SCAL型間接空冷系統設計參數的優化

趙弦，馮璟

(華北電力設計院工程有限公司，北京市，100120)

0 引言

目前我國三北富煤地區，水資源日益匱乏，發電廠空冷技術的應用促進了當地發電機組容量的快速發展［1-3］。在工程實踐中，間接空冷系統和直接空冷系統相比，因其運行背壓低、抵御大風和夏季高溫能力強而越來越被廣泛應用。但傳統帶表面式凝汽器的間接空冷系統(哈蒙式)和帶混合式凝汽器的間接空冷系統(海勒式)，隨著近年來機組容量的大型化而顯現出其各自的弊端。哈蒙式系統的散熱器需布置于塔內支撐環梁上，空冷塔占地大，基建投資多;海勒式系統需凝結水精處理，設備多、自動控制復雜［4-5］。SCAL型間接空冷系統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、水質要求高、控制復雜等問題，滿足了機組容量大型化對空冷系統的要求［6-7］。SCAL型間接空冷系統最早應用于山西陽城電廠二期工程2×600 MW機組，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300 MW以上間接空冷機組大部分采用SCAL型間接空冷系統，并出現“三塔合一”排煙脫硫塔技術由海勒系統到SCAL型間接空冷系統的應用拓展。

作為發電廠熱力系統的冷端，SCAL型間接空冷系統采用熱容量較小的空氣作為換熱介質，設計規模較常規濕冷系統大很多，容易受外界環境影響，因此SCAL型間接空冷系統的設計規模決定了機組將來運行背壓的高低。煤價和成本電價決定了機組的運行費用，因此優化設計的目的就是平衡空冷系統規模的大小和運行費用的高低，使空冷系統年總費用最小。本文結合多個SCAL型間接空冷系統工程設計經驗，對影響空冷系統規模和運行費用的因素進行研究，為SCAL型間接空冷系統設計參數的優化提供參考。

1 SCAL型間接空冷系統設計規模的優化

SCAL型間接空冷系統的規模主要由3個方面決定:空冷散熱器、管道及循環水系統規模;空冷塔土建規模;占地規模。其中空冷散熱器、管道及循環水系統規模的優化主要為總散熱面積和循環水泵功率的優化，而管道、閥門等其余設備對規模影響不大。空冷塔土建規模主要與塔高和塔0 m直徑有關;占地規模由空冷塔散熱器外緣直徑決定。

本文結合多個SCAL型間接空冷系統的工程設計經驗，以內蒙古某電廠2×660 MW機組SCAL型間接空冷系統優化計算為例，分別論述初始溫差(initial temperature difference，ITD)值、散熱器高度、迎面風速對空冷系統規模的影響。

1.1 ITD值的優化

ITD即汽輪機排汽的飽和蒸汽溫度扣除凝汽器端差后與環境干球溫度之差。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值可反映空冷系統的規模。

在ITD值優化計算中，由于迎面風速由塔高決定，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，均取其最大迎面風速進行方案間的比較。比較結果見表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、相同循環水流量下，當ITD值降低時，空冷系統總散熱面積增大，即空冷散熱器個數增加。由于散熱器垂直布置在空冷塔外側，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，空冷散熱器個數增加使進入每個空冷散熱器的循環水流量降低，進出空冷塔水阻減小，循環水泵功率降低。因此SCAL型間接空冷系統的規模隨ITD值的減小而增加。

1.2 空冷散熱器高度的優化

由于SCAL型間接空冷系統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、散熱器的迎面風速和循環水泵功率。

在空冷散熱器高度的優化計算中，迎面風速由塔高決定，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，均取其最大迎面風速進行方案間的比較。比較結果見表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、相同循環水流量下，當散熱器高度增加時，散熱器個數將減少，但空冷系統總散熱面積增加，而散熱器外緣直徑和空冷塔0 m直徑隨散熱器個數減少而減小，空冷塔高度隨之降低，迎面風速也降低，循環水泵功率隨散熱器高度增加和散熱器個數減少而增大。因此空冷散熱器、管道及循環水系統規模隨散熱器高度增加而增大，空冷塔土建規模隨散熱器高度增高而減小，占地規模隨散熱器高度增加而減小，即SCAL型間接空冷系統規模與散熱器高度變化不是單調增加或降低的關系。

