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1、 国内图书分类号： TK262 国际图书分类号： 621 学校代码： 10079 密级：公开 硕士学位论文 1350MW超超临界二次再热机组机炉设计参 数优化研究 硕士研究生： 张小玲 导 师 ：阎维平教授 申请学 位：工学硕士 学 科：动力工程及工程热物理 专 业：热能工程 所 在 学 院 ：能源动力与机械工程学院 答辩日期 ： 2016年 3月 授予学位单位：华北电力大学 Classified Index: TK262 U.D.C: 621 Thesis for the Master Degree Optimization Research on Boiler and Turbine De
2、sign of an 1350MW Double Reheat Ultra Supercritical Unit Candidate： Supervisor ： School： Date of Defence ： Zhang Xiaoling Prof. Yan Weiping School of Energy, Power and Mechanical Engineering March, 2016 Degree-Confer ring-institution ： North China Electric Power University 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此
3、处所提交的硕士学位论文 1350MW超超临界二次再热机组 机炉设计参数优化研究，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他 人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：分小碎 日 期 ： 年 9 月 f日 1350MW超超临界二次再热机组机炉设计参数优化研究系本人在华北电力 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华 北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解
4、华 北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以 上相应方框内打叫 ”) ： 保密 ，在 年解密后适用本授权书 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 不保密 . 发展超临界和超超临界机组是我国发展洁净煤技术的必然选择，而二次再热 技术是超超临界发电技术的一个重要的发展方向。我国首台 66万千瓦与 100万 千瓦二次再热机组于 2015年 8
5、月相继投运，实现了我国二次再热机组零的突破， 这标志着二次再热时代的来临。然而，二次再热技术由于发展时间短，相对传统 一次再热而言不够成熟、稳定。因此，继续大容量、高参数二次再热技术的研宄， 以指导我们对二次再热机组进行进一步的设计优化和改造具有重要意义。 本文的主要目的是对 1350MW超超临界二次再热机组的机炉设计参数进行 优化研宄。在 对 1350MW超超临界二次再热机组进行系统建模的基础上，针对 不同给水温度取值的系统进行详细计算，综合分析不同给水温度设计取值对机组 锅炉侧，汽轮机侧和热力系统侧的影响，计算表明：对该机组而言，考虑机组蒸 汽循环效率，一、二次受热面布置，空气预热器与制粉
6、系统热量协调以及 SCR 脱硝装置效率，给水温度选取 325C为最佳。 对 1350MW二次再热机组的锅炉受热面布置进行优化研宂，基于热平衡原 理对完全仿照一次再热锅炉受热面布置的二次再热锅炉进行计算，分析两种锅炉 在蒸发吸热比例上的变化，对二次再热锅炉的设计难 点提出三点措施和解决方 案。并完成对 1350MW二次再热机组锅炉的校核计算，分析其变煤种和变负荷 特性。 对 1350MW二次再热机组的汽轮机布置与选型进行优化分析，根据不同汽 轮机布置型式和转速设计出四种方案。通过不同方案下机组主要设备尺寸和蒸汽 参数对比，效率经济性对比，以及项目投资经济性对比，结果表明：若看重机组 效率和工程远
7、期效益并兼顾成本，应选用 4排汽，双轴、全半速各一轴方案设计； 若考虑项目初投资成本，选用传统单轴全速， 6排汽设计是较理想的选择；而 6 排汽，双轴、全半速各一轴布置的方案和单轴 4排汽 、全速方案则因设备投资巨 大或技术限制等因素宜谨慎选择。 关键词：超超临界；二次再热；给水温度；受热面布置；布置选型 华北电力大学硕士学位论文 Abstract Development of supercritical and ultra-supercritical units is the inevitable choice of Chinas current development of clean c
