張青民，張國(guó)罡，毛衛(wèi)兵

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663)

火力發(fā)電廠因其工藝特點(diǎn)致使系統(tǒng)必須具備冷端冷卻，而水的良好冷卻能力則使其成為火電廠冷端工藝的主要選擇。冷卻水采用直流供水系統(tǒng)的尾水通常具有流量大、蘊(yùn)含富余水能、溫度高等特點(diǎn)，且流量隨機(jī)組容量增大顯著提升。

采用直流冷卻系統(tǒng)的火電廠普遍為直接取水加壓后供汽輪機(jī)組冷卻使用，隨之由于水升溫喪失使用功能而排回水體。因電廠工藝需求(凝汽器安裝具備相應(yīng)高程)與防洪要求(場(chǎng)坪滿足防洪標(biāo)高)，使直流冷卻尾水蘊(yùn)含可觀余能，且往往需設(shè)置相應(yīng)排水措施消除影響。因此，高效利用火力發(fā)電廠直流冷卻尾水余能可成為其促進(jìn)節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)與發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的措施[1]。

隨火電行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，采用直流冷卻方式的部分電廠已有建造起尾水發(fā)電站，表明火力發(fā)電廠直流冷卻尾水余能利用在提倡節(jié)能減排、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的今天愈加凸顯出其優(yōu)勢(shì)性[2]。此外，小型水輪機(jī)組發(fā)電站作為火電廠直流冷卻尾水余能回收方案，其應(yīng)具備經(jīng)濟(jì)性[3]。因此，尾水電站建設(shè)如何從技術(shù)可行走向經(jīng)濟(jì)合理，本文結(jié)合某濱海電廠為例分析典型大型火力發(fā)電廠尾水發(fā)電的方案設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析。

1 冷卻水系統(tǒng)布置與尾水余能分析

1.1 冷卻水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本電廠規(guī)劃容量為2×660 MW+2×1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組，一期工程建設(shè)2×660 MW超超臨界燃煤機(jī)組。冷卻水采用單元制直流供水系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組配2臺(tái)雙速循環(huán)水泵。

本工程直流冷卻水系統(tǒng)供水流程為：

西側(cè)取水口→引水箱涵→進(jìn)水前池→循環(huán)水泵房→壓力供水管→凝汽器/水水交換器→排水管→虹吸井→排水箱涵→尾水電站→檢修閘門井→排水箱涵→廠址東側(cè)排水口。

尾水發(fā)電系統(tǒng)主要流程如圖1所示。

圖1 尾水發(fā)電系統(tǒng)主要流程示意圖(單位：m)Fig.1 Schematic diagram of tail water power generation system

冷卻水水源為海水，冷卻水采用單元制直流供水系統(tǒng)。每臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)雙速循環(huán)水泵，根據(jù)季節(jié)不同，采用不同的運(yùn)行方式。冷卻系統(tǒng)循環(huán)水泵配置情況及冷卻水量見表1。

表1 循環(huán)水泵配置及冷卻水量Tab.1 Circulating water pump configuration and cooling water volume

1.2 直流冷卻尾水余能分析

直流冷卻尾水可利用水頭為堰上水位與排水口處水位之間的差值減去各種水頭損失。

H=H1-H2-h

(1)

式中：H為可利用水頭，m；H1為虹吸井溢流堰上水位，m；H2為排水口處多年平均潮位，m；h為水頭損失，m。

1機(jī)2泵配置方案時(shí)，堰上水位為4.9 m，排水口處多年平均潮位為0.1 m，從虹吸井至排水口水頭損失約為0.4 m，則尾水電站可利用水頭H為4.4 m。

1機(jī)1泵配置方案時(shí)，堰上水位為4.5 m，排水口處多年平均潮位為0.1 m，從虹吸井至排水口水頭損失約為0.15 m，則尾水電站可利用水頭H為4.25 m。

尾水水頭具體計(jì)算分析結(jié)果詳見表2。

表2 尾水水頭計(jì)算 mTab.2 Tail water head loss calculation

水電站的出力N計(jì)算公式：

N=9.81ηQH

(2)

式中:N為水電站的出力，kW；Q為通過水電站水輪機(jī)的流量，m3/s；H為水電站可利用水頭，m；η為水電站效率。

本尾水電站屬于小型水電站，電站效率約為0.85。具體發(fā)電量詳見表3。

表3 尾水電站發(fā)電分析Tab.3 Power generation analysis of tail water power station

2 直流冷卻尾水電站方案設(shè)計(jì)

