蔡興初， 梁 濤， 唐小鋒， 陳 彬

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司， 南京 211102)

火電廠做功后的乏汽進(jìn)入凝汽器汽室，需要用大量的循環(huán)冷卻水將其冷凝成凝結(jié)水，相應(yīng)的供排水設(shè)備、建(構(gòu))筑物等構(gòu)成了循環(huán)水系統(tǒng)[1]。在火電廠設(shè)計(jì)過程中，循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其優(yōu)化計(jì)算需要對(duì)各可變參數(shù)進(jìn)行不同組合，通過水力、熱力及經(jīng)濟(jì)計(jì)算對(duì)多種方案進(jìn)行比較，該計(jì)算過程較為繁雜，主要通過計(jì)算程序完成[2]。國(guó)內(nèi)電力設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)主汽輪機(jī)與給水泵汽輪機(jī)合用1臺(tái)凝汽器的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算研究較為成熟，并且有相應(yīng)的計(jì)算軟件，但是對(duì)于兩者分別設(shè)置獨(dú)立凝汽器的循環(huán)水系統(tǒng)，其優(yōu)化研究則相對(duì)較少。

筆者基于循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化基本原理，分析現(xiàn)有優(yōu)化計(jì)算程序的不足，研究主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)分設(shè)凝汽器的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算。

1 循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化基本原理

當(dāng)火電廠汽輪機(jī)初參數(shù)一定時(shí)，降低汽輪機(jī)凝汽器的背壓，可以提高機(jī)組熱效率，降低煤耗[3]。降低冷卻水溫、凝汽器循環(huán)水進(jìn)出口溫差和凝汽器傳熱端差等是降低凝汽器背壓的主要途徑[2]。但上述途徑在降低背壓的同時(shí)將導(dǎo)致廠用電耗及工程造價(jià)的增加[4]：(1)增大冷卻塔面積，可降低冷卻塔出塔水溫，但是冷卻塔供水幾何高度也會(huì)相應(yīng)地增加，將增加循環(huán)水泵功耗，進(jìn)而增加冷卻塔造價(jià)；(2)增大循環(huán)水量可降低凝汽器冷卻水進(jìn)出口的溫差，然而該措施將增加循環(huán)水泵功耗、設(shè)備和建(構(gòu))筑物費(fèi)用；(3)增大凝汽器傳熱面積可以減少傳熱端差，但是凝汽器的投資也會(huì)提高。

火電廠循環(huán)水系統(tǒng)最佳的冷端配置是達(dá)到降低背壓(電耗)和控制造價(jià)的平衡[5]，這類冷端各參數(shù)的最佳組合可以通過循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化計(jì)算來獲得。優(yōu)化計(jì)算的方法一般采用DL/T 5339—2018 《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的年費(fèi)用最小法，該方法把投資和生產(chǎn)成本兩個(gè)要素統(tǒng)一起來，并結(jié)合時(shí)間因素進(jìn)行計(jì)算，即將各個(gè)方案的基建投資考慮復(fù)利因素，換算成使用年限內(nèi)每年末的等額償付的成本，再加上年運(yùn)行費(fèi)用，構(gòu)成該方案的年費(fèi)用，并且以年費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過敏感性分析來確定最終方案[1]。

2 現(xiàn)有計(jì)算程序存在的問題

圖1為主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)分設(shè)凝汽器的循環(huán)水系統(tǒng)。

圖1 主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)分設(shè)凝汽器的循環(huán)水系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)電力設(shè)計(jì)行業(yè)采用的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算程序一般以每臺(tái)機(jī)組設(shè)1臺(tái)凝汽器為前置條件，對(duì)于主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)分別設(shè)置獨(dú)立凝汽器的循環(huán)水系統(tǒng)則不能直接適用。主要原因有：

(1) 主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)的背壓-功率曲線不同，不能將主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)的背壓-功率曲線作為整個(gè)工程的設(shè)計(jì)輸入。計(jì)算程序需要輸入1條背壓-功率曲線，但是主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)共有2條背壓-功率曲線。主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)的低壓缸形式、末級(jí)葉片長(zhǎng)度及材質(zhì)均不同。主汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)較為穩(wěn)定，而給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽一般為主汽輪機(jī)的某級(jí)抽汽，其參數(shù)存在一定的小幅波動(dòng)。因此，主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)的熱效率不同。不同的背壓-功率曲線會(huì)導(dǎo)致在相同背壓參數(shù)下，主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)所需的冷卻水量、凝汽器面積與各自凝汽量不成比例關(guān)系。

(2) 主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)所配凝汽器形式不同。高參數(shù)的主汽輪機(jī)一般配置雙背壓、雙殼體、單流程凝汽器。給水泵汽輪機(jī)則配置單背壓、單殼體、雙流程凝汽器。2種汽輪機(jī)對(duì)應(yīng)凝汽器的管徑規(guī)格也不同。