8、oal technology, and the double-reheated technology is an important direction of ultra-supercritical power generation technology, it is an effective way to improve the thermal efficiency of thermal power units. At present, 660MW and 1000MW double reheat units have been put into operation, China achie
9、ved a breakthrough on the double reheat unit technology, which marked the coming of age of the double reheat. However, compared to the traditional single reheat technology, double reheat is not mature and stable enough because of the short development time. Therefore, the further study of large capa
10、city and high parameters double reheat units to guide us to the further design optimization is of great significance. This paper is mainly for the optimization of the main design parameters for the 1350MW ultra-supercritical double reheat unit. Models of 1350MW ultra supercritical double reheat are
11、built to calculate the effects of different feed water temperature to holier , turbine and thermal system. The calculation shows that:for the unit , in terms of the steam cycle efficiency of the unit, the 1st and the 2 nd reheating surface layout, the heat coordination of milling system and air preh
12、eater and SCR denitration plant efficiency, the optimal feed water temperature of the unit is 325 C. Then, the optimize research of heating surface arrangement of an 1350MW double reheat boiler is based on the principle of thermal equilibrium. Entirely modeled on a single reheat boilers heating surf
13、ace arrangement to design an double reheat boiler, calculation result shows that: the two boilers are different in the proportion of evaporation heat, and then putting forward three measures and response methods to an double reheat boiler, finally ,finish the check calculation of the boiler, analyze
