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[摘 要]本文对二次再热汽轮机进行介绍，分析其参数选择和气缸特点，并探讨二次再热汽轮机设计过程中的关键技术，主要包括超高压缸模块的压力提升、中压模块的容量提升，机组启动技术和旁路配置等，希望能对二次再热汽轮机的研究与应用提供参考。
[关键词]二次再热；汽轮机；关键技术；
中图分类号：TM723 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）14-0235-01
前言：煤电是我国电力结构中的主要成分，并且在未来很长一段时间内，煤电仍然会是我国电力发电的主要形式。但是煤燃烧发电会加剧化石能源消耗，并且带来较为严重的环境污染问题。因此提高汽轮机的性能，降低汽轮机的热耗具有重要意义。超超临界火电机组的使用已经使电厂供电煤耗降低为279g/kW·h。提高汽轮机的蒸汽阐述、采用二次再热循环技术，可以进一步降低机组热耗，目前二次再热汽轮机的应用受到了国内外的广泛重视。
一、二次再热汽轮机简述
二次再热机组的性能虽然在一次再热机组的基础上得到显著提升，但是其系统复杂，造价成本高，而燃料则较为低廉，花费大代价提升机组性能未免有些得不偿失。因此即使二次再热机组早就被研发出来并且得到了应用，但在实际生产中，仍然以一次再热机组为主。但是随着工业的快速发展，能源消耗问题和环境恶化问题日益突出，煤电带来的温室气体排放成为人们必须严肃对待的问题，而且化石燃料的成本也在不断上升。因此，二次再热汽轮机的应用再次得到高度关注，利用二次再热循环技术提高机组效率、降低机组能耗十分必要。
二、蒸汽参数选择
蒸汽参数的选择对汽轮机性能由重要影响，提高进汽压力可以提升机组循环效率，但是蒸汽参数的提高也会使内外缸强度和中分面密封等设计面临着更高的难度。进汽温度是主蒸汽压力的主要限制因素，再热温度不变，提高再热蒸汽压力和主蒸汽压力，会增大低压缸的排汽湿度。目前再热温度600℃的一次再热机组的主蒸汽压力一般在30MPa以下，利用二次再热可以提高主汽压力。以进汽参数为30MPa/600/620/620℃的二次再热汽轮机为例，其超高压缸和高压缸的焓降、进排汽压都有所降低，为缸强度的设计提供了有力支持。但是较低的第二级再热压力也会带来两点不利影响。一是中压缸进口蒸汽过热度提高，影响低压模块可靠性，必须降低中压缸排汽压力。二是进出口压力降低，中压缸进汽和排汽的比容都大幅增加，会为中压缸设计增加难度。为保证最优化的二次再热循环效率，在蒸汽参数选择上，一次再热压力应为主汽压力的28%～32%，二次再热压力应为一次再热压力的28%～32%，并将二次再热机组主汽压力提升至30MPa以上，将再热温度提高至620℃以上。
三、汽缸结构选择
在二次再热循环技术的应用下，各种型号汽缸的进出口温度和压力都有较大变化，给汽缸结构形式选择带来了新的难度。超高压缸是二次再热机组必须配置的，并且压力应更高，同时提升排汽温度和排汽压力，从而使其进出口容积流量小于一次再热机组的高压缸。但传统的中分面结构无法满足25MPa及以上的进汽压力，所以要对汽缸的强度和密封性进行重新设计。二次再热与一次再热机组的汽缸进出口参数对比如表1所示。
高压缸的进汽参数应介于原高压缸与中压缸之间，进出口溶剂流量、焓降和亚比应为同功率一次再热中压缸的1/3～1/2左右，可选择较小的中压模块。对原汽缸结构进行改型设计，提高其承压能力和耐高温能力。中压缸进口压力远低于一次再热机组，蒸汽过热度大幅度增加，必须将排汽压力降低到0.5MPa以下，采用更大的中压模块。低压缸的低压进口压力降低，蒸汽比容增加，应放大低压进汽腔室和中低压联通管。
四、关键技术分析
（一）提高超高压缸模塊的压力
传统的中分面结构的高压缸，受螺栓盈利限制，所能承受的最高压力在25MPa左右，从上述分析可知，二次再热机组的超高压缸的压力更高，因此必须采用特殊的结构形式，使高压缸压力达到27MPa以上。应采用分缸设计方式，让高压缸能够适应二次再热机组中更高的进汽压力。
