超超临界二次再热机组性能试验及分析

李永生，徐 星，孙俊威

(国电科学技术研究院，江苏 南京 210023)

超超临界二次再热机组性能试验及分析

李永生，徐 星，孙俊威

(国电科学技术研究院，江苏 南京 210023)

介绍了国内外二次再热机组发展状况，结合国内超超临界二次再热1000MW机组性能考核试验情况，分析比较了目前已投产的超超临界二次再热机组的主要性能指标，对今后二次再热机组的设计、制造、运行具有重要指导意义。

超超临界；二次再热；性能试验

1 国内外二次再热机组发展状况

中国是以煤电为主的国家，煤电在电力生产中的主导地位在较长一段时间内无法改变。发展高效率超超临界燃煤机组是高效清洁燃煤发电的方向，对我国建设节约环保型社会具有重要意义。中国超超临界火电机组发展最快，至2016年底仅1000MW超超临界机组就已建成投产90余台，是世界上数量最多的国家之一。目前，中国27MPa，600℃/600℃等级一次再热超超临界发电技术已经逐步成熟，运行性能先进，发电效率达到45%以上，处于世界领先水平。在此基础上为了进一步提高火电机组发电效率、降低煤耗，需要进一步提高机组蒸汽参数，而材料的高温性能成为关键制约因素。如果要进一步提高参数，只能采用镍基合金材料，但目前发展更高参数火电机组所需要的镍基合金材料并不具备商业化的条件。

在现有一次再热超超临界发电技术基础上采用二次再热技术，原蒸汽参数基本不变或适当提高，可以不需要更换新材料，仍采用现有成熟金属材料，可进一步提高循环效率3%左右，是目前技术条件下提高火力机组热效率的合理途径。

但采用二次再热技术，在提高发电机组循环热效率的同时，也带来系统设计的复杂性，使投资增加，运行复杂。据不完全统计，全世界至少有52台二次再热超临界机组投入运行，其中德国共投运11台二次再热超临界机组，美国共投运23台二次再热超临界机组，日本共投运13台二次再热超临界机组，丹麦投运2台二次再热超超临界机组。其中，丹麦的Nordjylland电厂3号机组采用二次再热、深海水冷却等技术，是当时世界上机组效率(发电效率47%)最高的燃煤发电机组。从投产机组参数分析，二次再热机组基本不采用亚临界机组，绝大多数是超临界机组，二次再热技术更适用于主蒸汽压力达到27MPa以上的超超临界机组。

目前国内随着燃料成本及环保压力的不断上升，二次再热技术重新得到关注。东方电气集团、哈尔滨电气集团、上海电气集团三大火电设备制造商均有在建二次再热机组项目，已投产二次再热机组6台，目前已有9个电厂、18台机组在建。

2 国内已投运超超临界二次再热机组性能

目前国内已投产二次再热机组达6台，其中1000MW超超临界机组4台，660MW超超临界机组2台。包括：华能安源电厂1、2号660MW超超临界二次再热机组，国电泰州发电公司二期3、4号1000MW超超临界二次再热机组，华能莱芜发电公司6、7号1000MW超超临界二次再热机组。已投产二次再热机组主要设计性能参数见表1。

表1 已投产二次再热机组主要设计性能参数

项 目泰州电厂莱芜电厂安源电厂机组容量/MW10001000660锅炉制造商上锅哈锅哈锅汽轮机制造商上汽上汽东汽汽机总进汽量/t·h-12586．202562．8471732．100主蒸汽压力/MPa30．123029．2主蒸汽温度/℃600600600超高压排汽压力/MPa10．66710．60410．791超高压排汽温度/℃425．6426432．9一次再热蒸汽流量2289．952274．8441526．044高压缸进口压力/MPa9．9839．96710．143高压缸进口温度/℃610620620二次再热蒸汽流量/t·h-11983．311963．0221309．011中压缸进口压力/MPa3．0553．0483．196中压缸进口温度/℃610620620背压/kPa4．54．84．92最终给水温度/℃324．3324．8323．7低压缸排汽量/t·h-11369．241365．444881．581排汽焓/kg·kg-12397．42409．82404．5厂用电率/%3．70/3．36锅炉效率/%94．6595．0494．50机组热耗/kJ·(kW·h)-1707070647187发电煤耗/g·(kW·h)-1257．79256．16262．13供电煤耗/g·(kW·h)-1267．70/271．24全厂发电热效率/%47．7147．9546．92