14、ing it s varying load and varying coal characteristics. Schemes of 4 different steam turbine type are built to simulate and caculate to research the influence of shaft arrangements and shaft speed celections on efficiency and economy of the 1350MW ultra-supercritical doubleb reheat unit. By comparin
15、g the size of the main equipment, steam parameters of different designs, economic efficiency, as well as project investment of the four different designs, the result shows that: choose a tandem compound 4 flows steam turbine as the best design considering the costs and the efficiency as well as the
16、long-term benefits of the project ;when you 华北电力大学硕士学位论文 are considering the cost of the initial investment project, a cross compound 6 flows steam turbine design is the best choice; however, the tandem compound 6 flows steam turbine design and the cross compound 4 flows steam turbine design are eli
17、minated due to the huge investment or technical limitations. Keywords: ultra-supercritical; double reheat; feed water temperature; heating surface layout; layout selection HI m w . i Abstract . II g M . IV 第丨章绪论 . 1 1.1我国的能源结构 . 1 1.2我国燃煤发电现状与面临的形势 . 1 1.3大容量、超超临界燃煤发电机组发展现状 . 2 1.3.1主汽温度 700C 发电技术 .
18、 2 1.3.2二次再热技术 . 3 1.4二次再热技术国内外研宄现状 . 4 1.4.1二次再热理论研究概况 . 4 1.4.2二次再热机组投运情况 . 6 1.5本文研宄内容与目的 . 8 第 2章 1350MW二次再热机组给水温度选择优化设计 . 10 2.1给水温度对机炉间关联性分析 . 10 2.2机组主要参数与热力系统构建 . 11 2.3计算与分析方法 . 13 2.3.1 Themioflow 软件简介 . 13 2.3.2 STREAM PRO 建模环境 . 14 2.3.3不同给水温度取值设计 . 15 2.4给水温度变化影响分析 . 15 2.4.1给水温度对热力系统做功
19、的影响 . 17 2.4.2给水温度对锅炉受热面布置及锅炉效率的影响 . 17 2.4.3给水温度对制粉系统的影响 . 18 2.4.4给水温度对尾部脱硝装置的影响 . 18 2.5计算结果综述 . 19 2.6本章小结 . 19 第 3章 1350MW二次再热锅炉受热面布置优化设计 . 20 3.1弓丨言 . 20 3.2二次再热锅炉受热面布置特点 . 20 3.2.1受热面布置设计方案 . 20 3.2.2蒸发吸热比例计算分析 . 21 目 录 3_2.3解决方案 . 22 3.3 1350MW二次再热锅炉设计 . 25 3.4校核设计计算结果 . 26 3.4.1锅炉的变煤种特性 . 2
20、6 3.4.2锅炉的变负荷特性 . 27 3.5本章小结 . 28 第 4章 1350MW二次再热汽轮机布置与选型优化分析 . 29 4.1 弓 | 言 . 29 4.2单机极限功率的影响因素分析 . 30 4.2.1极限功率的概念与计算 . 30 4.2.2提尚单机最大功率的途径 . 31 4.3不同汽轮机型式组合设计 . 31 4.3.1单轴 4排汽，全速机组 . 32 4.3.2单轴 6排汽，全速机组 . 33 4.3.3双轴 4排汽，全、半速各一轴机组 . 33 4.3.4双轴 6排汽，全、半速各一轴机组 . 34 4.4 PEACE组件主要参数设定 . 34 4.5计算结果对比分析
