0.15%～0.2%，若采用二次再熱，熱耗率將進(jìn)一步降低1.5%左右。圖3所示為超超臨界機組單位發(fā)電量CO2排放隨發(fā)電機組熱效率的變化趨勢，可見隨著火力發(fā)電機組熱效率的提高，單位發(fā)電量的CO2排放量明顯降低，在相同蒸汽壓力溫度參數(shù)下，二次再熱相比一次再熱機組熱效率提高2%，對應(yīng)CO2減排約3.6%。因此二次再熱還是一種可行的節(jié)能降耗、清潔環(huán)保的火力發(fā)電技術(shù)。

圖2 蒸汽參數(shù)對機組熱效率的影響

圖3 機組熱效率與CO2排放量的關(guān)系

2.2 材料性能

蒸汽參數(shù)越高，給水溫度越高，則機組熱效率越高。因此，提高蒸汽參數(shù)是現(xiàn)在火電機組提高效率的主要途徑之一，然而材料的性能成為制約蒸汽參數(shù)大幅提高的主要技術(shù)瓶頸。目前合金鐵素體(Ferrite)和合金奧氏體(Austenite)材料已經(jīng)在600℃等級的超超臨界機組中得到規(guī)模化應(yīng)用。然而為了將機組的熱效率進(jìn)一步提高到50%以上，蒸汽溫度參數(shù)需達(dá)到700℃等級，那么現(xiàn)在滿足600℃運行條件的合金鐵素體和奧氏體材料將無法滿足機組安全運行的要求，新型鎳基合金材料就成為必要的選擇。

見圖4，當(dāng)機組蒸汽參數(shù)從25MPa/540/540℃增加到30MPa/700/720℃時，合金奧氏體材料占鍋爐總材料的份額將增加到24%，鎳基合金材料所占鍋爐總材料比例亦將增加至16%，而鎳基合金材料要占到整個700℃超超臨界機組材料的29%。目前美、歐、日和我國都在積極探索700℃等級鎳基合金材料，對于鍋爐小口徑薄壁管，Inconel617等材料已經(jīng)通過了試驗，但A617材料用于制造的大口徑厚壁管在現(xiàn)場試驗時發(fā)現(xiàn)了焊縫裂紋等問題。在700℃溫度條件下使用的高溫材料還沒有得以解決。

圖4 鍋爐總材料中不同高溫材料比例

傳統(tǒng)超臨界540℃等級合金鋼(TP347H)，其單價約為4萬元/t，目前已在超超臨界600℃機組中大量使用的鐵素體、奧氏體合金鋼(HR3C)，單價已達(dá)到12～15萬元/t，而700℃等級的鎳基合金鋼(Inconel 617)，其單價估計將高達(dá)78萬元/t。目前600℃一次再熱2×1000MW超超臨界機組總投資70～80億元人民幣，其中從鍋爐至汽輪機單根長度約為160m的主蒸汽管和再熱蒸汽管道的造價約3億元人民幣，若將參數(shù)提高致700℃等級，則該高溫蒸汽管道的總價格可能上升至25億元人民幣以上，此外鍋爐及汽輪機造價亦將相應(yīng)上升，僅以2%的左右熱效率的提高，其代價太大，難以為市場所接受。

要在技術(shù)上和成本上完全解決700℃等級的高溫材料，按照現(xiàn)在美、歐各國的發(fā)展計劃，實現(xiàn)700℃等級的超超臨界機組大規(guī)模投運也還需要10年的時間。而對于采用二次再熱技術(shù)的機組，在不需要達(dá)到700℃等級蒸汽參數(shù)條件下，其機組熱效率就可以達(dá)到較高水平，且材料上不存在技術(shù)瓶頸。因此在未來10年甚至更長一段時間內(nèi)，發(fā)展二次再熱技術(shù)是提高機組熱效率的有效手段。

2.3 汽輪機結(jié)構(gòu)

超超臨界二次再熱機組汽輪機相比傳統(tǒng)一次再熱機組需增加一級超高壓缸，如日本川越電廠，其汽輪機由四個汽缸構(gòu)成，超高壓缸(主蒸汽)和高壓缸(高壓再熱蒸汽)為對向流合缸結(jié)構(gòu), 中壓缸(低壓再熱蒸汽)為單缸分流式，低壓缸為雙缸四排汽結(jié)鉤。汽輪機全長相比一次再熱機組有所增加，軸系結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力分布也更加復(fù)雜。此外為使超高壓、高壓汽缸以及相配套的法蘭盤、主要閥門和密封墊圈在高溫高壓工作條件下仍能滿足安全運行要求，其結(jié)構(gòu)需重新設(shè)計并采用高溫強度高的新型材料。此外還應(yīng)以控制性能更高的數(shù)控電氣-油壓式(EHC)調(diào)速器來代替機械-油壓式(MHC)調(diào)速器，以應(yīng)對二次再熱而產(chǎn)生的控制復(fù)雜化等問題。