目前，国内百万超超临界一次再热机组纯凝工况供电煤耗率的先进水平约272g/(kW·h)。从设计指标看，超超临界二次再热机组已全面超过一次再热机组。同等级的百万超超临界机组中，二次再热机组设计供电煤耗率比一次再热先进机组降低约6g/(kW·h)。据2016年机组运行统计，国电泰州二次再热1000MW机组运行供电煤耗为272.0g/(kW·h)；华能莱芜二次再热1000MW机组运行供电煤耗271.2g/(kW·h)；华能安源二次再热660MW机组运行供电煤耗282.8g/(kW·h)。二次再热机组运行供电煤耗率比一次再热机组平均值降低约10g/(kW·h)，充分说明了百万超超临界二次再热机组性能的先进性。

3 超超临界二次再热1000MW火电机组性能试验

3.1 N1000-31/600/610/610汽轮机热耗率

3.1.1 设备概况

N1000-31/600/610/610型汽轮机为上海汽轮机厂生产的超超临界、单轴、五缸四排汽、二次中间再热凝汽式汽轮机。机组采用高、中、低压三级串联旁路系统，高压旁路容量为100%BMCR，中、低压旁路为启动容量。四级高压加热器、一级除氧器和五级低压加热器、一台疏水冷却器组成十级回热系统，2、4号高压加热器分别设有外置蒸汽冷却器，8号低压加热器(按压力由高到低排列)设有疏水泵，低温省煤器水侧进口取自9号低压加热器出口，出口回到8号低加入口。9、10号低压加热器的疏水分别进入位于10号低加与汽封加热器之间的疏水冷却器。汽机二个低压缸排汽排入凝汽器，第五级抽汽用于除氧器加热、驱动给水泵汽轮机及厂用辅助蒸汽系统。给水泵汽轮机正常运行汽源采用汽轮机第五级抽汽，备用汽源采用三级抽汽，启动、调试及低负荷汽源采用辅助蒸汽。厂用辅助蒸汽汽源采用汽轮机五级抽汽，备用汽源采用汽轮机三级抽汽。

3.1.2 试验工况

主汽调阀全开；汽轮机主汽阀前蒸汽压力为30.12MPa；汽轮机主蒸汽温度为600℃；一次再热蒸汽温度为610℃；二次再热蒸汽温度为610℃；汽轮机背压为4.5kPa；补给水率为0%；机组运行热力系统按制造厂家提供的THA工况热平衡图进行相应调整和隔离。

3.1.3 试验标准

美国机械工程师学会《汽轮机性能试验规程》(ASME PTC6-2004);国际公式化委员会(IFC)《具有火用参数的水和水蒸汽性质参数手册》(1997年工业用IFC公式计算)。

3.1.4 试验方法

热力循环系统内的流量以凝结水流量为基准流量，采用已标定并安装在6号低加出口至除氧器入口之间的凝结水管道上的标准ASME长径喷嘴进行测量。再热减温水流量等辅助流量均采用现场标准孔板测量；超高压轴封漏汽至高排、高压轴封漏汽至中排流量均采用加装的标准孔板进行测量。数据采集系统采用IMP分散式数据采集系统。除氧器水箱、凝汽器热井等系统内储水容器水位变化用就地水位计人工读数或现场表盘读数。漏出和漏入试验热力系统的无法隔离的明漏量，用秒表和量筒进行人工测量。

