新型超临界参数燃煤发电系统结构设计技术

杨金福，张忠孝，韩东江，杨美，周云龙

新型超临界参数燃煤发电系统结构设计技术

杨金福1,2，张忠孝3，韩东江1,2，杨美4，周云龙4

（1．中国科学院工程热物理研究所，北京市 海淀区 100190；2．中国科学院大学，北京市 海淀区 100049；3．上海交通大学机械与动力工程学院，上海市 闵行区 200240；4．东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省 吉林市 132012）

依据不可逆热力循环功效价值的基本原理，分析热力循环系统的不可逆过程，提出“等效卡诺循环效率”的概念，拓展了经典热力学理论及分析方法。同时提出超临界参数燃煤发电热力循环机组“卡诺耗散热机”与“动力岛”设计理念，进一步给出了供需一体、质量耦合、能级利用的设计原则，以及功效价值的评价方法。为超高参数燃煤发电热力循环机组的优化设计，提供了一种更有效的新途径。

超超临界参数；燃煤发电技术；不可逆热力循环；功效价值原理；“动力岛”设计方法

0 引言

2002年9月，国家863计划“超超临界燃煤发电技术”以及依托工程(华能玉环电厂)启动并投入商业化运行；2011年6月，中国正式启动700℃超超临界燃煤发电技术研发计划[1]；2018年12月，广东甲湖湾电厂1000MW超超临界机组并网运行。这些工作都标志着我国超高参数燃煤发电机组，从无到有、从引进到创新，效果明显、成绩卓著，并且迈入了世界先进技术的发展行列[2-4]。

超超临界机组和微小型动力装备性能提高的关键在于热力循环系统集成的技术水平。目前，热力循环系统的功能开发与热力过程及循环系统的性能评估，均是围绕4个基本要素开展相关研究：采用的能源种类、需要的外界条件、取得的效果及对环境的影响。因此，只有充分掌握这4个基本要素之间的相互关系与变化规律，才能真正揭示热力循环及其变化的机理，从而正确评价热力循环系统及其工程方案的科学性、实用性，以及结构总成与系统集成的技术先进性[5-6]。

1 超临界参数燃煤发电机组热力循环系统功效原理与循环效率分析

1.1 热力循环系统功效价值的基本原理

在事物变化的行为过程中，通常将事物发生内存质变的响应关系称为功能，过程的外部环境及作用关系称为条件，如图1所示，热力循环系统的功能是构成循环系统各个相互关联因素耦合成为一个整体所具有的效能，性能则是以功能为基础，进一步满足使用功能要求的安全可靠性、运行稳定性和经济合理性等各项技术经济指标。

图1 不可逆热力过程模型示意图

文献[7]考虑约束火用与环境火无的影响，基于热力学第一定律给出了火用效率表达式。不可逆热力循环功效价值的基本原理如下：

式中：1为输入功能响应；2为输出功能响应，2=1；m为功效价值系数；为功能响应变换当量系数或能级品位当量系数；1为过程约束质量；2为过程耗散质量；m为过程条件质量。

由此可知，不可逆热力循环系统的功效价值，既不单纯强调改善功能，也不单纯强调降低成本，而是需要对功能、成本进行双目标综合分析与对比，以实现热力循环系统设计的合理性、科学性。

针对不可逆平衡过程，1+2=1，说明该热力过程的约束能量与排除所耗散的能量相互抵消的功能响应的传递过程，并且功效呈现能量转换的能级特征。以蒸汽轮机为例，蒸汽轮机热电转换动力装置及结构原理见图2，10为满足汽缸轴封供汽能量；1为汽轮机在正常运行时的输入能量，包括维持汽轮发电机组额定转数(3000r/min)的空载工况运行的能量11，及叶顶间隙漏气蒸汽能量12、汽缸散热损失热量20；2为汽轮机热电能量品质转换功效而产生电能输出的能量；21为对凝汽器及其环境排放而消耗的能量[8]。

