新型并列配置間接空冷系統在熱電廠的應用

雷平和，馮璟，陳保華

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院工程有限公司，北京市，100120)

0 引言

目前新疆各地區中心城市正計劃興建熱電廠，針對新疆極度缺水的現狀，主機冷卻系統均采用空冷系統，以節省極度匱乏的水資源。然而新疆地域遼闊，區域氣象條件差別很大，部分地區氣候條件惡劣，經分析，目前成熟的直接空冷系統和間接空冷系統，對新疆地區特殊的氣象條件和熱電廠運行條件的適應性方面存在一定的問題。本文結合新疆部分區域的氣象條件和熱電廠運行要求，介紹一種新型并列配置間接空冷系統。

1 新疆北疆部分地區氣象概況

發電廠空冷系統選型，氣象條件是最重要的因素之一。新疆地區自然災害主要有干旱、低溫冷害、洪水災害、雪災等，天氣災害主要包括寒潮、大風、沙塵暴、暴雨、冰雹、霜凍等［1］。由于新疆幅員遼闊，即使是北疆地區，氣象條件也不盡相同，北疆部分地區氣象條件見表 1［2-5］。

上述地區共同特點是:夏季酷熱，極端最高氣溫可達40～44℃以上;冬季嚴寒，最低極端氣溫為-32～-42.7℃;降雨極少，嚴重干旱，水資源極度匱乏;日照時間長，全年共有約7～8個月處于日照之下;主導風向比較恒定，頻率高。

不同之處，年平均風速差別較大，阜康地區年平均風速2.1 m/s，比較正常，而福海地區年平均風速高達7.1 m/s，比較少見。

2 空冷系統技術特性比較

新疆北疆地區冬季嚴寒，該地區供熱機組采用空冷系統，須解決好冬季防凍問題。以350 MW供熱機組空冷系統負荷為例，額定抽汽量時，空冷系統的負荷約為32%，最大抽汽量時，空冷系統的負荷為30%，對目前廣泛使用的直接空冷系統和自然通風間接空冷系統，防凍任務都相當嚴峻。

本文以2×350 MW 超臨界供熱機組為例，提出4種可選擇的空冷系統進行比較。除直接空冷系統和自然通風間接空冷系統外，機械通風間接空冷系統在國內輔機水冷卻中有采用的，但規模較小。并列配置間接空冷系統是針對夏季高溫，冬季嚴寒，且冬季因供熱向空冷系統排熱量低等特點推出的一種新型空冷系統。其特征是:采用自然通風空冷塔與多組機力通風空冷塔并聯，1臺機組配1座自然通風空冷塔和多組機力通風空冷塔，或2臺機組配1座自然通風空冷塔和多組機力通風空冷塔的并聯冷卻方式。其效果是:通過技術集成的方法將自然通風空冷塔與多組機力通風空冷塔并聯組成的間接空冷系統，減小了自然冷卻塔的面積，而機力通風空冷塔由若干格組成，布置方式靈活方便。采暖季節供熱運行時，自然通風間接空冷塔的冷卻能力與汽輪機排熱量的合理匹配能保證自然通風間接空冷塔有足夠高的熱負荷以防止循環水凍結。自然通風間接空冷塔全年運行以最大限度節約廠用電，而機力通風間接空冷塔投入運行的單元數可以根據采暖季節熱負荷變化、熱季氣象條件、機組負荷率等因素決定，整套冷卻系統負荷調節、運行方式非常靈活［6］。4 種空冷系統技術特性見表2［7］。

以表3汽輪機技術參數，結合克拉瑪依地區氣象條件對各空冷系統進行優化選型，如表4［8］所示。

3 各空冷系統經濟性比較

為使經濟分析更接近實際，依照大型空冷系統選型方法［9］，根據電網負荷曲線將機組利用小時數分配到各月，在空冷系統數值模擬的基礎上進行定量的經濟分析，取得了下述有關成果。表5為全年各月空冷系統運行條件，各空冷系統全年各月平均迎面風速對比見表6，各空冷系統全年各月進口空氣溫度對比見表7。

表1 北疆部分地區主要氣象要素Tab.1 Main meteorological parameters in parts of northern Xinjiang

表2 4種用于350 MW供熱機組空冷系統技術特性比較Tab.2 Comparisons of technical features for 4 air cooling systems applied to 350 MW heating units

表3 汽輪機各工況主要參數Tab.3 Main parameters of steam turbine under various conditions

表4 各空冷系統優化結果Tab.4 Optimized results for air cooling systems

表5 全年各月空冷系統運行條件Tab.5 Operational condition of air cooling system for whole year

根據上述空冷系統的迎面風速、進口空氣溫度，計算得到機組運行背壓。當背壓低于冬季最低運行背壓9 kPa時，按9 kPa計算，因此最終選取背壓如表8。利用背壓計算結果，計算出全年各月相應背壓下的發電煤耗［4］，見表 9。

分別計算各種類型空冷系統優化方案的年固定投資費用及年運行費用，從而分別計算出空冷系統的年總費用，見表10。計算條件如下:成本電價為0.143元/(kW·h);每0.066 hm2地價為55 000元;年利用小時數為5 500 h;經濟運行年限為20年;標煤價為300元/t;投資利潤率為10%;維修費用率為2.5%。

