【二次再热关键技术的特点和难点探究（论文）15000字】

二次再热关键技术的特点和难点研究TOC\o"1-2"\h\u3945第一章绪论 150601.1课题研究背景及意义 128151.2国外二次再热技术的发展 2198661.3国内二次再热技术的发展 311602第二章二次再热超超临界机组的技术特点 4302732.1一次、二次再热主要系统的区别 418192.2参数的选择 5260572.3汽轮机 6229132.4锅炉 9176032.5热力系统特点 103756第三章二次再热关键技术的难点 1112565

3.1、热力系统结构布局及优化

1181613.2、再热蒸汽温度控制

1136073.3二次再热锅炉设计难点分析 1175763.4二次再热汽轮机设计难点分析

127313.5二次再热系统设计难点分析

1328972第四章分析探讨受热面布置及调温方式 14326684.1吸热特性及受热面布置 14279204.2调温方式 1511163结语 17绪论1.1课题研究背景及意义自从改革开放以来，我们国家的经济发展、社会进步都伴随着能源的消耗和利用，无论是轻工业还是重工业能源的大量消耗是必不可少的。科技发展至今，人类对资源的利用还是以煤、石油、天然气化石能源为基础，新型能源的利用占比少，我们国家的能源利用结构还是以煤炭为主。在日常生活中，二次能源（电）的产生就是煤炭的消耗和使用，所以电力系统在科技发展中扮演着重要的角色。随着能源的过度消耗，目前人类正面临着资源枯竭，这也制约了我国的社会发展和进步，所以节能减排、对资源的充分利用是今后国家发展的主题。火电厂正是存在着这些问题的地方，建设一座节能、高效的火电厂应该是我们努力地方向。在发电机组中，二次再热技术是提高火电厂发电效率和减少污染物排放非常有效的方式，所以近几年来二次再热技术备受人们的关注，目前在一些发达国家二次再热技术已经变得较为成熟，我们国家正在大力发展二次再热技术，但是我们国家二次再热技术的发展正处于起步阶段，所以还有很长的一段路要走。日本川越火电厂700MW机组为国外容量最大的二次再热机组，使用的燃料为液化天然气。1998年是一个新的起始年，从这一年开始，国外不再对二次再热机组提供新的投入，它转变为优化二次再热机组。1.2国外二次再热技术的发展二十世纪五十年代二次再热技术开始发展，主要应用国家为发达国家，比如美国、欧盟、日本都是率先使用二次再热技术的国家。在最初发展的过程中，受到很多因素制约其中包括系统结构的复杂性、系统对金属材料有较高的要求、机组运行时的安全性和经济性很差。美国的电力研究所，在总结了先前经验教训讯后在二十世纪八十年代，根据当时的技术水平提出了最有效的运行方式：机组容量为700至800MW，蒸汽的参数选择一般为31MPa—566℃至593℃—566℃至593℃—566℃至593℃。之后美国有大力发展了燃气蒸汽的联合循环系统，所以在二十世纪八十年的研究成果被未得到利用，但是这项技术在日本和欧盟的得到了利用，至今还有几台二次再热机组正在运行。二次再热机技术在很多年以前就开始发展了，尤其是美国，早在20世纪五六十年代就已经开始投资运营了一批二次再热机组。同时美国在1957年投资运营了当地得第一台二次再热机组，并且这台机组得容量是125wm，采用的是“派型”布局，蒸汽参数为21兆帕/621摄氏度—566摄氏度—538摄氏度，四角切圆式的燃烧，使用的是垂直式的管道壁。到了1958年，Eddystone电厂所投资的一号机组的容量是325wm，蒸汽参数为34.3兆帕/649摄氏度—565摄氏度—565摄氏度,这台机组的锅炉也采用“派型”布置，燃烧方式为对冲式，水冷壁则采用垂直管壁，该机组在运行期间刷新了火力发电的多项纪录，其中有最高效率、最高压力、最高温度、最大出力。到了1973年，美国投入运行的二次再热机组数量为23台，在运行期间金属材料出现了许多严重的问题，所以机组只能降压降温运行，在这之后美国建设的火电机组都以亚临界参数为主要运行参数，暂缓了超超临界参数机组的研究，结合自身能源特点考虑转而发展燃气电站等清洁能源。日本在结合了美国超超临界技术的研究成果，早期日本在川越电厂投入运行的两台二次再热机组只是单纯提高了主蒸汽压力但是没有提高蒸汽温度，这样导致二者不匹配，使得机组无法正常的安全运行，所以二次再热机组在运行时要注意汽轮机的末级排汽湿度，末级排汽湿度不宜过高。日本川越电厂投入运行的这两台机组的容量均为700wm，其蒸汽参数为32.9兆帕/571摄氏度—569摄氏度—569摄氏度，该机组的锅炉同美国一样采用了派型”布置，燃烧方式为八角双切圆，水冷壁采用垂直管壁，这两台机组代表了当时世界上的最高水平。