1.3 迎面風速的優化

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

表3 SCAL型間接空冷系統優化迎面風速參數表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、相同循環水流量下，當迎面風速增高時，散熱器個數減少，總散熱面積降低，塔高增加，散熱器外緣直徑和空冷塔0 m直徑隨散熱器個數減少而減小，循環水泵功率隨散熱器高度增加和散熱器個數減少而增大。因此空冷散熱器、管道及循環水系統規模隨迎面風速增高而降低，占地規模隨迎面風速增高而減小，但空冷塔土建規模隨塔0 m直徑減小而減小，隨塔高增加而增大，表現為隨迎面風速變化的結果是不確定的，即SCAL型間接空冷系統規模與迎面風速變化不是單調增加或降低的關系。值得說明的是迎面風速不是無限增高的，受限于塔高與塔0 m直徑比值，根據多個SCAL型間接空冷系統的工程設計經驗，控制塔高與塔0 m直徑比在1.34以下時，SCAL型間接空冷系統規模隨迎面風速的增加而降低。

1.4 其他設計參數的選取

根據已完成的多個SCAL型間接空冷系統的設計經驗，其他比較重要的設計參數有塔型參數和附加阻力。其中塔型參數主要是塔高與塔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境風和“三塔合一”排煙脫硫塔產生的額外空氣側阻力。由于SCAL型間接空冷系統絕大多數應用于三北地區，當地的環境風速較大，因此環境設計風速應根據現場實際情況而選取，并在空冷系統設計時量化考慮其影響。

目前已完成的SCAL型間接空冷系統設計中，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空冷塔阻力的0.08 ～0.1 倍［8］，環境風附加阻力按下式計算［9］:

式中:WD為環境風附加阻力，Pa;w0為塔頂風速，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、年耗標煤費用。其中空冷系統廠用電費主要指循環水泵耗電，由循環水泵功率和成本電價決定，年維修費用與空冷設備及土建總投資和維修費用率有關，年耗標煤費用由機組發電標煤耗率和標煤價格決定。

以內蒙古某電廠2×660 MW機組SCAL型間接空冷系統優化計算為例［10］，間接空冷系統1臺機3臺循環水泵總電耗約5 546 kW，年利用小時數按5 500 h計，成本電價按照239元/(MW·h)計，空冷系統廠用電費為1 458萬元;維修費用率按2.5%計，年維修費用為1 488萬元;年耗標煤量2 059 299 t，標煤費用59 720萬元，因此年運行費用為62 666萬元。當標準煤價上漲60元/t，則成本電價相應變為250元/(MW·h)，年運行費用為75 089萬元。因此成本電價隨標準煤價上漲而增加，年運行費用隨成本電價、標準煤價上漲而增加。

3 結論

(1)優化計算采用“年總費用最小法”，即根據工程的氣象條件和廠址條件，初選出多種可能實施的方案，按動態經濟規律將每個方案的初投資在經濟服務年限內等額均攤得到年費用，再算出每個方案的發電量，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。

(2)以內蒙古某電廠2×660 MW 機組SCAL型間接空冷系統優化計算為例，總結SCAL型間接空冷系統優化設計原則如下:以成本電價、標煤價格為計算輸入條件，以塔型參數為限定條件，考慮環境風速和“三塔合一”排煙脫硫塔的影響，依次優化ITD值、散熱器高度和迎面風速，取年總費用最小的方案為最終優化推薦方案。

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［9］王良中，王增順.電力工程水務設計手冊［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［10］趙弦，馮璟.內蒙古上都發電有限公司四期2×660 MW機組工程空冷系統優化選擇專題報告［R］.北京:華北電力設計研究院工程有限公司，2011.