華能巢湖電廠2×600MW工程創新和優化設計

江 蛟，高嘉梁，王志斌

(江蘇省電力設計院，南京市，211102)

1 工程概況

華能巢湖電廠2×600MW新建工程（如圖1）位于安徽省巢湖市西北，處安徽省電力負荷中心，該項目的建設將充分滿足安徽省經濟發展對電力的需求，優化地方電源結構，提高電網運行的安全可靠性。華能巢湖新建工程于2007年5月23日經國家發改委核準，2007年3月1日正式開工建設。2008年8月9日，1號機組投入了商業運行；2008年11月24日，2號機組投入了商業運行。

2 工程設計優化

在本工程的創新和優化設計中，將重點放在“經濟性、合理性、先進性”上，突出體現節能與環保的設計理念，采取了以下10項優化措施：（1）合理廠區布局，節約占地；（2）優化主廠房布置，降低工程造價；（3）簡化輔機選型，減少設備投資；（4）采取可靠措施，降低電廠耗水指標；（5）合理確定輔機容量，降低廠用電率；（6）體現以人為本，提高控制水平；（7）注重環境保護，降低排放指標；（8）開展精細化設計，更新設計思路；（9）注重新技術、新工藝，實現技術升級；（10）體現循環經濟思想，促進可持續發展。

2.1 廠區總平面布置優化

經優化后的總平面方案具有順、新、小、省、整和以人為本等特點。

（1）順。充分結合地形，按工藝系統的布置要求，設計合理的階梯分區，大大節省挖填方量。

（2）新。工程采用全新的側煤倉布置方案；主廠房采用模塊組合設計。

（3）小。主廠房體積小、廠區占地面積小、拆遷量小、土方工程量小。

（4）省。運煤棧橋、綜合管架省。

（5）整。進行了大量的整合，如：化水區與凈水站、綜合泵房的整合，全廠空壓機室與除灰、脫硫、運煤綜合樓的整合，車庫與檢修間、材料庫的整合等。

（6）以人為本。如采用“四機一控”方式，將控制室布置于生產辦公樓與主廠房連接的天橋上，營造了“安靜、和諧、便利”的工作環境。

總平面布置的優化，減少了土方量，節約了占地面積。廠區占地面積為23.0 hm2，僅為限額設計的47%，全廠填挖方基本平衡。

2.2 主廠房布置優化

按模塊化設計的思路對工程進行設計。在模塊合理劃分的基礎上，對每個模塊進行優化，然后分析每個模塊的技術特點、經濟性和適用性，并在此基礎上進行模塊優化組合，推出適合本工程特點的5個主廠房方案。通過經濟技術比選，確定本工程的最優設計方案，主廠房布置優化成果如表1。

表1 主廠房布置優化成果Tab.1 Main power block layout optimization

主廠房布置主要特點為：(1)采用側煤倉方案，壓縮汽機與鍋爐之間距離，減少四大管道管材用量。(2)汽輪發電機組中心線偏向A排布置，汽機房空間布局合理。(3)除氧器高位布置于煤倉間與爐側之間搭建的平臺上。(4)取消集中控制樓，集控室采用“四機一控”方案，布置在生產辦公樓與主廠房連接的天橋上。(5)2機合用1臺電動啟動泵。(6)A排外設置毗屋，占3檔，毗屋跨度為6.0 m。(7)2臺爐的煤倉間集中布置在2爐中間，煤倉間采用單框架結構，2爐共用磨機檢修場地。采用爐后上煤方案，保證輸煤棧橋和上煤皮帶最短。(8)電氣熱控設備布置高度分散，降低了電纜用量。

2.3 設備及系統優化

2.3.1 給水泵優化

在保證機組運行安全、可靠的前提下，決定2臺機組合用1臺啟動電動給水泵，電動給水泵不作備用，以降低廠用電負荷和優化廠用電接線方式，電動給水泵功率由8600 kW降至3400 kW。與單元制電動備用泵相比，可節省投資1772萬元；與每臺機組配1臺啟動電動給水泵相比，可節省240萬元，同時可節省主廠房的占地面積。