姬路第二电厂运行有一台二次再热机组，容量为600wm，蒸汽参数为25.2兆帕/541摄氏度—554摄氏度—548摄氏度他们同样使用的是上述型号的机组，不同的是，该机组采用对冲式的燃烧、膜式水冷壁。利用新的型号控制换热器的温度，可以更快速提高出口蒸汽的温度。到1976年为止，日本投入运行的二次再热机组共有11台，占据了当时世界上超超临界机组的百分之二十三。德国既是较早研究且运行二次再热的国家。1956年德国在本国投入运行了一台机组，是世界上首台二次再热机组，该机组的容量为88WM，蒸汽的参数为34MPa/610℃—570℃—570℃。在1979年投入运行了第二台机组，该机组的蒸汽参数为25.5MPa/530℃—540℃—530℃。曼海姆电厂的二次再热机组最具代表性，这台锅炉为塔式锅炉（单烟道），该机组的容量为465MW，到现在为止德国一共投入运行了十一台机组。在欧盟超超临界技术在世界上处于领先水平的国家还有丹麦，丹麦电厂Nordjylland有一台效率极高的二次再热机组，该机组容量为415WM，蒸汽的参数为20MPa/582℃—580℃—580℃。其设置为半塔型，四角切圆的燃烧型，水冷壁是螺旋式管圈的型式。这台机组使用了深海水冷却的方式，机组的净效率达到了百分之四十七，所以效率极高，是世界上效率最高的火电机组，即使到了现在这台机组的各项性能指标仍处于先进水平。1.3国内二次再热技术的发展从新时代开启时，中国就意识到需要发展先进的技术，考虑到二次再热技术可以有效提升机组的效率，因此将目光放在了火电发电技术。曾在“十五”期间，火电发电技术是我国重点的研究发展的项目，到了“十二”，火电发电技术成为国家重点攻克的难点是由于国家能源局批准了泰州、莱芜和安源三个电厂建设二次再热机组项目。到目前为止，国内一共有十四个二次再热项目被审批，这意味着我们国家超（超）临界发电机组迎来了二次再热时代，同时二次再热技术将在中国迎来又一个快速发展时期。最值得说的就是泰州的发电厂拥有的超超临界二次再热机组是2×1000wm的，所设计的发电效率为47.94%，煤耗率为256.2克/千瓦时,还要比全球最顶级的二次再热机组发电效率高0.9%以上。其锅炉是由上海的锅炉制造厂制造单切圆式的燃烧方式，更具体的说设计成了露天式、固态排渣、塔式。华能公司在安源建造了二次再热机组，该机组蒸汽参数为31M兆帕/600摄氏度—620摄氏度—620摄氏度，利用了现在较为成熟的材料以及创新的技术提高了效率，同时还降低了污染物和温室气体的排放，在综合参数及热效率等方面在世界上均处于领先地位。我们国家投入运行的二次再热机组在容量、机组效率、蒸汽参数均处于世界领先水平，二次再热机组在未来会拥有非常广阔的应用前景。从现状上来说，国际上已经投入了50台二次再热机组去使用，分别看，为首的美国投入了23台、丹麦投入了2台、日本投入了13台、德国投入了11台，而我国则投入了3台。从初步探索再到运行实践二次再热机组的参数经历了起起伏伏的发展，这说明了世界各国对二次再热机组正在不断地完善和优化。本文基于目前二次再热的发展背景，分别从参数选择、锅炉和汽轮机几个方面叙述了二次再热超超临界机组的特点，同时介绍了一次再热和二次再热主要系统的区别；其次通过查阅资料简单分析了参数选择、锅炉和汽轮机的设计难点，对关键技术的部分难点进行了探讨，简要说明了机组受热面的布置以及调温方式两个方面。二次再热超超临界机组的技术特点2.1一次、二次再热主要系统的区别二次再热机组的与一次再热机组相比较，凸显出了它的结构更加复杂，它的主要难点在于再热蒸汽需要调控温度、机组整体都需要热力系统的支撑、结构和锅炉接触热的布置。2.1.1热力系统的比较回热系统的特点：二次再热最高的给水温度跟一次再热比较起来升高了大概30℃，二次再热当前的湿冷机组回热系统通常设置的级数为十级，而一次再热机组回热系统的级数通常为八级或者九级。主蒸汽以及再热蒸汽系统：二次再热机组就是在一次在热的机组上再增加了一个二次再热系统，这使得再热蒸汽系统被分为了两个部分，一个是一次部分另一个是二次部分。传统的一次再热机组会装配一台外置的蒸汽冷却器，二次再热机组需要装配两台外置的蒸汽冷却器，因为机组的后中压段蒸汽的温度会升高，外置的蒸汽冷却器的外壳与供水系统相互联合，待蒸汽冷却器完成换热后，回热抽汽进入高压加热器，再经过外置蒸汽冷却器供给水温，提高装置的性价比。2.1.2风烟系统和制粉系统的比较二次再热相对一次再热而言增多了再热级数，这使得锅炉受热面的布置和蒸汽温度的调控的难度大大增加，尤其是对再热蒸汽温度的调控有了更高的要求，使用烟气循环系统是对再热蒸汽进行温度调控的有效手段。