直接空冷系統初始溫差值的優化設計

雷振寰，劉齊壽，謝一民，魏 凱

（ 1.華北電力大學(保定)河北 保定 071003;2.西安交通大學 西安;3.唐山三友熱電有限公司河北唐山）

0 引言

隨著我國十二五計劃的開展，電力市場競爭機制的深入的改革與發展，節水已成為我國經濟可持續發展戰略的重要實施內容之一。作為節水新途徑之一的空冷技術，具有良好的經濟效益和社會效益，已經表現出蓬勃的發展潛力。同時直接空冷系統以其節水多，設備少，系統簡單，空氣量調節靈活，防凍性能好優于間接空冷系統，成為空冷技術發展的必然方向［1］。

初始溫差值ITD是空冷系統最主要的設計參數，ITD值的合理選取能夠使空冷系統初投資與空冷機組的運行費用之間獲得合理匹配，對提高直接空冷系統的經濟性有著重大意義。

1.1 ITD 的含義

直接空冷凝汽器的初始換熱溫差ITD(Initial Temperature Difference)是指汽輪機排汽飽和溫度與進入空冷凝汽器的空氣溫度之差。當設計環境空氣溫度確定后，汽輪機排汽飽和溫度tc取決于ITD值得大小。由于壓力pc是溫度tc的單值函數，所以在優化設計中，當選定ITD值時，汽輪機背壓pc也就確定了，從而汽輪機的出力和需排放的熱量也就確定。因此ITD值涉及到機組發電量和空冷凝汽器面積的大小。

ITD是空冷系統的一個重要設計參數，反映了空冷系統初投資和運行費用的關系。ITD值高，空冷凝汽器可利用的傳熱溫差大，所需散熱面積可減少，即空冷系統投資減少，但汽輪機熱效率降低，機組煤耗增多，運行費用上升;ITD值低，相應地散熱面積增加，投資費用上升，但汽輪機熱效率提高，機組運行費用減少。所以，ITD值的選擇要經過詳細的技術經濟比較來確定［2］。

1.2 直接空冷系統傳熱計算理論［3］

空冷凝汽器傳熱過程是將汽輪機的排汽熱量Qt(kW)，在管內通過翅片管和管外空氣交換熱量，即成為管外空氣的吸熱量Qa(kW)，通過熱力學的傳熱理論也可求出交換的熱量Q(kW):汽輪機尾部參數可根據制造廠家數據，采用多項式分段擬合。

在(1)，(2)，(3)式中:

Dt—汽輪機排熱量，kg/s;

hs，hw—分別為排汽溫度下地排汽焓和凝結水焓，kJ/kg;

AF—空冷器的迎風面積，m2;

VF—空冷器的迎面風速，m/s

ρa—入口空氣密度，kg/m3;

cpa—入口空氣質量熱容，kJ/(kg*℃);

ta2—空冷器出口空氣溫度，℃;

tal—空冷器入口空氣溫度，℃;

K—空冷凝汽器的總傳熱系數，W/(m2*K);

A—空冷凝汽器的總換熱面積，m2;

Δtm—傳熱平均溫差;

傳熱單元數:

散熱器效率η:

1.3 選取ITD值時目標函數的確定［4］

直接空冷系統的優化采用年費用最小法，其方法是計算這個工程多種可能實施方案的一次性投資，以及在經濟服務年限內逐年支付的運行費用;然后按動態經濟規律將投資與運行費用換算到指定年，再在經濟服務年內等額均攤，最后比較各方案的年總費用，選擇年最小費用的方案為最佳方案。因此，選取空冷系統的年總費用作為尋優過程的目標函數。預先假定不同的ITD值和迎面風速，以計算出的年總費用最小值對應的ITD值為最佳ITD。

優化計算中只計及隨優化參數變化的項目，并且本文只討論與優化參數有關的主要項目，而忽略次要項目，從而得到空冷系統最小年費用，用公式表示如下:

式中:

F—空冷機組的年總費用，萬元/y，FKL—空冷凝汽器總投資，萬元，ξ—年固定分攤率，ξ=r1+r2+r3，r1為折舊率，r2為設備大修費用率，r3為投資理論率，，i為投資理論率率，n為電廠經濟運行年限，FRL—空冷機組燃料年消耗費用，萬元，FFJ—風機年運行費用，萬元。

