孟令國，龍 輝，管永慶，王 威，倪 煜

(1. 中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021；2. 中國電力工程顧問集團有限公司，北京 100120)

0 引言

我國的資源稟賦決定了煤電機組成為各電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)的中流砥柱，火電機組承擔(dān)主要調(diào)峰任務(wù)將是今后一段時間的必然趨勢[1]，這就要求運行和新建機組在寬負荷運行工況下具有高度節(jié)能的能力。

循環(huán)水冷端系統(tǒng)是火力發(fā)電廠的一個重要的系統(tǒng)，無論是投資還是運行能耗在全廠占比較大，特別是參與調(diào)峰的1000 MW超超臨界機組在寬負荷運行工況下，應(yīng)通過冷端優(yōu)化來確定汽輪機設(shè)計參數(shù)和選擇經(jīng)濟冷卻倍率及冷卻設(shè)施的設(shè)計參數(shù)，在保證機組安全運行情況下，以達到投資和運行費的綜合最優(yōu)。

1 研究的基礎(chǔ)條件

1.1 氣象條件

研究依托工程所在區(qū)域的平均氣壓992.5 hPa，平 均 氣 溫18.2 ℃，最 高 溫 度39.7 ℃，最低環(huán)境溫度-0.5 ℃，平均相對濕度81%，廠址處的夏季頻率10%氣象條件、全年、逐月平均氣象條件見表1所列。

表1 電廠區(qū)域多年逐月氣象資料

1.2 汽輪機參考特性數(shù)據(jù)

本研究采用的依托工程主機參數(shù)按：28 MPa(a)/ 600 ℃/620 ℃。

汽輪機型式：1000 MW超超臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式、九級回?zé)岢槠?/p>

1.3 電力負荷分布

根據(jù)依托電廠區(qū)域電網(wǎng)目前的現(xiàn)狀及用電負荷情況，機組的年運行小時數(shù)和年利用小時數(shù)情況見表2所列。

表2 機組年運行小時和年利用小時數(shù)h

夏季是全年用電的高峰期，機組的滿發(fā)主要出現(xiàn)在夏季，本研究根據(jù)工程各月不同負荷工況對利用小時數(shù)進行詳細劃分，使優(yōu)化計算結(jié)果更接近電廠實際運行。

2 機組寬負荷冷端優(yōu)化

2.1 冷端優(yōu)化方法

在濕冷循環(huán)水系統(tǒng)中，影響年費用的因素主要有填料面積、塔形參數(shù)、凝汽器面積、循環(huán)水量(或冷卻倍率)、管道直徑等變量。

本研究采用業(yè)界普遍認可的年費用最小的優(yōu)化方法，寬負荷運行機組也同樣適用該方法。

年費用最小法計算式如下：

式中：NF為年費用值；P為總投資現(xiàn)值；AFCR為年固定分攤率；μa為年運行費，包括水泵的電耗、微增功率收益。

將投資成本按規(guī)定的回收率分攤到每一年中，再加上一年的水泵耗電費，微增出力引起的補償電量的電費、大修費等為年費用，其值最小時，說明此方案經(jīng)濟性最優(yōu)。其中，大修費率和保險等費率按2%考慮，投資收益率按10%選取，工程的經(jīng)濟年限取20 a。

2.2 優(yōu)化變量參數(shù)選取

由于本研究工程為1000 MW這樣大型機組，優(yōu)化時采用高度節(jié)能的自然通風(fēng)高位收水冷卻塔。冷端優(yōu)化涉及若干變量，每個變量的取值參數(shù)如下：

1)風(fēng)筒底部擴散角：15.5°，16.0°，16.5°，17.0°；

2)塔總高度：182 m，186 m，190 m，194 m；

3)喉部高度與塔高比值：0.8，0.85；

4)喉徑殼底徑比值：0.6，0.65，0.7；

5)填 料 層 面 積： 9000 m2，10000 m2，11000 m2，12000 m2，13000 m2，14000 m2；

6)填料高度：1.5 m；

7)進風(fēng)口與填料面積比值：0.425，0.45，0.475；

8)凝 汽 器 面 積：58000 m2，59000 m2，60000 m2，61000 m2；

9)額 定 工 況 循 環(huán) 水 量：24.67 m3/s，26.08 m3/s，27.49 m3/s，29.38 m3/s；

10)循環(huán)水干管直徑：DN3600，DN3800，DN4000。

2.3 優(yōu)化后方案的配置及各項參數(shù)