二次再热在风烟、制粉系统上与一次再热没有太大区别。2.2参数的选择2.2.1主蒸汽压力、主蒸汽温度的选择在同样的再热蒸汽温度的条件下，二次再热机组低压缸的排汽湿度有所降低，这使得二次再热机组的主蒸汽压力提高。在主蒸汽压力小于、等于27兆帕时，进汽压力每变化1兆帕时，汽机热损耗会变化0.2%～0.25%，当主蒸汽压力达到30兆帕时，蒸汽压力的提升会变得越来越小，现在世界上最高运行压力的超超临界二次再热机组属于日本的川越火电厂，高压缸的进气压力达到31兆帕。虽然随着主蒸汽压力的不断提高会使得汽轮机效率不断提升，但是压力的提高对机组本身的要求也会变高，主蒸汽管道、给水管道、锅炉压力部件、汽轮机高压缸以及主气阀和调节阀的设计压力，同时也会造成建造材料成本的提升（耐高温的热强钢尤为突出）。美国、日本目前投入运行的有高压缸最高进汽压力为32兆帕的超超临界汽轮机，我们国家三个主机制造厂推荐的主蒸汽压力都不同，主要在30～35兆帕范围之间，东方汽轮机厂为30兆帕，哈尔滨汽轮机厂为31兆帕，上海汽轮机厂为35兆帕，所以综合主机设计以及材料建造成本的角度考虑，31兆帕为最适合的主蒸汽压力。超超临界机组自诞生以来到现在已经发展了十几年，人们通过实验发现过热蒸汽的温度每变化10℃，汽轮机的热耗会变化0.25%，由此可以看出主蒸汽温度的提升同主蒸汽压力提升一样，对汽轮机的效率有着明显的影响。温度在600℃左右时，汽轮机、锅炉以及管道运行状态良好，所以可以看出安全性有很大保障。随着温度的不断提高，汽轮机效率也会不断提升，但是这会使得汽轮机、锅炉以及管道的建造成本有很大提高，在近几年来国外的超超临界机组也没有主蒸汽温度超高600℃的机组。在机组安全工作范围内考虑，锅炉高温过热器管束的温度控制在600℃最为适宜，所以综合考虑超超临界机组的主蒸汽温度都不会超过600℃。2.2.2再热蒸汽压力、再热蒸汽温度的选择汽轮机相对内效率、再热器、管道压损都会影响再热蒸汽压力的选择，我们国家主机制造提供的资料为一次再热蒸汽压力是主蒸汽压力的百分之二十八到百分之三十五，二次再热蒸汽压力是一次再热蒸汽压力的百分之三十是最好的。每当再热蒸汽温度变化10摄氏度时，汽轮机会产生0.1%的热损耗。一次再热蒸汽压力是主蒸汽压力的百分之二十八到百分之三十五，二次再热蒸汽压力是一次再热蒸汽压力的百分之三十，由此可看出再热蒸汽相对于主蒸汽压力低很多，所以再热蒸汽温度比新蒸汽温度高是可以实现的。由于再热蒸汽温度高会缩小排汽的含水的程度，所以再热蒸汽温度越高对汽轮机的安全和性价比越好。通过查找目前汽轮机、锅炉应用材料的发展，当再热蒸汽温度达到600%～620%时，这个温度是在材料受热性能之内的，所以在现实中再热蒸汽温度提高至620℃是可以实现的。提高再热蒸汽温升可以提高机组的性价比，从当下现有的技术上考虑再热蒸汽温度为620℃是最合适不过的。2.3汽轮机2.3.1高温耐热材料的选择由于600℃、620℃超超临界二次再热机组，对汽轮机的部件要求较高，所以在选取抗高温耐热材料上更加严格，通常要考虑的部件有转子、抗高温的内膛、阀门外壳、高温叶片、高温隔板、主蒸汽和再热蒸汽的管道等。超超临界二次再热机组转子一般会使用新型Cr锻钢（9%～12%）或者改进型锻钢，Cr元素添加的目的是提高合金钢的强度、抗氧化性以及耐腐蚀性，加入微量元素Mo、N、Nb、W、V会提升高温蠕变的断裂强度，这样可以进一步改善转子高温处的温度分布以及转子的安全性。汽轮机机组的高温內缸、阀壳的体积尺寸很大而且形状复杂，一般采用整体铸造成型。汽轮机机组的高温內缸、阀壳一般使用改良型Cr锻钢（9%～12%）或者CB2进行铸造，改良型Cr锻钢（9%～12%）在铸造性能和焊接性能上有着优越性，这样完美解决了材料选择时遇到的铸造问题。所以在汽轮机机组的高温內缸、阀壳的材料选择时要充分考虑到材料是否具备耐高温性、优良的铸造性、耐摩擦性、焊接性、抗高温氧化性、高温蠕变的断裂强度以及耐腐蚀性。用于高温的隔板可选的材料有两种，一种是铸件另一种是锻件，二次再热的机组一般会采用CB2或者百分之十二的Cr钢来当做高温的隔板材料。现在国内外百分之十二的Cr钢是制造汽轮机能承受高温的叶片的首选材料，因为使用这类钢制做的叶片越高中压的转子有着精良的热膨胀的性能相适配，而且生产的价格便宜。就是因为如此，世界上汽轮机制造厂商都会使用百分之九到百分之十二的Cr钢作为高温的叶片材料。汽轮机组中一般对材料性能要求较高的比如內缸、汽阀、隔板，这些零件经常会使用耐热性能更好的CB2，其余的阀门等材料与传统的机组相似。2.3.2轴系稳定一些轴瓦的振动性的性能不稳定并且这些与机组的承受能力紧密相关，轴瓦安装技术也会影响振动性。