江 蛟，高嘉梁，王志斌

(江蘇省電力設計院，南京市，211102)

1 工程概況

華能巢湖電廠2×600MW新建工程（如圖1）位于安徽省巢湖市西北，處安徽省電力負荷中心，該項目的建設將充分滿足安徽省經(jīng)濟發(fā)展對電力的需求，優(yōu)化地方電源結(jié)構，提高電網(wǎng)運行的安全可靠性。華能巢湖新建工程于2007年5月23日經(jīng)國家發(fā)改委核準，2007年3月1日正式開工建設。2008年8月9日，1號機組投入了商業(yè)運行；2008年11月24日，2號機組投入了商業(yè)運行。

2 工程設計優(yōu)化

在本工程的創(chuàng)新和優(yōu)化設計中，將重點放在“經(jīng)濟性、合理性、先進性”上，突出體現(xiàn)節(jié)能與環(huán)保的設計理念，采取了以下10項優(yōu)化措施：（1）合理廠區(qū)布局，節(jié)約占地；（2）優(yōu)化主廠房布置，降低工程造價；（3）簡化輔機選型，減少設備投資；（4）采取可靠措施，降低電廠耗水指標；（5）合理確定輔機容量，降低廠用電率；（6）體現(xiàn)以人為本，提高控制水平；（7）注重環(huán)境保護，降低排放指標；（8）開展精細化設計，更新設計思路；（9）注重新技術、新工藝，實現(xiàn)技術升級；（10）體現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟思想，促進可持續(xù)發(fā)展。

2.1 廠區(qū)總平面布置優(yōu)化

經(jīng)優(yōu)化后的總平面方案具有順、新、小、省、整和以人為本等特點。

（1）順。充分結(jié)合地形，按工藝系統(tǒng)的布置要求，設計合理的階梯分區(qū)，大大節(jié)省挖填方量。

（2）新。工程采用全新的側(cè)煤倉布置方案；主廠房采用模塊組合設計。

（3）小。主廠房體積小、廠區(qū)占地面積小、拆遷量小、土方工程量小。

（4）省。運煤棧橋、綜合管架省。

（5）整。進行了大量的整合，如：化水區(qū)與凈水站、綜合泵房的整合，全廠空壓機室與除灰、脫硫、運煤綜合樓的整合，車庫與檢修間、材料庫的整合等。

（6）以人為本。如采用“四機一控”方式，將控制室布置于生產(chǎn)辦公樓與主廠房連接的天橋上，營造了“安靜、和諧、便利”的工作環(huán)境。

總平面布置的優(yōu)化，減少了土方量，節(jié)約了占地面積。廠區(qū)占地面積為23.0 hm2，僅為限額設計的47%，全廠填挖方基本平衡。

2.2 主廠房布置優(yōu)化

按模塊化設計的思路對工程進行設計。在模塊合理劃分的基礎上，對每個模塊進行優(yōu)化，然后分析每個模塊的技術特點、經(jīng)濟性和適用性，并在此基礎上進行模塊優(yōu)化組合，推出適合本工程特點的5個主廠房方案。通過經(jīng)濟技術比選，確定本工程的最優(yōu)設計方案，主廠房布置優(yōu)化成果如表1。

表1 主廠房布置優(yōu)化成果Tab.1 Main power block layout optimization

主廠房布置主要特點為：(1)采用側(cè)煤倉方案，壓縮汽機與鍋爐之間距離，減少四大管道管材用量。(2)汽輪發(fā)電機組中心線偏向A排布置，汽機房空間布局合理。(3)除氧器高位布置于煤倉間與爐側(cè)之間搭建的平臺上。(4)取消集中控制樓，集控室采用“四機一控”方案，布置在生產(chǎn)辦公樓與主廠房連接的天橋上。(5)2機合用1臺電動啟動泵。(6)A排外設置毗屋，占3檔，毗屋跨度為6.0 m。(7)2臺爐的煤倉間集中布置在2爐中間，煤倉間采用單框架結(jié)構，2爐共用磨機檢修場地。采用爐后上煤方案，保證輸煤棧橋和上煤皮帶最短。(8)電氣熱控設備布置高度分散，降低了電纜用量。

