梯次循环（EC）在超超临界1 000 MW机组工程应用与分析

阳 虹，余 炎，范世望，易小兰，金益波，何海宇

梯次循环（EC）在超超临界1 000 MW机组工程应用与分析

阳 虹1，余 炎1，范世望2，易小兰2，金益波1，何海宇2

（1.上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海 200240；2.上海汽轮机厂有限公司，上海 200240）

以广东甲湖湾超超临界1 000 MW一次再热机组为例，对梯次循环（EC）的实际工程应用进行了研究。在相同边界条件下，对常规循环和EC分别进行了热力计算，并对EC的运行灵活性进行了分析。结果表明，采用EC可降低电厂设备投资，提高机组经济性，在电厂运行方面无控制难点。EC适用于再热蒸汽温度600 ℃及以上的一次再热、二次再热项目，其成功应用为实现700 ℃超超临界发电技术打下工程应用基础。

热力系统；梯次循环；超超临界1 000 MW；BEST透平；热耗；再热

为了降低燃煤电站发电煤耗，国内新建火电机组大多采用大容量、高参数以及二次再热等配置。随着主蒸汽、再热蒸汽温度的大幅度提高，汽轮机的高中压段，特别是再热后加热器（heater after reheat point，HARP）的抽汽温度同步大幅度升高。以现有传统的热力系统为例，当再热蒸汽温度为620℃时，3段抽汽温度可达到510~530℃；当再热蒸汽温度提高到700℃时，回热抽汽温度将超过620℃。这不仅造成极大的能级效率下降，同时对抽汽管道和加热器的工作温度等级提出了更高的要求，从而大幅度增加设备的制造成本，并危及运行的可靠性[1-2]。

目前电厂热力系统设计中，给再热后的回热抽汽增设1～2个外置蒸汽冷却器（外置蒸冷器），以利用回热抽汽的过热度。对于一次再热机组，1个外置蒸冷器可提高给水温度4～5 ℃，热耗率收益11～14 kJ/(kW·h)；二次再热机组可提高给水温度9～11℃，热耗率收益23～27 kJ/(kW·h)[3-4]：可见，外置蒸冷器方案解决了抽汽温度高、能级效率低的问题。但当再热蒸汽温度提高到700℃时，上述方案不能解决加热器的高温风险问题，只不过将高温由HARP后的加热器转移到外置式冷却器中，高温加热器的可靠性及成本问题依然存在。

为此，上海汽轮机厂提出了一种新型双机回热抽汽蒸汽热力系统[5]。该系统配置了一台抽汽背压式给水泵小汽轮机（back pressure extraction steam turbine，BEST透平）。BEST透平进汽来自高压缸排汽，设计若干级抽汽和排汽为各级加热器供汽。该系统采用非再热蒸汽加热给水，减少了回热抽汽的过热度，实现能量的梯级利用，因此称为梯次循环（echelon cycle，EC）。BEST透平可直接驱动给水泵或带1台小发电机，驱动给水泵后多余的轴功率驱动小发电机发电。对于不同参数不同容量的机组以及BEST透平满足的不同功能，EC热力系统配置和经济性收益也不尽相同[6-9]。本文以超超临界1 000 MW一次再热机组为例，说明采用EC后整个热力系统在配置、热耗率、运行等方面的变化。

1 EC对热力系统参数及设备的影响

1.1 EC热力系统概况

图1为甲湖湾项目超超临界1 000 MW一次再热机组采用的EC热力系统。系统共10级回热抽汽，4高5低1除氧，其中1、2号高压加热器（高加）由汽轮机高压缸供汽，3—6号加热器由BSET透平供汽，7—10号低压加热器（低加）由汽轮 机低压缸供汽，BEST透平仅驱动给水泵，不带 小发电机。

BEST透平进汽来自汽轮机冷段再热蒸汽，采用3抽1排汽，额定进汽量约550 t/h，出力约32 MW。由于BEST透平需同时满足给水泵耗功和4级加热器的用汽需求，在不同工况下，其用汽量和给水泵耗功不可能完全匹配，因此在6段抽汽设置溢流阀和补汽阀[10]，以调节进入6号低加的蒸汽流量。其中，补汽来自汽轮机中压缸抽汽，溢流则排至7号低加。