与一次再热机组相比较，结构上这个机型添加了超高压缸并且轴系是连续三支撑的结构，它有着更加繁杂的运动特性；除此之外，机组进汽不仅参数高且流量高，蒸汽对于轴系而言，作用力很大，所以会在运行的过程中展现出独特的振动性。“被迫振动”和“自发振动”是汽轮发电机组会涉及到的振动问题，系统在外界的持续性刺激下产生的振动就是“被迫振动”，与此相反，能够自身刺激产生的振动是“自发振动”，由自己发出作用，与其他因素无关。对类似质量造成的不平衡式的被迫振动的研究主要从“激振力”与支撑的力度等因素入手，不过对于油膜失衡、气流产生激振等自发振动的研究会从轴系的稳定性上考虑。更细节地说，当轴系的稳定性不好，如果转子遭受一些刺激后输入轴系能力比阻止耗散的能量大，那么轴系的稳定性会降低、扩散；等振动的幅度加大到与阻止扩散的能量相同时，那么轴系会保持在稳定工作的状态。所以，自发振动的研究和攻克的关键点在于找到系统引发稳定性不足的问题、机理和变化规律，而不是造成扰动的幅度大小和形式。2.3.3汽缸在提高了超超临界二次再热机组蒸汽压力和再热蒸汽温度的基础上，需要将目光聚焦在设计出可以承载更高压力的超高压缸和更高温度的再热中压缸。由于超高压缸的膨胀压比和焓降小，所以它的直径也较小一些，这样可以减少汽缸工作时的压力，汽缸也能承载更多的主汽压力。因为提高了绝对压力，需要对高压缸的缸体强度、螺栓的密封性能还有高温蠕变的强度做专业的考核计算，这些必须满足设计的要求。中压缸的流通形式和常规单流里的亚模块形式很相似，通常是采用水平中分面结构，这个结构的重点在于中压缸进汽升高到620℃，与它有关的零件材料都需要提升。按照顺序来说，第一需要提升再热缸体进汽需要承受的压力，需要更换外缸的材料，增加阀门、汽缸的厚度；第二增加再热缸体进汽的体积流量，这些因素都需要在设计中考虑。低压缸需要根据排汽容积来选择最合适的长叶片，这样可以保证低压末的叶片能抗腐蚀性好的情况下，再选择适配的排汽口含水的程度，以此提升机组的性价比。这样的设计和一次再热的低压缸的设计原理基本相同。为了加强转子的高温强度和延长使用的寿命，一般都会使用不同的蒸汽使高压进汽区、中压进汽区以及中压前两级的叶轮得到充足的冷却，这可以使620℃的高温再热蒸汽不会影响转子。2.3.4轴封系统轴封系统会直接影响机组，系统的好坏是衡量机组能否正常安全运行的一个重要指标，为了是机组更安全的运行，现在的控制基站会采用气动自动控制，新的控制系统比老的轴封系统自动程度更高，适用性更好，抛弃了在负荷变化时需要手动调节的繁琐步骤，系统总体更为简便，与之前的系统相比发生机组故障的概率会更小，运行使用时更加安全可靠，但是有利有弊，最突出的缺点就是造价成本太高，投资过高。在汽轮机运行工作的时候，汽机本体部件的温度与轴封处的进汽温度有着很大的差距，由于这种原因会促进部件热应力的产生，产生的热应力会给部件带来很差的影响，会使得部件的使用寿命大大缩短，还会造成汽轮机转子抱死。控制阀（轴封进汽处）控制着汽机在使用期间的蒸汽的温度，这样可以预防蒸汽温度对轴封的影响（防止过冷或者过热）。当机组使用过程中，低压轴封处的温度往往会被控制在300℃左右，温度超出时温度调节阀会自动调整温度，通过混入温度较低的蒸汽使轴封处的蒸汽温度较低。当汽轮机的机组负荷运行使用时，轴封系统会自动进行自我密封，这时漏气温度会偏高的两处分别是高压和超高压缸的轴封。为了降低动静两部分相对的热膨胀以及热应力带来的机组寿命的损耗，同时维持进汽温度（低压缸轴封处）较低，所以人们想到了一个办法，增加了减温水。在当下节能减排为主题的发展观念的促进下，应该减少能源的消耗和浪费，所以减温水的使用量不宜过高。2.3.5机组启动、调峰的问题目前使用的旁路系统是三级串联的超超临界机组是1000wm，这种系统对于三压联合启动的部件再好不过，它可以防止再热器因为自燃被烧坏。1000wm得尽量带着基本符合运行，借此可以发挥机组的性价比高的好处。当然了，假如不让机组参加一次调频，可以使用全开阀门，纯滑压的方式运行。那么在运行时，以负荷的要求为主，通过增加、减少锅炉燃料来调节负荷的程度，以此满足调峰的要求。如果需要机组参与以此工作，机组在运行的情况下，能调节阀门、节省流量的方式实现机组的调峰调频，电网为了满足工作的需要，超高压的调节阀门可以有3%的节流度。2.4锅炉现在世界上二次再热的锅炉炉型有两种，一种是塔式锅炉另一种是π式锅炉，再热蒸汽温度过高使得对铸造的材料要求变得更高，基本上快达到了现有人造材料耐热性的极限值，所以二次再热的锅炉相比较一次锅炉有着很明显的特点。2.4.1主蒸汽、再热蒸汽温度的调节和控制