2.3.2 點火油系統優化

本工程對點火油系統配置進行了全面優化，采用等離子點火技術，有效降低了燃油系統出力、供油泵揚程以及油罐的容量。點火油系統優化后，燃油系統的出力僅為15%BMCR熱輸入量，油罐容量僅為2×500 m3，供油泵采用 2×100%+1×30%配置方案，與常規方案相比，初投資約節省100萬元。同時，采用等離子點火技術后，還可以降低鍋爐啟動耗油量。

2.3.3 全廠壓縮空氣系統優化

將各專業空氣供應系統的獨自布置整合為統一的空壓機站，由壓縮空氣站向除灰、熱控、熱機、脫硫等專業提供氣源。空壓機采用節能型壓縮螺桿式空壓機，不僅有利于節省空氣供應系統的土建和設備投資、減少各專業的設備備用，提高供氣可靠性，而且有利于集中優質管理，減少管理成本。經過優化整合，全廠僅需要配置5臺50 m3/min、排氣壓力為0.75 MPa的空壓機，3臺運行，2臺備用。通過空氣供應系統優化，節約建設費用134.4萬元，減小占地216 m2。

2.3.4 鍋爐補給水系統優化

通過優化系統出力、設備布置及技術經濟優化比選，鍋爐補給水處理系統設計采用2套系統出力為50 t/h的超濾+一、二級反滲透+電除鹽系統。與常規方案相比，水處理室建筑面積和體積分別減少了55%和70%，水處理站總占地減少55%。由于系統連續自動化運行，采取無人值班運行管理方式，水處理站不設控制室，減少了電廠定員。

2.3.5 冷端優化

根據電廠總平面布置方案、廠址區域氣象條件，通過選擇不同的汽輪機冷端設備（主要包括凝汽器面積、冷卻塔面積、循環水冷卻倍率以及供排水管徑等），共組成250種不同配置方案，采用循環水系統優化計算程序進行水力、熱力及經濟計算，并進一步對其中的主要經濟指標進行了敏感性分析，最終提出本工程冷端設備的配置方案：1臺機組配置3.8萬m2的凝汽器及9000 m2的自然通風逆流式冷卻塔；循環水冷卻倍率為55倍；循環水供水干管/支管管徑為DN3000/DN2200。循環水供水系統采用單元制，每臺機組配置2臺50%容量的循環水泵。

采用該方案后，系統經濟性較好，同時也能保證汽輪機組的最大出力，即在最高的冷卻水溫條件下，保證汽輪機的背壓不超過滿負荷運行時的最高允許值。

2.3.6 輔助車間控制方式及控制系統優化

在設計中對設置集中監控網和不設集中監控網2個輔助車間控制方案模塊進行分析比較后，采用了設置集中監控網的輔助車間控制方案，即將全廠除納入DCS系統監控以外的所有輔助車間和附屬生產的控制系統通過計算機網絡聯網（包括水、煤、灰、脫硫等系統），實現集中監控。其控制點布置在單元機組控制室，與主廠房DCS系統構建成全廠范圍的集中監控中心，提高了電廠的生產效率和電廠輔助車間運行和管理水平。

2.4 精細化設計

2.4.1 電纜敷設路徑的優化

本次工程設計專題研究電纜敷設路徑優化及減少橋架、電纜的相關措施，對經優選的4個模塊方案，分別從控制電纜，電力電纜兩方面進行技術經濟比較，確定本工程最優電纜敷設路徑。優化后，全廠電纜及電纜橋架的總費用相對限額標準節省約3297.2萬元，節省了44.8%；全廠電纜與橋架的總施工費用相對限額能夠節省約4922.4萬元，節省了41.9%。全廠電力電纜總長度僅為限額標準的54%；全廠控制電纜總長度僅為限額標準的70%。降低工程造價十分顯著。

2.4.2 煙囪結構的優化選型

煙囪作為火力發電廠的主要構筑物，其結構的選擇是影響建筑、安裝施工工程量的重要因素，本次設計針對采用濕法脫硫后，煙氣對煙囪內襯及混凝土筒壁腐蝕影響的特性，在經過技術經濟比較后，采用套筒磚、內筒鋼筋混凝土煙囪方案。該方案投資僅為1704萬元，較常規工程節約近600萬元，并且從根本上解決了煙囪裂縫和腐蝕問題。

