BEST技术用于超超临界二次再热机组的可行性分析.pdf

《BEST技术用于超超临界二次再热机组的可行性分析.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《BEST技术用于超超临界二次再热机组的可行性分析.pdf（6页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、BEST 技术用于超超临界二次再热机组的可行性分析 邓攀1，王亚军2 (1. 神华国华广投（北海）发电有限责任公司， 广西 北海 536000； 2. 中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063) 摘 要：为降低二次再热发电机组的回热抽汽过热度，提高机组经济性，提出了采用背压抽汽汽轮机 （BEST）的节能配置方案。通过介绍 BEST 技术在回热汽源、排汽走向、材料选用等方面的特点，详细阐 述了采用 BEST 技术的二次再热发电机组在设计、制造、运行与控制中的技术难点，对 BEST 技术用于高参 数二次再热发电机组的可行性进行了技术探讨和经济性分析。分析结果表明，采用 BES

2、T 技术，单台机组 初投资可减少约 2 400 万元，年利润可增加约 4 500 万元。 关键词：燃煤发电；二次再热循环；回热系统；背压式抽汽汽轮机（BEST）；双馈电机；调速箱 中图分类号：TK262 文献标志码：A DOI：10.11930/j.issn.1004-9649.201804011 0 引言 背压抽汽汽轮机（backpressure extraction steam turbine，BEST）在朗肯循环的基础上对吸热过程 加以改进，系统配置中背压抽汽汽轮机作为给水 泵汽轮机（小汽轮机），其汽源来自汽轮机主机 抽汽，其抽汽在回热加热器内加热给水，从而提 高了给水温度，减少了低温水

3、在锅炉中的吸热。 由于系统循环的平均吸热温度提高，系统的循环 热效率也随之提高。随着“一带一路”国家战略 的推进，作为古代海上丝绸之路的重要始发地， 广西北部湾经济区某地兴建一座煤炭能源基地， 工程新建 21 000 MW 超超临界二次再热燃煤发电 机组，汽轮机型式为超超临界压力、二次中间再 热、单轴、五缸四排汽凝汽式，汽轮机额定参数 为 31 MPa/600/620/620。由于该工程二次再 热机组的一次再热和二次再热温度均为 620， 再热之后的各级抽汽过热度大大增加，尤其是高 压缸的第 1 级抽汽（2 段抽汽）和中压缸的第 1 级 抽汽（4 段抽汽），分别有 260 和 325 的过热

4、度1-2。针对再热后抽汽过热度过高的现象，通用 的做法是增加外置蒸汽冷却器来加热锅炉给水3， 提高机组经济性，但回热系统换热温差大的问题 并没有解决，为此，提出一种新型的 BEST 系统 机组节能配置方案，即配置背压抽汽小汽轮机的 二次再热机组热力系统4，对其应用于超超临界 二次再热机组的可行性进行分析。 1 BEST 方案简介 在采用 BEST 小汽轮机的机组上，回热系统 方案为从超高压缸排汽（一次再热机组从高压缸 排汽口）引出一部分来，用于驱动小汽轮机，小 汽轮机采用背压式机型，同时将原布置于超高压 缸、高压缸内的各级抽汽系统移到小汽轮机汽缸 上实现5。该项技术最初的提出主要是为了适应 下

5、一步将要实施的高超超临界（HUSC）700 机 组而研发的6。采用 HUSC 技术后，汽轮机抽 汽、回热系统的参数大幅提升，相应的抽汽管道 和高压加热器的进汽参数也在提高。如二级抽汽 的蒸汽温度将达到 660、抽汽压力将达到 5.27 MPa， 过热度为 393，必须采用 Ni 基合金材料才能满 足使用要求7-9，而新的 Ni 基合金材料在研制过 程中出现的问题限制了蒸汽参数的进一步提升10-12， 且投用后也会大大增加工程造价。如果通过采用 BEST 技术，二级抽汽的蒸汽温度可降低至 393.7， 只要采用 20 号钢即可满足使用要求，起到了降低 工程造价、提高安全性的目的。同时，用过热度

