国内二次再热高效燃煤机组关键技术探析

郑文广，贾小伟，阮慧锋，刘心喜

（华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030；浙江省蓄能与建筑节能技术重点实验室，浙江 杭州 310030）

化石能源是中国重要的一次能源，在发电当中占主导地位。随着化石能源的枯竭和环保要求的提高，如何提高燃煤机组的整体效率是当前重要研究课题，二次再热技术和提高蒸汽参数则是节能降耗、提高机组效率的主要方向。受金属材料和机组运行安全限制，提高蒸汽参数比较难以实现，因此，大力发展二次再热技术是提高燃煤机组经济和环保收益的最佳途径。

1 二次再热机组的发展和应用

在国际上，从20 世纪50 年代开始，美国、德国、日本、丹麦等国家均建设了一批二次再热机组，据不完全统计，国外投入运行的二次再热机组至少有52 台[1]。国际上的二次再热机组建设分两个阶段，第一阶段（1957—1976 年），以美国和日本为主，建设了超过40 台二次再热机组。第二阶段（1989 至今），以欧洲和日本为主，最新投运的二次再热机组为丹麦Nordjylland#3 机组，目前DONG Energy 正在开发900 MW 二次再热机组，示范项目位于波兰。

中国从2009 年开始进行二次再热技术研究（储备），2012-09 全球第一台百万等级超超临界二次再热发电示范项目——国电泰州二期工程三大主机正式签约，该工程的两台机组已分别于2015-09 和2016-01 正式投入商业运行[2]，2012-11 月华能集团下属两个项目——莱芜2×1 000 MW 机组扩建和安源2×660 MW 机组工程三大主机正式签约，标志着中国火电机组在高参数、低煤耗技术领域，进入全球先进行列。

2 二次再热机组关键技术

二次再热锅炉相对于一次再热，不仅仅是增加一级再热，在设计时要考虑机组参数和材料的选取、调温方式的选择、温度偏差的控制等一系列问题，因此，二次再热机组的设计是一个相当复杂的优化过程。

2.1 机组参数选择

选择合适的机组参数，对二次再热机组设计来说非常重要。根据理想工况热力循环的计算结果，再热器压力一般取高压缸入口压力的20%～35%。机组经过二次再热后，压力比一次再热机组下降较多，汽轮机排汽湿度加大，若需保证低压加热蒸汽压力和汽轮机低压缸运行安全，则需要提高过热器出口压力，即提高主蒸汽压力。增加主蒸汽压力，虽然于机组效率有利，但对主机高压部件、高压加热器的强度、严密性均提出了更高的要求。随着主蒸汽压力的提高，承压部件的壁厚必然增加，设备造价也相应提高。因此，从设备、材料、效率等多方面综合考虑，主蒸汽压力一般选取31 MPa左右。鉴于国内外近些年新建且已投产的超超临界汽轮机主蒸汽温度均已达到600 ℃，相关技术已相当成熟，所以主蒸汽温度可以取600 ℃。

提高再热蒸汽温度不仅有利于机组经济性，同时还能降低低压排汽湿度[3]。但当前材料限制了再热蒸汽温度提高，在目前使用的材料档次前提下，再热蒸汽温度可以达到620 ℃。

2.2 机组材料选择

因为温度和压力的增加，使得二次再热锅炉受热面材料也有相应的变化，需要在常规超超临界机组的设计方案上进行材料调整。与一次再热机组相比，二次再热机组增加了一级再热循环，锅炉主汽、一次再热蒸汽、二次再热蒸汽三者之间吸热特性发生变化，吸热平衡和汽温调节控制相对复杂。这就要合理分配各受热面的吸热比例，并在合适的位置布置受热面，且布置足够多的受热面积，满足各级汽温要求[4]。

因再热蒸汽压力较低，适当增加再热器出口温度，同时采用控制偏差的措施降低再热器出口壁温的增减幅度，可以满足在目前的材料结构下将再热蒸汽出口温度提高至610～620 ℃的要求[5]。

在维持常规一次再热机组材质和设计方案不变的基础上，再热蒸汽温度可以提高到613 ℃，但是材料的温度余量减少；如果提高再热器出口汽温至623 ℃，高再出口集箱、管道、受热面的壁温会有相应增加，因此需要着重关注材料的安全性。具体如下。

2.2.1 高再出口集箱和管道材质

高再出口连接管原设计温度为608 ℃，出口蒸汽温度增加到623 ℃，则其设计温度会达到628 ℃，在这个温度范围的管道仍可选用材料SA-335P92。

在高再出口集箱设计时，采用减少温度偏差的方法，可将此集箱的设计温度控制在630 ℃内，因此高再出口集箱仍可选用SA-335P92。

集箱的另一种备选材料为SA-335P122，其使用温度最大为650 ℃，其抗氧化性能比P92 略高。但由于其许用应力较P92 低，所需要的材料规格壁厚较大，质量较重。

2.2.2 高再受热面管材质

炉内受热面采用的不锈钢管，其管材HR3C、SUPER304H 等最高使用温度为720 ℃，温度余量较大，在620 ℃的参数下仍可以满足要求[6]。因此，炉内管仍可选用这些材质。但是为了适应温度提高，管壁的厚度需要相应增加。

2.2.3 出口炉外段与集箱连接的管接头材质

按常规超超临界锅炉方案，出口炉外段与集箱连接的管接头设计壁温将在650 ℃左右[7]，SA-213T92 或SA-213T122的最高使用温度为650 ℃，因此可以采用这两种材料。为了留有一定的温度余量，需要通过采取相应的措施，控制此管接头的设计温度为640 ℃左右，那么管接头材料仍可选用SA-213T92 或 SA-213T122。

