1、 技术研发背景

从提高热力循环效率的角度，进一步提高超超临界机组的效率水平，主要有两条路径，一是继续提高初参数，如发展700℃等级技术，二是采用二次再热。其中，提高初参数，耐热合金是基础，但价格也随之扶摇直上，700℃等级镍基超级合金极其昂贵。以主、再热蒸汽管道为例，用于700℃的Alloy263镍基合金价格约为用于600℃的P92合金钢的9-10倍。按欧洲原计划示范机组的估算，其造价约为同等容量600℃机组的一倍，而净效率仅提升3%（约相当于供电煤耗下降20g/kWh），性价比非常低。欧洲原计划的700℃示范项目实际上已无限期搁浅。

为此，近年来煤电行业又开始转向二次再热技术，我国各地相继也出现了多台二次再热机组。但事实上，常规二次再热并不是新技术，早在20世纪，在美国、欧洲和日本就有应用，但是实践表明，常规同参数二次再热与一次再热相比，会造成系统复杂、投资高的问题，并没有性价比方面的优势。

据上海申能电力科技有限公司（申能科技）研究测算，在相同边界参数下，目前已投产的常规二次再热相比目前的一次再热，由增加再热次数带来的煤耗收益仅为约4g/kWh左右，同时带来了投资高、保效难、灵活性差等一系列问题。

2、 技术要点

分析常规二次再热的技术特点，可以发现，常规设计的二次再热机组，主、再热蒸汽在锅炉与汽轮机房之间多次来回。对于特大型机组，锅炉越来越高，单根蒸汽管道的平均长度就达200m。由此带来了一系列问题：

1) 增加了压力较低的大直径第二次再热管道，布置困难；

2) 大直径高温蒸汽管道价格昂贵；

3) 增加了系统阻力，降低了蒸汽的做功能力；增加了散热损失；

4) 大大增加了系统储存的蒸汽量，汽轮机负荷调节惯性显著增加；

面对上述进一步提高参数和常规两次再热的技术困境，申能科技总经理冯伟忠教授跳出现有设计思维的约束，首创性地发明了“汽轮机高低位分轴布置二次再热技术”，打破了上述发展高参数、采用二次再热的瓶颈，通过采用高低位布置这一技术，可大幅度缩短锅炉与汽机之间的高温高压蒸汽管道，释放了高参数、二次再热的发展空间。而采用双轴技术后，单机容量的瓶颈被打开，按现有的锅炉和汽轮机设计技术，单机容量可增大至1300MW—1500MW。

德国西门子公司在对《汽轮机高低位分轴布置二次再热技术》方案及其理念进行了深入研究后，给予了高度评价。在西门子火力发电集团产品业务部首席执行官罗兰·菲舍尔博士签署的报告中称：“本技术能大大提高火力发电机组的净效率，是改革高污染发电行业成为低排放绿色产业的唯一机遇……西门子十分重视上述技术，认为此技术是引领世界煤电继续发展的技术。如果能实践到工程中，它将使中国成为世界火力发电技术的领导者。”

在汽轮机高低位分轴布置二次再热技术的基础上，申能科技通过进一步研究，开发了汽轮机高低位单轴布置二次再热超超临界技术。该技术作为双轴布置技术的升级版，除了能全面传承高低位双轴机组的一系列创新技术，还能弥补高低位布置技术存在的不足，进一步简化系统，降低设备投资，同时提高了机组的经济性。

2019年第四季度，中国能源研究会邀请能源领域院士、专家对汽轮机高低位单轴布置二次再热超超临界技术方案进行了评审，其综合评价为：“该技术方案先进、可行，实现了主蒸汽和再热蒸汽高温高压管道的最短化，大量节省极其昂贵的高温管道材料，投资收益高，将为今后发展更高参数超超临界技术创造示范案例，对我们火电整体节能提效减排有重大意义，建议尽快实施。”

“汽轮机高低位分轴/单轴布置二次再热技术”突破了700℃镍基合金异常昂贵导致机组造价暴增的瓶颈，为未来700℃机组进行了超前性技术储备。考虑到我国在高温材料研发方面的短板，这一技术储备具有重大战略意义。