6、较低的小汽轮机抽汽和排汽替代过热度高的汽轮 机抽汽来加热给水和凝结水，可减少高过热度抽收稿日期收稿日期：20180408； 修回日期修回日期：20180426。 第第 51 51 卷卷 第第 7 7 期期中国电力中国电力Vol. 51, No. 7Vol. 51, No. 7 2018 2018 年年 7 7 月月 ELECTRIC POWER Jul. 2018Jul. 2018 84 汽的不可逆损失，降低排汽损失。 1.1 系统布置 用小汽轮机、给水泵、调速箱和双馈发电机 组成给水泵汽轮机组，小汽轮机一侧与给水泵直 接相连，另一侧通过调速箱与双馈发电机组相 连。小汽轮机汽源取自超高压缸排汽

7、，小汽轮机 设有抽汽口用于加热回热系统给水。相比传统回 热系统，抽背式给水泵汽轮机回热系统（带小发 电机）方案取消了 2 台外置式蒸汽冷却器13-14， 但增加了 1 台低压除氧器，1 台双馈发电机，1 台 调速箱。图 1 为常规二次再热发电机组原则性系统。 1.2 回热系统汽源设计 除第一个高压加热器采用主机超高压缸排汽 外，其余高压加热器、除氧器均采用小汽轮机抽 汽。在这种系统设置中，回热系统的两级外置式 蒸汽冷却器可以取消。图 2 为配 BEST 小汽轮机 的二次再热机组原则性系统15。 1.3 小汽轮机抽汽数量方案分析 对于小汽轮机抽汽数量，需根据给水泵所需 功率、小汽轮机进汽流量、小

8、汽轮机排汽背压等 多因素综合考虑，初步设想有 3 抽 1 排、4 抽 1 排 和 5 抽 1 排 3 种方案，经分析比较，采用 4 抽 1 排方案时，各因素较为匹配15。小汽轮机与主机 相配，高效点均选在 THA 工况，小汽轮机进汽阀 保持常开，以减小节流损失。该方案小汽轮机采 用蜗壳进汽、等径通流、新型叶片，同时配小发 电机平衡方式，通过控制发电机的出力来调节给 水泵转速，可减少 BEST 小汽轮机入口节流损 失，提高小汽轮机效率。据小汽轮机设备厂计 算，小汽轮机效率可达到 90%。 1.4 小汽轮机汽量平衡方式 在小汽轮机汽量平衡时需考虑进行排汽节流 平衡、抽汽补汽平衡和配小发电机平衡。排

9、汽节 流平衡和抽汽补汽平衡存在节流损失，导致小汽 轮机效率下降，经济性较差；而配小发电机平衡 方式，通过控制发电机的出力来调节给水泵转 速，可减少 BEST 小汽轮机入口节流损失，提高 小汽轮机效率，同时通过发电机多发电，可减少 厂用电，提高电厂的售电收益。因此，本项目拟 采用配双馈发电机平衡方案。 1.5 小汽轮机排汽 采用 BEST 小汽轮机的二次再热机组小汽轮 凝结水泵B 凝结水泵A 123 78910 主蒸汽 二次高温 再热蒸汽 低压旁路 至冷气机 低压旁路 锅炉 超高压缸 主蒸汽 12 19 2 20 中压缸 2 低压缸A 2 低压缸B 2 发电机 3 4 18 轴封冷却水 22 疏

10、水冷却器 567810 低压加热 器疏水泵 低温烟气 换热器 二级低温 省煤器 至辅助 蒸汽 9除氧器 17 15 3号低压 加热器 2号低压 加热器 1号低压 加热器 4号 低压 加热 器 111213 14 高温烟气换热器 M 2323 主蒸汽 轴封漏气 门杆漏气 凝汽器 凝结水精 处理装置 一级低温 省煤器 10号 低压 加热 器 9号 低压 加热 器 8号 低压 加热 器 7号 低压 加热 器 6号 低压 加热 器 电泵前置泵 汽动 给水泵前置泵 2号 高压 加热 器前 置冷 却器 2号 高压 加热 器前 置冷 却器 一次低温 再热蒸汽 再热蒸汽 二次低温 高压 旁路 中压旁路 一次高