1.4 求解目標函數

1.4.1 空冷凝汽器總投資FKL的計算

空冷凝汽器總投資等于空冷所需換熱面積乘以單位造價。

已知汽輪機的排熱量，排汽壓力，凝結水溫，機組當地設計氣溫，大氣壓力，翅片管的結構數據及一定風速下翅片管的傳熱系數。

空冷所需換熱面積計算公式參照1.2小節。

計算步驟為:計算該空冷凝汽器的傳熱單元數;計算散熱器效能;計算空氣溫升;計算空冷凝汽器總得迎風面積;計算空冷凝汽器總得光管面積;計算空冷凝汽器總得傳熱外表面面積;取整計算空冷凝汽器的單元組數N;取整后重新計算空冷凝汽器總得傳熱外表面積。

1.4.2 空冷機組燃料年消耗費用FRL的計算空冷機組年煤耗量:

在上式中，Nm—年煤耗量，kg;Wt—汽輪機功率，kW;qn—熱耗值，kJ/kWh;Yh—年利用小時數，h;ηb、ηt—分別為鍋爐效率和管道效率;Cm—標煤發熱量，kJ;FRL=Nm×Jm。

式中:Jm—標煤價格，元/噸

1.4.3 風機年運行費用的計算

直接空冷系統中，由8個散熱片組成一個空冷凝汽器，再配以一臺風機組成空冷凝汽器的一個單元組。由1.4.1節知有N臺風機，則風機總耗功為:

式中:N'FJ—單個風機的效率，kW;hd—電動機效率。

式中:Ce—發電成本。

2 優化分析

按照所建立的優化模型，對600 MW直接空冷機組進行優化分析，主要設計參數為:設計氣溫17℃，設計排汽量349.39 kg/s，年利用小時數6000 h。兩個設計變量取值范圍為:ITD值取25℃ －41℃之間的值，迎面風速在0.5 m/s到4.5m/s范圍內變動，得到的年度費用曲線圖2.1－2.2。

表1 不同迎面風速和ITD值下的年總費用

表2 600 MW直接空冷凝汽器優化計算結果(VF=2.3 m/s)

從圖2.1可以得出在一定ITD的情況下，年總費用是隨著迎面風速增加而降低的，這是因為增加迎面風速而增加的風機運行費用遠沒有減少的燃料費用多。現實中，空冷凝汽器迎風風速大小主要取決于環境對電廠噪聲的要求，所以在滿足噪聲要求的情況下，迎面風速越大，年總費用越低，在本600 MW直接空冷凝汽器實例中，根據當地噪聲要求等數據，最大迎面風速取2.3 m/s。

從圖2.2可以得到在一定迎面風速情況下，年總費用隨著ITD值增大而先減小后增大。這是因為隨著ITD的提高，一方面使得換熱面積減小導致初投資費用減小，另一方面使得風機耗功的增加導致運行費用的增加，所以在迎面風速確定后，需要通過計算得到最小年總費用，該最小年總費用對應的ITD為最佳設計ITD值。

在該600 MW直接空冷凝汽器優化結果中，最小年總費用19880.3萬元對應的設計變量ITD值為38℃，迎面風速為2.3 m/s。

3 結論

(1)文中根據動態經濟分析的年總費用最小法確定了直接空冷系統ITD優化設計的目標函數及計算方法，考慮了多種經濟因素，并建立優化模型，對某600 MW直接空冷機組運用此優化模型進行了優化設計取得了合理優化結果，結果證明該方法具有實際意義。

(2)年總費用隨著迎面風速增大下降較快，所以迎面風速應選擇滿足當地噪聲要求情況下的最大迎面風速。

(3)在最佳ITD附近的ITD值對應的年總費用與最小年總費用相比，變化并不是很大。所以在考慮實際需要情況下，可以調整選擇最佳ITD值，如強調多發電時，ITD值可以取小些;強調少投資，ITD值可定得大點。總之，最佳ITD值要理論與實際綜合考慮，選定一個適合具體工程的值。

［1］趙之東，楊豐利.直接空冷凝汽器的發展和現狀［J］.華北電力技術，2004(5):44－50.

［2］付玉玲，胡三高，徐鴻.直接空冷系統初始溫差值的優化分析［J］.動力工程，2006，26(3):403 －406.

［3］丁爾謀.發電廠空冷技術［M］.北京:水力水電出版社，1992.

［4］付玉玲.火電廠空冷系統經濟性分析與ITD值優化設計［D］.華北電力大學(北京)，2006.