(3) 主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)分設(shè)凝汽器，設(shè)置各自的進(jìn)出水管道，存在配水不均的問題，需要按各自的水量需求優(yōu)化各段阻力(尤其是凝汽器阻力)以分配水量，但是現(xiàn)有計(jì)算程序無此功能。

3 優(yōu)化方法

提出一種循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算方法，在獲取工程信息后，通過多個(gè)步驟的計(jì)算和優(yōu)選來解決主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)分設(shè)凝汽器的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化問題。優(yōu)化后的計(jì)算流程見圖2。優(yōu)化過程包括單獨(dú)優(yōu)化主汽輪機(jī)冷端設(shè)備、設(shè)置虛擬凝汽器、匹配主汽輪機(jī)冷卻塔和合用冷卻塔水溫等。

圖2 優(yōu)化后的計(jì)算流程

4 應(yīng)用案例

4.1 工程概況

某火電廠新建2臺(tái)1 000 MW超超臨界機(jī)組，主廠房?jī)?nèi)的主汽輪機(jī)與給水泵汽輪機(jī)分別設(shè)置凝汽器，其中給水泵汽輪機(jī)采用2臺(tái)50%容量配置。每臺(tái)給水泵汽輪機(jī)單獨(dú)設(shè)置凝汽器，單臺(tái)給水泵汽輪機(jī)最大連續(xù)功率不小于20.1 MW。主廠房外循環(huán)水系統(tǒng)為主汽輪機(jī)與給水泵汽輪機(jī)合用，由自然通風(fēng)冷卻塔、循環(huán)水泵房、進(jìn)回水管溝等組成，每臺(tái)機(jī)組配1座自然通風(fēng)冷卻塔，各有1根循環(huán)水進(jìn)水管和回水管。

4.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2.1 氣象條件

項(xiàng)目所在地夏季頻率為10%的日平均氣象條件下(簡(jiǎn)稱夏季10%氣象條件)濕球溫度為27.5 ℃，相應(yīng)的氣象參數(shù)為：干球溫度為30.8 ℃，相對(duì)濕度為79%，大氣壓力為100.6 kPa。各季節(jié)的平均氣象條件見表1，其中：根據(jù)物候?qū)W劃分季節(jié)，日平均氣溫<10 ℃的時(shí)期為冬季，日平均氣溫≥22℃的時(shí)期為夏季，日平均氣溫為10～<22 ℃的時(shí)期為春季或秋季。

表1 各季節(jié)氣象參數(shù)

4.2.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

優(yōu)化計(jì)算采用的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為：廠用電電費(fèi)為0.26元/(kW·h)；微增功率電費(fèi)單價(jià)為0.221元/(kW·h)；凝汽器單位面積價(jià)格為600元/m2；冷卻塔單位面積價(jià)格為10 800元/m2；電廠經(jīng)濟(jì)使用年限為20 a；資金回收率為10.2%(按照投資回收率為8%)；年維修費(fèi)用率為2%；年固定分?jǐn)偮蕿?2.20%；全年利用時(shí)間為5 000 h。

4.2.3 主汽輪機(jī)參數(shù)

主汽輪機(jī)為1 000 MW超超臨界、二次中間再熱雙背壓、凝汽式機(jī)組，設(shè)計(jì)背壓為4.80 kPa。汽輪機(jī)不同工況熱力數(shù)據(jù)見表2，其中：THA工況為汽輪機(jī)性能保證工況；TRL工況為汽輪機(jī)銘牌工況；TMCR工況為汽輪機(jī)最大連續(xù)功率工況。

表2 主汽輪機(jī)不同工況熱力數(shù)據(jù)

主汽輪機(jī)微增功率與背壓關(guān)系曲線見圖3，其中：背壓變化量以設(shè)計(jì)背壓(4.8 kPa)為基準(zhǔn)，功率變化率以設(shè)計(jì)背壓對(duì)應(yīng)的功率為基準(zhǔn)。

圖3 主汽輪機(jī)微增功率與背壓關(guān)系曲線

4.2.4 給水泵汽輪機(jī)參數(shù)

給水泵汽輪機(jī)按2臺(tái)50%容量配置，每臺(tái)給水泵汽輪機(jī)單獨(dú)設(shè)置凝汽器，給水泵汽輪機(jī)不同工況熱力數(shù)據(jù)見表3。

表3 給水泵汽輪機(jī)不同工況熱力數(shù)據(jù)

4.3 優(yōu)化計(jì)算過程

4.3.1 步驟一

利用計(jì)算程序?qū)χ髌啓C(jī)部分單獨(dú)優(yōu)化計(jì)算，得到的結(jié)果見表4。

表4 主汽輪機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)選計(jì)算結(jié)果

通過敏感性分析，擬推薦主汽輪機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為：冷卻倍率為54，每臺(tái)機(jī)組配1座11 500 m2的自然通風(fēng)冷卻塔、1臺(tái)61 000 m2凝汽器。凝汽器設(shè)計(jì)參數(shù)為：雙背壓、單流程，冷卻管束采用304不銹鋼管(管徑規(guī)格為D22×0.5)，管束長(zhǎng)度為13.4 m，設(shè)計(jì)流速為1.9 m/s，設(shè)計(jì)水阻為7.5 m。推薦工況下，冷卻塔各季節(jié)出塔水溫見表5。