2.3 設備及系統(tǒng)優(yōu)化

2.3.1 給水泵優(yōu)化

在保證機組運行安全、可靠的前提下，決定2臺機組合用1臺啟動電動給水泵，電動給水泵不作備用，以降低廠用電負荷和優(yōu)化廠用電接線方式，電動給水泵功率由8600 kW降至3400 kW。與單元制電動備用泵相比，可節(jié)省投資1772萬元；與每臺機組配1臺啟動電動給水泵相比，可節(jié)省240萬元，同時可節(jié)省主廠房的占地面積。

2.3.2 點火油系統(tǒng)優(yōu)化

本工程對點火油系統(tǒng)配置進行了全面優(yōu)化，采用等離子點火技術，有效降低了燃油系統(tǒng)出力、供油泵揚程以及油罐的容量。點火油系統(tǒng)優(yōu)化后，燃油系統(tǒng)的出力僅為15%BMCR熱輸入量，油罐容量僅為2×500 m3，供油泵采用 2×100%+1×30%配置方案，與常規(guī)方案相比，初投資約節(jié)省100萬元。同時，采用等離子點火技術后，還可以降低鍋爐啟動耗油量。

2.3.3 全廠壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化

將各專業(yè)空氣供應系統(tǒng)的獨自布置整合為統(tǒng)一的空壓機站，由壓縮空氣站向除灰、熱控、熱機、脫硫等專業(yè)提供氣源?？諌簷C采用節(jié)能型壓縮螺桿式空壓機，不僅有利于節(jié)省空氣供應系統(tǒng)的土建和設備投資、減少各專業(yè)的設備備用，提高供氣可靠性，而且有利于集中優(yōu)質(zhì)管理，減少管理成本。經(jīng)過優(yōu)化整合，全廠僅需要配置5臺50 m3/min、排氣壓力為0.75 MPa的空壓機，3臺運行，2臺備用。通過空氣供應系統(tǒng)優(yōu)化，節(jié)約建設費用134.4萬元，減小占地216 m2。

2.3.4 鍋爐補給水系統(tǒng)優(yōu)化

通過優(yōu)化系統(tǒng)出力、設備布置及技術經(jīng)濟優(yōu)化比選，鍋爐補給水處理系統(tǒng)設計采用2套系統(tǒng)出力為50 t/h的超濾+一、二級反滲透+電除鹽系統(tǒng)。與常規(guī)方案相比，水處理室建筑面積和體積分別減少了55%和70%，水處理站總占地減少55%。由于系統(tǒng)連續(xù)自動化運行，采取無人值班運行管理方式，水處理站不設控制室，減少了電廠定員。

2.3.5 冷端優(yōu)化

根據(jù)電廠總平面布置方案、廠址區(qū)域氣象條件，通過選擇不同的汽輪機冷端設備（主要包括凝汽器面積、冷卻塔面積、循環(huán)水冷卻倍率以及供排水管徑等），共組成250種不同配置方案，采用循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化計算程序進行水力、熱力及經(jīng)濟計算，并進一步對其中的主要經(jīng)濟指標進行了敏感性分析，最終提出本工程冷端設備的配置方案：1臺機組配置3.8萬m2的凝汽器及9000 m2的自然通風逆流式冷卻塔；循環(huán)水冷卻倍率為55倍；循環(huán)水供水干管/支管管徑為DN3000/DN2200。循環(huán)水供水系統(tǒng)采用單元制，每臺機組配置2臺50%容量的循環(huán)水泵。

采用該方案后，系統(tǒng)經(jīng)濟性較好，同時也能保證汽輪機組的最大出力，即在最高的冷卻水溫條件下，保證汽輪機的背壓不超過滿負荷運行時的最高允許值。

2.3.6 輔助車間控制方式及控制系統(tǒng)優(yōu)化

在設計中對設置集中監(jiān)控網(wǎng)和不設集中監(jiān)控網(wǎng)2個輔助車間控制方案模塊進行分析比較后，采用了設置集中監(jiān)控網(wǎng)的輔助車間控制方案，即將全廠除納入DCS系統(tǒng)監(jiān)控以外的所有輔助車間和附屬生產(chǎn)的控制系統(tǒng)通過計算機網(wǎng)絡聯(lián)網(wǎng)（包括水、煤、灰、脫硫等系統(tǒng)），實現(xiàn)集中監(jiān)控。其控制點布置在單元機組控制室，與主廠房DCS系統(tǒng)構建成全廠范圍的集中監(jiān)控中心，提高了電廠的生產(chǎn)效率和電廠輔助車間運行和管理水平。