2.4 熱力系統(tǒng)

對于典型的超臨界二次再熱機組的熱力系統(tǒng)，除增加一套二次再熱系統(tǒng)外，高壓加熱器還需采用外置蒸汽冷卻器，而且由于低壓抽汽過熱度很大，所以低壓加熱器的回?zé)岢槠ǔＲ膊捎猛庵谜羝鋮s器進(jìn)行過熱度熱量的跨級利用。其高壓加熱器的回?zé)岢槠^熱度可直接用于提高給水溫度，低壓加熱器的回?zé)岢槠^熱度可跨級用于提高除氧器的進(jìn)水溫度。此外，根據(jù)機組的具體情況，低壓加熱器回?zé)岢槠^熱度還可能用于提高高壓加熱器的進(jìn)水溫度或者直接用于提高給水溫度。此外，連接汽輪機與鍋爐之間的再熱蒸汽管道需增加一根再熱冷管與再熱熱管。

3 二次再熱鍋爐關(guān)鍵技術(shù)

3.1 機組參數(shù)

對于超超臨界二次再熱機組，機組參數(shù)的選取非常重要。根據(jù)理想工況熱力循環(huán)的計算結(jié)果以及國外現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)驗，最佳再熱蒸汽壓力一般選取為高壓缸入口初壓的20%～35%。再熱蒸汽溫度越高，中間再熱的經(jīng)濟(jì)性也越好，然而受到材料及煙道布置的影響，二次再熱機組再熱蒸汽溫度一般不大于一次再熱機組的再熱蒸汽溫度。此外為了防止低壓加熱器蒸汽壓力過低應(yīng)盡量提高過熱器出口蒸汽壓力，但是受到給水泵、高壓加熱器選型的影響，主蒸汽出口壓力一般選擇為30MPa左右，再熱蒸汽壓力選取為10MPa/3MPa左右。早期，二次再熱機組溫度參數(shù)多為538/552/566℃，這種再熱蒸汽溫度逐步提高的機組應(yīng)用最為普遍，在美國和日本投運的二次再熱機組中分別有12臺和6臺采用該溫度參數(shù)，分別占當(dāng)時該國投運二次再熱機組的48%和54.5%。目前國內(nèi)新建或擬建的超超臨界二次再熱機組溫度均在600/600/600℃以上，如江蘇國電泰州電廠二期2×1000MW超超臨界二次再熱燃煤機組溫度參數(shù)為600/610/610℃，華能萊蕪電廠2×1000MW超超臨界二次再熱機組溫度參數(shù)為600/620/620℃。

3.2 再熱汽溫調(diào)節(jié)方式

再熱汽溫調(diào)節(jié)是鍋爐的關(guān)鍵技術(shù)之一，影響再熱汽溫的因素可分為煙氣側(cè)和蒸汽側(cè)兩方面。目前大多數(shù)一次再熱機組再熱蒸汽氣溫調(diào)節(jié)采用煙氣擋板和噴減溫水兩種主要手段，必要時配合燃燒調(diào)整。為減少熱損失，再熱器出口蒸汽溫度應(yīng)盡量少使用或不使用噴水調(diào)節(jié)。對于二次再熱機組，主要考慮煙氣側(cè)的調(diào)溫方式，已采用或擬采用的調(diào)溫方式有：煙氣再循環(huán)、煙氣擋板和擺動燃燒器。如日本川越電廠#1、#2爐、丹麥諾加蘭德電廠#3爐采用煙氣再循環(huán)調(diào)節(jié)方式，國電泰州電廠2×1000MW塔式二次再熱鍋爐采用雙煙道煙氣擋板及擺動式燃燒器調(diào)節(jié)二次再熱汽溫；華能萊蕪電廠2×1000MW塔式二次再熱鍋爐、華能安源2×660MW П型二次再熱鍋爐均采用煙氣再循環(huán)和煙氣擋板配合，以及擺動式燃燒器調(diào)節(jié)二次蒸汽溫度；此外還有三煙道擋板調(diào)節(jié)方案，并已經(jīng)對其進(jìn)行了冷態(tài)模擬實驗。

對于煙氣擋板調(diào)溫方式，是將塔式鍋爐的對流豎井上部(或П型鍋爐尾部豎井)煙道分成兩部分，分別布置再熱器和過熱器。調(diào)節(jié)分隔煙道下部煙道擋板的開度，就可改變流過兩煙道的煙氣流量比例，從而改變過熱器和再熱器的吸熱量。如負(fù)荷降低時，開大裝有再熱器一側(cè)的煙道擋板，關(guān)小另一側(cè)煙道擋板，就可提高再熱蒸汽溫度。

煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱蒸汽溫度，還可采用三個煙道并列布置方式，三個煙道分別布置過熱器、一、二次低溫再熱器和省煤器。根據(jù)吸熱比例確定受熱面布置位置和數(shù)量，并與高溫受熱面布置相匹配，一次低溫再熱器布置后煙道內(nèi)，二次低溫再熱器布置在前煙道內(nèi)，低溫過熱器布置在中煙道內(nèi)。每個煙道出口分別布置煙氣調(diào)節(jié)擋板，共3個擋板，布置方式見圖5。

圖5 三煙道并列煙氣擋板總體布置示意圖

通過研究分析，對于采用三擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，由于低溫過熱器汽溫變化幅度較小且可通過噴水調(diào)節(jié)，在二次再熱汽溫調(diào)節(jié)過程中，可以固定低溫過熱器擋板開度不變的策略進(jìn)行汽溫調(diào)節(jié)控制。采用維持低溫過熱器煙氣擋板基本不變，一級再熱器擋板調(diào)節(jié)一次再熱蒸汽溫度，二級再熱器擋板調(diào)節(jié)二次再熱蒸汽溫度的控制方案。在這種方案下，一級再熱器煙氣擋板和二級再熱器煙氣擋板可以保持在調(diào)節(jié)性能較好的開度范圍內(nèi)。由于低溫過熱器的溫升小，可以通過噴水調(diào)節(jié)汽溫。以噴水微調(diào)再熱器系統(tǒng)的汽溫偏差進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)，直至擋板調(diào)溫達(dá)到平衡，當(dāng)負(fù)荷穩(wěn)定時做到基本無噴水。

擋板調(diào)溫方式相對設(shè)備簡單，操作方便，但有時擋板易產(chǎn)生熱變形，降低了調(diào)溫的準(zhǔn)確性，此外在低負(fù)荷時煙氣流量和擋板阻力下降，擋板的調(diào)溫功能亦隨之降低。對于煙氣擋板+噴水減溫+擺動燃燒器的再熱蒸汽調(diào)溫方式，可確保一次再熱蒸汽出口溫度在50%～100%BMCR工況下達(dá)到設(shè)計值，而二次再熱蒸汽出口溫度只能滿足在65%～100%BMCR工況下達(dá)到設(shè)計條件。

為了使二次再熱蒸汽出口溫度能夠在中低負(fù)荷工況下也達(dá)到設(shè)計值，煙氣再循環(huán)調(diào)溫方式成為有效的解決手段。煙氣再循環(huán)風(fēng)機入口可以接在省煤器出口或除塵器出口，循環(huán)風(fēng)機出口接在爐膛冷灰斗底部。煙氣從爐膛底部送入，爐膛溫度水平下降，爐膛輻射吸熱量減小，爐膛出口溫度幾乎不變，由于煙氣量增加，煙氣流速增大，提高煙氣側(cè)的傳熱系數(shù)，對流傳熱量增加，汽溫升高，改變鍋爐輻射和對流受熱面的吸熱比例，從而調(diào)節(jié)蒸汽溫度。此外，由于爐膛溫度水平降低，爐內(nèi)氧濃度減小，抑制NOX的生成量，減少污染；由于熱負(fù)荷的降低，可防止水冷壁管內(nèi)傳熱惡化。這種調(diào)溫方式可以滿足中低負(fù)荷工況下的二次再熱蒸汽溫度達(dá)到設(shè)計值，但是當(dāng)循環(huán)風(fēng)機進(jìn)口接在省煤器出口時，高粉塵、高工作溫度、低煙氣密度、高風(fēng)機轉(zhuǎn)速將使得循環(huán)風(fēng)機可靠性降低，電耗增大；而當(dāng)循環(huán)風(fēng)機進(jìn)口接在除塵器出口時則會使得空氣預(yù)熱器處煙氣側(cè)流量增加10%～20%，造成鍋爐排煙溫度上升，鍋爐效率降低。

二次再熱汽溫調(diào)節(jié)的各種調(diào)節(jié)方法還有待運行實踐和積累經(jīng)驗。

3.3 受熱面吸熱特性

二次再熱機組相比一次再熱機組過熱蒸汽吸熱量減少而再熱蒸汽吸熱量增多。某1000MW超超臨界二次再熱機組與其常規(guī)一次再熱機組受熱面吸熱特性的比較如表1所示。可見二次再熱機組相比一次再熱機組，鍋爐總吸熱量降低約4.6%，其中過熱蒸汽吸熱量降低15.6%，再熱蒸汽吸熱量增高43.8%。此外二次再熱鍋爐輸出熱量相對減少，在燃用不易結(jié)渣煤的情況下可適當(dāng)減少爐膛尺寸，但需要強化對流換熱或增加受熱面積以應(yīng)對三個高溫受熱面帶來的溫壓降低問題。因此在進(jìn)行鍋爐設(shè)計時需合理匹配各受熱面吸熱比例，同時考慮尾部煙道和水平煙道空間位置與氣溫調(diào)節(jié)特性對各受熱面吸熱特性的影響。