表6 各空冷系統全年各月平均迎面風速對比Tab.6 Comparisons of average face velocity of air cooling systems for whole year m/s

表7 各空冷系統全年各月進口空氣溫度對比Tab.7 Comparison of inlet air temperature of air cooling systems for whole year℃

表8 各空冷系統全年各月實際運行背壓Tab.8 Comparison of running back pressure of air cooling systems for whole year kPa

表9 各空冷系統全年各月實際運行發電煤耗Tab.9 Comparison of coal consumption of air cooling systems for whole year g/(kW·h)

表10 4種空冷系統方案經濟性比較Tab.10 Economic comparisons of 4 air cooling systems

4 比較結果

對各系統技術經濟特點和供熱安全性進行比較分析。

(1)由于煤價偏低，成本電價僅0.143元/(kW·h)，因而直接空冷系統初投資最低，但煤耗比其他系統增加3～6 g/(kW·h)，年總費用低于間接空冷系統和機械通風間接空冷系統，在經濟上體現出低煤價時直接空冷系統的優越性，但高于并列配置間接空冷系統。若遠期煤價提高，直接空冷系統的運行費用會進一步增加，則并列配置間接空冷系統的經濟優勢會更加明顯。

(2)在夏季6、7、8月平均氣溫和平均風速條件下，直接空冷機組的平均運行背壓已超過38 kPa，自然通風間接空冷系統平均背壓沒有超過30 kPa，而機械通風間接空冷系統及并列配置間接空冷系統背壓較低，體現出了對夏季工況較強的適應能力。

(3)進一步分析夏季高溫大風的特殊工況，計算表明，在出現頻率較高的氣溫33℃，外界風速12 m/s時，直接空冷系統和自然通風間接空冷系統必須降負荷運行，將背壓控制在45 kPa，負荷率僅能達到70%左右。若氣溫進一步上升達40℃左右，6～8 m/s以上風速時，直接空冷系統和自然通風間接空冷系統基本無法正常安全運行。

(4)在冬季防凍方面，目前國內供熱機組尚缺乏在-30℃以下氣溫長期運行的經驗，由于直接空冷機組蒸汽分配管隔離閥泄漏和冬季風造成的局部過冷的風險，極大地增加了直接空冷系統防凍的難度。對自然通風間接空冷系統，需要采取切除部分冷卻扇段，調整百葉窗開度，控制循環水溫度等措施，操作要求高，要求設備完好、控制可靠，由于缺乏經驗，防凍措施需要在實踐中探索。比較而言，對機械通風間接空冷系統，關閉換熱單元配水管閥門比較容易，必要時還可采取伴熱措施，對換熱單元除采用百葉窗封閉外，還可在頂部加蓋，最大限度減少自然對流，防凍措施可靠。并列配置間接空冷系統，在冬季最大熱負荷時，可切除自然通風冷卻塔僅運行機械通風間接空冷，防凍的可靠性與機械通風間接空冷系統相同。不足之處是氣溫變化較大時，會引起自然通風冷卻塔的投入和切除，增加了運行的風險。也可以切除機械通風間接空冷塔而運行自然通風冷卻塔，由于自然通風冷卻塔面積小，能保證較高的熱負荷，當氣溫變化較大時用機械通風間接空冷塔的投切作調解，運行靈活，安全性比較高。

綜合各方面因素，并列配置間接空冷系統在各空冷系統方案中經濟性最好，在夏季高溫大風時的度夏能力強，冬季供熱期間防凍措施靈活、有效，具有明顯的優越性。

5 結論

新疆部分地區氣象條件特殊，夏季高溫，冬季嚴寒，常伴有大風，對空冷機組度夏能力和冬季防凍都提出了苛刻的要求(對熱電廠而言冬季防凍任務更為嚴酷)。通過對4種空冷系統的技術、經濟性比較，并列配置間接空冷系統具有度夏能力強，冬季防凍手段靈活，經濟性好的突出優點，特別適合在冬季嚴寒，夏季酷熱并常伴有大風地區的熱電廠使用。

［1］向明燕，向麗紅，海米提·依米提，等.新疆近45年氣象災害及其防御措施［J］.干旱區研究，2007(9):712-716.

［2］華北電力設計院工程有限公司.華能阜康電廠初步可行性研究報告［R］.北京:華北電力設計院工程有限公司，2010.

［3］華北電力設計院工程有限公司.華能福海電廠可行性研究報告［R］.北京:華北電力設計院工程有限公司，2010.

［4］華北電力設計院工程有限公司.國電克拉瑪依電廠初步設計報告［R］.北京:華北電力設計院工程有限公司，2010.

［5］華北電力設計院工程有限公司.華能哈密電廠初步可行性研究報告［R］.北京:華北電力設計院工程有限公司，2010.

［6］雷平和.熱電廠并列配置間接空冷系統［R］.北京:華北電力設計院工程有限公司，2010.

［7］華北電力設計院工程有限公司.國電克拉瑪依電廠空冷系統選型專題報告［R］.北京:華北電力設計院工程有限公司，2010.

［8］馮璟.直接空冷系統優化設計［R］.北京:華北電力設計院工程有限公司，2010.

［9］雷平和.大型空冷系統選型設計技術研究［R］.北京:中國電力工程顧問集團公司，2009.