11、温 再热蒸汽 汽动给水泵 给水泵汽轮机 电动定速给水泵 图 1 常规二次再热机组原则性系统 Fig. 1 The general double-reheat power generation unit system 第第 7 7 期期邓攀等：BEST 技术用于超超临界二次再热机组的可行性分析 85 机 排 汽 去 向 为 5 号 低 压 加 热 器 （ 表 面 式 换 热 器）。在实际运行情况下，考虑到事故状态时低 压加热器解列运行的工况，5 号低压加热器解列 将对小汽轮机汽量平衡、排汽去向造成影响，因 此，将小汽轮机排汽去向改为低压除氧器，即回 热系统中设置个除氧器。回热系统配置方案如 图

12、3 所示。 2 BEST 技术特点 与现有热力系统相比，BEST 回热系统利用再 热前的蒸汽（超高压缸排汽）驱动背压抽汽小汽 轮机，从小汽轮机中抽汽加热给水，该系统有以 下优点。 2.1 节能降耗 目前普遍采用的主汽轮机抽汽回热系统中， 高压加热器采用高、中压缸抽汽，蒸汽能级较 高，属于高能低用，能级损失大。采用 BEST 技 术后，减少了能级损失，保证高能级蒸汽用于发 电，较低能级的蒸汽用于加热给水，提高了运行 经济性；汽轮机中压缸无抽汽，可提高中压缸通 流效率；BEST 小汽轮机类似于非再热机组中压 缸，比常规全容量给水泵汽轮机效率要高 5%6%。 经理论计算，采用 BEST 后，汽轮机组

13、热耗 降低约 40 kJ/(kWh)16，热耗率降低 0.5%。 2.2 降低设备制造成本 采用背压式小汽轮机，可减少主汽轮机凝汽 器面积，降低汽轮机制造成本；锅炉给水温度下 降，降低锅炉制造成本；由于小汽轮机设计容量 增加，相应减小汽轮机高、中压缸设计容量，减 少高等级材料的使用量；大幅降低抽汽温度，相 关抽汽管道、阀门、加热器的材料等级可以降 低，外置式蒸汽冷却器可以取消17，节约管道、 阀门及设备的制造成本，消除高压加热器高参数 带来的可靠性风险。 2.3 再热系统蒸汽流量减少 小汽轮机汽源为超高压缸排汽，这部分蒸汽 不再进入再热系统，可显著减少进入再热器的蒸 汽流量，减少再热器的换热面

14、积，减少再热器管 道用量，从而降低再热系统的造价。据上海电气 集团统计，再热蒸汽流量可下降 15%。 3 实施 BEST 技术的关键 采用 BEST 小汽轮机的二次再热机组中，除 回热系统中，由于小汽轮机抽汽过热度较常规 低，压力相差不大，对应的加热器设计难度较 小，现有加热器形式能满足要求，其余的主要设 LQSTK L Q SQSTQ S TSTS TSTS TT LPSTS T GM G 锅炉 10.44P BEST 小汽轮机 S 3 221.2 G QPLR T 二次高温再热蒸汽一次高温再热蒸汽 主蒸汽 低压缸中压缸高压缸 超高 压缸 发电机 9号低压 加热器 8号低压 加热器 7号低压

15、 加热器 6号低压 加热器 5号低压 加热器 4号高压 加热器 3号高压 加热器 2号高压 加热器 1号高压 加热器 4.50 kPa 图 2 配BEST 小汽轮机二次再热机组原则性系统 Fig. 2 The system of double-reheat power generation unit with BEST 中 国 电 力中 国 电 力第第 51 51 卷卷 86 备均需做大量的研发工作。 3.1 BEST 小汽轮机的设计制造 BEST 小汽轮机为单缸、抽汽、背压机式机 组，出于抽汽的考虑采用双层缸的设计，目前国 内外还没有完成的产品，只是处于概念设计阶 段，主要的难点在于小汽轮机