經(jīng)過對濕冷機組的冷端參數(shù)進行了優(yōu)化計算，優(yōu)化后可以得到多種方案，所得的方案均選擇沒有缺陷的組合，故采用按年費用最小方法排在第一位的方案作為推薦方案，推薦方案配置及各項參數(shù)見表3所列。

表3 推薦方案配置及各項參數(shù)一覽表

循環(huán)水系統(tǒng)冷端優(yōu)化組合排序后，根據(jù)推薦方案配置及各項參數(shù)一覽表可知，在機組年利用小時數(shù)為3600 h時冷卻塔淋水面積11000 m2，塔總高186 m，冷卻倍率53倍，凝汽器面積59000 m2，循環(huán)水管道直徑DN 3800，機組設(shè)計背壓值5.08 kPa時可比凈收益最高，扣除年費用后可比凈收益66916.5萬元，此時夏季頻率10%氣象條件下，計算背壓為7.90 kPa，取設(shè)計背壓為8.30 kPa，可以采用此方案作為利用小時數(shù)為3600 h時循環(huán)水系統(tǒng)的推薦方案。

2.4 冷卻塔淋水面積敏感性分析

根據(jù)冷端優(yōu)化可以得到不同的淋水面積情況下，機組的背壓和相應(yīng)的扣除年費用可比凈收益，不同淋水面積時背壓和收益曲線如圖1所示。

圖1 不同淋水面積時背壓和收益曲線

由圖1可知，在年利用小時數(shù)為3600 h時，隨著淋水面積從9000 m2逐漸增加到14000 m2時，機組設(shè)計背壓從5.43 kPa逐漸降低到4.7 kPa，呈線性下降趨勢，但扣除年費用可比凈收益先升高，在設(shè)計背壓5.08 kPa時達到最大收益值，然后開始呈下降趨勢。故在機組年利用小時數(shù)為3600 h工況下，機組設(shè)計背壓在5.08 kPa，冷卻塔淋水面積11000 m2時年費用最小，收益最大。

2.5 年利用小時數(shù)敏感性分析

在其他設(shè)計條件不變的情況下，年利用小時數(shù)分別取3100 h、4100 h、4600 h和5100 h進行冷端優(yōu)化，對應(yīng)的不同利用小時數(shù)方案中分別取其中年費用最小方案作為推薦方案，如圖2、圖3所示。

圖2 不同利用小時數(shù)與背壓、可比凈收益關(guān)系曲線

圖3 不同利用小時數(shù)與淋水面積、循環(huán)水量關(guān)系曲線

由圖2、圖3可知，利用小時數(shù)分別取5100 h、4600 h、4100 h、3600 h和3100 h進行冷端優(yōu)化，隨著機組年利用小時數(shù)的降低，機組處于寬負荷運行的狀態(tài)，低負荷區(qū)域運行時間增加，優(yōu)化后推薦方案的設(shè)計背壓呈逐漸升高趨勢，但可比凈收益則逐漸下降。同時隨著機組年利用小時數(shù)的降低，推薦方案的冷卻塔面積、循環(huán)水量也逐漸減小，冷端的投資也逐漸減少。

2.6 煤價敏感性分析

在其他設(shè)計條件不變的情況下，煤價分別 取550元/t、650元/t、745元/t、850元/t、950元/t進行冷端優(yōu)化，對應(yīng)的不同煤價方案中取其中最優(yōu)方案作為推薦方案,不同煤價與淋水面積、運行背壓關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 不同煤價與淋水面積、運行背壓關(guān)系曲線

由圖4可知，采用同一冷卻塔淋水面積時，隨著煤價的增高，優(yōu)化所得設(shè)計背壓亦呈現(xiàn)非線性單調(diào)遞減趨勢，且煤價越高，優(yōu)化背壓降低趨勢越緩，循環(huán)水量和凝汽器面積也隨著煤價的增高而逐漸增加。采用同一個煤價時，隨著冷卻塔淋水面積的增加，優(yōu)化所得設(shè)計背壓均降低，但降低的幅度逐漸 減小。