3.1.5 试验结果

各工况主要试验结果如表2所示。

表2 各工况主要试验结果

项 目THA工况750MW500MW机组负荷/MW997．6747．99500．17主汽流量/t·h-12625．61918．941297．50主汽压力/MPa30．5524．6516．89主汽温度/℃602．51601．57587．16一次再热压力10．217．585．13一次再热温度/℃609．44596．06584．37二次再热压力3．072．291．55二次再热温度/℃608．39595．24563．85给水温度/℃320．63297．5274．03机组背压/kPa5．324．083．38超高压缸效率/%91．2787．3385．42高压缸效率/%89．2188．4788．44中压缸效率/%92．7692．7092．68修正后热耗率/kJ·(kW·h)-17064．877351．657589．75

THA工况下考虑轴封泄漏、低压旁路泄漏等影响因素，修正后汽轮机热耗率7064.87kJ/(kW·h)。750MW负荷投运低温省煤器条件下，运行参数修正后的机组热耗率为7351.65kJ/(kW·h)。500MW负荷投运低温省煤器条件下，运行参数修正后的机组热耗率为7589.75kJ/(kW·h)。

3.2 SG-2710/33.03-M7050型锅炉性能试验

3.2.1 设备概况

SG-2710/33.03-M7050型锅炉为上海锅炉厂生产的超超临界参数变压直流炉，单炉膛、四角切向燃烧、摆动喷嘴调温、二次中间再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、塔式锅炉、采用机械刮板捞渣机固态排渣的锅炉。锅炉主要设计性能参数见表3。锅炉燃用神华煤。炉后尾部烟道出口有2台SCR脱硝反应装置，下部各布置1台空气预热器。锅炉制粉系统采用中速磨冷一次风机直吹式制粉系统，每台锅炉配置6台中速磨煤机，BMCR工况时，5台投运，1台备用。

表3 锅炉主要设计性能参数

项 目BMCRBRL过热蒸汽流量/t·h-127102630过热器出口蒸汽压力/MPa(g)33．0332．19过热器出口蒸汽温度/℃605605一次再热蒸汽流量/t·h-125172426一次再热器进口蒸汽压力/MPa(g)11．3911．00一次再热器出口蒸汽压力/MPa(g)11．1710．78一次再热器进口蒸汽温度/℃429428一次再热器出口蒸汽温度/℃613613二次再热蒸汽流量/t·h-121612088二次再热器进口蒸汽压力/MPa(g)3．563．44二次再热器出口蒸汽压力/MPa(g)3．303．19二次再热器进口蒸汽温度/℃432433二次再热器出口蒸汽温度/℃613613省煤器进口给水温度/℃314314排烟温度(修正前)/℃120120排烟温度(修正后)/℃117117高位热效率/%90．0790．05低位热效率/%94．6794．65低位热效率(保证)/%-94．65

3.2.2 试验工况

燃用设计煤种；锅炉带额定负荷；锅炉热效率按ASME PTC4.1进行计算及有关项目的修正；过剩空气系数为设计值(1.15)或最佳氧量；煤粉细度在设计范围内；NOx排放浓度200mg/m3(6%O2)。

3.2.3 试验标准

ASME PTC4.1《蒸汽锅炉性能试验规程》，基准温度按加权计算(加权比例按照设计值)，其他测量数据均以算术平均值引入计算。灰、渣比例采用设计值：炉底大渣10%，飞灰90%。空气预热器一次风进风基准温度22.4℃，空气预热器二次风进风基准温度18℃，经流量加权计算后空气预热器入口进风基准温度19.10℃，一、二次风比例按照设计值分别为22.92%和77.08%。

3.2.4 锅炉热效率试验结果

锅炉热效率及各项损失主要结果见表4。锅炉试验期间机组负荷1000MW，锅炉热效率修正后为94.78%，NOx排放浓度为155.2mg/m3(标干态，6%O2)。750MW负荷试验期间，实测锅炉热效率为93.2%，修正后锅炉热效率为93.05%。500MW负荷试验期间，实测锅炉热效率为94.19%，修正后锅炉热效率为93.87%。

