楊美，周云龍，楊金福，王迪，韓東江，包佳鑫

700℃超超臨界一次再熱發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化

楊美1,2，周云龍1*，楊金福2，王迪1，韓東江2，包佳鑫1

（1．東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林省 吉林市 1 32012；2．中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京市 海淀區(qū) 100190）

針對(duì)超超臨界一次再熱機(jī)組、汽輪發(fā)電機(jī)組抽汽回?zé)徇^(guò)熱度高，造成回?zé)嵯到y(tǒng)不可逆損失大、系統(tǒng)完善度不佳等問(wèn)題，分析了MAST CYCLE熱力系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱MC系統(tǒng))熱力學(xué)性能，此系統(tǒng)可有效降低回?zé)岢槠^(guò)熱度，但系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。采用熱力學(xué)參數(shù)優(yōu)化、匹配及結(jié)構(gòu)集成方法對(duì)超超臨界一次再熱機(jī)組進(jìn)行分析優(yōu)化，得到加4級(jí)外冷器優(yōu)化系統(tǒng)為系統(tǒng)集成的最優(yōu)方案，供電效率達(dá)到49.58%；并對(duì)其進(jìn)行余熱利用挖潛，計(jì)算得到系統(tǒng)供電效率達(dá)到50.07%。研究結(jié)果為700℃超超臨界機(jī)組系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種更有效的途徑。

超超臨界機(jī)組；MAST CYCLE熱力系統(tǒng)；壓力優(yōu)化；余熱利用；供電效率

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源消耗日益劇增?；剂鲜俏磥?lái)幾十年人類能源必需品，并被廣泛應(yīng)用于燃煤發(fā)電機(jī)組[1]。隨著可再生能源的利用率大幅度提高，燃煤發(fā)電份額逐漸減少，但仍將長(zhǎng)期占據(jù)我國(guó)發(fā)電行業(yè)的主導(dǎo)地位，并且是亞洲大部分地區(qū)重要的電力來(lái)源。為了實(shí)現(xiàn)能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，2020年英國(guó)石油公司(British petroleum，BP)在《世界能源展望(Energy Outlook)》中提出：2050年世界實(shí)現(xiàn)“零碳或低碳能源凈零排放”[2]。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，提高發(fā)電效率和減少污染物的排放已刻不容緩。

對(duì)燃煤發(fā)電機(jī)組而言，采用高參數(shù)大容量機(jī)組是提高機(jī)組發(fā)電效率的有效手段之一。我國(guó)現(xiàn)役機(jī)組已經(jīng)達(dá)到百萬(wàn)等級(jí)，初參數(shù)壓力達(dá)到25～ 30MPa，溫度為600℃左右。目前，也正在開(kāi)展30～37MPa/700℃以上高超超臨界機(jī)組的研 究[3]。歐盟[4]、美國(guó)[5]以及日本[6]已開(kāi)展了700℃超超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)研發(fā)[7]。王旭陽(yáng)等[8]采用等焓升和等焓降法計(jì)算了700℃超超臨界機(jī)組抽汽參數(shù)，得到汽輪機(jī)熱效率為45.69%。蔡小燕等[9]對(duì)700℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng)熱力參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化及?分析。楊金福等[10]針對(duì)超臨界參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組，提出了“卡諾耗散熱機(jī)”與“動(dòng)力島”設(shè)計(jì)理念。WANG等[11]基于給水加熱器疏水梯級(jí)利用方法，提出一種空氣回?zé)嵯到y(tǒng)，形成疏水–煙氣–給水–空氣能量耦合高效利用系統(tǒng)。LIN等[12]基于“溫度對(duì)口”及“熱容流率匹配”方法，得到1 000 MW二次再熱超臨界熱電廠熱力系統(tǒng)及優(yōu)化后新系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性分析。楊美 等[13]對(duì)700℃超超臨界燃煤二次再熱發(fā)電機(jī)組再熱壓力和抽汽參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。胡宏偉等[14]在大容量機(jī)組寬負(fù)荷下，對(duì)2級(jí)除氧器熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，采用2級(jí)除氧器的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較好。