图2 蒸汽轮机热电转换动力装置及其结构原理

由此可知，汽轮机的能量利用率1、通流热效率2与通流热损失率¢2，以及功效值m分别为：

结合式(1)可知，在燃煤发电机机组的设计过程中，无论输出是汽轮机的轴功还是发电机电能，提高发电功效才是汽轮机高效设计的优化途径。尤其当量系数体现了功效品位或能级质量，转换过程内外条件进一步揭示了不可逆过程的损失机理，并且发电功效与当量系数、输入能量1的变化成正比，与过程条件的变化成反比，这就是功效原理能够呈现高效设计的应用价值。同样，基于式(1)，采用火用平衡及其响应的不可逆损失的研究方法，更有助于分析不可逆热力循环系统及其工程方案的合理性、经济性。在不可逆热力过程中，功能响应的大小不仅和过程的初、终状态有关，而且还与工质的性质及其变化的路径有关。因此，功效价值的基本原理不仅阐述了功能系统产生的质量是以过程为条件，而且还更进一步揭示了质量所需要代价及其成本的变化机理。显然，该原理在不可逆热力循环系统功能及性能的分析与评价上，更具有普适的应用价值[9-10]。

1.2 超临界燃煤发电机组的循环效率

蒸汽压力25MPa、温度580℃以上的超高参数燃煤火力发电机组，称“超超临界机组”，其发电效率为43.8%~45.4%，远高于亚临界机组的37.5%，更高参数超超临界机组的循环净效率预计可达到47%~53%[11]。实际发电循环效率与卡诺循环的差距如图3，上部10%左右的差距表示热力学系统集成完整性的不足，下部10%左右的差距对应电厂各种设备结构总成的过程损失[12]，显然，提高燃煤发电系统的效率还有较大的潜力。

图3 典型燃煤发电机组循环效率

由不可逆热力循环功效价值的基本原理和卡诺循环原理[13]可知，提高循环初参数、降低排气参数、减少过程的不可逆损失，是提高热力循环效率的3个主要途径[14-15]。近期，采用提高蒸汽初参数等技术设计的37.25MPa/700℃/720℃超超临界燃煤发电机组，热耗达到6608kJ/ (kW×h)，循环热效率在48.5%左右。通过提高循环初参数、降低排气参数、采用热力系统结构总成与系统集成等方法，减少热电转换过程中的不可逆损失，是超超临界机组循环热效率突破50%的关键。

2 新型超临界参数燃煤发电热力循环系统耦合设计

2.1 超临界水汽工质流态的动力特性分析

随着循环工质参数的提高，工质的状态与流态、不可逆损失及能量传递效率关联性研究具有重要的理论研究意义，尤其是开展超临界水汽工质水黏度-温度流态的物相特性研究和解决超超临界水汽工质特性带来的新问题，都更具有工程应用价值。

基于NIST数据库，针对超临界水汽工质水黏度-温度流态物相特性的研究表明，根据工质黏度-温度流态相图的物性来划分汽水工质流态的动力特性区域，比以压力、温度参数的临界点来区分工质的动力性能更有优越性。例如，经计算获得的水汽黏度-温度流态相图如图4所示，其中驻点曲线是等压条件下，黏度关于温度的一阶导数等于0的曲线，反映了黏度的变化等于0，该曲线也是划分气态区域与超临界区域的一条曲线；拐点曲线是等压条件下，黏度关于温度的二阶导数等于0的曲线，反应黏度的变化能力等于0，拐点曲线将以往定义的超临界区域划分成2部分，分别具有汽液2种不同的流态特性。因此，以黏度对温度的一阶导数和二阶导数曲线为工质性能分界线，将水汽黏度-温度流态相图划分为液态、汽态、汽液两相、超临界性能、液体超参数、汽体亚参数等6个特性区域。