16、通流部分设计、结 构强度、控制保护逻辑；究其本身的工作参数， 该类机型本体结构设计并不具备很大的难度，但 是由于通流部分的小跨距、高转速，以及大抽汽 容积流量，造成了该机型的抽汽腔室要求高，腔 室之间的密封难度大。另外，小汽轮机的控制保 护逻辑也是全新的。 3.2 汽轮机设计制造 汽轮机超高压（VHP）缸进口质量流量增加 约 5%，对于常规 1 000 MW 机组现有高压模块仍 然可以覆盖 调节阀全开工况（VWO）流量3，但 通流部分需要重新设计。高压（HP）缸进口质量 流量减小约 20%，如仍采用双流形式，现有 HP 模块可以覆盖，仅通流部分需要重新设计；由于 HP 缸进口容积流量与一次再热

17、中压半侧基本相当， 但是进口压力高、排汽温度也高，如采用单流形 式，需要进一步评估叶片以及转子轮缘强度。 3.3 WINDRIVE 调速箱选用 小汽轮机与小发电机间需要考虑可调速连接 设备，使得小汽轮机在泵侧不同的输入转速下， 为 电 机 输 出 额 定 的 转 速 。 经 调 研 了 解 ， 只 有 VOITH 公司的 WINDRIVE 产品可以满足要求。该 设备安装在小发电机和 BEST 小汽轮机之间，用 以传递功率，其中 70% 功率通过齿轮箱传递，30% 功率通过液力传递，传递功率大，调节范围宽， 制造难度很大。 3.4 给水泵汽轮机组轴系匹配 由于小汽轮机同时向给水泵和小发电机侧两

18、侧输出负荷，在变负荷时，要通过 WINDRIVE 调 速箱同时改变转速和扭矩（扭矩就是负荷），不 好协调，而且扭矩只能改变 20% 左右，在轴系匹 配上要做好详细计算。 3.5 BEST 小汽轮机控制方式 机组运行中需协调给水泵、小发电机轴功率 与小汽轮机进汽量的平衡，同时还要满足协调除 氧器、高压加热器与小汽轮机排汽参数的变量， 热工控制逻辑较复杂。在机组特殊工况，如加热 器切除、辅机故障减负荷（RB）、发电机甩负荷 后，需要快速稳定转速，连接设备对转速的响应 情况能否满足要求有待验证。 3.6 节能调节 BEST 小汽轮机的节能是一个系统工程，必须 整个系统（含小汽轮机、给水泵、加热器等）

19、全 LQSTK L Q SQSTQ S TSTS TSTS TT LPSTS T GM 超高 压缸 高压缸中压缸低压缸 G 锅炉 BEST 小汽轮机 4.50 kPa Q P LR T 一次高温再热蒸汽二次高温再热蒸汽 主蒸汽 发电机 8号低压 加热器 7号低压 加热器 6号低压 加热器 5号低压 加热器 1号高压 加热器 2号高压 加热器 3号高压 加热器 4号高压 加热器 除氧器B 除氧器A 图 3 回热系统配置方案 Fig. 3 The layout of heat regeneration system 第第 7 7 期期邓攀等：BEST 技术用于超超临界二次再热机组的可行性分析 87

20、 部配置合理才会节能。另外，负荷低至 75% 以下 时，BEST 技术节能效果会有明显下降。 3.7 双馈电机选用 使用 BEST 小汽轮机的发电量较大，据初步 估算，在 100% 负荷下，小发电机的功率为 11 MW， 75%THA 工况下，可达 16 MW。双馈发电机系统 虽然整体效率较高，但目前单机最大功率仅为6 MW， 最多可并联 2 台小发电机，需调整小汽轮机的回 热系统，控制其最大发电功率不超过 11 MW。另 外，双馈电机的可靠性能否满足电厂运行要求尚 需在运行中实践18。目前正在研究由变频技术取 代双馈发电机的方案。 4 BEST 技术的经济性 相比于常规二次再热技术方案，BE