考虑到直流锅炉的特征，运用“煤水比+喷水”的调节方式对主蒸汽温度进行适当的调节和控制，这一做法是可以的。问题在于，同时对一、二次再热蒸汽进行温度调控是非常重要的事，不管是采用“π”型炉还是塔式炉，出于两者相互作用，再加上在实际运行的过程中风量及煤种会发生变化，协调和控制工作起来都比较困难，因此我们需要针对受热面进行科学合理的布局，并且应该正确的运用合适的调节温度方法，结合不同锅炉类别，目前普遍应用的再热器调温技术主要有摆动燃烧器、烟气挡板、烟气再循环、换热器以及喷水。2.4.2锅炉炉膛烟温偏差的控制需要更加关注

由于热再热蒸汽温度普遍达到了现在能使用的材料的温度极值，所以，过大的炉膛烟温偏差将会使受热面温度超过极值，引发危险。所以我们就需要针对容易导致炉膛内烟温偏差产生的各种影响因素进行分析和控制。不管是前后墙对冲燃烧，或者四角切圆燃烧，都需要严格控制各燃烧器中煤粉以及热风分配的均匀。2.4.3炉膛尺寸与结焦性

使用二次再热会导致锅炉过热蒸汽吸收的热量比一次再热锅炉过热蒸汽吸收的热量明显不足，在数据上也有所降低，并且由于再热系统吸收到的热量比前一次再热锅炉再热器吸收到的热量有过之而无不及的，所以炉膛内部结构的尺寸与一次再热锅炉相比炉膛内部的尺寸是缩小了，再热器怎样去布置也是一个难点。而炉膛尺寸的减小，对于易发生结焦性的煤而言，更加值得关注的是防止炉膛结焦。2.4.4省煤器入口给水温度升高对于锅炉运行的影响

考虑到增加了再热次数，给水温度会在汽轮机回热系统的促使下中有所上升，温度会达到320℃左右，而35MPa的锅炉给水，容易在炉膛内的水冷壁中沸腾，造成水冷壁过热的情况，这样会影响锅炉的安全运行。2.5热力系统特点主蒸汽管道会从过热器的两个侧面引出来，待接到汽轮机前，当接入超高压缸时，双侧泵的主蒸汽阀门会被自动关掉，值得一提的是，主蒸汽的系统材料选用a335p92。一次再热冷段管道从超高压缸排汽口以单管的形式接出，直到锅炉前进入入口联箱的有两个部分，它的材料选用A6911－

1/4CrGr22。而一次再热热段的联箱管道是从再热器出口双管接出来的，合并成单管后达到汽机前会分为两路进入汽轮机高压缸双侧，它的材料选用a335p92。二次再热冷段管道与高压缸排汽口有两根管道连接，变成单管后分为两路进入入口联箱，材料选用a6911－1/4crgr22。二次再热器出口联箱会引出两根管子连接到二次再热热段管道，分成两个路径进入到汽轮机中压缸两侧联合汽门，材料选用a335p92。

超高（高压）、中压、

低压三级串联组成旁路系统，这种旁路系统主要是为了联合启动的超高压缸、高压缸和中压缸设计的，这样能使再热器不被烧坏。

当再增加一级再热系统，汽轮机同时也会增加一个汽缸，普遍来说会选择使用四高五低一除氧或四高四低一除氧的回热系统，这也会导致汽轮机的抽汽温度发生变化，所以会在回热系统中增加蒸汽冷却器（外置式）。

给水系统通常都要求是同时设置两台大型汽动给水泵容量为50%或者一台容量为100%的大型汽动给水泵；同时设置四台50%供水容量、双列、卧式、双流程大型高压给水加热器和两台外蒸汽空气冷却器（外置式），四台高加及两台高加蒸汽空气冷却器（外置式）所需要采用的给水系统均称为大旁路系统。15nicumonb5－6－4为给水系统首选材料。

