孟令國,陳承憲,何慶龍

(1．東北電力設(shè)計(jì)院,長春 130021;2．通遼霍林河坑口發(fā)電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200)

為了保護(hù)有限的水資源,根據(jù)國家現(xiàn)行的產(chǎn)業(yè)政策,在水資源匱乏地區(qū)建設(shè)的火力發(fā)電廠,汽輪機(jī)組的循環(huán)冷卻系統(tǒng)應(yīng)采用空冷系統(tǒng)。本文所述新疆某地區(qū)2×350 MW擴(kuò)建工程,根據(jù)國家政策及當(dāng)?shù)厮Y源狀況,主機(jī)采用間接空冷系統(tǒng),通過對(duì)2臺(tái)機(jī)組采用一機(jī)一塔和兩機(jī)一塔方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,確定了工程的設(shè)計(jì)方案。

1 空冷技術(shù)的發(fā)展概況

隨著空冷技術(shù)的發(fā)展,近幾年在我國東北、西北、蒙東等煤炭資源豐富、水資源匱乏的地區(qū)已經(jīng)建設(shè)了多臺(tái)空冷機(jī)組。目前用于火力發(fā)電廠的空冷系統(tǒng)主要有直接空冷、間接空冷系統(tǒng)。直接空冷系統(tǒng)一般采用機(jī)械通風(fēng)方式,間接空冷系統(tǒng)一般采用自然通風(fēng)間接空冷塔。直接空冷系統(tǒng)具有初投資小、占地面積小、防凍手段多、調(diào)節(jié)靈活可靠等特點(diǎn),裝機(jī)容量通常為150～ 1000 MW。但直接空冷系統(tǒng)對(duì)大風(fēng)敏感性高,尤其是爐后來風(fēng)對(duì)直接空冷系統(tǒng)影響更為嚴(yán)重,熱風(fēng)回流率高,背壓變幅較大,在夏季機(jī)組來不及調(diào)節(jié)負(fù)荷的情況下,容易造成機(jī)組停機(jī)。間接空冷系統(tǒng)的夏季大風(fēng)抗干擾能力強(qiáng)于直接空冷系統(tǒng),噪音小、運(yùn)行費(fèi)用低,但在防凍方面不如直接空冷系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)多,隨著防凍措施的改進(jìn),運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不斷豐富,以及設(shè)備逐漸實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,間接空冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)越來越明顯。間接空冷系統(tǒng)在國內(nèi)近幾年逐漸發(fā)展起來,已經(jīng)運(yùn)行的間接空冷機(jī)組 200～ 600 MW,1000 MW間接空冷機(jī)組的也正在進(jìn)行前期設(shè)計(jì)工作。

2 新疆某發(fā)電廠工程的氣象條件

新疆某發(fā)電廠原有一期機(jī)組為2×50 MW純凝汽式機(jī)組,二期為2×50 MW抽汽式供熱機(jī)組,本期工程在二期機(jī)組的擴(kuò)建端擴(kuò)建2×350 MW空冷機(jī)組。

本工程地處歐亞大陸腹地,由于遠(yuǎn)離海洋,氣候干旱,屬暖濕帶大陸干旱性氣候,主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)：光照充足,熱量豐富,降水稀少,四季分明。氣溫年、日變化大,蒸發(fā)旺盛,氣候干燥,春夏多大風(fēng)、風(fēng)沙的浮塵天氣,年平均氣溫 11～ 12℃,年降水量 40～65 mm,無霜期 210～ 230天。冬季低溫期長,嚴(yán)寒日少,夏季長而炎熱,酷熱期短,春季升溫快,秋季降溫迅速,春溫高于秋溫。主要?dú)庀髤?shù)見表1。

3 間接空冷方案的確定

如果本期機(jī)組汽輪機(jī)凝汽設(shè)備冷卻系統(tǒng)采用濕冷系統(tǒng),需要水量較大,而擬建電廠廠址所在地區(qū)地表水缺乏,按照國家在富煤缺水地區(qū)規(guī)劃火電廠積極推廣應(yīng)用空冷技術(shù)的要求,本期新建機(jī)組,采用空冷系統(tǒng)。

表1 歷年主要?dú)庀髷?shù)據(jù)

目前空冷系統(tǒng)可以采用的有直接空冷與間接空冷系統(tǒng),本工程重點(diǎn)對(duì)主機(jī)系統(tǒng)采用直接空冷和間接空冷系統(tǒng)的自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較(見表2)。

表2 2×350MW機(jī)組直接空冷和間接空冷方案比較

通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,自然通風(fēng)間接空冷方案比直接空冷方案投資明顯偏高,年總費(fèi)用比直接空冷方案少102萬元,比機(jī)械通風(fēng)間接空冷方案少122萬元。直接空冷系統(tǒng)對(duì)主廠房的朝向要求嚴(yán)格,且受大風(fēng)影響較大,已建成的 4×50 MW機(jī)組主廠房 A列朝南,根據(jù)近 10年全年風(fēng)速不小于 4、5、6 m/s,氣溫大于 24、25、26、28℃的風(fēng)向玫瑰圖主導(dǎo)風(fēng)向均為西北風(fēng),形成了熱季高溫大風(fēng)為爐后來風(fēng),對(duì)空冷島運(yùn)行極其不利。采用直接空冷的主廠房A列要朝向4×50 MW機(jī)組的煤場,從廠區(qū)布置上看,本工程也不適合直接空冷。