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、碳達(dá)峰的目標(biāo)，國(guó)家科技部率先安排重點(diǎn)專項(xiàng)，燃煤發(fā)電機(jī)組要用低煤耗的火電大機(jī)組取代現(xiàn)有的小機(jī)組，即火電的“以大代小”工程。為了提高燃煤機(jī)組熱力學(xué)完善度，提出700℃超超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)[7]，以實(shí)現(xiàn)燃煤發(fā)電機(jī)組凈效率超過(guò)50%的目標(biāo)。目前，700℃超超臨界一次燃煤發(fā)電機(jī)組尚處于研究階段，并沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用的電廠，因此通過(guò)理論計(jì)算，對(duì)機(jī)組進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

本文對(duì)700℃一次再熱超超臨界MC系統(tǒng)和700℃一次再熱超超臨界參比系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)特性對(duì)比分析，并對(duì)一次再熱參比優(yōu)化熱力系統(tǒng)進(jìn)行集成優(yōu)化，探究一種可以提高700℃一次再熱超超臨界系統(tǒng)效率的集成優(yōu)化方法。

1 超超臨界一次再熱機(jī)組

1.1 超超臨界一次再熱機(jī)組熱力系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料和設(shè)計(jì)院提供的熱平衡圖，選用超超臨界一次再熱機(jī)組在700℃參數(shù)下熱力系統(tǒng)為研究對(duì)象，稱作參比系統(tǒng)。鍋爐采用一次再熱直流鍋爐，汽輪機(jī)采用凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組采用滑壓運(yùn)行。蒸汽首先進(jìn)入高壓缸做功，之后回到鍋爐進(jìn)行再次加熱，高壓缸設(shè)置有2級(jí)回?zé)岢槠?，中壓缸和低壓缸各?級(jí)回?zé)岢槠凇?00℃超超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)(參比系統(tǒng))結(jié)構(gòu)如圖1所示。在對(duì)700℃機(jī)組超超臨界一次再熱機(jī)組進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)，鍋爐效率取94.78%，管道效率取99.5%，廠用電率取3.9%。本機(jī)組采用深海水冷卻，背壓取2.2kPa[3]。主要組件的模型細(xì)節(jié)如表1所示，模擬值與設(shè)計(jì)值在誤差允許范圍內(nèi)[13]。

B—鍋爐；HP—高壓缸；IP—中壓缸；LP—低壓缸；G—發(fā)電機(jī)；Hi—第i(i=1,2,…,10)級(jí)回?zé)峒訜崞?；CP—凝結(jié)水泵。

表1 模擬參數(shù)及模塊設(shè)置

1.2 超超臨界一次再熱機(jī)組MC熱力系統(tǒng)

丹麥DONG ENERGY公司為了解決高參數(shù)下抽汽過(guò)熱度大的問(wèn)題，首次提出了在熱力系統(tǒng)中增加一臺(tái)Best-Turbine回?zé)岢槠奖硥浩啓C(jī)的設(shè)想[15]，稱為MC系統(tǒng)。大量學(xué)者在MC系統(tǒng)上進(jìn)行研究[16-20]，與常規(guī)系統(tǒng)相比，MC系統(tǒng)在減小回?zé)岢槠倪^(guò)熱度上節(jié)能效果顯著。700℃超超臨界一次再熱機(jī)組MC熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對(duì)1000MW超超臨界一次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組中的再熱壓力和抽汽參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。根據(jù)機(jī)組布置結(jié)構(gòu)和參數(shù)搭建系統(tǒng)仿真模型，選擇THA負(fù)荷作為模型設(shè)計(jì)工況。在設(shè)計(jì)工況下，高、中、低壓加熱器壓損分別為3%、5%和5%；一次再熱器和管道的壓損分別為6.4%、10.2%。各級(jí)回?zé)峒訜崞鞯亩瞬钊绫?所示。

圖2 超超臨界一次再熱機(jī)組MC熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表2 回?zé)峒訜崞鞫瞬?/p>

2 系統(tǒng)分析方法

汽輪發(fā)電機(jī)組熱耗率指汽輪發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)1kW·h電能所消耗的熱量，單位為kJ/(kW·h)。

式中a,el為汽輪發(fā)電機(jī)組的相對(duì)電效率，表示為

a,el=ht·ri·m·g(2)

式中：t為循環(huán)熱效率，%；ri為汽輪機(jī)相對(duì) 內(nèi)效率，%；m為機(jī)械效率，%；g為發(fā)電機(jī)效率，%。

3 系統(tǒng)參數(shù)分析與優(yōu)化

3.1 超超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)參數(shù)分析

為了對(duì)比分析700℃超超臨界機(jī)組MC系統(tǒng)和參比系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，其發(fā)電功率都設(shè)為 1000MW。由于700℃超超臨界一次燃煤發(fā)電機(jī)組目前尚處于研究開(kāi)發(fā)階段，沒(méi)有現(xiàn)役運(yùn)行機(jī)組，因此參照設(shè)計(jì)院提供的相關(guān)數(shù)據(jù)及現(xiàn)有百萬(wàn)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)情況，確定了熱力系統(tǒng)主要參數(shù)，如 表3所示。