1、增加汽缸个数
面对超高压缸模块压力的提高问题，应增加汽缸个数，采用特殊的设计形式。但在特殊的设计形式下，超高压缸和高压缸结构形式无法实现，所以需要增加汽缸个数，应比一次机组汽缸个数多出1～2个，那么800MW容量以上的机组的汽缸数将达到五个，包括一个单流超高压缸，一个高压缸，一个双流中压缸和两个双流低压缸。这样一来汽轮机的总长就会增加，轴系稳定性会受到一定影响，可以采用“n+1”轴承支撑方式，“n”是转子的个数，5根转子由6个轴承支撑，从而缩短轴向尺寸，使其结构更加紧凑，保证轴系的稳定性[5]。
2、增加中压模块容量
二次再热机组的进出口溶剂流量都有大幅增加，因此需要增加中压模块的容量，放大缸体尺寸和进汽阀门的尺寸。对通流部分进行设计，应增加叶片的质量和高度，增大叶根离心力和叶深蒸汽弯应力。1000MW等级的双流设计中压缸的末几级叶片高度在300～350mm左右，其叶片频率和强度的设计暗度都已经接近叶片的极限，因此需要采用2个中压缸。
（二）二次再热机组启动
目前投入使用的超超临界一次再热机组一般采用高中压联合启动方式，高压调门和中压调门都参与调解。二次再热机组的启动过程更加复杂，旁路系统的复杂度也大大提升，在进行配置时，需要在原来的旁路基础上，增加一级中压旁路，形成三级旁路，即高、中、低压旁路。汽轮机中各个型号汽缸的启动参数和限制值都要进行重新设置，并对超高压、高压、中压调门进行协调控制，以及旁路容量的重新设置。由于目前国内对二次再热机组的设计、运行经验尚浅，因此有必要接近国外先进二次再热汽轮机的设计方式，比如旁路配置和机组启动方式等。具体的设计需要由设计院、汽轮机厂和锅炉厂配合进行。
结束语
总而言之，在环境压力和能源压力日益增加的当下，提高煤电发电的效率，降低能耗迫在眉睫。虽然我国的煤炭资源较为丰富，但是我国人口基数大，人均能源储备水平远低于世界人均水平。而且我国的二氧化碳排放量排在世界首位，面临着严重的雾霾和空气污染问题。因此，更应加快对二次再热汽轮机的研发和应用，使其能够早日投入使用，帮助提高煤电发电效率，降低煤电发电能耗，优化没电发电结构，实现电力行业的可持续发展。
[关键词]二次再热；汽轮机；关键技术；
中图分类号：TM723 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）14-0235-01
前言：煤电是我国电力结构中的主要成分，并且在未来很长一段时间内，煤电仍然会是我国电力发电的主要形式。但是煤燃烧发电会加剧化石能源消耗，并且带来较为严重的环境污染问题。因此提高汽轮机的性能，降低汽轮机的热耗具有重要意义。超超临界火电机组的使用已经使电厂供电煤耗降低为279g/kW·h。提高汽轮机的蒸汽阐述、采用二次再热循环技术，可以进一步降低机组热耗，目前二次再热汽轮机的应用受到了国内外的广泛重视。
一、二次再热汽轮机简述
二次再热机组的性能虽然在一次再热机组的基础上得到显著提升，但是其系统复杂，造价成本高，而燃料则较为低廉，花费大代价提升机组性能未免有些得不偿失。因此即使二次再热机组早就被研发出来并且得到了应用，但在实际生产中，仍然以一次再热机组为主。但是随着工业的快速发展，能源消耗问题和环境恶化问题日益突出，煤电带来的温室气体排放成为人们必须严肃对待的问题，而且化石燃料的成本也在不断上升。因此，二次再热汽轮机的应用再次得到高度关注，利用二次再热循环技术提高机组效率、降低机组能耗十分必要。
二、蒸汽参数选择