2.3 再热器温度偏差控制

通过采取一系列热力和水力优化措施，可以把温度控制在T92/T122 材料的许用壁温以内。可以采取的措施有：①优化炉膛结构，减少锅炉左右两侧的烟气温度偏差，从而减少左右侧汽温偏差；②降低高再的焓增，将原高再拆分成中再和高再两部分，以降低屏间汽温偏差；③中再至高再的连接管道左右交叉布置，减少高再进口汽温左右侧偏差；④在水平烟道内高温过热器的后面顺流布置高温过热器，使其处于烟气温度相对较低的烟道内，有利于高温再热器的安全；⑤在进口集箱上对每根管子开设孔径不一的节流孔，从而调节同屏管间流量，减少同屏管排的结构、热力偏差对壁温的影响；⑥受热面的级间连接结构没有使用三通，因此就不会有三通涡流区的影响；⑦放大集箱规格，使集箱内的混合效果得到增强，屏间偏差减少；⑧放大外圈管的规格等。因此在目前使用的材料档次前提下，无论Ⅱ型锅炉还是塔型炉，均可以实现汽轮机入口再热蒸汽温度为620 ℃。采用塔式锅炉，可有效减少汽温及烟温偏差。

由上海锅炉厂设计制造的国内首台高效超超临界参数锅炉——淮沪煤电田集电厂＃3 机组于2013-12-22 通过168 h满负荷试运行，实现了在623 ℃的再热温度下的再热器温度偏差可控运行。

2.4 锅炉受热面布置及蒸汽温度调节方式

二次再热机组相对于一次再热机组增加了一级受热面，这样就使二次再热机组的锅炉受热面布置更加复杂，设计上要重新考虑受热面吸热量的分配。同样的，对于再热蒸汽温度调节上面，也不能仅仅像一次再热机组采用烟气挡板和喷水减温两种调温方式，而要综合受热面的布置方式，采取更加快速精准的调温手段。

目前，国内三大主机厂商对二次再热机组设计选型都有相应的研究及应用。下面，分别以三大锅炉厂典型1 000 MW二次再热机组为例，介绍一下二次再热机组的几种受热面布置及蒸汽温度调节方式。

2.4.1 上锅

上锅设计的1 000 MW 超超临界二次再热锅炉选用是单炉膛塔式锅炉、切圆燃烧方式、膜式水冷壁、尾部双烟道、固态排渣、平衡通风，全钢悬吊结构。锅炉中全部的受热面（水冷壁和悬吊管除外）均采用卧式布置，且布置在炉膛的上方，尾部烟道中并没有受热面，仅仅作为炉膛和空气预热器的联通烟道[9]。

采用三级过热器，第一、第二级过热器采用逆流布置，第三级过热器采用顺流布置。过热蒸汽采用“煤水比+喷水减温”的调温方式调节。

锅炉一次、二次再热系统均布置两级受热面。高温再热器布置在高烟温区域，顺流布置，既能吸收炉内直接辐射热，又能靠对流换热吸收热量；低温再热器布置在烟气温度相对较低的区域，逆流布置，通过对流换热吸收热量。再热蒸汽采用“烟气挡板+摆动燃烧器+喷水减温”的调温方式。

省煤器布置在炉膛的最上部的出口处，主要通过对流换热来降低炉膛出口的烟气温度。由于省煤器所处的烟气温度较低，需要采用有效的防磨措施保证省煤器的安全性，通常在选择合理的烟气流速的情况下考虑加装阻流板等措施。

2.4.2 哈锅

哈锅的1 000 MW 超超临界二次再热直流锅炉采用单炉膛塔式或Ⅱ型布置、切圆燃烧方式、膜式水冷壁、尾部双烟道、固态排渣、平衡通风、全钢悬吊结构[9]。

过热器采用三级布置，分别是低温过热器（屏式过热器）、二级过热器和末级过热器，采用煤水比作为主要汽温调节手段，并配合二级喷水减温对主汽温度进行综合调节。

高、低压再热器均为两级布置，分别为低温再热器和末级再热器。汽温以烟气挡板和烟气再循环为主要调温手段，摆动燃烧器仅作为辅助的温度调节方式。

省煤器布置在双烟道的出口两侧，通过烟气对流换热吸热。

2.4.3 东锅

东锅设计的超超临界二次再热锅炉典型方案采用单炉膛Ⅱ型锅炉，前后墙对冲燃烧方式。水冷壁采用螺旋盘绕上升加垂直管屏的膜式壁结构，尾部双烟道，平衡通风，全钢悬吊结构[10]。

过热器分为两级，屏式过热器和高温过热器，其中屏式过热器布置在炉膛上部，吸收炉膛辐射热；高温过热器布置在折焰角上方，是半辐射受热面，过热蒸汽温度采用“煤水比+喷水减温”控制。

一、二次再热器均分成低温再热器和高温再热器，均为对流传热，其中一、二次高温再热器布置在水平烟道内，一、二次低温再热器布置在前、后烟道内。再热蒸汽温度采用“烟气挡板+烟气再循环”调节，这样一次再热汽温和二次再热汽温可分别进行调节。

省煤器布置在一、二次低温再热器下方，按前后烟道顺序顺流布置。

3 结论与展望

通过对国内二次再热高效燃煤机组关键技术进行分析论述，为二次再热机组设计、选型、研究提供了参考。国内二次再热技术经过多年的发展，积累了一定的经验，三大锅炉厂也在其常规百万机组设计经验上面，创新和改进出了有自身特色的二次再热技术，未来在耐热合金材料研发的基础上，更高参数的二次再热超超临界燃煤机组将是重要发展方向。