3 寬負荷運行機組循環(huán)水泵配置研究

3.1 最優(yōu)循環(huán)水流量系數(shù)研究

根據(jù)機組冷端優(yōu)化的結(jié)果，在不同機組負荷、不同環(huán)境氣溫的條件下，計算出最經(jīng)濟運行時循環(huán)水流量系數(shù)(運行水量與總水量比值)及機組的運行背壓見表4所列。

表4 各工況最經(jīng)濟運行循環(huán)水流量系數(shù)及背壓

續(xù)表

在循環(huán)水泵配置時，可通過調(diào)整水泵的運行模式，使機組運行循環(huán)水量盡量接近最優(yōu)循環(huán)水量。

3.2 循環(huán)水泵運行模式

定速泵、雙速泵組合運行可使流量階梯變化，變頻泵可使流量在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，主要的水泵組合主要有3種方案：

1)1機3泵，定速泵方案；

2)1機3泵，其中1臺定速泵，2臺雙速泵方案；

3)1機3泵，其中1臺變頻泵，2臺定速泵方案；

定速泵及雙速電機水泵通過高速、低速泵的組合運行，實現(xiàn)循環(huán)水量梯級變化，設(shè)備費用低；而變頻泵方案是通過配置一臺變頻水泵，實現(xiàn)循環(huán)水量在某一區(qū)間的連續(xù)變化，設(shè)備費用高。

3.3 循環(huán)水泵運行模式經(jīng)濟比較

根據(jù)計算得出的各工況最優(yōu)循環(huán)水量系數(shù)，選擇定速、雙速、變頻不同調(diào)速手段流量最為接近的組合，各調(diào)速模式機組在寬負荷工況下運行費用結(jié)果見表5所列。

表5 水泵組合模式運行費用表

雙速水泵與定速泵相比，僅增加雙速電機設(shè)備及附屬設(shè)備費用，無需新建設(shè)備間。變頻水泵與定速泵或雙速泵相比，增加了一臺水泵的變頻控制裝置費用及變頻裝置的土建費用，各方案年費用比較見表6所列。

表6 各方案年費用比較表

在依托工程的設(shè)計條件下，機組寬負荷工況運行，每臺機組配3臺循環(huán)水泵，其中1臺定速2臺雙速，通過水泵運行數(shù)量和雙速調(diào)節(jié)，基本能夠滿足機組各工況運行，雖然初投資較定速泵有所增加，但回收年限不到4 a，經(jīng)濟性較好；采用雙速泵的配置，雖然運行調(diào)節(jié)沒有變頻調(diào)速運行更加靈活和節(jié)能，但變頻調(diào)速初投資較大，檢修維護量大，經(jīng)濟回收年限較長。故推薦每臺機配3臺循環(huán)水泵，其中1臺定速2臺雙速的配置方案。

4 高位收水冷卻塔與常規(guī)塔技術(shù)經(jīng)濟比較

4.1 常規(guī)冷卻塔與高位收水塔典型差異

常規(guī)冷卻塔與高位收水塔最本質(zhì)的區(qū)別就在于收水高度的不同。常規(guī)冷卻塔收水依靠底部水池，接收到的冷卻水自流進入循環(huán)水泵房吸水前池，然后由循環(huán)水泵送至汽輪機凝汽器及各輔機冷卻水設(shè)備，循環(huán)水經(jīng)凝汽器和輔機設(shè)備加熱后送回冷卻塔冷卻。高位收水塔取消了底部的水池，主要依靠高位集水槽實現(xiàn)收水的目的，高位集水槽收集的冷卻水以壓力流的形式送至循環(huán)水泵入口，然后由循環(huán)水泵送至汽輪機凝汽器及各輔機冷卻水設(shè)備，循環(huán)水經(jīng)凝汽器和輔機設(shè)備加熱后送回冷卻塔冷卻[2]。

兩種塔型的主要差異有：

1)冷卻塔跌水高度；

2)循環(huán)水泵布置方式；

3)冷卻塔冷卻效果；

4)冷卻塔噪聲；

5)運行控制方式；

6)工程投資。

4.2 常規(guī)冷卻塔與高位收水塔經(jīng)濟比較

為了使常規(guī)冷卻塔和高位收水冷卻塔具有可比性，本研究分為兩個步驟比較二者經(jīng)濟性差異：

第一步：按照高位收水塔方案對循環(huán)水系統(tǒng)冷端優(yōu)化，并給出推薦方案中的冷卻塔配置；

第二步：按熱負荷、出塔水溫與高位收水塔相同的要求，對若干常規(guī)冷卻塔塔型比選，其年費用最經(jīng)濟的方案為擬推薦的常規(guī)冷卻塔塔型，再與高位收水塔進行比較，年費用小的塔型為較優(yōu)塔型。

