随着全球化石燃料日渐紧缺,如何进一步提高燃煤电站效率,成为全社会越来越关注且亟待解决的问题。与一次再热超超临界机组相比,二次再热超超临界机组节能环保效益显著,采用二次再热技术的高参数超超临界燃煤发电机组必将越来越受到重视。因此,本论文以大型二次再热燃煤发电机组为研究对象,针对其热力系统优化和能量梯级利用问题开展研究。首先,沿用一次再热机组的回热系统结构,提出一种八级回热二次再热机组。基于热平衡和?平衡分析,对八级回热系统进行优化提出十级回热二次再热机组。其次,分别针对八级回热二次再热机组和十级回热二次再热机组,对其再热蒸汽压力进行分析优化,并通过?平衡分析揭示再热蒸汽压力优化使得热效率提升的原因。在此基础上,针对十级回热二次再热机组,基于“能量对口、梯级利用”的原理,分析回热系统蒸汽能级品位,提出两种回热蒸汽能量梯级利用系统,即外置式蒸汽冷却器系统和回热式汽轮机系统。最后,针对塔式锅炉和二次再热机组的特点,提出一种新型沉降式塔式锅炉二次再热机组,能有效的缩短主蒸汽和再热蒸汽管道长度,提高二次再热机组的热力性能和经济收益。具体而言:基于热力学第一定律和热力学第二定律,建立燃煤发电机组热力系统热平衡和?平衡计算模型,为二次再热机组回热系统结构优化和再热蒸汽参数分析提供理论依据。沿用一次再热回热系统结构提出八级回热二次再热机组,热力性能分析结果表明八级回热二次再热机组的热耗率比一次再热机组降低297.4k J/k Wh;发电效率提高1.72个百分点。对一次再热机组和八级回热二次再热机组进行?分析比较,结果表明八级回热二次再热机组回热系统的?损较高,为了降低回热系统的?损,提出增加两级回热的十级回热二次再热机组,与八级回热二次再热机组相比,十级回热二次再热机组热耗率降低54.5k J/k Wh,发电效率增加了0.33个百分点,同时回热系统?损降低。与一次再热机组相比,二次再热机组增加一级中间再热,再热蒸汽压力的选择对二次再热机组的热力性能具有重要意义。分别针对八级回热二次再热机组和十级回热二次再热机组,对再热蒸汽压比进行分析优化,当一次再热蒸汽压力与主蒸汽压力的比值为0.4,二次再热蒸汽压力与一次再热蒸汽压力的比值为0.3时,八级回热二次再热机组的发电效率最高。然而,对于十级回热二次再热机组,当一次再热蒸汽压力与主蒸汽压力的比值为0.5,二次再热蒸汽压力与一次再热蒸汽压力的比值为0.3时,机组发电效率最高。二次再热超超临界机组再热后蒸汽温度较高,过热度可达200℃以上,因此,回热系统蒸汽能级品位较高,在回热加热器中直接与能级品位较低的给水或凝结水换热,能量利用水平较低。基于能量梯级利用原理,提出增加外置式蒸汽冷却器和回热式汽轮机附加循环的超超临界二次再热机组热力系统集成方法,实现回热系统高品位蒸汽的能量梯级利用。在此基础上,对一次再热机组回热系统蒸汽能量梯级利用展开了进一步讨论,研究表明较高负荷条件下运行时,回热式汽轮机系统的节能效果优于外置式蒸汽冷却器系统。低负荷条件下外置式蒸汽冷却器系统的节能效果有所提高,回热式汽轮机系统的节能效果下降。针对二次再热机组塔式锅炉的特点,提出了一种新型沉降式塔式锅炉二次再热机组,使得二次再热机组的锅炉和汽轮机实现结构的匹配,大幅降低了塔式锅炉地表以上的高度、减少了在地面上用于支撑悬吊的钢架结构高度,节约钢材,同时缩短了主蒸汽和再热蒸汽管道长度,能够有效降低主蒸汽和再热蒸汽管道压力损失和投资,提升二次再热机组的热力性能和经济性。与传统塔式锅炉二次再热机组相比,沉降式塔式锅炉二次再热机组中主蒸汽管道压损降低3.7bar,一次再热蒸汽管道压损降低0.3bar,二次再热蒸汽管道压损降低0.6bar。由此带来二次再热机组的发电热耗降低36.0 k J/k Wh,发电效率提高0.22个百分点。综合考虑投资成本降低和热力性能提高两方面因素,沉降式塔式锅炉二次再热机组的单位发电成本由49.96$/MWh降低至49.30$/MWh。