21、ST 小汽轮 机系统的经济性主要通过以下两个方面来体现。 4.1 初投资 回热系统投资减少 2 400 万元，BEST 小汽轮 机配套投资增加 4 000 万元，厂房、主机、高温 高压管道分别降低 2 000 万元、1 000 万元、1 000 万元，合计初投资降低 2 400 万元。 4.2 热经济收益 THA 工况、75%THA 工况、50%THA 工况热 耗分别降低 39 kJ/(kWh)、52 kJ/(kWh)、19 kJ/ (kWh)，每年可节约成本约 720 万元；BEST 小汽 轮机拖动给水泵所多余功率，通过小发电机发电 并挂入厂用电网，可有效降低厂用电率，带来的 多发电的收益每

22、年增加利润约 3 800 万元，合计 每年可增加利润 4 500 万元。 5 结语 目前 BEST 技术在国内大型火电机组上尚无 投运业绩，对于小汽轮机效率、运行方式的研究 仍在继续，但是随着机组运行参数不断提高，作 为提高机组运行效率、减少高等级材料使用量、 降低工程造价的一个有效手段，采用该项技术仍 是值得重点考虑的一个方案。 参考文献： 殷亚宁. 二次再热超超临界机组应用现状及发展J. 电站系统工1 程, 2013(2): 3738. YIN Yaning. Application status and development of USC unit with double reheat

23、 cyclesJ. Power System Engineering, 2013(2): 3738. 高昊天, 范浩杰, 董建聪, 等. 超超临界二次再热机组的发展J. 锅 炉技术, 2014, 45(4): 13. GAO Haotian, FAN Haojie, DONG Jiancong, et al. Development of ultra supercritical unit with double reheat cycleJ. Boiler Technology, 2014, 45(4): 13. 2 阳光, 陈仁杰, 朱佳琪. 1 000 MW 超超临界二次再热燃煤发电示 范工

24、程总体设计方案J. 中国电力, 2017, 50(6): 1216. YANG Guang, CHEN Renjie, ZHU Jiaqi. General design of 1 000- MW ultra-supercritical double-reheat demonstration power plantJ. Electric Power, 2017, 50(6): 1216. 3 杨宇, 范世望, 蒋俊, 等. 超超临界 1 000 MW 机组加热器对系统热 耗率的影响J. 热力发电, 2016, 45(5): 7983. YANG Yu, FAN Shiwang, JIANG J

25、un, et al. Influence of heater on heat consumption rate of an ultra supercritical 1 000 MW unit steam turbineJ. Thermal Power Generation, 2016, 45(5): 7983. 4 KJAER S, DRINHAUS F, KJAER S, et al. A modified double reheat cycleC/ ASME 2010 Power Conference. Chicago, USA, 2010: 285-293. 5 高嵩, 赵洁, 黄迪南.

26、 1 000 MW 超超临界二次再热燃煤发电技术 J. 中国电力, 2017, 50(6): 611. GAO Song, ZHAO Jie, HUANG Dinan. Double-reheat coal-fired power generation technologies for 1 000-MW ultra-supercritical unitsJ. Electric Power, 2017, 50(6): 611. 6 牛海明, 邱忠昌, 黄焕袍. 1 000 MW 二次再热超超临界机组再热 汽温控制策略及工程应用J. 中国电力, 2017, 50(9): 138142. NIU H

27、aiming, QIU Zhongchang, HUANG Huanpao. The reheat steam temperature control strategy for the 1 000 MW ultra- supercritical double-reheat unit and its applicationJ. Electric Power, 2017, 50(9): 138142. 7 迟成宇, 于鸿垚, 谢锡善. 世界 700 等级先进超超临界电站关键 高温材料J. 世界钢铁, 2013(2): 4259, 63. CHI Chengyu, YU Hongyao, XIE X

28、ishan. Critical high temperature materials for 700 A-USC power plantsJ. World Iron and Steel, 2013(2): 4259, 63. 8 毛健雄. 700 超超临界机组高温材料研发的最新进展J. 电力建 设, 2013, 34(8): 6976. MAO Jianxiong. Latest development of high-temperature metallic materials in 700 ultra-supercritical unitsJ. Electric Power Constru

29、ction, 2013, 34(8): 6976. 9 中 国 电 力中 国 电 力第第 51 51 卷卷 88 毕凯, 周荣灿, 唐丽英. 700 超超临界机组锅炉用 617B 合金的烟 气腐蚀行为研究J. 热力发电, 2016, 45(2): 6874. BI Kai, ZHOU Rongcan, TANG Liying. Fire-side corrosion behavior of alloy 617B used for 700 ultra-supercritical unit boilerJ. Thermal Power Generation, 2016, 45(2): 6874.