機組年利用小時數(shù)采用3600 h，標(biāo)準煤價745元/t，優(yōu)選后的高位收水塔與常規(guī)冷卻塔對比見表7所列。

表7 高位收水冷卻塔與常規(guī)冷卻塔經(jīng)濟比較表

由表7可知，采用高位收水冷卻塔初投資較常規(guī)冷卻塔多2027.9萬元，但噪聲治理費用低，且循環(huán)水泵揚程較低，運行費較省，從動態(tài)經(jīng)濟比較來看，年總費用采用高位收水塔較常規(guī)冷卻塔少16.3萬元，采用兩種冷卻塔基本相當(dāng)，可見機組年利用小時數(shù)為3600 h，機組在寬負荷運行工況下，采用高位收水冷卻塔并無多大優(yōu)勢。但從圖2可知，隨著機組利用小時數(shù)的逐漸增加，機組的設(shè)計背壓將逐漸降低，冷卻塔面積也逐漸增加，由此可知隨著機組利用小時數(shù)的增加，采用高位收水冷卻塔的優(yōu)勢將會逐漸增大。

5 結(jié)論

在依托工程的設(shè)計條件下，對1000 MW 超超臨界機組寬負荷運行工況進行冷端優(yōu)化，確定冷端系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)后對冷卻塔淋水面積、年利用小時數(shù)、煤價進行敏感性分析和循環(huán)水泵配置進行研究，并對高位收水冷卻塔與常規(guī)冷卻塔進行技術(shù)經(jīng)濟比較，可以得出如下結(jié)論：

1)寬負荷機組在冷端優(yōu)化時，應(yīng)充分考慮機組在夏季高溫時段滿足機組出力的情況下，結(jié)合其他季節(jié)機組負荷、煤耗、電耗和冷卻塔熱力性能等條件采用年費用最小的方法進行優(yōu)化計算。

2)通過對寬負荷機組冷端優(yōu)化后機組利用小時數(shù)敏感性分析，隨著機組年利用小時數(shù)增加，機組負荷率增加，機組設(shè)計背壓逐漸降低，冷卻塔面積、循環(huán)水量逐漸增大，冷端的投資也逐漸增加，但機組的收益逐漸增加。反之，機組年利用小時數(shù)較低，機組長期處于寬負荷運行工況，冷端配置較小，機組設(shè)計背壓較高，雖然電廠收益降低，但這樣配置方式更為經(jīng)濟。

3)通過對煤價敏感性分析，采用相同冷卻塔淋水面積時，隨著煤價的增高，機組設(shè)計背壓亦呈現(xiàn)非線性單調(diào)遞減趨勢，煤價越高，優(yōu)化背壓降低趨勢越緩。采用相同煤價時，隨著冷卻塔淋水面積的增加，優(yōu)化所得設(shè)計背壓均降低，但降低的幅度逐漸減小。

4)機組寬負荷工況運行時，每臺機組配 1臺定速泵+2臺雙速泵的配置方案雖然沒有變頻循環(huán)水泵方案運行節(jié)能，但初投資低，檢修維護量小，綜合經(jīng)濟性略好。

5)在依托工程設(shè)計氣象條件下，對于1000 MW超超臨界這樣大容量機組，機組年利用小時數(shù)3600 h寬負荷運行工況下，采用初投資較大的高位收水冷卻塔較常規(guī)冷卻塔優(yōu)勢不明顯，隨著機組利用小時逐漸增加，采用高位收水冷卻塔的優(yōu)勢將會逐漸 增大。

6)高位收水冷卻塔采用了高位集水裝置，降低了循環(huán)水泵揚程，節(jié)能效果好，同時降低了冷卻塔噪音，但高位收水冷卻塔增加了收水裝置等設(shè)施，初投資要大于常規(guī)冷卻塔，運行和控制也相對復(fù)雜，故兩種塔型的選擇需結(jié)合環(huán)境因素、機組特點、節(jié)能減排要求和經(jīng)濟性等綜合優(yōu)化確定。