SCAL型間接空冷系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化

趙弦，馮璟

(華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京市，100120)

0 引言

目前我國三北富煤地區(qū)，水資源日益匱乏，發(fā)電廠空冷技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了當(dāng)?shù)匕l(fā)電機(jī)組容量的快速發(fā)展［1-3］。在工程實踐中，間接空冷系統(tǒng)和直接空冷系統(tǒng)相比，因其運行背壓低、抵御大風(fēng)和夏季高溫能力強(qiáng)而越來越被廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)帶表面式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)(哈蒙式)和帶混合式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)(海勒式)，隨著近年來機(jī)組容量的大型化而顯現(xiàn)出其各自的弊端。哈蒙式系統(tǒng)的散熱器需布置于塔內(nèi)支撐環(huán)梁上，空冷塔占地大，基建投資多;海勒式系統(tǒng)需凝結(jié)水精處理，設(shè)備多、自動控制復(fù)雜［4-5］。SCAL型間接空冷系統(tǒng)采用表面式凝汽器與塔外垂直布置的鋁制散熱器，解決了空冷塔體型龐大、水質(zhì)要求高、控制復(fù)雜等問題，滿足了機(jī)組容量大型化對空冷系統(tǒng)的要求［6-7］。SCAL型間接空冷系統(tǒng)最早應(yīng)用于山西陽城電廠二期工程2×600 MW機(jī)組，于2007年7月投入正式運行。隨著陽城電廠的成功投運，目前國內(nèi)300 MW以上間接空冷機(jī)組大部分采用SCAL型間接空冷系統(tǒng)，并出現(xiàn)“三塔合一”排煙脫硫塔技術(shù)由海勒系統(tǒng)到SCAL型間接空冷系統(tǒng)的應(yīng)用拓展。

作為發(fā)電廠熱力系統(tǒng)的冷端，SCAL型間接空冷系統(tǒng)采用熱容量較小的空氣作為換熱介質(zhì)，設(shè)計規(guī)模較常規(guī)濕冷系統(tǒng)大很多，容易受外界環(huán)境影響，因此SCAL型間接空冷系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)模決定了機(jī)組將來運行背壓的高低。煤價和成本電價決定了機(jī)組的運行費用，因此優(yōu)化設(shè)計的目的就是平衡空冷系統(tǒng)規(guī)模的大小和運行費用的高低，使空冷系統(tǒng)年總費用最小。本文結(jié)合多個SCAL型間接空冷系統(tǒng)工程設(shè)計經(jīng)驗，對影響空冷系統(tǒng)規(guī)模和運行費用的因素進(jìn)行研究，為SCAL型間接空冷系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

1 SCAL型間接空冷系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模的優(yōu)化

SCAL型間接空冷系統(tǒng)的規(guī)模主要由3個方面決定:空冷散熱器、管道及循環(huán)水系統(tǒng)規(guī)模;空冷塔土建規(guī)模;占地規(guī)模。其中空冷散熱器、管道及循環(huán)水系統(tǒng)規(guī)模的優(yōu)化主要為總散熱面積和循環(huán)水泵功率的優(yōu)化，而管道、閥門等其余設(shè)備對規(guī)模影響不大。空冷塔土建規(guī)模主要與塔高和塔0 m直徑有關(guān);占地規(guī)模由空冷塔散熱器外緣直徑?jīng)Q定。

本文結(jié)合多個SCAL型間接空冷系統(tǒng)的工程設(shè)計經(jīng)驗，以內(nèi)蒙古某電廠2×660 MW機(jī)組SCAL型間接空冷系統(tǒng)優(yōu)化計算為例，分別論述初始溫差(initial temperature difference，ITD)值、散熱器高度、迎面風(fēng)速對空冷系統(tǒng)規(guī)模的影響。

1.1 ITD值的優(yōu)化

ITD即汽輪機(jī)排汽的飽和蒸汽溫度扣除凝汽器端差后與環(huán)境干球溫度之差。若選用較高的ITD值，則空冷散熱器的換熱溫差較高，所需換熱面積減小，反之則增大。因此ITD值可反映空冷系統(tǒng)的規(guī)模。