凝结水系统通常至少需要配备两台容量为100%（三台半容量）凝结水泵、凝结水精处理系统、轴封系统冷却器以及四至五台低压加热器。

高压的加热器利用阶梯式自流进入除氧器疏水，低压加热器利用阶梯式自流到凝汽器或者使用疏水泵到合适的低加出口凝结水系统。二次再热的关键技术和难点与一次再热机组的区别主要体现在机组结构的复杂性，热力系统结构布局及优化、再热蒸汽温度调控等都是需要解决的技术难点。

二次再热关键技术的难点

3.1、热力系统结构布局及优化

从结构上看，二次再热发电机组的热力系统结构极为复杂，因为锅炉受热面的布置、汽轮机汽缸、给水回热系统及相应的管道布置，所以机组在运行时安全性和经济性两方面都会产生变化。对比一次再热，二次再热机组锅炉的再热级数和再热蒸汽吸收的热量是持续增加的，这样会使过热受热面吸收的热量逐渐减少，受热面的布置要满足各方面受吸热量的要求，所以受热面的布置就变成了难点；受热面内部的特点是质量流量低比热容小，这会使二次再热受热面有可能出现热偏差的问题；加热器的数量普遍会增加到九级，这里我们需要深入考虑的问题还有如何选择回热抽汽状态点、加热器端差的设计。

总而言之，应该从性价比的角度进行分析，平衡热效率与提高机组经济性。

3.2、再热蒸汽温度控制

至今，在世界上出现过不止一次的问题就是：二次再热机组在运行过程中时长会发生出现一次、二次再热蒸汽温度达不到预想的数据的问题，

尤其是在低负荷运行阶段，这个问题会导致机组运行的性价比降低。燃料的特性、炉膛出口过量空气系数、吹灰方式等都会对再热蒸汽的温度有直接影响。如今我们面对的一大难题是如何根据再热蒸汽换热以及受热面布局方式的特质，选取合理的调温手段来满足再热温度和运行条件。3.3二次再热锅炉设计难点分析(1)二次再热原则上是在一次再热的基础上增加一级再热器，即在锅炉的本体上又增加了两组受热面；相比于一次再热机组，主蒸汽流量会随之减小（二次再热），当过热蒸汽吸收的热量减少而再热蒸汽吸收的热量增多时，各受热面的吸热比例就变成了重点，需要时刻关注；

(2)再热汽温调节难度更大，喷水调节会降低系统工作效率；

(3)降低排烟温度的难度受到了空气预热器入口烟温升降的影响。

针对上述问题，可以参考用以下方案解决：锅炉可以使用成熟的形或塔型，利用过热器的三级布置，高压再热器可分为冷段和热段两个部分，低压再热器也可以分冷段和热段；尽可能保证可以使用较高的炉膛出口烟温，这样可以采取其他有效措施，减弱燃料辐射放热的危害，加强对流放热；烟气侧的调节改变再热蒸汽的温度是国内外大多数电厂的选择，主要方法是烟气再循环，辅助方式为摆动式燃烧器。3.4二次再热汽轮机设计难点分析

超超临界二次再热机组汽轮机与一次再热机组相比来说需要增加一级超高压缸，汽缸也需要增加多个。随着汽轮机进、出口大幅度增加容积流量，缸体的模块及进气阀门的尺寸也随之增加，并且这会导致旁路系统变得更为复杂。3.4.1开发耐压力性能更高的超高压缸具有常规的分面结构型式的高压缸会受到螺栓的限制，由于螺栓应力值有限，所以缸体能够承受最高的主汽压力往往会在25MPa的左右，想要压力继续提升，升高到27MPa以上，就要使用特殊的结构型式。上海汽轮机制造厂的高压缸设计成了筒型，外缸是圆筒型，没有水平中分面，这样设计会使高压缸的承压能力更高。在660兆瓦、1000兆瓦一次再热机组中是受到了广泛的使用，阿尔斯通锅炉制造厂设计的高压缸的內膛螺栓被红套环取代，这样可以满足机组所需求的负荷力，高压缸的外膛依然保持传统的中分面螺栓，结构不变。二次再热需要更高的进汽能力，所以要针对性的去设计，超高压缸应该使用特殊的结构（分缸型式）。3.4.2汽缸个数增加使轴系稳定性发生变化二次再热与一次再热相比下来，它需要增加汽缸的个数，超高压缸需要有特殊的设计才能承担压力的变化，所以超高压缸、高压缸这种形式就无法使用。当气缸容量等级达到800兆瓦以上时，汽缸的个数将增加到五个，分别是：两个双流低压缸、一个双流中压缸、一个单流超高压缸、一个单流（双流）高压缸汽轮机机组的总长势必要大大增加，由于机组总长的原因，轴系稳定性一定会受到影响。上海汽轮机制造厂的超超临界机组使用的轴承支撑方式为n＋1的方式，六个轴承去支撑五个转子，这种结构十分紧凑，轴向的距离也变短了，容量为1000WM的二次再热机组的总长度为35m左右，比用两个轴承去支撑一个转子的常规轴系支撑方式总长更短，使用的轴承数量更少，所以n＋1方式的轴系稳定性更高。3.4.3中压模块容量要更大进出口的容量流量会大大增加，这需缸体模块和进汽阀门的尺寸要更大，所以这使得中压缸的设计难度增加了很多。分析通流部分可以得出，叶片的质量和高度要增加很多才能去适应容积流量的变大，叶根的离心力、叶身的蒸汽弯应力都会随之增大。对于容量为1000WM二次再热机组的中压缸，末几级的叶片高度为300到350mm，叶片强度和频率的设计难度已经达到当前设计的极限，所以为了应对容量1000WM二次再热机组，人们设计了以两个中压缸为配置的机组型式。3.4.4二次再热机组的启动形式当前投入运行的超超临界一次再热机组，大多数都是使用高中压联合的启动方式，参与调节的还有高压调门和中压调门。二次再热机组的操作过程与旁路系统相比，更加凸显了它比一次再热复杂。在旁路系统中，一共有三级旁路，需要在原有的高压、低压旁路中在增加一个中压旁路。每一个缸的启动参数、限制值怎样设置、旁路容量设置参数、三个调门（超高压调门、高压调门、中压调门）如何协调控制都是在汽轮机方面涉及到的问题。以现状来说，国内在二次再热机组的设计运行的经验不足，应该虚心借鉴国外电厂的经验，认真学习用合适的方法去设计设计旁路系统和机组启动方式。3.5二次再热系统设计难点分析

