陳澤華，郁永紅

（國電大武口熱電有限公司，寧夏石嘴山753000）

火力發(fā)電廠冷端系統(tǒng)設計優(yōu)化

陳澤華，郁永紅

（國電大武口熱電有限公司，寧夏石嘴山753000）

針對某火力發(fā)電廠擴建工程汽輪機組冷端系統(tǒng)設計中存在的問題，根據擴建工程技術要求、現(xiàn)場總平面布置情況及工程概算，對冷端系統(tǒng)進行現(xiàn)狀分析后提出了冷端系統(tǒng)優(yōu)化方案。結果表明：優(yōu)化方案有效降低了基建初始投資及運行費用，優(yōu)化了機組運行方式，保證了機組安全、穩(wěn)定運行。

冷端系統(tǒng)；間冷塔；閉式循環(huán)水系統(tǒng)；設計優(yōu)化

汽輪機冷端系統(tǒng)是電廠重要的輔助系統(tǒng)，主要作用是冷卻在汽輪機中做完功的乏汽，它關系到火力發(fā)電廠汽輪機安全、穩(wěn)定、經濟運行。目前，國內外機組冷端系統(tǒng)所存在的日益突顯的問題［1］是冷端系統(tǒng)運行性能達不到設計值，嚴重影響了機組出力和廠用電［2］。某火力發(fā)電廠擴建工程初步設計審查中發(fā)現(xiàn)冷端系統(tǒng)設計存在初始投資大、運行費用高、廠用電率高等問題，從國家的節(jié)能減排政策和節(jié)約用水兩方面考慮［3］，對冷端系統(tǒng)進行優(yōu)化迫在眉睫。

1 現(xiàn)狀分析及需要解決的問題

發(fā)電廠冷端系統(tǒng)是由汽輪機低壓缸的末級組、凝汽器、冷卻塔、循環(huán)水泵、循環(huán)供水系統(tǒng)及空氣抽出系統(tǒng)等組成。根據介質的換熱過程，冷端系統(tǒng)可劃分為2臺換熱設備和2個子系統(tǒng)，它們是凝汽器設備和冷卻塔設備，凝結水系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)［4］。這些設備和系統(tǒng)對經濟性的影響可歸結為2類，一類是影響排汽壓力進而影響機組的內功；另一類是耗能設備如循環(huán)水泵、真空泵、凝結水泵等耗功影響廠用電［5］。

本次擴建工程規(guī)模為2×350 MW熱電聯(lián)產機組，汽輪機采用超臨界參數(shù)、單軸、一次中間再熱、兩缸兩排汽、間接空冷抽汽凝汽式汽輪機。為了找到冷端系統(tǒng)的設計優(yōu)化目標，主要從間冷塔配置、空冷散熱器類型、間接空冷系統(tǒng)設計參數(shù)、間冷循環(huán)水泵配置、閉式循環(huán)水系統(tǒng)運行方式進行現(xiàn)狀分析。

1.1 現(xiàn)狀分析

擴建工程2×350 MW熱電聯(lián)產機組冷端系統(tǒng)原設計方案為：

（1）間接空冷系統(tǒng)間冷塔配置為每臺機組配置1座間冷塔（即1機1塔方案）。

（2）空冷散熱器類型未進行優(yōu)選。

（3）間接空冷系統(tǒng)設計參數(shù)：間接空冷系統(tǒng)設計背壓為10 kPa/28 kPa，設計分別留有0.4 kPa/3.0 kPa裕量，設計塔高185 m，塔底直徑157 m，冷卻面積186.85萬m2。額定（TRL）工況下，進塔循環(huán)水量2×37 500 t/h、進塔水溫62℃，在環(huán)境溫度32.2℃時，間冷塔出水水溫≤51.4℃。TMCR工況下，進塔循環(huán)水量2×37 500 t/h、進塔水溫41.8℃，在環(huán)境溫度14.5℃時，間冷塔出水水溫≤31.5℃。

