基于回热系统重构的灵活高效燃煤发电技术研发与应用
国家能源集团岳阳发电有限公司
一、项目案例基本信息
二、项目案例详细内容
1.项目案例简介
国能岳阳2×1000MW机组新建工程首次在一次再热机组中成功应用带平衡发电机的双机回热系统。本项目集汽轮机制造技术、发电机深度耦合技术、大型变流器及关键零部件自主化技术、关键控制技术于一体，实现了新型热力系统设计、小发电系统长轴系稳定性、小汽轮机抽汽管道扭振分析、四象限变流器电网故障穿越方法等多项关键技术突破。在大型超超临界煤电机组清洁低碳的基础上，拓展了安全高效、灵活智能方面的功能，实现了启停工况机炉解耦、19%-100%BMCR宽负荷高效智能调节，快速启动、全工况脱硝等多个效果。100%THA工况供电煤耗266.5 g/kW.h，处于行业领先水平。机组并网前锅炉实现干态稳定运行，缩短启动时间2小时以上。国能岳阳电厂采用先进理念与技术，提升能效、减少排放，在新型电力系统中发挥基础保障与灵活调节作用。项目实现世界首台基于回热系统重构的机组高效灵活运行。目前已获发明专利 23 项、实用新型专利 57 项等，成果丰硕。
2024 年，中电联鉴定其运行和控制水平达国际先进水平，双机回热系统设计与控制达国际领先。同年，中国电机工程学会认为项目技术创新性强，推广前景广阔。国能岳阳电厂的成功实践，为我国煤电机组发展提供了宝贵经验。
2.项目背景
党的二十大明确提出加快构建新型能源体系，建设清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能的新型电力系统成为能源领域重要任务。在此背景下，传统煤电向基础保障性与灵活调节性电源并重转型，对促进新能源消纳、推动能源绿色低碳转型、实现 “双碳” 目标意义深远。
一次再热机组作为新型电力系统中基础保障与系统调节的关键电源，其技术发展备受关注。随着能源结构调整与电力需求升级，一次再热机组在经济性与灵活性方面面临挑战，亟需在不显著增加建设成本的前提下，实现宽负荷热效率提升、灵活性增强及安全可靠性保障等技术突破，以满足新型电力系统建设需求，推动行业技术革新。
2018年初，在国能岳阳 2×1000MW 超超临界机组建设启动之际，项目团队紧密围绕国家能源战略部署，立足国内大型煤电机组技术发展趋势，结合湖南电网实际需求，科学谋划、系统布局，以创新驱动为核心，确立建设新一代高效灵活 1000MW 级超超临界一次再热燃煤机组的目标，致力于为新型电力系统构建提供技术示范与实践经验。
3.详细技术内容或科学研究内容
3.1 基于功电平衡给水泵汽轮机的热力系统重构研究
热力系统重构旨在采用新技术、改进工艺流程、优化能源利用和减少能源损失，对现有的热力系统进行重新设计和调整。针对蒸汽朗肯循环可以通过重构循环流程，优化热力过程，进一步提高循环效率。传统的热力系统重构以再热和回热技术为主。
新形势下热力系统重构可以通过引入新的设备和控制策略，或者对现有设备进行升级和改造等手段，对现有的热力系统进行重新设计和调整，以实现更好的热能管理和利用，提高系统的效率、可靠性和环保性能，低运行成本。
国能湖南岳阳电厂2×1000 MW超超临界机组新建工程提出基于功电平衡给水泵汽轮机的热力系统重构理念，面向一次再热超超临界燃煤机组回热抽汽的过热度高问题，减少了加热低温冷凝水和给水的过程中由于大温差产生了较大的㶲损失，防止回热抽汽在再热器中获得的㶲能成为损失。同时优化给水泵汽轮机的抽汽级数、抽汽参数和再热系统参数，提升机组经济性。从而形成基于功电平衡给水泵汽轮机的热力系统重构方法。
3.2 适应新型热力系统的汽轮机设备技术研究