为进一步提高机组效率水平，并保障机组的长期安全高效运行，申能科技还将为新建机组提供“节能环保安全系列专项技术”定制化设计，“氧化皮和固体颗粒侵蚀综合防治系列技术”等定制化设计咨询，与上述“汽轮机高低位分轴/单轴布置二次再热技术”结合，成为“先进二次再热超超临界新建机组整体综合优化技术”。这一系列技术具有如下优点：

1、效率水平大幅领先。采用本优化咨询技术，结合上述定制化的“节能环保系列专项技术”及“氧化皮和固体颗粒侵蚀综合防治系列技术”，机组供电煤耗可比同类型常规二次再热超超临界机组低15g/kWh以上。对于典型湿冷机组，机组额定工况下净效率接近50%，优于原各国700℃计划中机组预期效率水平，在现役所有超超临界机组中处于遥遥领先的位置，并且为今后700℃机组的技术发展树立了标杆，打开了发展空间。且可大幅降低低负荷工况机组供电煤耗，明显缩小机组高、低负荷效率之差。并且还能实现20%负荷的深度调峰安全高效运行。

2、性价比高。与很多技术以高投资、高维护成本换取节能收益不同，本系列综合优化技术中的一些典型技术，可以实现优化系统、降低能耗的同时减少投资、降低费用。因此，采用本系列综合优化技术后，新建机组的总投资与同类常规二次再热机组相当。

3、机组性能全面提升。本系列综合优化技术，不仅可以显著提高机组效率，还可以全面提升机组在运行安全、低负荷灵活性、长期高效和环保系统设备节能延寿等方面的能力水平，使得电厂在机组长期运营方面得到实实在在的经济收益。

3、 应用成果

“先进二次再热超超临界新建机组整体综合优化技术”已在淮北申能发电有限公司应用，在安徽平山新建一台1350MW高低位分轴布置二次再热机组，简称为“平二项目”，又被业界称为“251工程”，该工程为国际首创，被列为国家煤电示范工程,参数为32.58MPa/610℃/630℃/623℃，额定工况下设计供电煤耗不超过251g/kWh。

“251工程”于2018年7月18日工程正式开工，于2021年6月10日完成机组168试验。该机组已经成为世界上最高效、最清洁的超超临界燃煤发电机组，将为我国及世界煤电高效清洁发展指明方向，为国家能源局确定的“力争到2030年在煤炭清洁燃烧与高效发电方面，实现燃煤发电净效率突破50%”目标尽早实现打下坚实基础。同时也为今后发展更高参数，使用极其昂贵高温管道材料的超超临界技术（650℃—700℃）创造一个最佳的示范案例。

平山电厂二期1350MW工程已于2021年5月10日晚实现20%负荷深度调峰试验（干态运行）。这是目前世界上实现20%深度调峰单机容量最大的煤电机组。

2018年，平二项目尚在建设期间，就获得了美国皮博迪（Peabody）年度“全球清洁煤领导者奖”。

4、 附图

图1平山电厂二期1350MW高低位布置二次再热超超临界机组厂房外观

图2平山电厂二期汽轮机高位（上）和低位（下）平台

申报单位简介

上海申能电力科技有限公司（下称“电力科技”）是上海清洁煤电工程技术研究中心的依托单位，2020年受邀成为国际能源署清洁煤中心（IEACCC）首批“知识伙伴（Knowledge Partner）”，主要从事与火电行业节能环保相关的技术开发、咨询和服务，提供火电机组综合升级改造及优化等方面的定制化解决方案，曾为华润集团、神华集团、华电集团等发电集团旗下的电厂提供服务。

目前拥有包括机组固体颗粒侵蚀综合防治系列技术、空预器柔性密封技术、等效零能耗脱硫技术、广义回热系列技术、节能型宽负荷脱硝技术、广义变频系列技术、高温亚临界综合升级改造系列技术、全负荷低氧低氮稳燃技术、高低位分轴布置、全高位布置技术及20%低碳化极深度调峰技术等在内的70余项专利技术和专有技术。

电力科技不断研发先进、高效和灵活的火电创新技术，将火电机组“低碳高效、洁净环保、高可靠性、深度调峰”的先进理念向全行业推广，为中国能源体系的低碳化发展提供重要支撑，助力我国“3060目标”的实现。