計(jì)算得到MC系統(tǒng)與參比系統(tǒng)回?zé)岢槠麉?shù)對(duì)比，如圖3所示?？梢钥闯?，參比系統(tǒng)3#、4#、5#、6#回?zé)峒訜崞鞯倪^(guò)熱度達(dá)到371.3、320.3、275.0、231.35℃，相比于其他加熱器要高很多，能量沒(méi)有得到充分利用，造成了額外的?損失。參比系統(tǒng)過(guò)熱度高，導(dǎo)致熱力學(xué)完善度不佳，系統(tǒng)復(fù)雜。采用MC系統(tǒng)后，過(guò)熱度明顯降低，其數(shù)值為100.6、67.25、39.09、12.95℃。

表3 熱力系統(tǒng)主要參數(shù)

圖3 MC系統(tǒng)與參比系統(tǒng)抽汽參數(shù)對(duì)比

3.2 超超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)性能分析

在MC系統(tǒng)中，抽汽背壓式小汽輪機(jī)可以驅(qū)動(dòng)前置泵、主給水泵組汽輪機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)一側(cè)連接給水泵組，按照同軸布置，既可以有效解決給水泵變速驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，又可以達(dá)到降低汽輪機(jī)抽汽過(guò)熱度的問(wèn)題。但是，在低負(fù)荷情況下，為了平衡抽汽背壓式小汽輪機(jī)過(guò)剩出力，應(yīng)在抽汽背壓式小汽輪機(jī)另一側(cè)安裝可拆卸連接段，通過(guò)齒輪式變速器，直接連接一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)，過(guò)剩的出力可以通過(guò)同步發(fā)電機(jī)輸出電能。對(duì)上述建立的 700℃超超臨界機(jī)組MC系統(tǒng)和參比系統(tǒng)進(jìn)行熱力特性對(duì)比分析，得到主要汽水流量參數(shù)，如 表4所示。

表4 主要汽水流量參數(shù)

基于EBSILON仿真計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步計(jì)算分析700℃超超臨界機(jī)組MC系統(tǒng)和參比系統(tǒng)熱力學(xué)性能，結(jié)果如表5所示。可以看出，采用MC系統(tǒng)后汽輪機(jī)組熱耗率由6633.54kJ/(kW×h)降為6607.50kJ/(kW×h)，熱耗率降低了26.04%，供電效率由49.18%增加到了49.37%，在數(shù)值上增加了0.19%。

表5 700℃超超臨界一次再熱機(jī)組熱力學(xué)性能分析

3.3 超超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化及匹配

采用回?zé)崾紹est汽輪機(jī)后，降低了回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)的過(guò)熱度，從回?zé)峒訜崞鞫斯?jié)約了能量，但是部分蒸汽進(jìn)入回?zé)崾紹est汽輪機(jī)后，進(jìn)入中壓缸做功的蒸汽量減少，即降低了蒸汽在中壓缸的做功能力。在MC機(jī)組中，進(jìn)入Best小汽輪機(jī)的蒸汽并沒(méi)有進(jìn)入再熱器中進(jìn)行加熱，因此在系統(tǒng)優(yōu)化上，其焓升分配與參比系統(tǒng)有所不同，對(duì)應(yīng)的一次再熱壓力也不相同。為對(duì)比MC系統(tǒng)的最佳一次再熱壓力和優(yōu)化后熱力系統(tǒng)的性能，分別計(jì)算兩者在THA工況下的最佳一次再熱壓力。首先，2個(gè)對(duì)比系統(tǒng)的回?zé)嵯到y(tǒng)均采用10級(jí)回?zé)?。采用隨機(jī)全局優(yōu)化遺傳算法對(duì)10級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)的再熱壓力和抽汽參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。假定汽輪機(jī)各級(jí)段效率1,2,…,m固定，采用全局隨機(jī)尋優(yōu)遺傳算法，優(yōu)化10級(jí)回?zé)嵋淮卧贌釞C(jī)組再熱壓力及各級(jí)的抽汽參數(shù)。當(dāng)一次再熱壓力確定時(shí)，可以得到每級(jí)回?zé)岢槠羝膮?shù)。一次再熱壓比rh1/0對(duì)熱效率的影響如圖4所示。

