二次再热机组是在一次再热机组的基础上重新加热高温蒸汽，即在超高压缸和高压缸设置二次再热回路，将出口蒸汽再次送入锅炉内高、低压再热器进行加热，提升了蒸汽整个做工过程的平均吸热温度。工质温度越高，意味着其朗肯循环过程更接近卡诺循环，其发电效率更高。最早的二次再热超超临界机组投产于德国许尔斯化工厂，装机容量为88 MW，蒸汽参数为31 MPa/600 ℃/565 ℃/ 565 ℃。德国、日本、美国是目前世界上投产二次再热机组最多的3个国家。受限于高温材料的腐蚀问题，从20世纪70年代后，二次再热机组的新建机组数量大大减少。中国在“十二五”期间，将二次再热超超临界发电技术确定为重点研究和开发项目，“十三五”期间相继在安源、泰州、莱芜、蚌埠、宿迁、句容投产运行6个二次再热机组，蒸汽参数为31 MPa/600 ℃/610 ℃/610 ℃和31 MPa/ 600 ℃/620 ℃/620 ℃ 2种类型。

一般而言，主蒸汽温度提高10 ℃，机组循环热效率提升0.22百分点~0.25百分点；二次再热蒸汽温度提高10 ℃，机组循环热效率提升0.14百分点~0.17百分点。目前国内同样蒸汽参数的机组运行数据显示，二次再热机组的热效率比一次再热机组高2百分点~3百分点。表1为超超临界机组主要参数对比情况。泰州1 000 MW超超临界二次再热机组发电煤耗达到256.2 g/(kW•h)；莱芜电厂的1 000 MW二次再热机组发电效率更是达到了48.12%，发电煤耗为255.29 g/(kW•h)。2017年，国内首台630 ℃超超临界机组在大唐山东郓城电厂投建，蒸汽参数达到35.5 MPa/616 ℃/631 ℃/ 631 ℃，设计发电煤耗为245.9 g/(kW•h)，锅炉采用单炉膛、前后墙对冲燃烧、二次中间再热、平衡通风、固态排渣Π型锅炉，汽轮机采用二次中间再热、五缸四排汽、12级回热、双背压凝汽式。

表1 超超临界机组主要参数对比情况

目前，金属材料的高温服役性能仍是限制先进能源转化系统发展的首要问题。受限于奥氏体钢的高温腐蚀问题，再次提升蒸汽温度就必须采用镍基合金材料，机组成本急剧增加。同时，相对于一次再热机组，二次再热机组的汽水流程明显增加，机组耦合控制技术更为复杂，在保证机组运行效率的基础上提高二次再热机组的深度灵活调峰能力是未来的重点研究方向。