（4）間冷循環(huán)水泵的配置方式為1臺機組3臺50%的定速循環(huán)水泵，循環(huán)水泵房位于間冷塔外。

（5）閉式循環(huán)水系統(tǒng)設計運行方式為機房內閉式冷卻水通過輔機冷卻水系統(tǒng)冷卻，輔機冷卻水系統(tǒng)的換熱過程主要在機力通風冷卻塔內完成。2臺機組配3段機力通風冷卻塔，開式輔機冷卻水泵配置為2臺機組共3臺（2運1備），每臺泵軸功率為315 kW。

1.2 需要解決的問題

汽輪機冷端系統(tǒng)［6］作為火力發(fā)電系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分，其規(guī)模大小的選擇對工程效益影響較大，冷端系統(tǒng)設計優(yōu)化的目的是通過對汽輪機冷端設備各組合方案的經濟比較，確定經濟合理的設備型式和配置等設計參數(shù)。結合擴建工程技術要求、現(xiàn)場總平面布置情況及工程概算，經過對冷端系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)了設計中存在的需要解決的問題如下：

（1）1機1塔方案有年耗電量較小、冬季不易結凍等優(yōu)點，但也存在占地面積較大、初期總投資費用高、年總費用高等問題，需與2機1塔方案進行綜合比較。

（2）從常用的3種間接空冷散熱器管型中優(yōu)選散熱器管型。間接空冷機組［7］是通過翅片管散熱器冷卻受熱后的循環(huán)水，將冷卻汽輪機排汽熱量的中間介質——循環(huán)冷卻水送入由翅片管束組成的冷卻器內，由橫掠翅片管外側的空氣進行對流冷卻。空冷散熱器作為主要元件在整個傳熱過程中起到至關重要的作用，并且其造價也在間冷系統(tǒng)總造價中占據相當比重，需對空冷散熱器類型進行優(yōu)選。

（3）在火力發(fā)電廠中，空冷系統(tǒng)是與汽輪機、鍋爐并列的造價較高的重要系統(tǒng)，投資較大，其設計參數(shù)的選取直接關系到電廠的安全滿發(fā)和經濟運行，影響工程獲得的效益。間接空冷系統(tǒng)原參數(shù)設計裕量較大，在目前機組利用小時數(shù)日趨下降的形勢下，有必要對其設計參數(shù)進行進一步優(yōu)化選取。

（4）循環(huán)水泵存在的主要問題為定速循環(huán)水泵雖然初投資較少，但水泵運行軸功率較高，年運行費用高；由于擴建場地位置狹小，循環(huán)水泵房布置困難，需對循環(huán)水泵的配置數(shù)量、型式進行優(yōu)化，減少運行費用。

（5）機力通風冷卻塔［8］存在的主要問題為運行時水損失較大。冬季運行時，塔的某些部位會出現(xiàn)結冰現(xiàn)象，進風量減小，影響塔的冷卻效果，增加結構的荷重，降低結構使用壽命，影響正常運行，需對冬季工況下閉式循環(huán)水系統(tǒng)運行方式進行優(yōu)化，降低水耗和減少結冰。

2 優(yōu)化方案

2.1 間冷塔配置方案優(yōu)化

對2臺機組配置1座間冷塔（即兩機1塔方案）和每臺機組配置1座間冷塔（即1機1塔方案）從技術、經濟和間冷塔布置等方面進行比較、研究，在間冷塔出水溫度相同情況下，即汽輪機排汽背壓相同的情況下，采用2機1塔的土建初投資要高于1機1塔方案的初投資，但2機1塔散熱器、水泵等設備及其管道系統(tǒng)的初投資要低于1機1塔方案。綜合比較來看，兩機一塔方案年總費用要小于1機1塔方案［9］。