图4 水汽黏度-温度流态相图

在水黏度相图4中，将经过临界点的等温线，经过临界点的拐点曲线，以及黏度关于温度的驻点曲线所包围的区域D作为超临界性能区域。因为驻点曲线可以从分子层面表征黏性产生的机理，驻点曲线右侧，黏度的产生主要是由于分子间无规则热运动导致的能量交换，介质表现为气体性质，在驻点曲线的左侧，黏性的产生主要是因为分子间的作用力(范德华力)，介质表现为超临界性质或者液体性质。过临界点的等温线和拐点曲线所夹的区域E为液体超参数区域。过临界点的等压线、相变曲线的下半部分和驻点曲线所夹区域F为气体亚参数区域。气体亚参数区域从黏度关于温度一阶导数的角度来考虑并不能当成纯粹的气体，因为该区域介质的黏度并不是随着温度的升高而升高，并不吻合气体黏度的性质。

针对超超临界汽水工质所具有的动力学特性，在热力循环及系统的设计中应该给予高度的重视，尤其换锅炉热器、管道阻力、流动特性与汽轮机通流部分、轴承及密封等动力部件设计的特性、过程不可逆损失，以及热力循环效率的分析都能提供可借鉴的性能依据。

2.2 机炉一体化“动力岛”的设计技术

2.2.1 “锅炉”换热器结构总成的设计技术

锅炉基于化石燃料煤的燃烧而产生烟气热能，通过换热器将烟气热量传递给热力循环水汽工质的能量而形成蒸汽进入汽轮机膨胀做功发电，并且汽轮机的乏汽进入凝汽器凝结后，再通过凝结水泵与给水泵增压进入高低压回热加热器加热与除氧器，最后返回锅炉烟气蒸汽换热器，这就构成了燃煤发电机组的汽水热力循环系驶统[16]，如图5所示。针对超超临界参数下的燃煤发电锅炉，由于水汽工质在超临界参数区域加热，因而不存在明显的汽水分离界面，如图6所示。

因此，严格地讲，超超临界参数下的燃煤发电机组只有炉而没有锅，这就是超高参数与亚临界参数的燃煤发电热力循环热力特性呈现较大区别的本质。

图5 燃煤发电机组的汽水热力循环系统

图6 超临界参数燃煤发电热力过程及烟/汽耦合传热特性

超临界参数的“锅炉”换热器的功能在于燃料燃烧而放热，与汽水循环工质升压汽化而吸热，从而导致能量传递的过程。目前，超超临界参数“锅炉”换热器有平式、P式、塔式与流化床式等结构的布置形式[17]，主要存在超临界参数的换热器材料昂贵，投资成本高、受煤质特性的因素影响比较大的问题；以及在传热传质机理和整体结构及系统功效分析中，未对基于热力学第二定律的能质分析给予足够的重视。例如，“锅炉”换热过程存在较大的温差，特别是在炉膛水冷壁处最大温差近1000℃，显然，在烟气与蒸汽能量耦合及传递的过程中将会产生明显的不可逆损失。

煤燃烧是一个非均相容积反应，包括气固多相流动、化学反应、传热传质等多个复杂过程，特别是在不同煤质燃烧的过程中，烟气特性对高温材料界面粘污、积灰特性对管壁换热性能影响的程度更要引起高度的重视。同样，水汽工质在加热汽化过程中，超超临界流体与亚临界流体相比呈现不同的变化特性，尤其是在物性流态相区存在黏温相变化的新机制导致工质流动阻力、传热特性等性能变化更明显，如图7所示。因此，如何揭示不同煤质燃烧与超超临界工质在物性流态相区流动机理及动力稳定性问题，将是制约管壁两侧烟气与蒸汽能量耦合理论的一个研究瓶颈。

图7 亚临界与超临界汽水工质的流态

基于热力学第一定律、第二定律和功效价值原理可知，高效“锅炉”换热器设计的核心问题，就是合理控制煤质燃烧产生烟气工质流动放热与超临界水汽循环工质吸热相耦合的匹配过程，并结合受热面布置有效地控制烟气温降和水汽温升特性曲线，尤其是平均放热、吸热的温度差值就能进一步体现烟气与水汽工质热交换过程的不可逆损失的程度。