表4 锅炉热效率及各项损失主要结果

项 目设计值考核工况750MW500MW飞灰可燃物含量/%-1．0452．431．5大渣可燃物含量/%-0．36--A侧排烟温度/℃-114．84126．2126．2B侧排烟温度/℃-113．69--修正后排烟温度/℃117112．38128．6117．9排烟氧量/%-4．395．16%4．88空预器入口烟温/℃380372．1--空气相对湿度/%6566．23--大气压力/kPa101101--干烟气热损失/%4．204．19--干灰渣未燃尽碳热损失/%0．160．171．952．11燃料中水份热损失/%0．140．14--氢燃烧水份热损失/%0．240．25--空气中水份热损失/%0．060．06--表面辐射和热对流损失/%0．190．19--未测量热损失/%0．250．23--制造厂裕度/%0．11---总损失/%5．355．28--实测NOx浓度/mg·m-3200155．2--实测O2浓度/%63．84--锅炉热效率/%94．6594．7593．294．19修正后的锅炉效率/%94．6594．7893．0593．87

3.3 机组供电煤耗的计算

采用美国ASME性能试验标准经过修正得到的汽轮机热耗率、锅炉热效率计算得到的供电煤耗率并不是实际值。采用最终修正热耗率用于计算整个机组的供电煤耗率指标，考虑轴封泄漏、低压旁路泄漏等影响因素，热耗率按7064.87kJ/(kW·h)计算，锅炉效率按94.78%计算，厂用电率按3.625%计算，管道效率取99%，此时发、供电煤耗率分别为256.91、266.57g/(kW·h)。根据对同期典型超超临界一次再热机组的性能试验，超超临界一次再热供电煤耗率为275.00g/(kW·h)。同型二次再热机组性能试验供电煤耗率比一次再热机组性能试验值降低8.43g/(kW·h)。采用二类修正的热耗率，计算机组供电煤耗率可以一定程度上反映机组整体能耗指标，如表5所示。

表5 二类修正后的机组供电煤耗率计算值

项 目THA750MW500MW厂用电率/%3．6254．525．21锅炉效率(修正后)/%94．7893．0593．87汽机热耗(修正后)/kJ·(kW·h)-17188．987351．657589．75发电煤耗(修正后)/g·(kW·h)-1261．42272．30278．66供电煤耗(修正后)/g·(kW·h)-1271．26285．19293．98

机组在额定负荷下二类修正后，计算供电煤耗率271.26g/(kW·h)；750MW负荷工况下计算供电煤耗率285.19g/(kW·h)；500MW负荷下计算供电煤耗率293.98g/(kW·h)。

4 结语

(1)超超临界二次再热机组设计供电煤耗率比同型一次再热机组降低约6g/(kW·h)。性能试验结果表明，超超临界二次再热机组性能试验供电煤耗率比一次再热机组性能试验值低8g/(kW·h)。

(2)根据机组的2016年运行统计，超超临界二次再热机组运行供电煤耗比同型超超临界一次再热机组平均值低约10g/(kW·h)，说明了超超临界二次再热机组性能的先进性。

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The performance test and analysis of ultra supercritical double reheat units

Itintroduceddevelopmentsituationofdoublereheatunitsathomeandabroad,analyzedandcomparisedthemainperformanceindexesofcurrentproductionofultrasupercritical1000MWdoublereheatunitscombinedwithperformancetestofthedomesticultrasupercritical1000MWdoublereheatunits.Ithadimportantguidingsignificanceforthedesign,manufactureandoperationofthedoublereheatunitsinthefuture.

ultra-supercritical;doublereheatunits;performancetest

TK262

B

1674-8069(2017)06-040-04

2017-08-26；

2017-09-17

李永生(1963-)，男，山西省岚县人，主要从事清洁高效燃煤发电技术研究。E-mail:zggdlys@163.com