韓中合, 馬 務(wù), 王 智
(華北電力大學 能源動力與機械工程學院,保定 071003)
電力工業(yè)的快速發(fā)展與水資源的日益匱乏已經(jīng)成為我國電力發(fā)展中的突出矛盾[1].尤其是在富煤缺水的華北、東北和西北地區(qū),水資源的保護和節(jié)約顯得尤為重要,大力發(fā)展空冷機組勢在必行.近些年,空冷技術(shù)在我國得到了較快的發(fā)展,空冷電廠也逐步形成了規(guī)模.目前,已投運的空冷機組中,直接空冷機組的裝機容量占全部裝機容量的42%,占主導(dǎo)地位,混合式凝汽器間接空冷機組的裝機容量占33%,表面式凝汽器間接空冷機組的裝機容量占25%[2-3],最大的直接空冷機組單機容量為 1000 MW.在空冷發(fā)電廠中,空冷系統(tǒng)的投資很大,和鍋爐、汽輪機、發(fā)電機并稱為發(fā)電廠的四大主設(shè)備.作為空冷系統(tǒng)最主要的設(shè)計參數(shù),初始溫差值tI的優(yōu)化設(shè)計對提高直接空冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性起著重要的作用.優(yōu)化tI的目的是同時考慮能量利用率和空冷系統(tǒng)的初投資,找出兩者之間的最佳匹配關(guān)系.
火電機組直接空冷系統(tǒng)tI表示汽輪機排汽飽和溫度ts與進入空冷凝汽器空氣溫度ta(即設(shè)計氣溫)之差[2],即:
當設(shè)計氣溫ta確定后,選定tI即可確定汽輪機排汽飽和溫度ts,從而查得汽輪機的排汽壓力ps.所以,火電機組空冷系統(tǒng)tI的選擇與機組背壓的選擇緊密相關(guān).
tI是空冷系統(tǒng)的一個重要設(shè)計參數(shù),反映了空冷系統(tǒng)初投資和運行費用的關(guān)系.tI越高,空冷凝汽器可利用的傳熱溫差越大,所需散熱面積越少,即空冷系統(tǒng)初投資減少,但相應(yīng)地汽輪機熱效率降低,運行費用上升;tI低,散熱面積增加,投資費用上升,但機組熱效率提高,機組運行費用減少.因此,tI的選擇要經(jīng)過詳細的技術(shù)經(jīng)濟比較來確定.
直接空冷機組tI的優(yōu)選需要考慮的因素主要有:(1)廠址所在地的氣象條件;(2)環(huán)境氣溫對汽輪機背壓和出力的影響;(3)機組年運行小時數(shù);(4)當?shù)孛簝r、水價和上網(wǎng)電價;(5)空冷設(shè)備如散熱器、水泵、冷卻風機及配套電機的價格;(6)空冷設(shè)備經(jīng)濟服務(wù)年限、設(shè)備維修費率;(7)資金回收率、年利率.
凝汽器管內(nèi)蒸汽的放熱量(即汽輪機排熱量)為
式中:Dn為汽輪機排汽量,kg/s;hn為汽輪機排汽焓,kJ/kg;hc為飽和溫度下凝結(jié)水焓,kJ/kg.
傳熱單元數(shù)是表示散熱器換熱能力大小的一個無量綱值,也是反映散熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟性能的指標[4-5],可表示為:
式中:Af為迎風面面積,m2;K 為傳熱系數(shù),W/(m2·K);F為總傳熱面積,m2;ψNTU為傳熱單元數(shù);ρ為空氣的平均密度,kg/m3;vf為迎面風速,m/s;cp為空氣的比定壓熱容,J/(kg·K).
空氣在空冷凝汽器中的溫升Δta為:
散熱器效率η為:
式中:tn為凝汽器入口蒸汽飽和溫度,℃;t1為環(huán)境溫度.
凝汽器入口蒸汽飽和溫度tn為:
由水蒸氣焓熵圖可查出tn所對應(yīng)的空冷凝汽器入口蒸汽飽和壓力:
對于常規(guī)濕冷機組而言,低壓缸排汽口與凝汽器入口的距離相對較短,可近似地認為排汽壓力等于凝汽器壓力.而直接空冷機組排汽管道較長,并且從低壓缸排汽口到凝汽器入口有幾十米高的水蒸氣柱,因此低壓缸排汽壓力與凝汽器入口壓力相差較大.例如,某1000MW空冷機組在額定工況下的排汽壓力為13kPa,測量得到排汽管壓降為1.77 kPa[6],不可忽略.蒸汽流經(jīng)排汽管道的壓損為Δp1,水蒸氣柱引起的重位壓差為Δp2,Δp1和Δp2的表達式分別為[7]:
式中:μ、ζ分別為沿程、局部阻力系數(shù);v為蒸汽在排汽管道中的流速,m/s;h為排汽口到凝汽器入口的高度,m.