图1 采用EC的超超临界1 000 MW机组热力系统

1.2 采用EC后主要参数的变化

采用EC后，热力系统参数有比较大的变化。表1为常规循环和EC这2种循环系统在额定工况下的主要数据对比。其中，常规循环也采用10级回热，汽轮机中压缸供4级回热抽汽，3、4段抽汽设外置蒸冷器，最终给水温度与EC相同，为308 ℃。

1.3 采用EC对各设备的影响

1.3.1对锅炉的影响

由表1可见：采用EC后，3—6段抽汽的蒸汽焓值降低，回热抽汽量增加，主蒸汽流量比常规循环增加了约100 t/h；由于BEST透平汽源为高压缸排汽，进入锅炉的再热蒸汽量减少了约400 t/h，比常规循环小约17%。这可减小锅炉再热器换热面积和热段再热蒸汽管道直径，大幅降低电厂投资。对于二次再热机组，收益将更加显著。

1.3.2对汽轮机的影响

为实现10级回热抽汽，常规循环的汽轮机中压缸将承担4级回热抽汽，设4个抽汽口，其中包括凝汽式小汽轮机的用汽量（最大工况约176 t/h），这需要增加轴向尺寸，大大增加汽缸的设计和制造难度。而采用EC，汽轮机中压缸只需设置6段抽汽的补汽口，可同时作为厂用辅助蒸汽汽源，最大抽汽量约60 t/h。由于无抽汽口，通流叶片可以根据最优焓降分配来设计，无抽汽压力的限制和回热抽汽的扰流，中压缸效率可以提高约0.5%。

表1 常规循环和EC主要参数对比

Tab.1 Comparison of main parameters between the conventional cycle and EC

注：①为绝对压力。

采用EC后，汽轮机的回热抽汽量减少，低压排汽量比常规循环增加约8%，排汽损失略有增加。可以采用更大排汽面积的末级长叶片和低压缸，以维持末级排汽损失不变[11]。

1.3.3对加热器的影响

由表1可见，EC对再热后的加热器影响最为明显，3—6段抽汽的蒸汽温度降低了100～200℃，最高运行温度也在350℃以下，可大大降低加热器、抽汽管道以及相关阀门的材料等级。由于回热抽汽的过热度降低，可取消常规循环中的外置蒸冷器，减少设备投资，提高运行安全性。

1.3.4对给水泵小汽轮机的影响

BEST透平需要承担大量的回热抽汽，进汽流量大幅增加；但排汽流量较小，仅约进汽流量的30%：因此进出口蒸汽容积流量差别不大。额定工况下，BEST透平进汽容积流量约24 m3/h，排汽约35 m3/h，叶片近似等通道设计。各级叶片均可采用合适的叶片高度和径高比，从而达到较高的通流效率。同时，由于排汽面积小，与凝汽式小汽轮机相比余速损失较小，BEST透平缸效率可达到约90%。

2 经济性收益分析

在进排汽参数和给水温度相同的条件下，采用EC后汽轮机热耗率可降低30～38 kJ/(kW·h)。其经济性收益可分为以下几个方面：

1）回热系统优化 实际工程应用中，受再热蒸汽压力、中压缸排汽压力、末几级标准叶片等因素限制，各级回热抽汽压力难以达到最优配置。采用EC后，3—6段抽汽压力可以按优化热力系统来选取[12-14]，本案例中可降低热耗率4～6 kJ/(kW·h)。

2）能级利用 采用EC大大降低了再热后回热抽汽过热度，提高了3—6号加热器㶲效率[6]，与无外置蒸冷器方案相比可降低热耗率约18 kJ/(kW·h)。对于采用外置蒸冷器方案，3、4号高加㶲效率也随之提高，采用EC的热耗率收益约2 kJ/(kW·h)。