针对新型热力系统中，抽背式给水泵汽轮机的各级回热抽汽占主流比例大，抽口压力易迭代发散的问题，提出一种带通流回归迭代抽汽口参数的汽轮机热力系统算法，在程序中增加部分内容，修改程序计算方法，将抽背式给水泵汽轮机的抽汽压力计算结果经过一定的处理后再代入下一次迭代计算，从而减轻因给水泵汽轮机抽汽量占通流比例大而造成的给水泵汽轮机抽汽压力偏差的影响，起到消除迭代计算结果震荡发散的作用。
针对机组需要长期深度调峰的应用场景，研发全要素耦合深度调峰低压模块设计技术。通过深入研究叶片在湿蒸汽、超音速环境下的流动机理，应用最先进的超音速叶栅激波诱导边界层分离抑制技术设计理念，兼顾考虑热力系统和辅机系统等，优化宏观热力参数，从叶型设计、级间匹配等多方面考虑，同时兼顾各个工况余速损失，使得低压模块在不同负荷工况条件下，加权热耗收益最大化，大幅提升机组深度调峰能力。
针对抽背式给水泵汽轮机组结构紧凑、管道推力对汽缸稳定性影响较大等问题，研发了优化型给水泵汽轮机结构设计方案。创新性的提出给水泵汽轮机多个抽汽口分布于汽缸上、下半汽缸，使汽缸所受管道推力均匀分布。开发了给水泵汽轮机内缸分段式隔板套结构设计，研究了抽口布置设计，保证流场分布均匀，有效减小了汽流对转子的径向扰动力。研究并开发了给水泵汽轮机汽缸滑猫爪、双死点轴承箱的滑销系统，确保汽轮机顺畅膨胀和灵活启停。
针对抽背式给水泵汽轮机轴系结构复杂且运行工况多变的特点，研发了基于有限元的轴系瞬态、稳态动力特性分析平台，提出了多驱动长轴系功电平衡装置轴系稳定性设计校核计算方法，克服了长外伸段转子设计和平衡困难的问题，通过给水泵汽轮机通流及转子结构优化，提高轴系抗扰动能力，降低汽流激振力，保证了高转速、带长外伸段转子运行的稳定性。
3.3 20MW级高稳定可靠性四象限变流器技术研发
针对全控整流拓扑和压接IGBT的技术特点，开展大量的器件短路故障试验，通过优化设计拓扑交流输入侧熔断器的选型，分析熔断器熔断特性与发热之间的关联规律，提出压接型IGBT不发生短路故障前提下，实现全控整流拓扑的设计目标。
针对整流侧和逆变侧多发热器件、复杂水路设计难题，开展了各水路部件的有限元仿真建模，基于场路耦合的方法建立了复杂水路的电路等效仿真模型，研究基于缩颈方法解决复杂并联水路之间的水流量不均的控制技术，提出了发热器件散热的串并联水路设计方法。
针对汽电双驱长轴系系统中汽轮机与变流器功率协同、响应速度、控制精度等难点，研发应用于长轴系多驱动功电平衡机组全工况自适应控制技术、多控制目标无扰切换及大扰动抑制高动态响应的控制技术，开发不同运行阶段的功率协同策略和基于零序分量与谐波注入的功率单元自旁路技术，攻克长轴系联合运行下转速震荡难题，实现机组灵活启停、多驱无扰投切、汽电互备冗余、快速动态响应及长期稳定运行的目标。
针对四象限变流器进线10kV电源负荷设备多、负荷启停运行频繁、网压扰动大等问题，研发了适用于不同运行工况、电压跌落深度、有无汽驱介入的低电压穿越技术。提出了电动运行和发电运行工况低电压穿越方法及其控制目标，明确了电动工况下的穿越标准，克服了关联负载设备启停以及电网/母线故障对机组系统的扰动影响。实现四象限级联拓扑电动发电运行工况下四象限变流器的零电压穿越，保证给水泵转速的稳定和汽电双驱联合运行的可靠性。
3.4 新型热力系统宽负荷稳定运行控制技术研究
国内部分应用双机回热系统的机组灵活性受给水泵汽轮机轴系振动、给水流量波动、变流器负荷超限、控制逻辑限制等因素的影响，难以实现宽负荷高效运行。岳阳项目通过搭建新型热力系统仿真模型，掌握了启动、停运和事故工况下的参数动态特性规律，研发新型热力系统超超临界一次再热机组控制策略和技术，提升机组全负荷工况的运行可靠性和灵活性。