(1)二次再热系统增加了一套再热系统，其中含有一路中压旁路系统，热力系统的设计和布局更为复杂。

(2)由于机组规模的不断扩大，回热系统的级数也在合适的范围内增加。国内有学者提出，考虑到提高整个机组的性价比，1000Mw超超临界的二次再热系统会有所改变，需要把原来的八级回热抽汽（不可调整）改为十级回热抽汽，十级回热加热器是由一台除氧器、四台高压加热器、五台低压加热器组成。(3)运行再热系统由于加快了中、低压缸回热抽出汽水的过热度，会极大的增加再热后各级回热加热器内汽水换热之间温差，气温低不具有可逆性，能量损失会变大。在机组中设置蒸汽冷却器是解决热经济性的有效方法，蒸汽冷却器有内置和外置两种。虽然都是冷却器，但是他们置放的位置却不相同，一般来说，从换热面积考虑，如果换热面积较小，内置式冷却器会设置在回热加热器内部；如果换热面积较大，会单独选择设置外置式的冷却器，布置的方式也是比较灵活的，这样就更有利于降低本级回

热加热器的端差，方便提高供水温度，以此提高机组的热经济性，综上所述，会更加考虑将外置式的蒸汽冷却器放在第一位。

(4)除此之外，在布置主厂房时，我们针对二次再热的高温和低温管道进行适当地考虑与设计，因为高温二次再热管道管径大、温度高，所以应该考虑到应力值的大小以及空间布置等因素。因为主厂房内管系的增加，会影响到其他管道的布置，需要及时调整，并且不同管系之间容易发生摩擦。第四章分析探讨受热面布置及调温方式4.1吸热特性及受热面布置锅炉受热面布局和调温的操作都需要参考锅炉各部分吸热占和及比例变化。二次再热锅炉和一次再热锅炉相比较，其在原来的基础上增加了一层受热面，这样促使锅炉受热面得重新设定吸收量，因此需要重新设计改变受热面的布局。以上海的锅炉制造厂为例，其二次再热锅炉，在工作的情况下，每每降低机组承载的负荷，蒸汽的吸收比例会上升；而再热受热面的吸收的热量会下降，吸热比例也随之降低。二次再热机组的参数和效率的变化会带来其他数值的变化，主蒸汽流量会减少，锅炉的总吸热量也会产生变化，过热蒸汽吸收热量的占比会降低，再热蒸汽的吸热级数以及再热蒸汽吸收的热量都会增加。在合适的情况下，通过减少炉内的尺寸，选择比较高的锅炉来出口烟温，同时应该考虑最末尾的过热器的三个高温受热面在降低了温度的压强后会面临的受热面布置问题。再热器系统中的受热面温度的转换和吸热比例的分配需要进行多方面的考虑，比如锅炉壁的温度、再热汽温以及调节性能等方面。在选择锅炉受热面材料、蒸汽参数以及需要变负荷调温时，要充分考虑过热器的使用、再热器各部分受热面温度变换及吸热比例等重要因素。供水温度的提高，水冷壁中工质温度的升高，会导致水冷壁的壁温一直上升，这使得水冷壁运行可靠性降低，同时对水冷壁的安全性提出了更高要求。我国大部分的超超临界二次再热锅炉使用冷壁结构是下端螺旋式管状圈口、上端垂直式管状圈口的形式。螺旋式管状圈口水冷壁、管子都围绕锅炉内壁呈上升趋势，各部分的管道均匀吸热，不易燃烧、抗干扰能力强，管道内的温度差小，有助于在加强压力、升高炉壁温度的条件下，水冷壁材料能够安全运行。国际上的超超临界二次再热锅炉，尤其是我国参与投资的百万级锅炉基本上使用的布置方式都是“塔式”，以“哈尔滨锅炉制造厂”的百万塔式锅炉为例，塔式锅炉受热面均采用平直的方式设计，各部分的集箱均装设在锅炉前后墙的位置，为了封锁好管子，在管道的穿墙处都采用金属全密封形式。从加高的出口引来的锅炉供给水管道进入省煤器，省煤器设计在炉内最上端的双面井内，以顺时针流转的方式和烟气交换、传递热量，省煤器管屏主要采用鳍片式的形式，运用阻隔的挡板、防磨盖板等方法，可有效减少受热面的磨损。