2.4 精細化設計

2.4.1 電纜敷設路徑的優(yōu)化

本次工程設計專題研究電纜敷設路徑優(yōu)化及減少橋架、電纜的相關措施，對經(jīng)優(yōu)選的4個模塊方案，分別從控制電纜，電力電纜兩方面進行技術經(jīng)濟比較，確定本工程最優(yōu)電纜敷設路徑。優(yōu)化后，全廠電纜及電纜橋架的總費用相對限額標準節(jié)省約3297.2萬元，節(jié)省了44.8%；全廠電纜與橋架的總施工費用相對限額能夠節(jié)省約4922.4萬元，節(jié)省了41.9%。全廠電力電纜總長度僅為限額標準的54%；全廠控制電纜總長度僅為限額標準的70%。降低工程造價十分顯著。

2.4.2 煙囪結(jié)構的優(yōu)化選型

煙囪作為火力發(fā)電廠的主要構筑物，其結(jié)構的選擇是影響建筑、安裝施工工程量的重要因素，本次設計針對采用濕法脫硫后，煙氣對煙囪內(nèi)襯及混凝土筒壁腐蝕影響的特性，在經(jīng)過技術經(jīng)濟比較后，采用套筒磚、內(nèi)筒鋼筋混凝土煙囪方案。該方案投資僅為1704萬元，較常規(guī)工程節(jié)約近600萬元，并且從根本上解決了煙囪裂縫和腐蝕問題。

2.4.3 主要建（構）筑物基礎設計優(yōu)化

根據(jù)本工程勘測報告和建（構）筑物上部結(jié)構荷載對地基的不同要求，對采用天然地基的方案進行分析和比較，通過承載力和沉降計算，論證其可行性；對基礎的持力層和基礎型式進行計算和經(jīng)濟比較，提出：相對于可研提出的重要建（構）筑物采用層④為基礎持力層，經(jīng)比較后確認當層③有一定的埋深和層厚時，應優(yōu)先選用為持力層，以減少開挖工作量，節(jié)省投資；基礎型式根據(jù)實際情況采用獨立基礎或筏基。在主廠房結(jié)構設計方面采用多種程序進行聯(lián)合空間結(jié)構計算和驗算復核，使構件斷面選擇合理，結(jié)合目前成熟的技術、施工條件，采用不同強度等級的混凝土匹配HRB400級鋼筋，進行精細計算比較，尋求最佳結(jié)構性能，實現(xiàn)工程造價最低、總體進度最快的目標。圖2為主廠房的三維結(jié)構示意圖。

汽機基座設計方面，在使用常規(guī)TGFP V4.0計算的基礎上，采用套裝工程分析軟件ANSYS 7.0建模，通過模態(tài)分析和擾力作用下的強迫振動分析進行對比，論證了技術經(jīng)濟的綜合效益，達到了節(jié)省投資、加快進度的目標。對比優(yōu)化前后2種汽機基礎方案，優(yōu)化后的基礎柱截面大幅減小。經(jīng)計算，優(yōu)化后的汽機基礎鋼筋混凝土總方量為4180 m3，較優(yōu)化前的4893 m3降低了713 m3，降幅為14.6%。1臺汽機基礎可直接節(jié)省土建投資約94.2萬元。優(yōu)化方案方便了施工，明顯縮短了土建施工周期，加快了施工進度。由于優(yōu)化后的汽機基礎改善了基礎的動力特性且減少了沉降，提高了機組的安全系數(shù)。

2.5 新技術、新工藝的應用

2.5.1 廠用電現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)