2.4.3 主要建（構）筑物基礎設計優化

根據本工程勘測報告和建（構）筑物上部結構荷載對地基的不同要求，對采用天然地基的方案進行分析和比較，通過承載力和沉降計算，論證其可行性；對基礎的持力層和基礎型式進行計算和經濟比較，提出：相對于可研提出的重要建（構）筑物采用層④為基礎持力層，經比較后確認當層③有一定的埋深和層厚時，應優先選用為持力層，以減少開挖工作量，節省投資；基礎型式根據實際情況采用獨立基礎或筏基。在主廠房結構設計方面采用多種程序進行聯合空間結構計算和驗算復核，使構件斷面選擇合理，結合目前成熟的技術、施工條件，采用不同強度等級的混凝土匹配HRB400級鋼筋，進行精細計算比較，尋求最佳結構性能，實現工程造價最低、總體進度最快的目標。圖2為主廠房的三維結構示意圖。

汽機基座設計方面，在使用常規TGFP V4.0計算的基礎上，采用套裝工程分析軟件ANSYS 7.0建模，通過模態分析和擾力作用下的強迫振動分析進行對比，論證了技術經濟的綜合效益，達到了節省投資、加快進度的目標。對比優化前后2種汽機基礎方案，優化后的基礎柱截面大幅減小。經計算，優化后的汽機基礎鋼筋混凝土總方量為4180 m3，較優化前的4893 m3降低了713 m3，降幅為14.6%。1臺汽機基礎可直接節省土建投資約94.2萬元。優化方案方便了施工，明顯縮短了土建施工周期，加快了施工進度。由于優化后的汽機基礎改善了基礎的動力特性且減少了沉降，提高了機組的安全系數。

2.5 新技術、新工藝的應用

2.5.1 廠用電現場總線監控系統

本期工程每臺機組設置1套電氣EFCS監控系統，以硬接線加通信的方式對廠用電源系統及單元機組智能設備進行監控，減少了控制電纜的長度和DCS系統的I/O卡件的數量，提高了廠用電監控系統的自動化水平和管理水平，減少了維護工作量。

2.5.2 四大管道動力綜合分析技術應用

對于超臨界及以上參數機組，四大管道的動力計算是必不可少的。動力計算的目的是避免共振、汽錘/水錘、地震等破壞管道造成事故。以往一般只進行靜力計算，很少進行動力計算，或者采用等效靜力法來進行一些簡單的動力分析。在本工程設計中，采用了電廠管道系統動力綜合分析技術對四大管道的選型、布置和支吊進行優化和分析，聯合運用管道流體分析軟件PIPENET和管道動力靜力分析軟件CAESARII進行了四大管道管系的模態、諧波分析、汽錘/水錘、排汽、地震分析，通過在管系中設置阻尼器等措施，有效抑制了管道振動和汽錘反力，確保了管系的安全性和可靠性。

2.5.3 建筑結構設計新材料的應用

（1）結構設計新材料。在全廠結構中鋼筋以HRB400+HRB335系列的熱軋鋼筋為主導鋼筋，對軸壓比較大的煤倉間柱采用C60高強混凝土，取得了顯著的經濟效益，有效避免了“肥梁胖柱”。

（2）屋面新材料。汽機房屋面、翻車機室屋面采用實腹鋼屋面梁上鋪蒸壓輕質加氣混凝土板（NALC板）的方案。該種新型混凝土板具有輕質高強、耐火、隔熱、隔音、無放射性、產品精度高、施工安裝便捷、能適應大的層間變位、抗震性能好等諸多優點；且施工工期短，安裝時無須占用汽機房場地，交叉作業也比較少；在正常使用條件下，屋面耐久性好，日常維護較方便。

