靳朝晖 ，刘 玲 ，刘 利

(1.中国能建工程研究院IGCC&CCS 研究所，北京 100120；2.中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120)

0 引言

基于国家“3060”碳达峰、碳中和目标，我国煤电机组定位已发生根本变化，既要满足经济发展需求，又要符合减碳目标，不断提高运行质量和发电效率，实现煤电高质量转型，因此发展大容量高参数机组是火力发电厂节能减排的重要途径。

目前我国1 000 MW 一次、二次中间再热技术发展成熟，运行业绩较多。本文就1 250MW 等级高效超超临界机组的汽轮机入口主蒸汽参数、热力系统配置等进行研究，并对1 250 MW 与1 350 MW 机组的技术特点及1 250 MW 等级机组的一次再热与二次再热方案进行技术经济比较，提出1 250 MW 等级电站汽轮机组的选型建议。

1 1 250 MW等级机组技术研发情况

1.1 汽轮机技术研发情况

1 250 MW 等级一次再热机组，可采用1 000 MW 一次再热机组的成熟模块。该模块技术可靠，设计制造经验丰富。国内某汽轮机厂表示，和1 250 MW 一次再热机组方案相比，1 350 MW一次再热机组需要增加一个中压缸，必要时还可能需要增加一个高压缸，具体情况需根据工程实际进一步评估。由于机组配置的缸体数量增加，需要配置双轴轴系。1 250 MW 等级二次再热机组相比较于一次再热机组，需增加一级超高压缸，部分厂家表示需采用2 个中压缸，由于机组配置的缸体数量较多，机组轴系需采用双轴。

当汽机缸体数量过多后，如果仍采用单轴轴系，将使得轴系过长，发电机侧的轴系径向水平位移过大，进而致使产生扭振的频率增多，并对转子及其连接的结构设计影响较大，存在一定风险。根据经验，机组配7 个缸，则需设置双轴轴系。采用双轴配置相对于单轴配置，对机组灵活性运行的适应性较差，机组启停控制更为复杂。

1 250 MW 机组与1 350 MW 机组方案对比见表1 和表2 所列。可以看出，如采用1 250 MW 二次再热机组，不同的主机厂汽轮机型式各异，有单轴、6 缸6 排汽抽汽凝汽式汽轮机，也有双轴、7 缸6 排汽抽汽凝汽式汽轮机，1 350 MW 二次再热机组，均需采用双轴7 缸6 排汽抽汽凝汽式汽轮机。单轴的二次再热机组汽轮机全长相比一次再热机组有所增加，轴系结构及其应力分布也更加复杂。

表2 二次再热1 250 MW及1 350 MW汽轮机方案对比表

1.2 锅炉技术研发情况

1 250 MW 机组的锅炉可借鉴1 000 MW、620 ℃项目的技术方案和研究成果，难点在于流量增大和参数提高后，管道集箱规格随之变化，壁厚增大，制造加工困难。因此需要优化设计方案。国内某锅炉厂针对性优化措施为：1)采用双集箱布置形式，降低壁厚；2)屏式过热器出口两侧连接管分别引入高温过热器进口集箱左右侧；3)高温过热器由端头两进两出的结构改为四进四出结构，减小偏差，加强混合。

针对1 350 MW 方案，国内各锅炉厂技术路线及配置基本相同，其与1 250 MW 方案相比，锅炉受热面相应增大，锅炉炉膛结构尺寸宽、深、高方向略有增加；大板梁尺寸增大；集箱等采用双集箱方案；锅炉输入热量增加，单只燃烧器出力略有增大。

二次再热锅炉相比一次再热锅炉，汽水循环增加了二次再热，对锅侧汽水系统和受热面布置影响较大，对炉侧燃烧系统基本上没有影响。燃烧侧基本无变化，且通过受热面的合理分配，排烟温度基本相当，故对于一次再热锅炉和二次再热锅炉，锅炉效率并无明显变化。

2 汽轮机入口主蒸汽参数的选择分析

2.1 入口主蒸汽参数对机组热耗的影响

对于一次和二次再热机组，提高主机入口主蒸汽参数是提高机组热效率的重要途径。而超超临界机组的热效率主要体现在汽轮机的热耗值上，机组的进汽参数越高，其热耗值也越低，热效率则越高。如图1 所示为不同进汽压力、温度下机组热耗相对收益的变化关系。