21、. 35 4.5.1主要设备参数对比 . 35 4.5.2效率经济性对比 . 35 4.5.3投资经济性对比 . 36 4.6本章小结 . 37 第 5章结论与展望 . 39 5.1主要结论 . 39 5.2后期工作建议及展望 . 40 参考文献 . 41 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 . 46 m. ill . 47 v 华北电力大学硕士学位论文 第 1章绪论 1.1我国的能源结构 今后相当长一段时间内，世界能源格局不变，仍将主要依赖化石燃料。我国国 土面积辽阔，所蕴藏的能源种类多种多样，但是论能源储量多寡，煤炭资源仍占主 导地位。从总量看，煤炭是我国最安全、最经济、最可靠的能源 1
22、;我国煤炭资源 总量远远超过石油和天然气资源。我国 “ 富煤、贫油、少气 ” 的资源分布特点，加 之煤炭开采技术水平相对比较成熟，价格相对低廉，决定了燃煤发电在我国能源结 构中的主导地位。据统计，2011年我国的总装机容量达到 1.056乂 1 ,其中火 电装机为 7.65X 108kW， 占全国总装机容量的 72.5%。预计到 2020年，我国发电总 装机容量约达 1.6Xl W， 而火电机组装机容量为 1.0X109kW， 比重将下降到 62.5%。尽管比重下降，但由于燃煤机组装机容量仍将不断增长，在我国电力总装 机容量中仍占据主导地位 2;因此，我国以煤电为主的能源结构将不会改变。 1.
23、2我国燃煤发电现状与面临的形势 “ 十一五 ” 期间，我国电力行业加大 “ 上大压小 ” 的执行力度，关停小燃煤机 组的同时大力发展大容量机组，目前无论是己投入运运的还是拟建、筹建和在建的 百万千瓦等级超超临界燃煤机组数量，我国都居世界首位。文献 3指出，经过 “ 十 一五 ” 期间的努力，我国火电机组平均供电煤耗从 370g/(kW.h)降到 333 g/(kW.h)， 取得阶段性的成果，但国产机组与进口机组还是存在不同程度的差距。将我国同期 的同等级容量国产与进口机组相比后发现 m:600MW等级机组的供电煤耗比进口亚 临界机组高 16 20g/(kW.h)， 比 进口超临界机组高 22
24、30g/(kW.h);因此，我国的 燃煤机组存在着巨大的节能潜力。 “ 十二五 ” 期间 2，国家严格实施节能减排考核制 度，在继续加大节能减排力度的同时，也大力发展新能源发电。火力发电受到新能 源发电的冲击，所占比重亦逐渐下降，但新能源发电终究替代不了燃煤发电，因此 燃煤发电当前的首要任务是降低供电煤耗及污染物排放量，以满足节能减排的要求 2。燃煤机组的能源消耗及污染物排放是国民经济发展关注的焦点。降低机组的供 1 华北电力大学硕士学位论文 电煤耗，提高火电机组效率、减少污染物排放是调整我国电力结构的重要任务，发 展大容量、高参数、高效率、低污染的燃煤机组是我国电力工业的基本途径。 1.3大
25、容量、超超临界燃煤发电机组发展现状 在我国的能源消费结构中，煤炭消耗占总量的 2/3以上，且煤炭资源大多用于 燃煤发电行业。火电机组运行会排放大量的 C 2， NOx, SOx等污染气体，造成一 系列的环境问题4。因而，需要大力发展高效洁净煤发电技术研究。燃煤机组主要 依靠提高蒸汽参数，采用再热循环和增加再热次数来提高循环效率。机组的效率提 高从而降低发电煤耗，减少co2排放量，符合节能环保的要求。 1.3.丨主汽温度 700 C发电技术 700 C超超临界燃煤发电技术的净效率最高可到 53.0%，其供电煤耗及 C02排 放量也明显低于现有的超临界、超超临界机组，具有显著的优势。黄瓯等 4人经
26、过 经济得益计算得知，主蒸汽温度超 700 C的燃煤发电技术，其节能减排经济得益是 现有 600 C超超临界的 6倍。 当前，超临界和超超临界发电机组的主蒸汽温度己达到 600 C， 美国、欧洲和 日本等发达国家曾将接下来的发展目标定为热效率高于 50%，蒸汽参数达到 700C /35MPa及以上的更为先进的超超临界发电技术，并制定了相应的发展计划。上个 世纪 90年代，全世界发达国家开始了对 700 C发电技术的研宄：美国 760C -USC 计划、欧盟 AD700计划、日本 A-USC计划等。目前， 700 C计划的核心工作是新 型耐高温材料和部件的开发，这是决定 700 C机组能否成功的
27、关键 4。开发内容涵 盖诸多方面，包括为汽轮机、锅炉鉴定合适的材料，验证超高温条件下材料的蠕变、 热疲劳等性能，及抗氧化、抗腐蚀能力。从欧盟开发 700 C等级的超超临界机组的 过程可以看出，要根本 性解决 700 C等级的高温材料，其难度相当大。要实现 70(TC 等级的超超临界机组的运行，就要解决 700 C等级高温材料在成本上和技术上的难 题，即使己经开展研宄工作多年的欧盟，可能也还需要丨 0年的时间。现有的超超 临界机组多采用先进铁素体材料，其所能承受温度达 600 625 C，压力达 25 30MPa， 远远达不到满足发展 700 C超超临界机组的要求 5。因此，未来数年内恐 难以建