2.1 尾水電站水輪機(jī)型式選擇

直流冷卻尾水電站的方案設(shè)計(jì)主要是根據(jù)尾水流量、可利用水頭及汽輪機(jī)組運(yùn)行方式，選取適合的水輪機(jī)組設(shè)備。水輪機(jī)組設(shè)備選取不合理可導(dǎo)致機(jī)組效率低下、振動(dòng)大、氣蝕嚴(yán)重，更甚致使停機(jī)棄水，造成水量巨大浪費(fèi)[4]。因而選取適合裝機(jī)容量與單機(jī)容量的水輪機(jī)設(shè)備，保障機(jī)組設(shè)備處于高效率區(qū)間運(yùn)行，保證發(fā)電效率和保護(hù)機(jī)組設(shè)備。由此可見，尾水電站方案設(shè)計(jì)之初需充分分析電廠冷卻水系統(tǒng)特點(diǎn)，提供準(zhǔn)確可靠的排水流量及可利用水頭參數(shù)。

此項(xiàng)目直流冷卻尾水具有流量大、水頭低等特點(diǎn)，與小水頭、大流量水電站相似。適用的水輪機(jī)型式主要有軸流定槳式和軸伸貫流式兩種[5]。

軸流定槳式水輪機(jī)廣泛應(yīng)用于低水頭、大流量水電站。軸流定漿式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片固定不變，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)較低，一般用于水頭較低、出力較小以及水頭變化幅度較小的水電站。

軸伸貫流式水輪機(jī)是一種流道近似為直筒狀的臥軸式水輪機(jī)，是低水頭、大流量水電站的一種專用機(jī)型，其臥軸式布置及流道形式簡(jiǎn)單，土建工程量少，施工簡(jiǎn)單。其中半貫流式水輪機(jī)有分為軸伸式、豎井式和燈泡式等裝置形式。軸伸式和豎井式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，但效率較低，一般只用于小型水電站。燈泡貫流式水輪機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、效率高，應(yīng)用較為廣泛，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)稍高。以上兩種機(jī)組形式均可滿足本工程布置需求，因此，綜合考慮水資源利用效率與設(shè)備造價(jià)成本，軸伸貫流式水輪機(jī)的綜合性能稍優(yōu)于軸流式水輪，此項(xiàng)目推薦選用軸伸貫流式水輪機(jī)[6]。

表4 水輪機(jī)參數(shù)Tab.4 Turbine parameters

2.2 尾水電站工藝方案布置

根據(jù)工程總體布置及綜合考慮機(jī)組安全運(yùn)行等因素，尾水電站布置于虹吸井(冷卻水系統(tǒng))后排水口處，自排水箱涵內(nèi)引水。

為保證任何工況下火電廠冷卻水系統(tǒng)均能安全運(yùn)行，水輪機(jī)組旁設(shè)有溢流堰，且在尾水電站進(jìn)出水流道中均設(shè)有檢修閘門。尾水電站水輪機(jī)廠房占地面積約為35 m×19 m。主要包含以下工藝部分：

(1)進(jìn)水水池。為使進(jìn)入水輪機(jī)水流流態(tài)平順而于水輪機(jī)組前設(shè)置進(jìn)水水池。進(jìn)水水池幾何尺寸：38 m×22.5 m×8.0 m(深)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，水池底部標(biāo)高-1.8 m，水池平面面積約為855 m2。水池內(nèi)根據(jù)水流流態(tài)設(shè)置導(dǎo)流墩等整流設(shè)施。

(2)水輪機(jī)廠房。水輪機(jī)廠房?jī)?nèi)設(shè)2臺(tái)水輪機(jī)組，平面尺寸35 m×19 m，地上部分高13.8 m，地下部分深12.5 m。單臺(tái)水輪機(jī)進(jìn)水流道寬6 m，出水流道寬5.2 m。

(3)尾水池。與進(jìn)水水池作用類似，此處于水輪機(jī)組后設(shè)出水水池。出水水池幾何尺寸：20.0 m×18.0 m×11.2 m(深)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，水池底部標(biāo)高-5.0 m，水池平面面積約為360 m2。

(4)溢流堰。為保障水輪機(jī)組發(fā)生特殊工況時(shí)不影響汽輪機(jī)冷卻水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，水輪機(jī)廠房邊設(shè)有溢流堰，堰寬20 m，堰頂高程4.6 m，采用實(shí)用堰，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