為了降低工程初始投資，確定采用2臺機組配置1座間冷塔方案，其中小機排汽排入對應的主機空冷系統(tǒng)統(tǒng)一冷卻。

2.2 優(yōu)選間接空冷散熱器管型

對間接空冷機組的散熱器采用鋁制6排管、鋁制4排管和鋼制4排管3種間接空冷系統(tǒng)進行了管型優(yōu)化比選。

不同管型配置的塔形一般比較接近，占地面積差距不大，但各種管型的總散熱面積差異較大，達到同等冷卻能力的條件下，采用鋼制散熱器（水平布置）總散熱面積較高，鋁制散熱器6排管的總散熱面積次之，鋁制散熱器4排管總散熱面積最小。鋁制散熱器4排管總散熱面較小，這是由于新型4排管散熱器通過優(yōu)化翅片間距，大大減小了氣側阻力，迎面風速大幅提高，換熱能力大幅增加所致。另外，通過優(yōu)化冷卻管束直徑和數(shù)目，鋁制4排管的水側阻力比6排管大大降低。

因此，結合工程實際情況和近年來國內間接空冷系統(tǒng)招標時投標方推薦的散熱器管型情況，采用水側阻力和氣側阻力均較小，換熱性能優(yōu)良，同時防凍性能較好的鋁制4排管散熱器。

2.3 間接空冷系統(tǒng)設計參數(shù)優(yōu)化

考慮到電力市場以后的長期形勢，機組利用小時數(shù)持續(xù)偏低，為了降低基建投資，對間接空冷系統(tǒng)設計參數(shù)進行了優(yōu)化，并形成了2種可行性優(yōu)化方案。

第1種方案：減少背壓設計裕量，背壓設計裕量按0.2 kPa/3.0 kPa考慮，進水溫度為42.2℃，出水溫度為32℃，塔高由185 m降至178 m，塔直徑不變，冷卻面積不變。經核算，工程造價降低約160萬元。

第2種方案：設計背壓不留任何裕量，進水溫度為42.2℃，出水溫度為32℃，塔高由185 m降至178 m，塔直徑由157 m降至152 m，冷卻面積由186.85萬m2降至181萬m2。經核算，塔體工程量減少1 100 m3，環(huán)基減少300 m3，土建造價降低約250萬元～300萬元；空冷散熱器系統(tǒng)設備造價降低約145萬元，總造價降低約395萬元～445萬元。

由于極端天氣出現(xiàn)的可能性很低且機組投產后可能很少能滿負荷運行，設計裕量可適當減少，基于機組運行的經濟性以及設計規(guī)范要求，經過比較，最終采用方案1。方案2雖然節(jié)省費用較多，但取消了設計裕量，在常年平均環(huán)境溫度14.5℃時，無法保證機組帶滿負荷。

2.4 循環(huán)水泵配置優(yōu)化

循環(huán)水泵是電廠的主要輔機之一，也是電廠的能耗大戶，循環(huán)水泵配置［10］的合適與否對電廠的安全、經濟運行起著十分重要的作用。

優(yōu)化方案：每臺機組配2臺50%雙速循環(huán)水泵，負荷較高時水泵可高速運行，負荷較低時水泵可低速運行，節(jié)能效果比定速循環(huán)水泵顯著。正常情況下，每臺機組的2臺循環(huán)水泵并聯(lián)運行，當冬季或汽機負荷低時，每臺機只運行1臺循環(huán)水泵，或2臺機組運行3臺水泵，循環(huán)水泵安裝在間冷塔內，不設置循環(huán)水泵房。

2.5 閉式循環(huán)水系統(tǒng)運行方式優(yōu)化

冬季間冷塔換熱裕量較大，裕量能夠滿足機房內閉式水的冷卻。經優(yōu)化設計后，閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冬季采用大閉式方式運行。