3）小汽轮机效率提升 BEST进排汽参数均在叶片通流设计的最优范围内，缸效率可达到90%左右。而目前凝汽式给水泵小汽轮机的效率最高约85%，这增加了10～12 kJ/(kW·h)机组热耗率[15]。

4）汽轮机效率的变化 中压缸取消回热抽汽口，缸效率提高，低压排汽流量增加，效率下降，在热耗率方面基本持平。若采用更大的排汽面积，可进一步降低热耗率，针对不同背压和长叶片损失特性，采用EC的热耗率收益预计5～18 kJ/(kW·h)。

需要指出的是，在具体工程项目中上述因素会相互关联，相互制约，各方面收益不能简单迭加。

3 EC的运行灵活性

BEST透平由于承担了回热抽汽，运行工况比凝汽式小汽轮机略为复杂。图2是给水泵耗功和主蒸汽流量的关系曲线，其中汽轮机为带补汽阀滑压运行方式。从图2可以看出，给水泵耗功与主汽流量呈非线性关系，而回热抽汽量与主蒸汽流量基本为线性。因此，在非设计工况，BEST透平流量与给水泵耗功不能完全匹配。另外，为了满足机组启动以及加热器切除等事故工况，系统需要配置额外的管道。图3为与BEST透平相关的3—7段抽汽系统。除了正常工况排汽至6号低加，BEST透平还设置3路管道：1）BEST透平排汽溢流管道，至 7号低加；2）6号低加补汽管道，来自汽轮机中压缸；3）BEST透平排汽旁路管道，至凝汽器。

3.1 正常运行工况

额定设计工况下，BEST透平排汽基本满足 6号低加回热用汽；高负荷工况下，给水泵耗功增幅较大，当BEST透平排汽量超过6号低加回热抽汽量时，打开管道1，多余排汽溢流至7号低加；低负荷工况则相反，打开管道2，从汽轮机的中压缸抽出部分蒸汽作为6号低加的补充汽源。

图2 给水泵耗功与主蒸汽流量关系

图3 BEST透平相关的3—7段抽汽系统

3.2 启动和停机

EC启动过程与常规循环类似，由电泵启动至约30%负荷，满足冲转条件后，启动BEST透平，打开管道3，排汽至凝汽器。当电泵切换至汽泵且稳定运行后，BEST透平排汽切换至6号低加，按压力从低到高逐级投入各加热器。如采用汽泵启动，需配置1.5 MPa（绝对压力）以上的辅助汽源。

正常停机时，先切除各级加热器，再逐步停机。汽轮机甩负荷工况，旁路迅速打开，维持BEST透平的进汽参数，以提供锅炉最低流量，等故障排除后，汽轮机重新启动带负荷。

3.3 加热器故障工况

当6号低加故障切除时，为不影响7号低加的正常运行，可打开管道3上的旁通阀，使BEST透平排汽至凝汽器，根据当时的运行情况关闭溢流管道上的溢流阀或补汽管道的补汽阀。如果6号低加需要长期切除，待系统稳定后，运行人员可以手动调节排汽溢流阀，使一部分排汽进入7号低加，提高运行经济性。

当7号低加故障切除时，6号低加的用汽量大幅增加。如果BEST透平运行在排汽溢流工况，则关闭溢流阀；如果BEST透平排汽量仍不能满足6号低加，则打开中压缸抽汽口管道的补汽阀；如果BEST透平运行在该补汽阀开启状态，只要继续开大阀门，增加中压缸抽汽量。

其他加热器切除工况与常规循环相同。

综上分析可见，通过在BEST透平排汽配置相关管道，可以解决不同负荷下BEST透平出力与回热抽汽量的匹配问题，同时满足机组启动、停机、加热器切除等特殊工况，保证了EC的运行灵活性。

4 示范项目的运行情况

广东陆丰甲湖湾电厂一期工程2×1 000 MW超超临界机组为我国首个EC项目。该机组汽轮机主蒸汽压力28 MPa，主蒸汽温度600 ℃，再热蒸汽温度620 ℃，排汽压力4.8 kPa，末级叶片高度1 220 mm，汽轮机设计热耗7 121 kJ/(kW·h)。甲湖湾电厂2台机组分别于2018年11月和2019年4月顺利通过168 h试运行，各方面指标优良。