本期工程每臺機組設置1套電氣EFCS監(jiān)控系統(tǒng)，以硬接線加通信的方式對廠用電源系統(tǒng)及單元機組智能設備進行監(jiān)控，減少了控制電纜的長度和DCS系統(tǒng)的I/O卡件的數(shù)量，提高了廠用電監(jiān)控系統(tǒng)的自動化水平和管理水平，減少了維護工作量。

2.5.2 四大管道動力綜合分析技術應用

對于超臨界及以上參數(shù)機組，四大管道的動力計算是必不可少的。動力計算的目的是避免共振、汽錘/水錘、地震等破壞管道造成事故。以往一般只進行靜力計算，很少進行動力計算，或者采用等效靜力法來進行一些簡單的動力分析。在本工程設計中，采用了電廠管道系統(tǒng)動力綜合分析技術對四大管道的選型、布置和支吊進行優(yōu)化和分析，聯(lián)合運用管道流體分析軟件PIPENET和管道動力靜力分析軟件CAESARII進行了四大管道管系的模態(tài)、諧波分析、汽錘/水錘、排汽、地震分析，通過在管系中設置阻尼器等措施，有效抑制了管道振動和汽錘反力，確保了管系的安全性和可靠性。

2.5.3 建筑結(jié)構設計新材料的應用

（1）結(jié)構設計新材料。在全廠結(jié)構中鋼筋以HRB400+HRB335系列的熱軋鋼筋為主導鋼筋，對軸壓比較大的煤倉間柱采用C60高強混凝土，取得了顯著的經(jīng)濟效益，有效避免了“肥梁胖柱”。

（2）屋面新材料。汽機房屋面、翻車機室屋面采用實腹鋼屋面梁上鋪蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板（NALC板）的方案。該種新型混凝土板具有輕質(zhì)高強、耐火、隔熱、隔音、無放射性、產(chǎn)品精度高、施工安裝便捷、能適應大的層間變位、抗震性能好等諸多優(yōu)點；且施工工期短，安裝時無須占用汽機房場地，交叉作業(yè)也比較少；在正常使用條件下，屋面耐久性好，日常維護較方便。

（3）溝道蓋板新材料。對用量較大的溝道蓋板采用無機復合蓋板，該蓋板具有輕質(zhì)、美觀、耐久、防火性能好等優(yōu)點。

（4）綜合管架柱新材料。綜合管架柱采用薄壁離心鋼管，該鋼管可以充分發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料的物理力學特性，克服兩者單獨使用的弱點。與軋制H型鋼相比，薄壁離心鋼管質(zhì)量分布均勻，抗彎模量對稱，整體穩(wěn)定性好；與純鋼管相比，薄壁離心鋼管可充分利用混凝土的受壓性能，節(jié)約用鋼量。經(jīng)技術經(jīng)濟比較，薄壁離心鋼管作為管架柱在造價上僅為普通鋼管柱的2/3，為軋制H型鋼的1/4。

（5）護坡新材料。本工程廠址區(qū)地形高差較大，且位于兩山之間，在廠內(nèi)外及不同標高場地之間須設置護坡，最高達5 m左右。本工程采用土工網(wǎng)墊作為護坡材料。該材料是一種由多層塑料凹凸網(wǎng)與高強度平網(wǎng)復合而成，呈網(wǎng)狀三維結(jié)構，其化學性能穩(wěn)定，對環(huán)境無污染，可以有效防止水土流失，增加綠化面積，改善生態(tài)環(huán)境，達到邊坡生態(tài)治理的目的。在工程造價上比普通護坡節(jié)約10%。

2.5.4 三維數(shù)字工廠設計系統(tǒng)的應用

我院已形成以VANTAGE為核心，集成眾多國內(nèi)外著名設計計算軟件的三維設計集成系統(tǒng)——“JSPDI-CAD系統(tǒng)”（如圖3）。4年來引進并集成了美國的管道應力分析計算軟件CAESARII、有限元分析軟件ANSYS、熱平衡計算燃機STEAM/GT PRO、三維鋼結(jié)構計算軟件STAAD-CHINA，英國的三維鋼結(jié)構詳圖設計軟件STRUCAD，以及國內(nèi)結(jié)構設計軟件PKPM、電纜敷設軟件CableRace、熱控設計軟件ELDsign等許多國內(nèi)成熟軟件。