表1 二次再熱機組各受熱面吸熱量比例

3.4 水冷壁結(jié)構(gòu)

二次再熱鍋爐與一次再熱相比，主蒸汽流量降低，水冷壁入口水溫提高，水冷壁壁溫和分離器溫度相對上升，水冷壁需要選擇更為可靠的材料。15CrMoG、12Cr1MoVG 、SA-213 T23、SA-213 T91、SA-213 T92材料能滿足水冷壁工作條件，但其中SA-213 T91、SA-213 T92尚無應(yīng)用業(yè)績，國內(nèi)超超/超臨界成熟的水冷壁材料為15CrMoG 、12Cr1MoVG。

螺旋管圈水冷壁在超臨界和超超臨界鍋爐上應(yīng)用最廣泛，美、歐、日和我國很多電廠的鍋爐均采用螺旋管圈水冷壁以適應(yīng)機組變壓運行。螺旋管圈水冷壁型式分為光管和內(nèi)螺紋管，后者可強化傳熱，使水冷壁運行更安全可靠。二次再熱機組鍋爐水冷壁在爐膛下部的兩相流區(qū)域，應(yīng)使用傳熱性能良好的內(nèi)螺紋管，在爐膛上部熱負(fù)荷較低的部分，可使用光管。內(nèi)螺紋管螺旋管圈型式是二次再熱超超臨界鍋爐目前首選的水冷壁型式。

4 結(jié)論

(1)二次再熱技術(shù)可以有效的提高火力發(fā)電機組的熱效率，在相同蒸汽壓力溫度條件下，二次再熱機組的熱效率比一次再熱機組提高2%左右，CO2排放降低約3.6%。且目前技術(shù)成熟的鐵素體合金材料和奧氏體合金材料能夠滿足二次再熱超超臨界機組的安全要求。

(2)二次再熱會使機組結(jié)構(gòu)及操作運行更加復(fù)雜，汽輪機需增加一級超高壓缸并改進(jìn)相應(yīng)的控制機構(gòu)，熱力系統(tǒng)也更加復(fù)雜，高壓和低壓加熱器通常均采用外置蒸汽冷卻器。

(3)二次再熱機組蒸汽壓力參數(shù)一般選為30MPa/10MP/3MPa左右，前期二次再熱機組溫度參數(shù)以538/552/566℃為最多，現(xiàn)在新建二次再熱機組溫度參數(shù)均在600/600/600℃以上。

(4)二次再熱機組相比一次再熱機組過熱蒸汽吸熱量減少，再熱蒸汽吸熱量增多。二次再熱汽溫調(diào)節(jié)主要方法有煙氣再循環(huán)和煙氣擋板(雙煙道和三煙道布置)，汽溫的各種調(diào)節(jié)方法還有待運行實踐和積累經(jīng)驗。

(5)盡管二次再熱技術(shù)使得機組結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是在我國700℃等級鎳基材料解決之前，二次再熱技術(shù)是提高火力發(fā)電機組熱效率、降低溫室氣體排放切實可行的的有效手段。

[1]盛來運.中國統(tǒng)計年鑒-2012[M].北京：中國統(tǒng)計出版社.

[2]張國偉.700℃等級超超臨界鍋爐介紹[J].鍋爐制造.2012，(2).

[3]徐炯，周一工.700℃高效超超臨界技術(shù)的發(fā)展[J].中外能源.2012，17(6).

[4]武秀峰.我國超超臨界機組參數(shù)與結(jié)構(gòu)選型的研究[J].電力科學(xué)與工程.2008，24(9).

[5]周榮燦，范長信.超超臨界火電機組材料研究及選材分析[J].2005，38(8).

[6]R.Viswanathan, K.Coleman, U.Rao.Materials for ultra-supercritical coal-fired power plant boilers[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping.2006，83(12).

[7]邵樹峰，等.二次再熱機組熱力系統(tǒng)的定量分析方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報.2003，37(11).

[8]劉強，等.二次再熱機組的熱耗變換系數(shù)和汽耗變換系數(shù)[J].中國電機工程學(xué)報.2007，27(26).

[9]宋寶軍.600MW等級超超臨界鍋爐二次再熱技術(shù)研究[C].超超臨界機組技術(shù)交流2011年會.2011.

[10]易廣宙.東方高參數(shù)和二次再熱超超臨界鍋爐設(shè)計[C].超超臨界機組技術(shù)交流2012年會.2012.