由此可见，在超临界参数“锅炉”换热器的设计中，既要重视煤质由化学能转变为热能的技术转化途径，又要控制燃烧污染物生成及能否达标排放过程；既要进一步揭示超临界工质流态稳定性的机理，又要解决超临界流体的动力特性与高效传热问题。尤其是基于传热、传质理论，进一步揭示燃料传热材料界面粘污和两侧(烟气与水汽)传热的机理，合理匹配确定烟气辐射、对流、导热放热过程与受热面结构参数，开发燃料分级燃烧合理、温度曲线可控、耦合传热高效的新技术，以及受热面结构布置的优化设计方法，都有极其重要的研究价值。

2.2.2 汽轮机结构及热力系统的设计技术

目前，国际上普遍认为，在常规超临界参数的基础上压力和温度再提升一个档次，也就是工作压力超过24.2MPa，主/再汽温都超过566℃，都属于超超临界机组。为了论证自主开发大型超超临界机组的技术方案，国内很多研究机构都针对国内外各大公司在发展超超临界技术中解决的设计、制造、运行等关键技术水平与发展趋势进行了综合分析，并提出了适合我国发展的超超临界机组参数(25~28MPa/600℃)、一次中间再热方式、600~1000MW容量的设计方案。

对比分析国内上海汽轮机厂、东方汽轮机 厂[18]、哈尔汽轮机厂三大主机厂新型1000MW机组的结构特点发现：1）国内三大主机功率等级与主蒸汽压力、温度参数选择一致，并且在 1000MW机组结构设计都采用小直径、多级数、小焓降、高效率的通流设计原则，尤其上海汽轮机厂采取高压通流全周进汽并取消调节级、除末三级外全部采用全三维扭叶片以及高压汽缸采用单流程，叶片级通流面积比双流程增加一倍，叶片端损大幅下降[19]；2）高压切向进汽，斜置45°第一级静叶，结构紧凑，损失小；3）全部采用“T”型叶根，漏汽损失小等技术措施，有利于降低通流部分的不可逆损失，进一步提高机组变工况运行效率，降低汽隙激振的可能性。但是，夏季工况的补汽运行方式又不利于机组调峰运行的经济性。无论是上海汽轮机厂、东方汽轮机厂、哈尔汽轮机厂分别引进西门子、日立、东芝等国际知名制造商较为成熟的超超临界汽轮机制造技术，还是近年国内相关单位对技术的消化吸收或 升级，就整体而言，国内三大主机厂在初参数 600℃/28MPa下，新型1000MW汽轮机的结构设计上有相似的发展趋势，并且发电循环效率都接近50%。

在汽轮机热力系统设计方面，根据不同地区的自然环境及凝汽器乏汽冷却方式，在汽轮机主汽与背压参数确定的条件下，具体优化途径主要包括：一是如何优化选取高、中、低压气缸的负荷分配与进排气参数以及相对应的叶片级数；二是如何优化确定几级回热抽汽及响应参数[20]。但是，就近期而言，这2个方面的整体研究成果及设计方案的相关报道还很少。上海汽轮机厂与华东电力设计院联合设计了37.25MPa/700℃/ 720℃参数下，额定出力为710MW的超超临界燃煤发电机组的热力系统，其发电循环热效率为54.48%，如取厂用电率为5%，那么发电循环的净效率达51.76%。据悉，广东甲湖湾电厂 1000MW超超临界机组采用BEST汽动给水泵及双机回热系统方案，机组的热耗水平在一次再热机组达到最优，并接近二次再热机组的设计水平。

无论是增加超高压缸(VHP)的水汽循环系统设计，还是增加BEST汽动给水泵及汽轮机回热系统的改进，都是基于传统HP-IP-LP结构形式的汽轮机及其热力系统的局部节能改造。前者是基于提高蒸汽初参数后，更好地解决能的高效梯级利用问题，后者则是进一步解决汽轮机回热抽汽参数设计不匹配及给水泵电动改汽泵能量品质高质低用的不可逆损失问题。以上2种超超临界机组所采取的技术改进措施，其结果都是局部优化，而没有在初、终参数确定后，从有效热力焓降的整体工艺流程角度，开展高、中、低三缸结构参数合理匹配和回热、再热系统参数质量耦合的优化设计。同样，采用增加再热次数与回热级数及热泵等技术，虽然都能够提高热力循环效率，但是如果与汽轮机通流设计、“锅炉”换热器结构设计等结构参数匹配得不合理，尤其是在变工况运行的条件下，整个系统的不可逆损失都会有很大的增加。