本工程施工圖設計全面采用了三維設計系統(tǒng)，優(yōu)化了系統(tǒng)和設備布置，改善了檢修和運行條件，確保了工程量的控制。三維設計系統(tǒng)的全面應用對保證本工程設計質(zhì)量，實現(xiàn)本工程各項創(chuàng)優(yōu)措施以及保證各項技術經(jīng)濟指標，加快設計進度帶來了巨大的幫助。

2.5.5 其他新技術的應用

（1）大型煙風煤粉管道優(yōu)化和選擇設計技術的應用

通過該技術的應用，建立大型煙風煤粉管道（結(jié)構）設計計算模型，應用有限元計算分析軟件，優(yōu)化大型煙風煤粉管道（結(jié)構）設計，從而避免大截面煙風道失穩(wěn)和振動問題。同時，節(jié)省了煙風道工程量。

（2）煙風道設計空氣阻力計算技術和應用

該技術是通過煙風道空氣動力計算軟件，將計算結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)進行比較，再與計算流體力學CFD和流體力學軟件FLUENT的計算結(jié)果對比，修正各種管件的阻力系數(shù)，并提出異型件、導流板設計建議，以降低系統(tǒng)阻力，準確選擇設備，降低廠用電，為系統(tǒng)設計和輔助設備配置提供依據(jù)。

（3）氣固兩相流輸送阻力計算研究

運用氣力輸送粉煤灰、石灰石粉等散狀物料的阻力計算軟件，短距離超高濃度輸送的阻力計算軟件和雙套管氣力輸送阻力計算軟件，解決電廠氣固兩相流輸送計算問題，從而達到優(yōu)化系統(tǒng)配置的目的。

2.6 節(jié)水優(yōu)化成果

本工程設計年平均用水量為2068 m3/h，百萬千瓦耗水指標為0.433 m3/（s·GW）。電廠耗水指標遠低于國家對新建電廠節(jié)水的有關規(guī)定，達到先進水平，采取的主要節(jié)水措施如下。

2.6.1 循環(huán)水處理系統(tǒng)優(yōu)化

本工程設計在考慮充分節(jié)約水資源的同時，又最大限度考慮節(jié)約工程投資、運行費用，取得了最大的節(jié)水效益。經(jīng)技術經(jīng)濟綜合比較，確定循環(huán)水濃縮倍率為6.0，并采用循環(huán)水旁流混凝澄清處理、ClO2殺菌處理及單純投加高性能全有機復合穩(wěn)定劑的循環(huán)水處理工藝。

2.6.2 脫硫工藝水系統(tǒng)優(yōu)化

脫硫系統(tǒng)的工藝用水量為103 m3/h。本工程采用循環(huán)水系統(tǒng)排水作為脫硫工藝用水，從而利用了約41%的循環(huán)水系統(tǒng)的排水量，既減少了耗水量，又降低了循環(huán)水排污量。

2.6.3 除灰渣系統(tǒng)的優(yōu)化

采用風冷式干排渣系統(tǒng)，與水力除灰渣相比，全年減少耗水約70萬m3。

2.6.4 降低工業(yè)廢水產(chǎn)生量的優(yōu)化

本工程通過系統(tǒng)工藝優(yōu)選、分類排放、清污分流、采用節(jié)水鍋爐清洗工藝等優(yōu)化途徑，使經(jīng)常性廢水產(chǎn)生量由優(yōu)化前的54.5 t/h降低到優(yōu)化后的9 t/h，并大幅降低了非經(jīng)常性廢水的產(chǎn)生量。工業(yè)集中廢水處理系統(tǒng)廢液池容積由優(yōu)化前的6000 m3降到優(yōu)化后的4000 m3，系統(tǒng)出力也由優(yōu)化前的150 t/h降低到優(yōu)化后的100 t/h，相應節(jié)約投資222萬元，降低運行費用約4萬元/年，并減少布置占地約950 m2。