在ITD值優(yōu)化計算中，由于迎面風(fēng)速由塔高決定，將塔高與塔0 m直徑比固定，控制其小于1.34，對于不同ITD值的參選方案，均取其最大迎面風(fēng)速進(jìn)行方案間的比較。比較結(jié)果見表1。

從表1可知;※項方案相對年總費用最小，表明在相同散熱器高度、相同塔高與塔0 m直徑比值、相同循環(huán)水流量下，當(dāng)ITD值降低時，空冷系統(tǒng)總散熱面積增大，即空冷散熱器個數(shù)增加。由于散熱器垂直布置在空冷塔外側(cè)，散熱器外緣直徑和空冷塔0 m直徑增大，空冷塔高度隨之增加。同時，空冷散熱器個數(shù)增加使進(jìn)入每個空冷散熱器的循環(huán)水流量降低，進(jìn)出空冷塔水阻減小，循環(huán)水泵功率降低。因此SCAL型間接空冷系統(tǒng)的規(guī)模隨ITD值的減小而增加。

1.2 空冷散熱器高度的優(yōu)化

由于SCAL型間接空冷系統(tǒng)的散熱器垂直布置在空冷塔外緣，因此散熱器的高度決定了空冷塔的高度、散熱器的迎面風(fēng)速和循環(huán)水泵功率。

在空冷散熱器高度的優(yōu)化計算中，迎面風(fēng)速由塔高決定，將塔高與塔0 m直徑比固定，控制其小于1.34，對于不同空冷散熱器高度的參選方案，均取其最大迎面風(fēng)速進(jìn)行方案間的比較。比較結(jié)果見表2。

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由表2可知，※項方案相對年總費用最小，表明在相同ITD值、相同塔高與塔0 m直徑比值、相同循環(huán)水流量下，當(dāng)散熱器高度增加時，散熱器個數(shù)將減少，但空冷系統(tǒng)總散熱面積增加，而散熱器外緣直徑和空冷塔0 m直徑隨散熱器個數(shù)減少而減小，空冷塔高度隨之降低，迎面風(fēng)速也降低，循環(huán)水泵功率隨散熱器高度增加和散熱器個數(shù)減少而增大。因此空冷散熱器、管道及循環(huán)水系統(tǒng)規(guī)模隨散熱器高度增加而增大，空冷塔土建規(guī)模隨散熱器高度增高而減小，占地規(guī)模隨散熱器高度增加而減小，即SCAL型間接空冷系統(tǒng)規(guī)模與散熱器高度變化不是單調(diào)增加或降低的關(guān)系。

1.3 迎面風(fēng)速的優(yōu)化

對于間接空冷系統(tǒng)，迎面風(fēng)速是重要的設(shè)計參數(shù)之一，空冷散熱器的換熱系數(shù)隨迎面風(fēng)速的增加而增大，而迎面風(fēng)速的大小由空冷塔的高度決定。比較結(jié)果見表3。

表3 SCAL型間接空冷系統(tǒng)優(yōu)化迎面風(fēng)速參數(shù)表Tab.3 Optimized face velocity for SCAL-type indirect air-cooling system

由表3可知，※項方案相對年總費用最小，表明在相同ITD值、相同散熱器高度、相同循環(huán)水流量下，當(dāng)迎面風(fēng)速增高時，散熱器個數(shù)減少，總散熱面積降低，塔高增加，散熱器外緣直徑和空冷塔0 m直徑隨散熱器個數(shù)減少而減小，循環(huán)水泵功率隨散熱器高度增加和散熱器個數(shù)減少而增大。因此空冷散熱器、管道及循環(huán)水系統(tǒng)規(guī)模隨迎面風(fēng)速增高而降低，占地規(guī)模隨迎面風(fēng)速增高而減小，但空冷塔土建規(guī)模隨塔0 m直徑減小而減小，隨塔高增加而增大，表現(xiàn)為隨迎面風(fēng)速變化的結(jié)果是不確定的，即SCAL型間接空冷系統(tǒng)規(guī)模與迎面風(fēng)速變化不是單調(diào)增加或降低的關(guān)系。值得說明的是迎面風(fēng)速不是無限增高的，受限于塔高與塔0 m直徑比值，根據(jù)多個SCAL型間接空冷系統(tǒng)的工程設(shè)計經(jīng)驗，控制塔高與塔0 m直徑比在1.34以下時，SCAL型間接空冷系統(tǒng)規(guī)模隨迎面風(fēng)速的增加而降低。