图1 入口主蒸汽压力、温度与机组热耗的变化关系

2.2 汽轮机入口主蒸汽参数的选取

2.2.1 汽轮机入口主蒸汽压力的选取

由图1 可知，主蒸汽压力每提高1 MPa 可以降低热耗0.1%左右。

主蒸汽压力的选取与各汽轮机厂采用的制造技术有关，目前国内主要汽轮机厂已投运1 000 MW 超超临界机组主蒸汽门前额定压力有25 MPa、26.25 MPa、27 MPa、28 MPa、30 MPa等参数。1 000 MW 一次再热机组主蒸汽压力普遍为28 MPa，也有机组主蒸汽压力为30 MPa，二次再热机组主蒸汽压力普遍为31 MPa，32 MPa。

根据国内某汽轮机厂的经验，通过对汽轮机相关模块的强度和轴系等方面进行具体分析后，可对汽轮机现有模块进行升级优化，使汽轮机入口的主蒸汽压力由28 MPa 提升至30 MPa。但由于压力提升所带来的循环效率提升幅度有限，且更进一步提升压力将使汽轮机本体效率呈现较为明显的下降。因此，为综合提高机组的热效率，对于1 250 MW 的一次再热机组建议主蒸汽压力取30 MPa，对于1 250 MW 的二次再热机组建议主蒸汽压力取32 MPa。

2.2.2 汽轮机入口主蒸汽和再热蒸汽温度的选取

1 000 MW 机组可适当提升主、再热蒸汽温度至605 ℃/622 ℃。与之相比，1 250 MW 等级的机组，由于机组容量增加，在设计过程中，叶片、转子等高温部件的材料需要适应更高的强度。国内某汽轮机厂表示，根据同类型机组的设计经验，目前1 250 M 等级机组所采用的材料的性能已得到充分使用，如果继续提升蒸汽温度，将导致机组热效率下降，安全性风险增加。因此，无论采用一次再热机组还是二次再热机组，考虑在当前成熟的高温高压材料条件下，均推荐采用600 ℃/620 ℃作为1 250 MW 等级机组的主蒸汽及再热蒸汽温度。

2.3 提高机组初参数对锅炉的影响

对于30 MPa/600 ℃/620 ℃的参数(对应锅炉出口为31.4 MPa/605 ℃/622 ℃)，锅炉的高温段受热面管道材质并未发生本质变化，仍为HR3C、Super304H-SB、S30432 等级别的材料，集箱也仍然采用P92 材料。另外由于参数提高，锅炉侧主蒸汽系统管道、联箱等部件壁厚的增加，将导致设备成本小幅增加。

3 一次再热机组与二次再热机组的经济性分析

二次再热机组热效率的提高是依靠增加再热次数和提高机组初参数带来的叠加效应实现的，在相同蒸汽压力温度条件下，采用一次再热，机组热效率可提高约5%；采用二次再热，热效率可再提高约2%[2]。

3.1 机组热经济指标对比分析

由于热效率提高，在相同的排汽压力时，二次再热机组热耗比一次再热机组低100 ～150 kJ/kWh[3]。在相同的主机初温和背压终参数下，1 250 MW 等级机组一、二次再热技术方案的热经济性对比见表3 所列。

可以看出，采用二次再热方案比一次再热方案，单台机组煤耗降低4 g/kWh，以标煤价1 100 元/t(含税价)折年节约标煤消耗投资约2 750 万元。

3.2 综合经济性对比分析

1 250 MW 等级机组一次再热方案和二次再热方案的初投资比较和综合比较分别见表4 和表5 所列。

表4 一次再热方案和二次再热方案的初投资比较表(单台机组)万元

表5 综合经济性对比表(单台机组)

从表3 ～表5 中可知，采用二次再热方案比一次再热方案，单台机组投资增加29 345 万元。煤耗降低4 g/kWh。以煤价1 100 元/t(含税价)，年利用小时数按5 000 h，按照最小年费用计算方法，投资回收期约15 a。

4 结语

1 250 MW 等级一次再热机组，可采用百万机组一次再热的成熟模块，技术可靠，设计制造经验较多，而国内对于1 250 MW 等级二次再热(双轴)机组的设计和制造的经验较少。

在现有材料下，充分利用高温材料的使用上限，进一步提高机组主蒸汽参数，在技术上是可行的，且具有一定的节能效果，可提高机组热效率，降低污染物的排放。从主机厂反馈的信息来看，对于1 250 MW 等级一次再热机组的汽轮机进口参数为30 MPa/600 ℃/620 ℃的选择理论上可行，但初投资会有所增加。

考虑机组高效、灵活和经济运行等综合因素，本文推荐1 250 MW 等级电站机组采用高效超超临界一次再热机组，汽轮机入口参数30 MPa/600 ℃/ 620 ℃。二次再热方案与一次再热方案相比，投资较高。对于工程的实施，建议结合工程煤价、发电年利用小时数和项目的投资条件等因素，综合评估是否采用1 250 MW等级的机组，再确定选择一次再热或二次再热方案。