28、成示范电站，更别提规模化建设。现，欧洲、日本的 700 C计划也都有不同 2 华北电力大学硕士学位论文 程度的推后，而超超临界二次再热技术研宄则应运而生，获得越来越多的关注。 1.3.2二次再热技术 首先，在不提高当前超超临界机组参数的基础上，要应对我国煤炭等化石燃料 成本的攀升和日趋增加的碳减排压力的国情，在提高机组效率的同时又减少二氧化 碳、氮氧化物等污染物的排放量，完善并发展二次再热技术是首选。国家能源技 术 “ 十二五 ”规划中明确提出二次再热发电技术是当前领先世界的发电技术，是 重点攻关技术，具有高效率、低能耗等优势。经计算，二次再热发电机组热效率比 常规一次再热机组高约2%， C0
29、2减排约 3.6%6。 2012年我国科技部启动 “ 高效率 低排放的超 60(TC百万千瓦等级超超临界机组关键技术研宄与工程应用 ” 国家科技 支撑计划，并以国电泰州电厂二期工程2X 1000MW超超临界二次再热机组作为示 范项目，开始了我国二次再热技术的研发工作。 另外，根据国内外超临界和超超临界机组的发展趋势，参数继续提高是必然， 随着机组参数的不断提高，汽轮机末级排汽湿度增加，不但降低汽轮机效率，更影 响汽轮机的安全运行。当温度提高到 650 C 720 C、 压力达到 30MPa、 采用二次再 热，届时电站的 效率将进一步提高，便可获得与 PFBC和 IGCC发电技术相媲美的 优良经
30、济性 m。蒸汽参数31MPa/566 C/566 C/566 C的二次再热技术相比传统的 24.1MPa/566 C/566 C 次再热技术，其热效率可以增加 5%。而二次再热机组的蒸 汽参数相对于 700 C超超临界机组的参数低很多，当前己有的材料就能够满足二次 再热机组的规模化生产，不存在明显的技术瓶颈，因此，现阶段既能运用现有成熟 技术，又能提高机组热经济性的措施即为超超临界参数基础上采用二次再热技术 3， 能够有效提高汽轮机乏汽干度，减弱或消除末级叶片的腐蚀。发展超超临界二次再 热技术是提高火力发电机组热效率，降低能源消耗，减少温室气体和污染物排放， 实现经济社会可持续发展的有效手段。
31、 现如今，由于发展大容量、高参数机组的需要，合金钢材料的研发成果显著， 加工工艺的改良升级，电站自动化水平提高等等使得超超临界技术日臻成熟，二次 再热技术也越来越受到国家的重视，超超临界二次再热技术的应用将是解决效率和 环保问题的切实选择，也可为将来的 70(TC发电机组运用二次再热技术做好储备。 3 华北电力大学硕士学位论文 1.4二次再热技术国内外研究现状 目前全球范围内己建成投运的二次再热机组多为 20世纪六七十年代所建，相 关参考文献多见于 20世纪 70年代前，而中国早期二次再热相关资料多为关于国外 二次再热机组的型式、设备参数和运行情况的介绍，对二次再热机组的技术性研究 较少。随着
32、这几年二次再热发电技术重新开始得到我国的重视，关于超超临界二次 再热发电技术的理论、实验、仿真、模拟等研宄正在紧锣密鼓地进行着，最新技术 则多见于超超临界高参数发电技术研宄报告之中。国内外与二次再热机组锅炉、汽 轮机和热力系统相关的理论和实践也尚未十分成熟。 1.4.1二次再热理论研究概况 Y. Ust等 8对一次再热和二次再热的朗肯循环进行热力学优化，探讨锅炉蒸汽 温度和压力对热效率和电厂净功率输出的影响。研究表明：对于理论朗肯循环来说， 锅炉蒸汽压力和温度对一次再热和二次再热的最优再热压力设计取值产生重要影 响。机组净功率输出及热效率随一次再热压力的增加而下降；二次再热压力存在最 优设计值
33、使机组取得最高热效率，且最优值随着一次再热压力的 增大而增大。 Dykas191对不同热力系统类型和参数的 900MW 次和二次再热超超临界机组 进行详细的热经济学分析，探讨了新蒸汽和再热蒸汽参数对热力循环中基本的热力 学和经济学指标的影响。研究指出，新蒸汽和再热蒸汽参数的提高可以使发电效率提 高 2%以上，而使用二次再热可以使发电效率提高超过 2.9%。同时，经济学分析表明 新蒸汽和再热蒸汽参数的提高会增大投资支出。 Yuji Nameki_等对日立公司开发的 1000MW双轴机组的汽轮机和发电机设备 参数和技术进行了概述。随着火电机组建设投资的优化工作的进行，越来越合理化 的设备的运用，同