于溢流堰底部設(shè)有2個(gè)排水孔而使虹吸井溢流堰上水位長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)處于設(shè)計(jì)水位，排水孔尺寸為3.5 m×3.5 m。

(5) 溢流道。溢流堰后為溢流道，由于場(chǎng)地限制，溢流道采用平面三角形，兩直角邊為20 m和50 m，溢流道底標(biāo)高為-1.80 m，占地面積約為500 m2。

3 尾水電站與冷卻水系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)維

尾水電站作為火電廠附屬的余能回收系統(tǒng)之一，其無論任何時(shí)候均不可影響火電廠機(jī)組原有運(yùn)行工況。由此尾水電站設(shè)計(jì)與運(yùn)維階段須充分論證分析其全部工況下運(yùn)行特點(diǎn)和突然情況下可能出現(xiàn)狀況，于設(shè)計(jì)之初應(yīng)考慮相應(yīng)技術(shù)措施以規(guī)避或消除影響[1]。

尾水電站水輪機(jī)組運(yùn)行工況包括：雙機(jī)運(yùn)行、單機(jī)運(yùn)行、故障檢修、水輪機(jī)啟動(dòng)、突然停機(jī)等。特定工況下尾水電站對(duì)汽輪機(jī)組冷卻水系統(tǒng)影響的特點(diǎn)分析及應(yīng)對(duì)措施詳見表5。

表5 尾水電站工況分析及應(yīng)對(duì)措施Tab.5 Analysis of working condition and countermeasures of tail water power station

盡管針對(duì)性設(shè)計(jì)措施與設(shè)備選型可避免尾水電站對(duì)汽輪機(jī)組正常運(yùn)行的影響，然而實(shí)際運(yùn)行中仍需強(qiáng)調(diào)任何時(shí)候均不可影響火電廠機(jī)組原有運(yùn)行工況[7]。

4 經(jīng)濟(jì)分析

項(xiàng)目投資除技術(shù)可行外，更應(yīng)能夠經(jīng)濟(jì)效益合理，火電廠中建設(shè)尾水電站利用富余水能需綜合考慮節(jié)能、環(huán)保、減排、經(jīng)濟(jì)等方面因素的關(guān)系。因此，準(zhǔn)確經(jīng)濟(jì)分析為尾水電站建設(shè)論證提供強(qiáng)力的經(jīng)濟(jì)合理性支撐，其是已有項(xiàng)目增建尾水電站考量的重要因素[8，9]。

本工程靜態(tài)投資為2 640 余萬元，同時(shí)建設(shè)該工程，可減少建設(shè)65 m排水箱涵，可節(jié)省投資約208 萬元。財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)主要計(jì)算參數(shù)詳見表6。

表6 尾水電站財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)主要計(jì)算參數(shù)Tab.6 Main calculation parameters for financial evaluation of tail water power station

具體財(cái)務(wù)評(píng)級(jí)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)詳見表7。

表7 尾水電站財(cái)務(wù)評(píng)級(jí)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Tab.7 Main economic indicators for financial rating of tail water power station

在滿足項(xiàng)目資本金內(nèi)部收益率為8%時(shí)，測(cè)算該工程上網(wǎng)電價(jià)(不含稅)為358.58 元/MWh；上網(wǎng)電價(jià)(含稅)為405.20 元/MWh；在收益率為8%的情況下上網(wǎng)電價(jià)小于項(xiàng)目所在地上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)453 元/MWh。

5 結(jié) 論

此項(xiàng)目火電廠直流冷卻尾水具有流量大、水頭低等特點(diǎn)，經(jīng)對(duì)比分析選取軸伸貫流式水輪機(jī)。在滿足項(xiàng)目資本金內(nèi)部收益率為8%時(shí)，所需上網(wǎng)電價(jià)應(yīng)為426.65元/MWh，低于項(xiàng)目所在地上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)453元/MWh。方案設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果充分表明借助尾水電站利用直流冷卻尾水余能發(fā)電，技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理。

利用冷卻水排水余能進(jìn)行發(fā)電技術(shù)是純綠色環(huán)保技術(shù)、可實(shí)現(xiàn)低碳、環(huán)保、無污染及零排放。在環(huán)境保護(hù)與生態(tài)文明建設(shè)大力提倡的今天，冷卻水尾水余能加以回收利用，可達(dá)到節(jié)能減排與兼顧部分經(jīng)濟(jì)效益的目的，其對(duì)大型火電廠具有較高的社會(huì)效益和示范作用。