30、10 中国国家机械工业部. 钢制压力容器分析设计标准 (2005 年确 认): JB 47321995S. 北京: 机械工业出版社, 2005. 11 中国国家标准化管理委员会. 压力容器: GB 150.1150.42011S. 北京: 中国标准出版社, 2012. 12 韩宾, 徐庆磊, 胡方, 等. 1 000 MW 二次再热机组高压加热器系统 开发及应用J. 中国电力, 2017, 50(6): 1720. HAN Bin, XU Qinglei, HU Fang, et al. Development and application of HP heater system for 1

31、 000-MW double reheat unitsJ. Electric Power, 2017, 50(6): 1720. 13 赵毅, 安敏善. 回热再热汽轮机热力系统参数综合优化研究J. 中 国电机工程学报, 1991, 11(1): 4956. ZHAO Yi, AN Minshan. A study of comprehensive optimization for regenerative reheat units power system parametersJ. Proceedings of the CSEE, 1991, 11(1): 4956. 14 曹昊, 王亚军.

32、神华国华广投北海电厂 21 000 MW 新建工程初步 设计 T-turbine 技术专题报告R. 上海: 华东电力设计院, 2015. 15 杨宇, 夏晓华, 蒋俊. 超超临界 1 000 MW 机组梯次循环热力系统 能损分析及优化J. 热力发电, 2015, 44(8): 7478. YANG Yu, XIA Xiaohua, JIANG Jun. Energy loss analysis and optimization on an ultra supercritical 1 000 MW unit thermal system using echelon cycleJ. Thermal

33、 Power Generation, 2015, 44(8): 7478. 16 朱朝阳. BEST 热力系统焓升分配和再热蒸汽压力优化J. 热力发 电, 2017, 46(4): 8892. ZHU Chaoyang. Enthalpy rise distribution and optimization of reheat steam pressure for BEST systemJ. Thermal Power Generation, 2017, 46(4): 8892. 17 赵勇, 王路路, 赵祎涵, 等. 双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障 特征提取J. 热力发电, 2016,

34、45(8): 6367. ZHAO Yong, WANG Lulu, ZHAO Yihan, et al. Feature extraction of stator winding inter-turn short circuit fault in doubly-fed induction generatorJ. Thermal Power Generation, 2016, 45(8): 6367. 18 作者简介：作者简介： 邓攀 (1972)，男，工程师，从事火力发电技术的研 究与管理，E-mail：1940244273。 （责任编辑 张燕） Feasibility Analysis o

35、n BEST Technology for Ultra Supercritical Units with Double-Reheat Cycle DENG Pan1, WANG Yajun2 (1. Shenhua Guohua Guangtou (Beihai) Power Generation Company Limited, Beihai 536000, China; 2. East China Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200063, China) Abstract: To lower the superhe

36、at degree of the extraction steam of the heat regenerative system and improve the economic efficiency of the double-reheat power generating units, an energy-saving plan with the backpressure extraction steam turbine (BEST) allocated is proposed. Through the introduction of the BEST characteristics s

37、uch as heat recovery steam source, exhaust direction and material selection, the technical issues in the design, manufacturing, operation and control of the double-reheat power generating units adopting BEST are presented, and the feasibility and economic performance of BEST used in high-parameter d

38、ouble-reheat power generating units are also analyzed. The analysis results show that with the BEST technology adopted, the investment of single unit can be reduced by about 24 million RMB while the annual profit can be increased by about 45 million RMB. Keywords: coal-fired power generation; double-reheat cycle; heat regenerative system; backpressure extraction steam turbine (BEST); AC excited motor; speed governor 第第 7 7 期期邓攀等：BEST 技术用于超超临界二次再热机组的可行性分析 89