排汽壓力ps的表達式為:
直接空冷系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化通常采取年總費用最小法[8].該方法是計算某工程多種可能實施方案的一次性投資,以及其在經(jīng)濟服務(wù)年限內(nèi)逐年支付的運行費用,然后按動態(tài)經(jīng)濟規(guī)律將投資與運行費用換算到指定年,再在經(jīng)濟服務(wù)年內(nèi)等額均攤,最后比較各方案的年總費用,選擇年總費用最小的方案為最佳方案.
優(yōu)化計算中只考慮隨優(yōu)化參數(shù)變化的費用,并且只討論與優(yōu)化參數(shù)有關(guān)的主要項目,忽略了機組少發(fā)電損失以及廠用電消耗等費用.所討論的年總費用包括年運行費用、風機耗電費用、空冷設(shè)備的年維修費用、年固定分攤費用和年燃料費用.用公式表示如下:
2.4.1 空冷凝汽器費用的計算
在單位面積凝汽器管束造價一定的情況下,凝汽器的費用與凝汽器的散熱面積有直接關(guān)系,而不同tI對應(yīng)不同的散熱面積.計算散熱面積時所需的參數(shù)包括機組的排汽量、排汽壓力、凝結(jié)水溫、當?shù)卦O(shè)計氣溫、迎面風速和翅片管的結(jié)構(gòu)尺寸等.用η-法計算所需的總散熱面積,再將散熱器片數(shù)取整,得到實際的散熱面積.
2.4.2 風機耗電費用的計算
在直接空冷系統(tǒng)中,每個冷卻單元所需風量的計算公式如下
式中:a、b分別為每片散熱器的長、寬,m;g為每個單元組散熱器片數(shù),個;K為迎風面折減系數(shù).
在空冷凝汽器的尺寸和組數(shù)確定后,即可確定風機直徑和臺數(shù),并由迎面風速計算所需送風量,從而選定風量、功率相匹配的風機,將風機個數(shù)取整.最后根據(jù)風機的功率、臺數(shù)和年運行小時數(shù)即可得到年風機耗電費用.
2.4.3 燃煤費用的計算
在計算燃煤費用時,需要知道不同tI(即不同背壓)下汽輪機的排汽量、排汽焓、排熱量及熱耗.由以下公式計算出機組的耗煤量:
式中:qo為空冷機組熱耗率,kJ/kW;Pe為空冷機組發(fā)電功率,kW;ηb為鍋爐效率;ηp為管道效率;ql為標煤熱值,kJ/kg;τ為機組年運行小時數(shù),h.
國內(nèi)某1000MW直接空冷機組的冷端參數(shù)如下:設(shè)計氣溫為20℃,設(shè)計排汽壓力為13kPa,相應(yīng)熱負荷為1104753kW.由于實際運行的需要,機組各個負荷下的年運行小時數(shù)見表1,標煤價600元/t,發(fā)電成本價0.4元/(kW·h),投資收益率10%,經(jīng)濟服務(wù)年限為20年.
表1 不同負荷下機組的年運行時間Tab.1 Annual running time of the unit at different loads
凝汽器翅片管采用單排橢圓管,其尺寸和參數(shù)為:基管橫截面長軸為220mm,短軸為20mm;基管壁厚1.6mm;翅片長200mm,寬19mm(單側(cè)寬度);翅片厚度、間距分別為0.25mm和2.3mm;管束個數(shù)為640個;每片散熱器的長、寬分別為10m和2.875m;翅化比為123.9;在迎面風速為2.2m/s時,迎風面折減系數(shù)為0.91;以翅片面積為基準的傳熱系數(shù)為31.2W/(m2·K).
圖1 不同迎面風速下年總費用隨tI的變化規(guī)律Fig.1 Variation of the total annual cost with tIvalue at different face velocities
選擇13個tI分別為28K、29K、30K、31K、32 K、33K、34K、35K、36K、37K、38K、39K 和 40 K,7個迎面風速值分別為1.9m/s、2m/s、2.1m/s、2.2m/s、2.3m/s、2.4m/s和2.5m/s,共計91組數(shù)據(jù).根據(jù)相關(guān)傳熱理論進行計算,找出使年總費用最小的組合方案.最終得出年總費用隨tI的變化規(guī)律如圖1所示.由圖1可以看出,在不同的迎面風速下,隨著tI的增大,機組的年總費用先減少后增加.圖1(a)中,在迎面風速為1.9~2.2m/s時,機組的最佳tI均為32K,隨著迎面風速的增大,對應(yīng)的年最小費用逐漸減小,當迎面風速為1.9m/s時,年最小費用為117215.8萬元,當迎面風速為2.2 m/s時,年最小費用為117001.3萬元.因此,在此范圍內(nèi),選取的迎面風速較大時,節(jié)省的凝汽器初投資大于所增加的風機耗電費用.由圖1(a)還可以看出,相同的tI下,年總費用隨著迎面風速的增大而減小,當迎面風速取2.2m/s時,年總費用為最小值.