34、时又能保证高的可靠性和效率，双轴机组的提出，己产生了明显 的倾向。 Hiromitsu Iijima1111对东芝设计的 1000MW双轴全速 （ 3600ipm)机组的设备参 数，技术条件进行了详尽的介绍，从己投运的双轴机组的运行情况分析双轴机组未 来广阔的运用前景，体现了提高蒸汽参数，减少成本需求的角度展示增加规模优势 的能力。 张全斌 12针对 1000MW等级 (超 )超临界机组布置方案的选取问题对大容量机组 华北电力大学硕士学位论文 的布置方案进行详细的分析介绍，文中认为：百万千瓦等级单轴布置的汽轮发电机 组由于结构紧凑，设备零部件少，设备总重较轻、造价低，厂房占地面积较小，整 体可
35、靠性更好。并且在低压缸末级长叶片高度相同的情况下，单轴机组比双轴机组 的效率更高。随着大容量汽轮机设计、制造技术水平的不断提高，传统背压设计的 百万千瓦等级容量的汽轮机缸数目一般可以控制在 4个及以下，因此单轴布置型式 比双轴布置将更有生命力。 张亚夫等 13综合比较单、双轴布置的汽轮发 电机组在结构、技术难度、业绩及 发展趋势等方面的特点。对不同容量等级的超临界、超超临界压力汽轮发电机组推 荐了不同的单双轴布置方案。文中表明，中国发展超临界、超超临界压力 600 700MW等级机组必采用单轴布置方案；超临界及超超临界压力 1000MW等级机组 汽轮机则可以采用单轴方案或双轴方案；而 1300
36、 1400MW等级汽轮发电机组应采 用双轴方案。 李祥苓等介绍了我国成功引进的上电 -西门子和东方 -日立公司两家不同类型 的单轴百万千瓦超超临界发电技术，并提出了基于这两种不同发电技术进行优化增 容的设计。在 单轴扩容优化设计上，结合长轴系的稳定性技术和西门子的单轴瓦支 撑设计，增加 1个低压缸，加大锅炉出力，在保证轴系稳定的基础上机组可增容至 1300 1500MW;在基于西门子高压通流的双轴设计上，增加锅炉出力、增设 1个 中压通流及 1个或 2个低压通流组成的副轴，机组设计为 6缸 6排汽或 7缸 8排 汽，机组设计容量可扩大到丨 500 2000MW。 朱军以 1000MW容量发电机
37、组为例，从机组的参数设计选择、主机类型、 热力系统三方面阐述超超临界二次再热机组的技术特点，并从发电煤耗和投资经济 性两方面对百万千瓦等级二次再 热机组与一次再热机组的经济性进行了比较，对二 次再热技术的进一步应用提出了建议。 张方炜等 Ml分析了经典二次再热机组系统的技术特征，并对二次再热锅炉的关 键技术特点进行详尽分析。文中表明二次再热技术的运用可有效增加燃煤机组的热 效率并减少单位发电量二氧化碳的排放，加之铁素体和奥氏体合金材料技术成熟， 能够满足超临界二次再热机组的安全性要求。尽管二次再热技术的运用会使得锅 炉、汽轮机乃至热力系统的结构变得复杂。但在 700 C等级镍基材料解决之前，二
38、 次再热技术是提高燃煤发电机组热效率的重要手段。 王凤君等 Ml介绍了发展大容量超超临界二次再热火电机组的必要性，提出了二 次再热锅炉设计的初步设想和方案，为填补我国在超超临界二次再热机组上的空白 作出努力。与传统的一次再热相比，采用二次再热可进一步提高机组的热效率，并 5 华北电力大学硕士学位论文 满足机组低压缸排汽湿度的要求。开发更为高效洁净和具有自主知识产权的超超临 界二次再热锅炉是我国电力行业未来重要的发展方向。 马新立等 18详细介绍了我国第一例二次再热示范机组的锅炉特点，包括整体 布置、水冷壁管束、燃烧系统、各级高温受热面、过热和再热蒸汽温度调节等系统， 为掌握二次再热技术和类似机
39、组的推广建设提供借鉴。 李海新 19给出了 1350MW超超临界二次再热锅炉的一种设计方案：采用尽可 能高的给水温度，增加回热系统的抽汽量；引入背压式小汽轮机设计，减少一、二 次再热蒸汽流量，从而减少再热蒸汽吸热量，降低锅炉受热面布置的难度；燃用灰 熔点高于 1500 C的抚顺烟煤，以提高炉膛出口烟温，从而增加炉膛出口至省煤器 出口之间的换热量；过热蒸汽温度调节采用煤水比和两级喷水的方法，一次再热蒸 汽温度 主要采用烟气挡板调节，二次再热蒸汽温度主要依靠面式减温器调节等。最 后基于锅炉热力计算标准方法，对该机组二次再热锅炉进行校核计算。 施爱阳等 2()主要介绍了国内外燃煤发电厂采用二次再热超
40、超临界技术的发展 和应用情况，通过分析超超临界二次再热技术主要的设计难点，深入探讨了二次再 热机组蒸汽设计参数选择、锅炉、汽轮机设计及热力系统构建的思路。 赵永明 21针对 1350MW超超临界二次再热机组的热力系统形式及主要参数设 计行进了研究。基于热平衡和热力循环基本原理，综合考虑锅炉与汽轮机设计上的 难点，设计 了背压抽汽式、凝汽式给水泵汽轮机等若干不同形式的热力系统，同时 确定了其他循环主要参数。基于 Thermoflow建模平台对不同形式热力系统模型进 行分析计算，认为综合考虑二次再热锅炉与汽轮机设计上的协调，推荐二次再热机 组采用背压抽汽式小汽轮机方案；研究表明在所研究的压力范围内