总之，目前超超临界机组的设计方案只重视局部结构及系统的节能改造技术，而缺乏从整体到局部优化的设计理念。

2.2.3 新型机炉一体化的系统集成技术

针对高参数大容量燃煤发电过程与系统，尤其是在热-功-电的能量品位提升过程中，普遍存在以约束、耗散为条件的热功转化与能量传递过程的不可逆性，因此结合卡诺循环、朗肯循环与高参数大容量燃煤发电机组的不可逆损失机理，进一步开发不可逆热力循环的系统集成技术是必要的和迫切的。

图8给出了传统机炉分体设计、机炉一体化设计与“动力岛”设计的整体思路，其中分体设计以给水与主、再热工质参数为界面，进行烟气与水汽及其作功的能量转换与热量传递，机炉一体化是采用结构总成与系统成集方法将烟气与水汽系统能量进行耦合的整体设计，“动力岛”则是考虑机、炉冷源能量回收及热泵提质等方法进行完整的系统设计。

基于超超临界燃煤发电机组存在变工质烟气/水汽耦合的热能动力不可逆循环过程的特点，尤其“锅炉”换热器的燃料燃烧和烟气温降与水汽温升的特性曲线，以及平均放热、吸热的温度差导致能量传递的换热本质，提出相应地烟气-水汽工质“等效卡诺循环效率”的不可逆能量损失概念及其相应的分析方法，如图9所示。提高烟气与水汽系统能量耦合换热和热功转换的效率，关键在于采用合理组织燃料分级燃烧，放/吸热温度曲线可控，耦合换热平均温差最小；结构焓降分配合理，回热级数优化得当，热功转换梯级高效，尽可能实现冷源余热回收利用等节能降耗的新型技术，因此达到尽可能地降低整个系统及其热力过程不可逆损失而提升超高参数动力发电系统高效集成的目的。

图8 机炉一体化耦合设计技术

图9 烟气与水汽能量耦合换热系统

显然，“等效卡诺循环效率”概念是基于热力学卡诺循环原理提出的，重点揭示“锅炉”换热器烟气与水汽工质不可逆换热过程的不可逆损失的程度，具体表达式如下：

式中：¢k为等效卡诺循环的效率；d为低温热源水汽吸热过程的平均温度；g为高温热源烟气放热过程的平均温度。

由此可见，提高“锅炉”换热器效率的核心问题就是如何控制减小烟气与水汽工质的平均换热温差。所以，在超临界参数“锅炉”换热器优化布置的设计中，采用燃料流化、气化分级温控燃烧，两侧循环工质逆向流动布置的流化床技术较为合理，也许是未来发展更有性能优势的技术途径。

3 燃煤发电机组功效评价的新方法

根据热力学第一定律与热力学第二定律和功效价值原理，以及“等效卡诺循环效率”概念，结合烟气与水汽工资能量耦合系统，研究燃煤发电机组热力循环系统的不可逆损失机理，从而能够形成机炉一体化“动力岛”的设计技术和评价方法，如图10所示。

基于卡诺循环构成的原理热机、朗肯循环构成的技术热机、实际循环构成的产品热机、烟气布雷顿(Brayton)循环构成的等效“卡诺耗散热机”的性能评价指标，来指导超高参数燃煤动力系统工程技术方案的优化设计，并且卡诺循环效率揭示的是以可逆循环过程为基础而形成的原理热机，朗肯循环效率揭示的是以技术标准与规范而形成的技术热机，而产品样机则是针对实际循环系统及其环境条件，基于热力学第一定律给出的优化结果。