3.5 快速高效启动运行技术研究
开发系列新技术，如新型回热系统前置投入技术，新型回热系统与主汽轮机解耦技术、机组启动初期锅炉蒸汽的高效利用技术、功电平衡发电机功率灵活转换技术、变流器控制替代给水泵汽轮机电动盘车技术，提高机组启动阶段灵活性和经济性，缩短启动时间约2小时，调试期间汽水品质提前2天合格，适应燃煤机组频繁启停的要求。
4.主要发现点或技术发明点或技术创新点
4.1 首次提出一种新型热力系统的重构方法
首次提出基于功电平衡给水泵汽轮机的新型热力系统重构方法，实现了再热系统和汽轮机抽汽的解耦设计，开发带通流回归迭代抽汽口参数的汽轮机热力系统算法，优化再热系统、回热抽汽系统参数，设计给水泵汽轮机4抽1排的热力系统，相比传统一次再热机组降低汽轮机热耗约30 kJ/kWh。全新设计的热力系统如图1所示：
图1 基于回热系统重构的全新热力系统图
4.2 开发基于热力系统重构的超超临界1000MW燃煤发电机组系列关键技术及装备
基于新型热力系统的汽轮机关键技术
开发带通流回归迭代抽汽口参数的热力系统计算模型，实现回热系统重新设计。研发全要素耦合深度调峰低压模块设计技术，大幅提升机组深度调峰能力。深度调峰模块开发流程如图2所示：
图2-深度调峰低压模块开发流程图
锅炉深度灵活高可靠性关键技术
开展受热面热焓分配优化研究，通过优化受热面布置，更合理进行过热、再热系统及各级受热面的热焓分配，实现了机组在15%~100%BMCR负荷下额定汽温调节。通过进行深度调峰适应性优化研究，实现15%THA负荷的深度调峰能力，通过优化水动力特性保证了0～100%THA的直流运行。
给水泵汽轮机多驱动功电平衡长轴系稳定性关键技术
开发多驱动长轴系功电平衡装置轴系稳定性转子动力学设计校核计算方法，攻克三轴承支撑轴系稳定性分析方法，提高抗汽流扰动的能力及转子运行的稳定性，拓宽了机组安全稳定运行的转速范围。抽背式小汽轮机组轴系示意图图3所示：
图3-抽背式小汽轮机组轴系示意图
突破FB2转子冶炼、锻造、热处理等关键制造工艺的技术难点，首次在岳阳电厂项目中应用国产FB2转子，解决了我国汽轮机转子材料依赖进口的卡脖子难题。FB2转子交付如图4所示。
图4-国产FB2转子首次在百万机组中成功应用
基于本项目研制了世界最大容量的基于压接器件的H桥级联拓扑结构的20MW级四象限变流器，解决了大容量电动/发电机在高转速、高电压场景的应用难题，拓展了国产大容量变流器在煤电、冶金、矿山等行业的应用市场。如图5所示：
图5 基于压接器件的H桥级联拓扑结构的20MW级四象限变流器
5.与当前国内外同类技术主要参数、节能减排效益、市场竞争力的比较
5.1 技术装备国外发展概况
为降低机组供电煤耗率，提高机组运行经济性，国际几大动力设备公司在回热系统上均进行了优化研究，关于增加1台小汽轮机单独提供回热抽汽的方式，国外有不同的技术方案。
1995年，美国西屋公司申请了抽汽背压式汽轮机（英文全称Back pressure Extraction Steam Turbine，简称BEST）的美国专利，该小汽轮机以高压缸排汽为汽源，承担多级回热抽汽，排汽至3号低加。
2004年，丹麦Dong能源公司申请了“T透平（T-turbine）”的欧洲专利，该小汽轮机同样以高压缸排汽为汽源，承担多级回热（高加、除氧器及低加）抽汽，同时驱动给水泵，并通过齿轮箱驱动小发电机。