表5 主汽輪機(jī)配置冷卻塔出塔水溫

4.3.2 步驟二

利用表5的年平均出塔水溫和夏季10%氣象條件出塔水溫，結(jié)合生產(chǎn)廠家的制造能力等因素?cái)M定3個(gè)方案(見表6)。比較3個(gè)方案后，優(yōu)選出的給水泵汽輪機(jī)冷端配置方案為：設(shè)計(jì)背壓為5.15 kPa，冷卻倍率為65，凝汽器面積為2 200 m2。

表6 給水泵汽輪機(jī)優(yōu)選參數(shù)

4.3.3 步驟三

設(shè)置1臺(tái)虛擬凝汽器，排入該虛擬凝汽器的凝汽量為主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)的凝汽量之和(假定主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)合用1臺(tái)凝汽器)，結(jié)合步驟一和步驟二中所得的主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)的冷卻倍率，計(jì)算得到虛擬凝汽器冷卻倍率見表7(合并后的乏汽放熱比焓為加權(quán)平均值)。計(jì)算出綜合冷卻倍率(虛擬凝汽器冷卻倍率)為55。

表7 虛擬凝汽器冷卻倍率計(jì)算結(jié)果

4.3.4 步驟四

計(jì)算出一系列與虛擬凝汽器配套的其他冷端配置及參數(shù)，包括冷卻塔淋水面積、出塔水溫、循環(huán)水管溝規(guī)格等。通過計(jì)算程序的部分功能計(jì)算得到綜合冷卻倍率為55時(shí)，不同冷卻塔淋水面積下的冷卻塔各季出塔水溫和最優(yōu)的循環(huán)水管徑。表8為配置虛擬凝汽器供水系統(tǒng)優(yōu)選計(jì)算結(jié)果。

表8 配置虛擬凝汽器供水系統(tǒng)優(yōu)選計(jì)算結(jié)果

4.3.5 步驟五

在表8中尋找與表5中相關(guān)出塔水溫接近的冷卻塔配置，最終確定主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)合用的冷卻塔淋水面積為13 000 m2，循環(huán)水管徑規(guī)格為DN3800。

4.3.6 步驟六

按主汽輪機(jī)凝汽器管段阻力與給水泵汽輪機(jī)凝汽器管段阻力相等原理，推導(dǎo)出給水泵汽輪機(jī)凝汽器的其他參數(shù)為：?jiǎn)伪硥?、雙流程，冷卻管束材質(zhì)為不銹鋼304，管徑規(guī)格為D20×0.5，管束長(zhǎng)度為7.7 m，設(shè)計(jì)流速約為2 m/s。

4.3.7 步驟七

確定循環(huán)水系統(tǒng)配置為：

(1) 主汽輪機(jī)凝汽器設(shè)計(jì)冷卻倍率為54，2臺(tái)給水泵汽輪機(jī)凝汽器設(shè)計(jì)冷卻倍率為65，綜合冷卻倍率為55。

(2) 每臺(tái)機(jī)組配1座淋水面積為13 000 m2的自然通風(fēng)冷卻塔，循環(huán)水管徑規(guī)格為DN3800。

(3) 每臺(tái)機(jī)組主汽輪機(jī)配1臺(tái)61 000 m2凝汽器，每臺(tái)給水泵汽輪機(jī)配置1臺(tái)2 200 m2凝汽器。凝汽器具體規(guī)格見上文所述。

5 結(jié)語

火力發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算過程較為繁雜，主要通過計(jì)算程序完成。國(guó)內(nèi)電力設(shè)計(jì)行業(yè)普遍采用的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算程序不能直接用于主汽輪機(jī)、給水泵汽輪機(jī)分別設(shè)置獨(dú)立凝汽器的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算。

針對(duì)主汽輪機(jī)、給水泵汽輪機(jī)分別設(shè)置獨(dú)立凝汽器的循環(huán)水系統(tǒng)，可利用循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算程序，通過多步驟的計(jì)算和優(yōu)選，得到與工程條件吻合且較經(jīng)濟(jì)的循環(huán)水系統(tǒng)配置。

多步驟的計(jì)算和優(yōu)選包括的主要內(nèi)容有：主汽輪機(jī)部分冷端設(shè)備單獨(dú)優(yōu)化；給水泵汽輪機(jī)部分冷端參數(shù)通過校核計(jì)算和多種方案對(duì)比，優(yōu)選較佳參數(shù)；設(shè)置虛擬凝汽器，同時(shí)計(jì)算綜合冷卻倍率；主汽輪機(jī)冷卻塔和合用冷卻塔出塔水溫匹配；按水力平衡原理優(yōu)化給水泵汽輪機(jī)凝汽器具體參數(shù)等。所提出的優(yōu)化計(jì)算方法可以為類似工程提供參考。