（3）溝道蓋板新材料。對用量較大的溝道蓋板采用無機復合蓋板，該蓋板具有輕質、美觀、耐久、防火性能好等優點。

（4）綜合管架柱新材料。綜合管架柱采用薄壁離心鋼管，該鋼管可以充分發揮鋼和混凝土兩種材料的物理力學特性，克服兩者單獨使用的弱點。與軋制H型鋼相比，薄壁離心鋼管質量分布均勻，抗彎模量對稱，整體穩定性好；與純鋼管相比，薄壁離心鋼管可充分利用混凝土的受壓性能，節約用鋼量。經技術經濟比較，薄壁離心鋼管作為管架柱在造價上僅為普通鋼管柱的2/3，為軋制H型鋼的1/4。

（5）護坡新材料。本工程廠址區地形高差較大，且位于兩山之間，在廠內外及不同標高場地之間須設置護坡，最高達5 m左右。本工程采用土工網墊作為護坡材料。該材料是一種由多層塑料凹凸網與高強度平網復合而成，呈網狀三維結構，其化學性能穩定，對環境無污染，可以有效防止水土流失，增加綠化面積，改善生態環境，達到邊坡生態治理的目的。在工程造價上比普通護坡節約10%。

2.5.4 三維數字工廠設計系統的應用

我院已形成以VANTAGE為核心，集成眾多國內外著名設計計算軟件的三維設計集成系統——“JSPDI-CAD系統”（如圖3）。4年來引進并集成了美國的管道應力分析計算軟件CAESARII、有限元分析軟件ANSYS、熱平衡計算燃機STEAM/GT PRO、三維鋼結構計算軟件STAAD-CHINA，英國的三維鋼結構詳圖設計軟件STRUCAD，以及國內結構設計軟件PKPM、電纜敷設軟件CableRace、熱控設計軟件ELDsign等許多國內成熟軟件。

本工程施工圖設計全面采用了三維設計系統，優化了系統和設備布置，改善了檢修和運行條件，確保了工程量的控制。三維設計系統的全面應用對保證本工程設計質量，實現本工程各項創優措施以及保證各項技術經濟指標，加快設計進度帶來了巨大的幫助。

2.5.5 其他新技術的應用

（1）大型煙風煤粉管道優化和選擇設計技術的應用

通過該技術的應用，建立大型煙風煤粉管道（結構）設計計算模型，應用有限元計算分析軟件，優化大型煙風煤粉管道（結構）設計，從而避免大截面煙風道失穩和振動問題。同時，節省了煙風道工程量。

（2）煙風道設計空氣阻力計算技術和應用

該技術是通過煙風道空氣動力計算軟件，將計算結果與實際運行數據進行比較，再與計算流體力學CFD和流體力學軟件FLUENT的計算結果對比，修正各種管件的阻力系數，并提出異型件、導流板設計建議，以降低系統阻力，準確選擇設備，降低廠用電，為系統設計和輔助設備配置提供依據。

（3）氣固兩相流輸送阻力計算研究

運用氣力輸送粉煤灰、石灰石粉等散狀物料的阻力計算軟件，短距離超高濃度輸送的阻力計算軟件和雙套管氣力輸送阻力計算軟件，解決電廠氣固兩相流輸送計算問題，從而達到優化系統配置的目的。

2.6 節水優化成果

本工程設計年平均用水量為2068 m3/h，百萬千瓦耗水指標為0.433 m3/（s·GW）。電廠耗水指標遠低于國家對新建電廠節水的有關規定，達到先進水平，采取的主要節水措施如下。

2.6.1 循環水處理系統優化

本工程設計在考慮充分節約水資源的同時，又最大限度考慮節約工程投資、運行費用，取得了最大的節水效益。經技術經濟綜合比較，確定循環水濃縮倍率為6.0，并采用循環水旁流混凝澄清處理、ClO2殺菌處理及單純投加高性能全有機復合穩定劑的循環水處理工藝。