2009年，欧盟“AD700计划”推荐采用“T透平”方案提高电厂效率。AD700计划主要包括概念设计与高温材料研发（第1阶段，1998-2004年）、锅炉设计与高温材料性能测试（第2阶段，2002-2005年）、关键部件的中试实验（第3阶段，2004-2008年）、700 ℃超超临界示范电站的建设（第4阶段，2006-2011年）、示范电站的运行（第5阶段，2012-2014年）和技术反馈（第6阶段，2012-2014年）。第一阶段、第二阶段已于2004年底完成，第三阶段已于2009年底完成，第四阶段（示范电站建设）由于材料方面的原因已推迟。
国内关于是否在双机回热系统配置功率平衡发电机有过激烈的讨论，对于功率平衡发电机关键配套设备的大功率变频器，国外主流供应商主要有西门子、ABB、TMEIC等。主回路主要采用三电平、五电平技术路线，核心功率器件为压接型IEGT或IGCT。根据工况是否需要能量回馈又化分为二象限变频装置与四象限变频装置。2005年，ABB推出二象限变频器ACS5000，广泛应用于石化、电力、冶金等行业，目前国外暂无四象限产品。
5.2 技术装备国内发展概况
国内首个投运的双机回热机组（不带功率平衡发电机）于2018年在陆丰甲湖湾电厂投运，汽轮机生产厂家为上海汽轮机厂，抽背式小机采用“三抽一排”，存在节流调节后机组经济性偏离设计值等问题。
上海汽轮机厂生产的二次再热双机回热百万机组于2021年在华能瑞金电厂投运，抽背式小机采用“五抽一排”，带功率平衡发电机，在机组投运以后存在平衡发电机功率超限、抽背式小机3、4号轴承振动超限等问题，机组只能在40-90%负荷范围内稳定运行，经济性和灵活性的优点没有发挥出来。国能岳阳项目梳理分析双机回热系统机组潜在问题与风险，从系统配置、结构设计、轴系设计上进行优化，实现了国能岳阳项目2台机组启动并网一次成功，各项参数优秀，并一直保持高质量运行。
对于功率平衡发电机关键配套设备的大功率变频器国内起步相对较晚，但是发展较快，产品主要以中小功率风冷型变频器为主，核心器件采用1700V IGBT，主拓扑采用单元级联技术，单机容量一般小于10MVA。大功率水冷型高压变频器较少有厂家能研制，尤其是单机功率达20MW的变频产品。
为打破垄断，2009年在能源局和中石油大力支持下，依托关键能源领域国产化政策，荣信汇科成功开发了国产首台20MW级大功率高压变频器，并成功应用于中石油长输管线多个压气站。依托于管线市场丰富的工程应用经验，大功率变频器逐步推广并成功应用于风洞领域、石化领域、火力发电厂领域及相关重点领域。
5.3 节能减排效益
为适应新型电力系统发展规划要求，新型适配火力发电机组应运而生，国能湖南岳阳电厂2×1000MW新建工程双机回热系统不仅仅是新技术、新工艺、新装备的应用，更是对传统火力发电系统一次工艺和系统的升级和重塑，由于双机回热系统对材料、工艺、控制要求极为苛刻，国外在2009年已停止对该系统的研究。随着我国科技近几十年快速的发展，与之相配套的汽轮机设计和制造技术、发电机深度耦合技术、大型变流器及关键零部件自主化的落地共同推进了双机回热技术具备应用的条件，双机回热系统在火力发电厂的首次成功应用，机组在安全可靠、灵活控制、节能降耗、智能智慧四个维度颠覆了对常规火电厂的认识，符合我国新型电厂系统发展要求。
由于采用双机回热技术，较采用东方汽轮机第四代高通流技术的乐清电厂热耗率降低了43.33 kJ/kWh，每年按照设计3600利用小时计算，两台机组每年可以节约标准煤10656吨，按照标准煤当前700元/吨计算，采用双机回热技术每年可节约7159200元，节能效果显著。
T=43.33/29.3076*3600*2=10656吨
5.4 市场竞争力
轴系稳定性