從廠區(qū)布置上看,機(jī)械通風(fēng)間接空冷占地比自然通風(fēng)間接空冷要小,初投資少,占地位置靈活,不受主廠房朝向影響,但年運(yùn)行費(fèi)用要高于自然通風(fēng)間接空冷系統(tǒng),其經(jīng)濟(jì)性總體上劣于自然通風(fēng)間接空冷方案。

間接空冷系統(tǒng)在冬季防凍方面相比直冷系統(tǒng)較嚴(yán)峻,但根據(jù)本工程典型年各級(jí)氣溫累積出現(xiàn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)來看,冬季低溫期短,只要冬季運(yùn)行加強(qiáng)管理,防凍問題能夠解決。

綜上所述,綜合廠區(qū)布置、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較等多方面因素,本工程推薦采用自然通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)。

4 方案優(yōu)化與綜合經(jīng)濟(jì)比較

4．1 優(yōu)化方法

間接空冷塔的優(yōu)化方法主要有以下幾個(gè)步驟：

a．確定設(shè)計(jì)氣溫：統(tǒng)計(jì) 5℃以上的氣溫(不足5℃按 5℃處理),按照時(shí)間加權(quán)平均作為設(shè)計(jì)氣溫,本工程設(shè)計(jì)干球溫度為 16℃。

b．確定滿發(fā)氣溫：參照常規(guī)濕冷機(jī)組辦法,以夏季10%氣象條件(約200 h)作為滿發(fā)氣象條件,按此原則確定的本工程夏季滿發(fā)干球氣溫32．7℃。

c．優(yōu)化設(shè)計(jì)氣溫條件下汽輪機(jī)背壓。通過調(diào)整空冷系統(tǒng)配置及風(fēng)量,根據(jù)氣溫和機(jī)組運(yùn)行時(shí)間分布,尋找年費(fèi)用最小的配置方案、風(fēng)量及對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)氣溫下的汽輪機(jī)背壓,進(jìn)而可求得優(yōu)化后的初始溫差(ITD)值。

當(dāng)主機(jī)末級(jí)葉片確定后,對(duì)于間接空冷系統(tǒng),影響年費(fèi)用的因素主要有：冷卻三角數(shù)量(即冷卻器傳熱面積)、有效風(fēng)筒高度、凝汽器面積、冷卻倍率。

采用年費(fèi)用最小的優(yōu)化方法,即將投資成本按規(guī)定的回收率分?jǐn)偟矫恳荒曛?再綜合考慮水泵耗電費(fèi),微增出力引起的補(bǔ)償電量的電費(fèi)、大修費(fèi)等為年費(fèi)用,其值最小時(shí),說明此方案最為經(jīng)濟(jì)。優(yōu)化后2種方案的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比見表3。

表3 間接空冷塔各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比

4．2 綜合經(jīng)濟(jì)分析比較

本工程主機(jī)冷卻系統(tǒng)采用自然通風(fēng)間接空冷系統(tǒng),2×350 MW機(jī)組可以采用一機(jī)一塔方案,也可以采用兩機(jī)一塔方案,兩機(jī)一塔與一機(jī)一塔經(jīng)濟(jì)性比較見表4。

表4 兩機(jī)一塔與一機(jī)一塔相對(duì)經(jīng)濟(jì)比較 萬元

5 結(jié)論

通過對(duì)新疆某擴(kuò)建工程 2×350 MW間接空冷系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,針對(duì)同類型的機(jī)組而言,在同樣熱負(fù)荷工況下,采用兩機(jī)一塔的土建初投資要高于一機(jī)一塔方案的初投資,但兩機(jī)一塔散熱器、水泵等設(shè)備及其管道系統(tǒng)的初投資要低于一機(jī)一塔方案。綜合比較來看,兩機(jī)一塔方案年總費(fèi)用要小于一機(jī)一塔方案。

從廠區(qū)占地角度來看,兩機(jī)一塔的占地要小于一機(jī)一塔方案;從運(yùn)行防凍角度來看,一機(jī)一塔運(yùn)行調(diào)節(jié)比較靈活,防凍性能要優(yōu)于兩機(jī)一塔。

從經(jīng)濟(jì)性來看,本工程的兩機(jī)一塔要優(yōu)于一機(jī)一塔方案,但在實(shí)際的工程中要結(jié)合工程的實(shí)際特點(diǎn),特別是冬季嚴(yán)寒且供熱地區(qū)的機(jī)組在空冷系統(tǒng)的選擇上尤為注意,不僅僅從經(jīng)濟(jì)上考慮,更要從電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行來考慮,最終確定該工程的冷卻系統(tǒng)的冷卻方式。