圖4 一次再熱壓比Prh1/P0對(duì)熱效率的影響

由圖4可以看出，隨著一次再熱蒸汽壓比增大，發(fā)電效率先增加到峰值點(diǎn)，然后減少。在主蒸汽參數(shù)和終參數(shù)一定的情況下，當(dāng)MC系統(tǒng)的一次再熱壓比為0.201時(shí)，對(duì)應(yīng)的熱效率最高值為54.48%，此時(shí)為最佳再熱壓比。參比系統(tǒng)的最佳一次再熱壓比為0.254，對(duì)應(yīng)的熱效率最高值為54.32%。總體來(lái)說(shuō)，MC系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的最佳一次再熱壓比比參比系統(tǒng)的最佳一次再熱壓比要低。

為了分析其原因，選擇參比系統(tǒng)最佳再熱壓比0.254(再熱壓力為9.46MPa)，Best系統(tǒng)最佳再熱壓比0.201(再熱壓力為7.47MPa)，做出各自循環(huán)熱力過(guò)程-圖，分別如圖5、6 所示。對(duì)于MC系統(tǒng)，蒸汽在高壓缸做功以后，一部分蒸汽回到再熱器中進(jìn)行再熱，另一部分蒸汽則進(jìn)入Best小汽輪機(jī)做功，因此進(jìn)入再熱器進(jìn)行再次加熱的蒸汽量減少。通過(guò)與參比系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比可知，MC系統(tǒng)減小了再熱循環(huán)的附加循環(huán)再熱動(dòng)力系數(shù)rh，削弱了再熱的影響。換句話說(shuō)，MC系統(tǒng)再熱系統(tǒng)的附加動(dòng)力系數(shù)隨著一次再熱壓力的升高而降低，造成最佳一次再熱壓力比參比系統(tǒng)提前出現(xiàn)，即最佳一次再熱壓力降低。

圖5 參比系統(tǒng)T-S圖

圖6 Best系統(tǒng)T-S圖

3.4 超超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成及余熱利用

優(yōu)化后參比機(jī)組的最佳再熱壓比為0.254(再熱壓力為9.46MPa)的熱力系統(tǒng)稱為優(yōu)化方案1，進(jìn)一步對(duì)方案1的熱力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。為了進(jìn)一步降低3、4、5和6級(jí)回?zé)峒訜崞鞯倪^(guò)熱度，在方案1基礎(chǔ)上，提出以下方案：在3#回?zé)岢槠渭友b外置式蒸汽冷卻器(1級(jí)外冷器)的方案2；同時(shí)在3#和4#回?zé)岢槠渭友b外置式蒸汽冷卻器(2級(jí)外冷器)的方案3；同時(shí)在3#、4#和5#回?zé)峒訜崞鞯某槠渭友b3級(jí)外置式蒸汽冷卻器(3級(jí)外冷器)的方案4；同時(shí)在3#、4#、5#和6#回?zé)岢槠渭友b外置式蒸汽冷卻器(4級(jí)外冷器)的方案5。對(duì)比研究不同組合方案的熱力系統(tǒng)熱力學(xué)性能，結(jié)果如表6所示。

由表6可以看出，熱力系統(tǒng)采用不同外置式冷卻器方案后，抽汽的過(guò)熱度大大降低的同時(shí)，給水溫度也有不同程度的提高。在相同出力 1 000MW的前提下，優(yōu)化后無(wú)外置式冷卻器方案和加裝外置式冷卻器4種不同組合方案下，發(fā)電效率都有不同程度的提高。對(duì)比表6發(fā)現(xiàn)，對(duì)于優(yōu)化后的一次再熱機(jī)組，在采用了1級(jí)外冷器的方案2中，供電效率達(dá)49.48%，比一次再熱機(jī)組MC系統(tǒng)的供電效率49.37%，在數(shù)值上提高了0.11%；采用方案3(優(yōu)化后的2級(jí)外置式冷卻器)時(shí)，供電效率比優(yōu)化前一次再熱機(jī)組在數(shù)值上提高了0.30%；采用方案5(優(yōu)化后的4級(jí)外置式冷卻器)時(shí)，供電效率在數(shù)值上提高了0.40%。因此，本文選擇方案3和方案5為優(yōu)選方案。