通過設計優(yōu)化，從源頭上減少了全廠經(jīng)常性廢水產(chǎn)生量：優(yōu)化鍋爐補給水處理系統(tǒng)工藝設計，采用電除鹽系統(tǒng)方案，避免鍋爐補給水酸堿廢水排放；對超濾反洗排水進入循環(huán)水反應沉淀池處理后直接回收利用；將反滲透排放濃水直接壓力排放至敞開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻塔水池直接回用；通過清污分流，將凝結(jié)水精處理混床樹脂再生過程中的樹脂分離、輸送、快速沖洗、淋洗等環(huán)節(jié)的排水（水質(zhì)較好）送至開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻塔水池直接回用。

通過設計優(yōu)化，同時從源頭上減少全廠非經(jīng)常性廢水產(chǎn)生量：將僅pH值輕微超標的鍋爐冷態(tài)清洗排水和熱態(tài)汽水膨脹疏排水直接排至敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)回用；對600MW超臨界直流爐機組，設計推薦爐前系統(tǒng)采用EDTA清洗或鹽酸循環(huán)清洗，爐本體及過熱再熱器系統(tǒng)采用EDTA清洗，可大大降低鍋爐化學清洗一次最大廢水量。

上述設計優(yōu)措施從源頭上盡量減少了工業(yè)廢水產(chǎn)生量，不僅保證了電廠“廢水零排放”設計目標的實現(xiàn)，而且降低了集中工業(yè)廢水處理系統(tǒng)廢液池設計容積和系統(tǒng)規(guī)模，節(jié)約了一次性投資，同還降低了廢水處理系統(tǒng)運行負荷，節(jié)約廢水輸送和藥品處理等運行費用。

2.7 以人為本的設計理念

（1）總平面布置將水處理區(qū)作為緩沖帶，拉開1號冷卻塔與廠前辦公區(qū)域的距離，以減輕冷卻塔對辦公人員的噪聲、水汽影響及空間壓抑感，體現(xiàn)“以人為本”的理念。

（2）優(yōu)化主廠房布置型式，在汽機房0 m、6.3 m層B排側(cè)以及汽機房運轉(zhuǎn)層A、B排側(cè)均留有貫通汽機房的寬敞的檢修和維護通道；在鍋爐爐前、爐后以及煙囪后均留有貫通固擴端的道路，便于檢修和運行車輛進出；側(cè)煤倉兩側(cè)具有貫通鍋爐房的人行通道；極大地方便了電廠今后的檢修和運行。

（3）集控室布置布置在生產(chǎn)辦公樓與主廠房連接的天橋上，既有效利用了空間，又便于運行檢修維護，營造了“安靜、和諧、以人為本”的工作環(huán)境。單元控制室利用有限的空間獲得寬敞的空間感受。

（4）采用了全廠輔控系統(tǒng)集中控制方式，輔助車間不設就地控制室。在單元控制室操作員站上可對各輔助系統(tǒng)進行集中監(jiān)視、管理和自動順序控制，還可以實現(xiàn)遠方軟手操，既降低了定員，又改善了輔控人員的運行環(huán)境，且投資增加有限。

（5）優(yōu)化系統(tǒng)配置和布置。例如大量的輔助車間的整合、檢修車間的合并。鍋爐補給水處理系統(tǒng)設計采用超濾+一、二級反滲透+電除鹽系統(tǒng)，系統(tǒng)連續(xù)自動化運行，可采取無人值班運行管理方式。這些優(yōu)化大大降低了運行和檢修人員的運行和巡視工作量。

3 設計優(yōu)化成果

本工程優(yōu)化后的主要技術經(jīng)濟指標見表2。從表2可以看出，工程經(jīng)設計優(yōu)化后，多項指標較限額設計都有大幅下降。

表2 華能巢湖電廠工程主要技術經(jīng)濟指標Tab.2 Technical economical indexes of Huaneng Chaohu Power Plant project

4 結(jié)論

通過全面的系統(tǒng)和布置優(yōu)化，巢湖工程實現(xiàn)了低于3000元/kW的單位造價，不到4.5%的廠用電率，不到限額指標50%的廠區(qū)占地，分別較限額設計降低了26.5%、31%、52.9%，其年發(fā)電小時盈虧平衡點僅為2700 h，耗水指標比限額下降了50%。這些技術經(jīng)濟指標均處于國內(nèi)超臨界發(fā)電機組指標的前列。

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