1.4 其他設(shè)計參數(shù)的選取

根據(jù)已完成的多個SCAL型間接空冷系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，其他比較重要的設(shè)計參數(shù)有塔型參數(shù)和附加阻力。其中塔型參數(shù)主要是塔高與塔0 m直徑比值、塔出口直徑與塔0 m直徑比值。附加阻力主要考慮環(huán)境風(fēng)和“三塔合一”排煙脫硫塔產(chǎn)生的額外空氣側(cè)阻力。由于SCAL型間接空冷系統(tǒng)絕大多數(shù)應(yīng)用于三北地區(qū)，當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境風(fēng)速較大，因此環(huán)境設(shè)計風(fēng)速應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況而選取，并在空冷系統(tǒng)設(shè)計時量化考慮其影響。

目前已完成的SCAL型間接空冷系統(tǒng)設(shè)計中，塔高與塔0 m直徑比值控制在1.1～1.34、塔出口直徑與塔0 m直徑比值小于0.68。如采用“三塔合一”排煙脫硫塔，則附加阻力約為同容量常規(guī)空冷塔阻力的0.08 ～0.1 倍［8］，環(huán)境風(fēng)附加阻力按下式計算［9］:

式中:WD為環(huán)境風(fēng)附加阻力，Pa;w0為塔頂風(fēng)速，m/s;v0為冷卻塔出口空氣流速，m/s;ρ'1為塔筒外塔頂空氣密度，kg/m3;ρ'2為塔筒內(nèi)塔頂空氣密度，kg/m3;D0為冷卻塔出口直徑，m;N0為冷卻塔出口空氣速度頭，Pa。

2 空冷電廠年運行費用

空冷系統(tǒng)的年運行費用主要由3個方面決定:廠用電費、年維修費用、年耗標(biāo)煤費用。其中空冷系統(tǒng)廠用電費主要指循環(huán)水泵耗電，由循環(huán)水泵功率和成本電價決定，年維修費用與空冷設(shè)備及土建總投資和維修費用率有關(guān)，年耗標(biāo)煤費用由機(jī)組發(fā)電標(biāo)煤耗率和標(biāo)煤價格決定。

以內(nèi)蒙古某電廠2×660 MW機(jī)組SCAL型間接空冷系統(tǒng)優(yōu)化計算為例［10］，間接空冷系統(tǒng)1臺機(jī)3臺循環(huán)水泵總電耗約5 546 kW，年利用小時數(shù)按5 500 h計，成本電價按照239元/(MW·h)計，空冷系統(tǒng)廠用電費為1 458萬元;維修費用率按2.5%計，年維修費用為1 488萬元;年耗標(biāo)煤量2 059 299 t，標(biāo)煤費用59 720萬元，因此年運行費用為62 666萬元。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)煤價上漲60元/t，則成本電價相應(yīng)變?yōu)?50元/(MW·h)，年運行費用為75 089萬元。因此成本電價隨標(biāo)準(zhǔn)煤價上漲而增加，年運行費用隨成本電價、標(biāo)準(zhǔn)煤價上漲而增加。

3 結(jié)論

(1)優(yōu)化計算采用“年總費用最小法”，即根據(jù)工程的氣象條件和廠址條件，初選出多種可能實施的方案，按動態(tài)經(jīng)濟(jì)規(guī)律將每個方案的初投資在經(jīng)濟(jì)服務(wù)年限內(nèi)等額均攤得到年費用，再算出每個方案的發(fā)電量，將投資的年費用與年運行費用相加，取年總費用最小的方案為最優(yōu)。

(2)以內(nèi)蒙古某電廠2×660 MW 機(jī)組SCAL型間接空冷系統(tǒng)優(yōu)化計算為例，總結(jié)SCAL型間接空冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計原則如下:以成本電價、標(biāo)煤價格為計算輸入條件，以塔型參數(shù)為限定條件，考慮環(huán)境風(fēng)速和“三塔合一”排煙脫硫塔的影響，依次優(yōu)化ITD值、散熱器高度和迎面風(fēng)速，取年總費用最小的方案為最終優(yōu)化推薦方案。

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