根据功效价值原理及热力学第二定律来进一步研究不可逆热力循环的指标评价问题，首先要基于“锅炉”燃烧能量转化的“等效卡诺耗散热机”概念及其相应的分析方法，结合汽轮机回热系统加热器热负荷品位及温度、压力参数，实现机炉一体、炉膛加热器重构的结构总成与系统集成的新型结构技术；其次，基于供需一体、质量耦合、能级利用的功能设计原则，分析能量转换过程中的不可逆损失分布机理，结合烟气与水汽能量耦合动力系统的能量转换与传递过程及环境特性影响，从能的“质”和“量”相结合的思路，构建资源、能源、环境与动力装置及系统一体化的工程技术方案，从而进一步提出高参数燃煤动力发电系统不可逆过程的分析及优化方法，简称功效价值评价方法。

图10 典型热力循环系统或热机的效率评价方法

由此可见，原理样机是以科学原理为基础、功能创新为目的，重点强调功能创新的新颖性；技术样机是以先进工程技术标准、性能创新为目的，重点强调样机或系统性能的提升；产品样机则是以价值创新为目的、响应优化为手段，重点强调提升功能响应的应用价值与降低约束、消耗的过程条件及其响应的成本。显然，要通过降低成本和改善功能2个方面，来实现成本与功能的合理化，从而达到提高循环及系统价值的目的。

4 结论

基于热功转化与能量传递的不可逆过程研究，提出“等效卡诺循环效率”与“动力岛”及过程条件的概念，从而形成了机炉一体化、“动力岛”结构设计的分析与评价方法；基于供需一体、质量耦合、能级利用的功能设计原则，分析超临界参数工质在能量转换过程中的不可逆损失分布机理，结合烟气与水汽能量耦合动力系统能量转换与传递的过程条件，从能的“质”和“量”相结合的思路，构建资源、能源、环境与动力装置及系统一体化的超临界参数燃煤发电机组的工程技术方案。具体结论如下：

1）依据烟气与水汽耦合循环的功效价值原理的研究，初步形成了机炉专业深度交叉与融合的动力结构总成、热力系统集成的新型重构技术思路，以及“动力岛”设计与评价的方法研究。提出功效价值与原理热机、技术热机、产品热机及“卡诺耗散热机”等性能指标的评价方法，更具有合理性、先进性。

2）在超临界参数“锅炉”换热器优化布置的设计中，采用燃料流化、气化分级温控燃烧，两侧循环工质逆向流动布置的流化床技术较为合理，也许是未来更有性能优势的技术途径。

3）基于超临界汽水黏度-温度流态相图与动力特性研究，提出一种按工质变化特性来划分6个特性区域的新方法。该方法能够为超临界参数下的换热器设计、管道阻力与流动特性分析、轴承与叶轮等动力部件的设计，以及热力循环效率的分析论证，提供一种更有效的新途径。

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New Supercritical Parameter Coal-Fired Power Generation System Structure Design Technology

YANG Jinfu1,2, ZHANG Zhongxiao3, HAN Dongjiang1,2, YANG Mei4, ZHOU Yunlong4

(1. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China; 2. Chinese Academy of Sciences University, Haidian District, Beijing 100049, China; 3. School of Mechanical and Power Engineering, Shanghai Jiaotong University, Minhang District, Shanghai 200240, China; 4. School of Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China)

According to the basic principle of the irreversible thermodynamic cycle value, the irreversible process of the thermodynamic cycle system was analyzed. The concept of "equivalent Carnot cycle efficiency" was proposed, and the classical thermodynamic theory and analysis method were expanded. At the same time, the design concept of "Cano consumption heat sink" and "power island" for supercritical parameters coal-fired power generation thermodynamic cycle unit was proposed, and the design principle of supply and demand integration, mass coupling and energy level utilization, and evaluation method of efficacy value were further given. These provide a more effective new approach for optimized designs of ultra-high-parameter coal-fired power generation thermodynamic cycle units.

ultra-supercritical parameters; coal-fired power generation technology; irreversible thermodynamic cycle; efficacy value principle; power island design method

10.12096/j.2096-4528.pgt.19125

2019-10-10。

国家重点研发计划项目(2018YFB0604404)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2018YFB0604404).

(责任编辑 车德竞)