表6 不同組合方案的熱力系統(tǒng)熱力學(xué)性能對(duì)比

對(duì)其進(jìn)行煙氣余熱利用，將15.46MW熱量加熱給水從4#高加進(jìn)口引出部分流量，加熱后回到1#高加出口，給水溫度從原4#高加進(jìn)口水溫升高到1#高加出口水溫；將10.89MW熱量從8#低加進(jìn)口引出部分凝結(jié)水流量，加熱后回到6#低加出口，凝結(jié)水溫度從原8#低加進(jìn)口水溫升高到6#低加出口水溫。方案3和方案5余熱利用熱力學(xué)性能對(duì)比如表7所示?？梢钥闯?，方案3(采用2級(jí)外冷器)余熱利用系統(tǒng)供電效率高達(dá)50.02%，比優(yōu)化前不采用余熱利用機(jī)組在數(shù)值上增加了0.84%；方案5(采用4級(jí)外冷器)余熱利用系統(tǒng)供電效率高達(dá)50.07%，比優(yōu)化前不采用余熱利用機(jī)組在數(shù)值上增加了0.89%，效果顯著。

表7 方案3和方案5余熱利用熱力學(xué)性能對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)燃煤發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng)完善度不佳的問(wèn)題，采用熱力學(xué)參數(shù)優(yōu)化、匹配及結(jié)構(gòu)集成方法，提出700℃超超臨界一次再熱發(fā)電優(yōu)化系統(tǒng)，得到如下結(jié)論：

1）在700℃超超臨界一次再熱參比系統(tǒng)中，分析得到中壓缸抽汽的平均過(guò)熱度高達(dá)300℃，針對(duì)抽汽過(guò)熱度偏高的問(wèn)題，引進(jìn)MAST CYCLE熱力系統(tǒng)，分析得到機(jī)組平均過(guò)熱度降低到了 58℃，供電效率由49.18%增加到了49.37%，在數(shù)值上增加了0.19%。

2）基于汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)匹配及系統(tǒng)優(yōu)化的方法，對(duì)700℃超超臨界一次再熱參比系統(tǒng)的再熱壓力和抽汽點(diǎn)熱力參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的機(jī)組供電效率在數(shù)值上提高了0.16%。

3）對(duì)于優(yōu)化后的一次再熱機(jī)組，在采用了4級(jí)外冷器的方案5中，供電效率達(dá)到49.58%，比參比系統(tǒng)在數(shù)值上提高了0.40%；并對(duì)方案5進(jìn)行余熱利用，系統(tǒng)供電效率高達(dá)50.07%，比參比系統(tǒng)機(jī)組在數(shù)值上增加了0.89%，效果顯著。

4）建議汽輪機(jī)制造廠針對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行高中低三缸負(fù)荷優(yōu)化設(shè)計(jì)，尤其是要對(duì)汽輪機(jī)通流部分進(jìn)行校核設(shè)計(jì)；針對(duì)Best小汽輪機(jī)進(jìn)行通流部分設(shè)計(jì)評(píng)估并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)研究，為今后 700℃超超臨界系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

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Optimization of 700℃ Ultra-supercritical Single Reheat Power Generation System

YANG Mei1,2, ZHOU Yunlong1*, YANG Jinfu2, WANG Di1, HAN Dongjiang2, BAO Jiaxin1

(1. School of Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. Chinese Academy of Sciences University, Haidian District, Beijing 100190, China)

The superheat degree of steam extraction is high in the ultra-supercritical single reheat unit. It results in largely irreversible loss and poor system perfection. The thermodynamic performance of the MAST CYCLE thermodynamic system was analyzed, which can effectively reduce the superheat of regenerative extraction steam. However, the system is relatively complex. The optimization system of single reheat with 4-stage external coolers is the best scheme of system integration, and the power supply efficiency reaches 49.58%.The waste heat of the system was used. The calculation results show that the power supply efficiency of the system reaches 50.07%，which provides a more effective way for the optimization design of 700 ℃ ultra-supercritical unit system.

ultra-supercritical unit; MAST CYCLE thermodynamic system; pressure optimization; waste heat utilization; power supply efficiency

2021-04-29。

10.12096/j.2096-4528.pgt.21046

TK 47

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFB0604404)；吉林市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20190104125)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2018YFB0604404); Jilin Science and Technology Development Plan Project (20190104125).

(責(zé)任編輯 楊陽(yáng))