（1）閉式冷卻水進、回水母管接入間冷循環(huán)水進、回水母管。

（2）閉式冷卻水進、回水母管與間冷循環(huán)水進、回水母管中間分別加裝隔離門。

（3）閉式冷卻水接入間冷循環(huán)水系統(tǒng)后，在冬季可將輔機冷卻水系統(tǒng)（機力通風冷卻塔、輔機冷卻水泵、閉式換熱器）停運。

3 效果評價

（1）冷端系統(tǒng)的間冷塔、循環(huán)水泵配置方案得到優(yōu)化后，間冷塔及間冷循環(huán)水泵占地面積減少，擴建工程總平面布置更加靈活。

（2）間接空冷散熱器管型優(yōu)選為性能更好的鋁制4排管散熱器。

（3）優(yōu)化方案使冷端系統(tǒng)中的閉式循環(huán)水系統(tǒng)運行方式更加靈活、安全，且冬季節(jié)約大量水量及電量。

（4）優(yōu)化方案有效減少了工程基建投資，節(jié)省運行費用，經濟效益顯著。經計算，設計優(yōu)化后共減少工程基建投資3 178萬元，每年節(jié)約運行費用約584萬元。

①間冷塔2機1塔的配置方案較1機1塔可有效降低占地面積及工程初投資，間冷塔占地面積降低約7 498 m2，工程初投資減少約2 508萬元，年總費用降低約288萬元。

②間接空冷系統(tǒng)設計參數(shù)優(yōu)化后間冷塔造價降低約160萬元。

③循環(huán)水泵配置優(yōu)化后減少了2臺循環(huán)水泵（186萬元）；循環(huán)水泵安裝在間冷塔內，不設置循環(huán)水泵房，造價降低324萬元。

④閉式循環(huán)水系統(tǒng)運行方式優(yōu)化后冬季既節(jié)約水量，又節(jié)省電量。

3.1 冬季機力通風冷卻塔停運節(jié)水效益明顯

表1為冬季機力通風冷卻塔優(yōu)化前后各項損失水量統(tǒng)計。由表1可以看出，優(yōu)化后冬季機力通風冷卻塔停運（約100天）可減少水損失132 m3/h，1年節(jié)省水量=132×24×100=316 800（m3）；

工業(yè)水水價按照8.9元/t計算，1年節(jié)省費用約316 800×8.9=281.95（萬元）。

表1 機力通風冷卻塔水損失

3.2 冬季開式輔機冷卻水泵停運節(jié)電效益明顯

優(yōu)化后，冬季閉式水系統(tǒng)采用大閉式方式運行，開式輔機冷卻水泵將停運（約100天），可節(jié)省廠用電量315 kW×24 h×100天=756 000（kW·h），電價按照0.18元/（kW·h）（相當于成本電價）計算，節(jié)省費用約756 000×0.18=13.6（萬元）。

4 結論

（1）冷端系統(tǒng)的設計優(yōu)化，使機組基建期工程初始投資大幅度降低，機組投產后運行費用降低，對機組經濟性能意義重大。

（2）冷端系統(tǒng)的設計優(yōu)化，使系統(tǒng)運行方式更加靈活、安全，汽輪發(fā)電機組性能參數(shù)得到提高。

（3）此次冷端系統(tǒng)的設計優(yōu)化效果顯著，為同類型工程設計優(yōu)化提供了參考。

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Optimization of cold-end system design for coal-fired power plant

CHEN Zehua,YU Yonghong
(Guodian Dawukou Thermal Power Co.,Ltd.,Shizuishan Ningxia 753000,China)

Aiming at the existent problems of steam turbine unit cold-end system design in extension project of a coal-fired power plant,according to the technique requirements of the extension project,site general layout and the project budget,analyzes the status quo of the cold-end system and puts forward the optimization scheme.The result shows that this optimization scheme can reduce effectively the basic construction initial investment and the operation cost,can optimize the operation mode of the units,can ensure the safe and stable operation of the units.

cold-end system;indirect cooling tower;closed circulating water system;design optimization

TK264.16

B

1672-3642（2017）04-0067-04

有效訪問地址：http∶//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.013

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.013

2017-05-28

陳澤華（1973），男，工程師，主要從事火電廠工程計劃管理工作。