2.6.2 脫硫工藝水系統優化

脫硫系統的工藝用水量為103 m3/h。本工程采用循環水系統排水作為脫硫工藝用水，從而利用了約41%的循環水系統的排水量，既減少了耗水量，又降低了循環水排污量。

2.6.3 除灰渣系統的優化

采用風冷式干排渣系統，與水力除灰渣相比，全年減少耗水約70萬m3。

2.6.4 降低工業廢水產生量的優化

本工程通過系統工藝優選、分類排放、清污分流、采用節水鍋爐清洗工藝等優化途徑，使經常性廢水產生量由優化前的54.5 t/h降低到優化后的9 t/h，并大幅降低了非經常性廢水的產生量。工業集中廢水處理系統廢液池容積由優化前的6000 m3降到優化后的4000 m3，系統出力也由優化前的150 t/h降低到優化后的100 t/h，相應節約投資222萬元，降低運行費用約4萬元/年，并減少布置占地約950 m2。

通過設計優化，從源頭上減少了全廠經常性廢水產生量：優化鍋爐補給水處理系統工藝設計，采用電除鹽系統方案，避免鍋爐補給水酸堿廢水排放；對超濾反洗排水進入循環水反應沉淀池處理后直接回收利用；將反滲透排放濃水直接壓力排放至敞開式循環冷卻系統冷卻塔水池直接回用；通過清污分流，將凝結水精處理混床樹脂再生過程中的樹脂分離、輸送、快速沖洗、淋洗等環節的排水（水質較好）送至開式循環冷卻系統冷卻塔水池直接回用。

通過設計優化，同時從源頭上減少全廠非經常性廢水產生量：將僅pH值輕微超標的鍋爐冷態清洗排水和熱態汽水膨脹疏排水直接排至敞開式循環冷卻水系統回用；對600MW超臨界直流爐機組，設計推薦爐前系統采用EDTA清洗或鹽酸循環清洗，爐本體及過熱再熱器系統采用EDTA清洗，可大大降低鍋爐化學清洗一次最大廢水量。

上述設計優措施從源頭上盡量減少了工業廢水產生量，不僅保證了電廠“廢水零排放”設計目標的實現，而且降低了集中工業廢水處理系統廢液池設計容積和系統規模，節約了一次性投資，同還降低了廢水處理系統運行負荷，節約廢水輸送和藥品處理等運行費用。

2.7 以人為本的設計理念

（1）總平面布置將水處理區作為緩沖帶，拉開1號冷卻塔與廠前辦公區域的距離，以減輕冷卻塔對辦公人員的噪聲、水汽影響及空間壓抑感，體現“以人為本”的理念。

（2）優化主廠房布置型式，在汽機房0 m、6.3 m層B排側以及汽機房運轉層A、B排側均留有貫通汽機房的寬敞的檢修和維護通道；在鍋爐爐前、爐后以及煙囪后均留有貫通固擴端的道路，便于檢修和運行車輛進出；側煤倉兩側具有貫通鍋爐房的人行通道；極大地方便了電廠今后的檢修和運行。

（3）集控室布置布置在生產辦公樓與主廠房連接的天橋上，既有效利用了空間，又便于運行檢修維護，營造了“安靜、和諧、以人為本”的工作環境。單元控制室利用有限的空間獲得寬敞的空間感受。

（4）采用了全廠輔控系統集中控制方式，輔助車間不設就地控制室。在單元控制室操作員站上可對各輔助系統進行集中監視、管理和自動順序控制，還可以實現遠方軟手操，既降低了定員，又改善了輔控人員的運行環境，且投資增加有限。

（5）優化系統配置和布置。例如大量的輔助車間的整合、檢修車間的合并。鍋爐補給水處理系統設計采用超濾+一、二級反滲透+電除鹽系統，系統連續自動化運行，可采取無人值班運行管理方式。這些優化大大降低了運行和檢修人員的運行和巡視工作量。

3 設計優化成果

本工程優化后的主要技術經濟指標見表2。從表2可以看出，工程經設計優化后，多項指標較限額設計都有大幅下降。

表2 華能巢湖電廠工程主要技術經濟指標Tab.2 Technical economical indexes of Huaneng Chaohu Power Plant project

4 結論

通過全面的系統和布置優化，巢湖工程實現了低于3000元/kW的單位造價，不到4.5%的廠用電率，不到限額指標50%的廠區占地，分別較限額設計降低了26.5%、31%、52.9%，其年發電小時盈虧平衡點僅為2700 h，耗水指標比限額下降了50%。這些技術經濟指標均處于國內超臨界發電機組指標的前列。

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