在机组性能方面，根据2号机组焓降试验结果，在700 MW负荷下（此时BEST透平排汽进入过热区，可以实测效率），BEST透平的通流效率达到92%以上。按设计效率曲线推算，额定负荷调节阀全开工况下，BEST透平的缸效率大于91%。同时汽轮机的中压缸实测效率也达到94.5%，创国内超超临界1 000 MW等级机组中压缸效率新高。

在运行稳定性方面，BEST透平从冲转至额定转速，转速控制稳定，轴振优良。在升负荷过程中，完成了电泵-汽动泵切换、排汽切换、加热器投入等步骤，BEST透平的各排汽控制阀门与进汽调节阀联动，逻辑合理，控制精度高。

在安全性方面，BEST透平在冲转过程中进行了手动跳机、超速跳机等试验，保护响应迅速稳定。汽轮机进行了100%→60%甩负荷，50%→0%甩负荷，100%→0%超甩负荷等试验。在BEST透平供汽的加热器切除试验中，BEST透平进汽调节阀、排汽溢流阀、6号低加补汽阀、排汽旁通阀等动作联锁正常，确保机组运行安全可靠性。

5 结 论

1）采用EC可降低热耗率30～38 kJ/(kW·h)，折合煤耗1.0～1.4 g/(kW·h)。对于二次再热和进汽温度700 ℃机组，收益将更加显著。

2）采用EC大幅降低再热后抽汽管道及加热器的温度，取消外置蒸冷器，减少设备投资；同时再热流量比常规循环减少约17%，可降低再热系统造价。

3）通过在BEST透平排汽设置溢流、补汽和旁通管道，可以满足EC的正常运行、启动停机及加热器事故工况要求，不增加控制难度，可保证机组运行安全性、灵活性。

4）甲湖湾电厂一期工程是国内首个EC示范项目，其成功投运为下一代700 ℃超超临界火电机组储备关键技术。

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Application and analysis of echelon cycle in ultra supercritical 1 000 MW unit

YANG Hong1, YU Yan1, FAN Shiwang2, YI Xiaolan2, JIN Yibo2, HE Haiyu2

(1. Shanghai Electric Power Generation Equipment Co., Ltd., Shanghai Turbine Plant, Shanghai 200240, China;2. Shanghai Turbine Plant Co., Ltd., Shanghai 200240, China)

By taking the ultra-supercritical 1 000 MW single reheat unit at Guangdong Jiahuwan bay as an example, the actual engineering application of echelon cycle (EC) was studied. Under the same boundary conditions, thermal calculation of the conventional cycle and EC were carried out, and operation flexibility of the EC was analyzed. The results show that, using EC can reduce the equipment investment of power plants, improve the unit economy, and have no control difficulties in plant operation. The EC is applicable to power units with single-reheat/double-reheat with reheat temperature of 600 ℃ and above, and its successful application lays the foundation of engineering application for 700 ℃ ultra supercritical power generation technology.

thermal system, echelon cycle, ultra-supercritical 1 000 MW, BEST turbine, heat rate, reheat

Scientific and Research Planning Project of Shanghai Science and Technology Committee (15dz1206400)

TK262

B

10.19666/j.rlfd.201907169

阳虹, 余炎, 范世望, 等. 梯次循环（EC）在超超临界1 000 MW机组工程应用与分析[J]. 热力发电, 2019, 48(12): 129-133. YANG Hong, YU Yan, FAN Shiwang, et al. Application and analysis of echelon cycle in ultra supercritical 1 000 MW unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 129-133.

2019-07-30

上海市科学技术委员会科研计划项目(15dz1206400)

阳虹(1972)，女，教授级高级工程师，主要从事汽轮机产品研制与企业管理工作，yanghong@shanghai-electric.com。

（责任编辑 刘永强）