经过“168”的实践考验及15% 低负荷深度调峰的适应性考核，无论是给水泵汽轮机组的轴承振动、轴承温度均表现优异。转子系统的各阶临界转速避开了机组的正常工作转速范围(2600rpm～5050rpm),从而实现了机组变转速、变功率运行的需求。
各项性能指标
国能南京电力试验研究有限公司于2024年1月对#1机组汽轮机进行了性能试验。经修正后THA1 工况的汽机热耗率为 7129.74kJ/kWh，THA2 工况汽机的热耗率为 7121.69kJ/kWh，两个工况平均热耗率为 7125.71kJ/kWh。对比行业内近年来投运的一次再热机组能耗水平，岳阳电厂全工况能耗均为最优。100%THA工况供电煤耗达到266.5g/kWh，一次再热百万千瓦供电煤耗行业领先。
机组灵活性
（1）实现19%-30%负荷区间实现深度调峰
由于岳阳项目给水泵汽轮机开始冲转就可以投加热器，加热器投运时间相比常规的超超临界一次再热机组早，在大机冲转阶段的给水温度高于常规的超超临界机组，岳阳项目的锅炉可以实现并网前干态运行，启动时间较常规的超超临界一次再热机组缩短启动时间约2小时。
（2）1000MW超超临界一次再热机组升负荷速率可达3%Pe/min以上。
（3）功电平衡自适应调节系统具有调频功能，可替代凝结水、给水调频技术，提升辅助服务质量。
6.应用情况
国能岳阳电厂于2023年12月16日双机投运，提前完成“22+2”工期目标，实现了“两高一低”的工程建设要求，创造了国内百万机组建设最短记录。岳阳电厂基于热力系统重构的高效灵活燃煤发电机技术的首次应用，也是行业内一次超超临界百万机组上的首次成功应用，机组各负荷下运行稳定可靠，回热系统与设计值精确吻合，运行控制顺利，解决了行业面临的难题，对该系统的进一步应用产生了强大推力。同时也引领了未来燃煤火电机型新的发展方向，有效促进超高参数煤电机组进一步节能降耗，具备大规模的推广应用的条件。
岳阳电厂采用高效灵活发电双机回热系统关键技术，机组投运以来设备运行良好，各项参数指标正常，未发生机组非计划停运，非计划降出力事件。1号机组两次THA工况生产厂用电率分别为3.85%和3.84%，平均厂用电率为3.845%，修正后锅炉热效率为94.96%和94.88%，修正后发电煤耗为257.98g/kWh和256.00g/kWh，修正后供电煤耗为268.87g/kWh和269.0g/kWh，平均修正后供电煤耗为268.93g/kWh；2号机组两次THA工况生产厂用电率分别为3.88%和3.94%，平均厂用电率为3.91%，修正后锅炉热效率为95.01%和94.97%，修正后发电煤耗为258.6g/kWh和258.5g/kWh，修正后供电煤耗为268.29g/kWh和267.27g/kWh，平均修正后供电煤耗为267.78g/kWh。
7.经济效益和社会效益
社会效益：
国家能源集团在岳阳 2×1000MW 超超临界燃煤机组中，首创热力系统重构技术。提出基于功电平衡给水泵汽轮机的新型重构方法，优化再热与抽汽系统，相比传统机组降低汽轮机热耗约 30kJ/kWh。研发全要素耦合深度调峰技术，实现 15% - 100% BMCR 负荷汽温调节与 15% THA 深度调峰，保障低负荷安全运行。
项目突破多项关键技术，首次应用国产 FB2 转子打破进口依赖；创新长轴系功电平衡设计，提升轴系稳定性；开发回热系统前置投入等多项灵活技术，缩短启动时间 2 小时，实现 15% - 100% THA 调峰。自主研发 20MW 级四象限变流器，发挥示范效应。该机组推动煤电转型，提升灵活性与可靠性，为能源安全和现代能源体系建设提供有力支撑。
8.本项目曾获奖励情况
9.申请、获得知识产权情况表
10 申报单位意见
京公网安备 11011502004515号 