圖1(b)中,迎面風速為2.3~2.5m/s時,機組的最佳tI減小為31K,說明選取的迎面風速較高時,需要適當降低機組的背壓,提高熱經(jīng)濟性,以彌補風機費用的上升;當tI取值在31~34K時,對應(yīng)不同的迎面風速,tI均較低,并且變化不明顯;相同tI下,年總費用隨著迎面風速的增加而增加.各迎面風速下的最小年總費用如圖2所示.
圖2 不同迎面風速下的最小年總費用Fig.2 Minimal total annual costs at different face velocities
由圖1和圖2可以看出,當迎面風速取2.2m/s、tI取32K時,對應(yīng)的年總費用最低,為117001.3萬元,與設(shè)計值31K相比節(jié)省了48萬元年總費用.
3.2.1 電煤價格變化對最佳tI的影響
煤價是影響火電廠運行費用的重要因素之一.圖3給出了迎面風速為2.2m/s時,不同煤價下年總費用隨tI的變化規(guī)律.隨著電煤價格的提高,機組的年總費用顯著增加,對應(yīng)的最佳tI逐漸下降;當煤價由400元/t提高到800元/t時,最佳tI由37 K減小到28K,對應(yīng)的年總費用由大約80000萬元增加到大約154000萬元,增幅較大;當煤價為800元/t時,年總費用隨著tI的增大呈單調(diào)遞增趨勢,燃料費用增加的幅度超過了風機費用和分攤費用減少的幅度.因此,煤價對機組年總費用的影響比較明顯,當煤價較低時,可適當降低機組的熱效率,采取較大的tI以節(jié)省機組的風機耗電費用,而在煤價較高的地區(qū),可采取較小的tI,保證機組的熱效率.
圖3 不同煤價下年總費用隨tI的變化Fig.3 Variation of the total annual cost with tI value at different coal prices
3.2.2 凝汽器管束價格變化對最佳tI的影響
凝汽器管束占空冷系統(tǒng)初投資的比例較大,其價格變化對機組年總費用的影響如圖4所示.由圖4可以看出,年總費用隨凝汽器管束價格變化不明顯,管束價格變化50%時,年總費用的變化不到3%;但是最佳tI隨管束價格的提高而增大;不同的管束價格下,當tI在32~34K時,年總費用均較低.當管束價格上漲時,采用較大tI可以減少機組初投資;若考慮到提高機組熱經(jīng)濟性,則可采用較小的tI.
圖4 不同凝汽器管束價格下年總費用與tI的關(guān)系Fig.4 Variation of the total annual cost with tIvalue at different condenser tube prices
3.2.3 環(huán)境溫度變化對最佳tI的影響
環(huán)境溫度是影響tI的一個重要因素.圖5給出了迎面風速為2.2m/s時,不同環(huán)境溫度下年總費用隨tI的變化規(guī)律.由圖5可以看出,環(huán)境溫度越高,機組的年總費用也越高,對應(yīng)的最佳tI越低;當環(huán)境溫度為2℃時,最佳tI為38K;當環(huán)境溫度為26℃時,機組的最佳tI理論上為29K,需要83臺風機滿負荷運轉(zhuǎn),但機組實際布置的最大風機個數(shù)為80個[6],因此機組此時的tI只能維持到31K;當環(huán)境溫度為2℃和8℃,對應(yīng)的tI為28~30K時,機組的年總費用相差較少,這主要是因為此時機組的背壓在阻塞背壓以下,隨著排汽壓力的降低,機組的熱耗基本不再變化,因此,在環(huán)境溫度過低時,機組應(yīng)選擇較大的tI,防止背壓過低造成排汽濕度過大、機組振動加劇以及同等條件下機組能耗增加的現(xiàn)象.
圖5 不同環(huán)境溫度下年總費用隨tI的變化Fig.5 Variation of the total annual cost with tIvalue at different environmental temperatures
(1)該機組的tI取32K,迎面風速為2.2m/s時,年總費用最小,為117001.3萬元,對應(yīng)的排汽壓力為13.6kPa,空冷凝汽器面積為2137833m2.
(2)煤價對機組年總費用的影響最明顯,當煤價由400元/t提高到800元/t時,對應(yīng)的年總費用由大約80000萬元增加到大約154000萬元.當煤價較高時,可以采取較小的tI,以提高機組熱效率,降低煤耗.
(3)當環(huán)境溫度較低時,機組應(yīng)采取較高tI,減小年總費用,避免背壓過低造成機組排汽濕度過大、振動加劇以及同等條件下機組能耗增加的現(xiàn)象.當環(huán)境溫度較高時,應(yīng)結(jié)合機組的實際運行情況,采取較小的tI.
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