蒸汽参数的选择对汽轮机性能由重要影响，提高进汽压力可以提升机组循环效率，但是蒸汽参数的提高也会使内外缸强度和中分面密封等设计面临着更高的难度。进汽温度是主蒸汽压力的主要限制因素，再热温度不变，提高再热蒸汽压力和主蒸汽压力，会增大低压缸的排汽湿度。目前再热温度600℃的一次再热机组的主蒸汽压力一般在30MPa以下，利用二次再热可以提高主汽压力。以进汽参数为30MPa/600/620/620℃的二次再热汽轮机为例，其超高压缸和高压缸的焓降、进排汽压都有所降低，为缸强度的设计提供了有力支持。但是较低的第二级再热压力也会带来两点不利影响。一是中压缸进口蒸汽过热度提高，影响低压模块可靠性，必须降低中压缸排汽压力。二是进出口压力降低，中压缸进汽和排汽的比容都大幅增加，会为中压缸设计增加难度。为保证最优化的二次再热循环效率，在蒸汽参数选择上，一次再热压力应为主汽压力的28%～32%，二次再热压力应为一次再热压力的28%～32%，并将二次再热机组主汽压力提升至30MPa以上，将再热温度提高至620℃以上。
三、汽缸结构选择
在二次再热循环技术的应用下，各种型号汽缸的进出口温度和压力都有较大变化，给汽缸结构形式选择带来了新的难度。超高压缸是二次再热机组必须配置的，并且压力应更高，同时提升排汽温度和排汽压力，从而使其进出口容积流量小于一次再热机组的高压缸。但传统的中分面结构无法满足25MPa及以上的进汽压力，所以要对汽缸的强度和密封性进行重新设计。二次再热与一次再热机组的汽缸进出口参数对比如表1所示。
高压缸的进汽参数应介于原高压缸与中压缸之间，进出口溶剂流量、焓降和亚比应为同功率一次再热中压缸的1/3～1/2左右，可选择较小的中压模块。对原汽缸结构进行改型设计，提高其承压能力和耐高温能力。中压缸进口压力远低于一次再热机组，蒸汽过热度大幅度增加，必须将排汽压力降低到0.5MPa以下，采用更大的中压模块。低压缸的低压进口压力降低，蒸汽比容增加，应放大低压进汽腔室和中低压联通管。
四、关键技术分析
（一）提高超高压缸模塊的压力
传统的中分面结构的高压缸，受螺栓盈利限制，所能承受的最高压力在25MPa左右，从上述分析可知，二次再热机组的超高压缸的压力更高，因此必须采用特殊的结构形式，使高压缸压力达到27MPa以上。应采用分缸设计方式，让高压缸能够适应二次再热机组中更高的进汽压力。
1、增加汽缸个数
面对超高压缸模块压力的提高问题，应增加汽缸个数，采用特殊的设计形式。但在特殊的设计形式下，超高压缸和高压缸结构形式无法实现，所以需要增加汽缸个数，应比一次机组汽缸个数多出1～2个，那么800MW容量以上的机组的汽缸数将达到五个，包括一个单流超高压缸，一个高压缸，一个双流中压缸和两个双流低压缸。这样一来汽轮机的总长就会增加，轴系稳定性会受到一定影响，可以采用“n+1”轴承支撑方式，“n”是转子的个数，5根转子由6个轴承支撑，从而缩短轴向尺寸，使其结构更加紧凑，保证轴系的稳定性[5]。
2、增加中压模块容量
二次再热机组的进出口溶剂流量都有大幅增加，因此需要增加中压模块的容量，放大缸体尺寸和进汽阀门的尺寸。对通流部分进行设计，应增加叶片的质量和高度，增大叶根离心力和叶深蒸汽弯应力。1000MW等级的双流设计中压缸的末几级叶片高度在300～350mm左右，其叶片频率和强度的设计暗度都已经接近叶片的极限，因此需要采用2个中压缸。
（二）二次再热机组启动
目前投入使用的超超临界一次再热机组一般采用高中压联合启动方式，高压调门和中压调门都参与调解。二次再热机组的启动过程更加复杂，旁路系统的复杂度也大大提升，在进行配置时，需要在原来的旁路基础上，增加一级中压旁路，形成三级旁路，即高、中、低压旁路。汽轮机中各个型号汽缸的启动参数和限制值都要进行重新设置，并对超高压、高压、中压调门进行协调控制，以及旁路容量的重新设置。由于目前国内对二次再热机组的设计、运行经验尚浅，因此有必要接近国外先进二次再热汽轮机的设计方式，比如旁路配置和机组启动方式等。具体的设计需要由设计院、汽轮机厂和锅炉厂配合进行。
结束语
总而言之，在环境压力和能源压力日益增加的当下，提高煤电发电的效率，降低能耗迫在眉睫。虽然我国的煤炭资源较为丰富，但是我国人口基数大，人均能源储备水平远低于世界人均水平。而且我国的二氧化碳排放量排在世界首位，面临着严重的雾霾和空气污染问题。因此，更应加快对二次再热汽轮机的研发和应用，使其能够早日投入使用，帮助提高煤电发电效率，降低煤电发电能耗，优化没电发电结构，实现电力行业的可持续发展。