螺旋式管状圈口和垂直式管状圈口布置在炉内水冷壁周围，在进行变压运行时，这种布置方式可以有效防止膜态水沸腾、可以控制金属壁的温度、蒸干以及稳定水动力等；在设计锅炉时，把锅炉的内膛设计得较高，面积较大，这样方便控制锅炉内膛容积负荷和降低内膛的出口温度，可以的到宽裕的炉膛容积。以上就是二次再热锅炉受热面的布局特点。值得注意的是，具有辐射和对流两种特性的是过热器系统，拥有纯对流受热的是再热器系统。一般来说，过热器有三级，即一级屏式过热器、二级过热器、三级末级过热器，这种设计方式可以有效的控制蒸汽温度的偏差，使管内的蒸汽均匀受热。高压、低压两组再热器组成了再热器系统，它们的再热器受热面均分成两级。再热器基本上使用双集箱结构，这样可以尽可能的缩小热力偏差，再热器系统分别设置于合适的烟温度的烟道内，之后再布置在锅炉内膛出口的下游，像这样的设置都可称为“逆流布置”。在锅炉的尾端与空气预热器中联合放置一个低温省煤器，这样可以降低锅炉排烟的温度，同时能够提高机组的工作速度。烟气可以通过隔板进行流量调节，控制其流出的大小，其中大约80％烟气会进入预热器，20％烟气进入省煤器，两者经过混合后能留置在较为合适的温度当中。4.2调温方式

超超临界二次再热机组锅炉的过热蒸汽温度需要进行调节，一般来说，可以使用的方式为改变煤水的比例再进行喷水减温来调节过热蒸汽的温度。通常在各种过热器连接管道上都会设置两级或三级的减温器作为过热器的系统，但也可能会有一些把一级喷水减温器放在一级过热器的入口处的锅炉型式，比如“上锅”二次再热超超临界塔式锅炉，像这样的炉型一般会利用取自省省煤器进/出口给过热器减温水，接着用热汽温调节，以烟气挡板、摆动烧器、烟气再循环等方式为主，喷水为辅助来进行减温。两级再热减温系统一般都会事先分别配备一个事故喷水式再热减温器以及一个微量喷水式再热减温器一并安放到一个低温再热器入口和一个高温再热器入口处，以此起到控制汽温的作用，防止遇到紧急事故、扰动或其他意外工况下的再热汽温及左右侧汽温发生偏差。考虑到二次再热锅炉与同等级的一级再热锅炉相比较多了一级再热器，而且炉内的受热面有着更加复杂的结构，以至于锅炉的汽温更加难以控制，对于调节温度的手段有着更精确的要求。而再热蒸汽温度的调节需要满足主汽温度达到预定值的情况下，利用烟气再循环、燃烧器摆动、尾部调温挡板和事故减温水等多种方式综合运行，重复更替无限接近达到额定值。国内的三大锅炉厂虽然所采取的方式各不相同，但是却能够很好快速起到以精准的方式有效地实现对温度的调控：哈尔滨锅炉制造厂可以运用烟气再循环与尾段双重烟道挡板的方式来控制和调节温度，上海锅炉制造厂则利用摇摆燃烧器和烟气挡板来控制和调节温度，东方锅炉制造厂可以利用前后墙夹击的形式进行对冲燃烧及排烟、尾段用三烟道的烟气挡板进行来调整温度。通过根据改变烟气的不同烟道进行分配而产生的一种调节汽温的方法叫“烟气挡板法”，它的优势主要在于：该方法结构简省、操作便捷，汽温可以调节的幅度相对较大、对燃烧的工况影响较小等；但也存在一些问题，比如挡板的开合大小与汽温变化不成比例关系并且汽温调节的时间过长等；大多数挡板能开的范围在在0～40％之间，挡板打开的程度大容易积灰，开的太小又容易引起受热面损坏。利用燃烧器摇摆的调温原理是采用上下层切换燃烧器使火焰的中心位置发生变换的方法，这样可以改变炉膛出口时烟的温度，最终达到调节汽温高低的目的。这种方法的好处在于调节时敏捷、产生的惯性小，并且不需要再额外消耗功率