1000MW超超臨界直接空冷機(jī)組初始溫差值的優(yōu)化設(shè)計(jì)

韓中合， 馬 務(wù)， 王 智

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，保定 071003）

電力工業(yè)的快速發(fā)展與水資源的日益匱乏已經(jīng)成為我國電力發(fā)展中的突出矛盾［1］.尤其是在富煤缺水的華北、東北和西北地區(qū)，水資源的保護(hù)和節(jié)約顯得尤為重要，大力發(fā)展空冷機(jī)組勢(shì)在必行.近些年，空冷技術(shù)在我國得到了較快的發(fā)展，空冷電廠也逐步形成了規(guī)模.目前，已投運(yùn)的空冷機(jī)組中，直接空冷機(jī)組的裝機(jī)容量占全部裝機(jī)容量的42%，占主導(dǎo)地位，混合式凝汽器間接空冷機(jī)組的裝機(jī)容量占33%，表面式凝汽器間接空冷機(jī)組的裝機(jī)容量占25%［2-3］，最大的直接空冷機(jī)組單機(jī)容量為 1000 MW.在空冷發(fā)電廠中，空冷系統(tǒng)的投資很大，和鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)并稱為發(fā)電廠的四大主設(shè)備.作為空冷系統(tǒng)最主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，初始溫差值tI的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提高直接空冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性起著重要的作用.優(yōu)化tI的目的是同時(shí)考慮能量利用率和空冷系統(tǒng)的初投資，找出兩者之間的最佳匹配關(guān)系.

1 直接空冷機(jī)組tI的定義

火電機(jī)組直接空冷系統(tǒng)tI表示汽輪機(jī)排汽飽和溫度ts與進(jìn)入空冷凝汽器空氣溫度ta（即設(shè)計(jì)氣溫）之差［2］，即：

當(dāng)設(shè)計(jì)氣溫ta確定后，選定tI即可確定汽輪機(jī)排汽飽和溫度ts，從而查得汽輪機(jī)的排汽壓力ps.所以，火電機(jī)組空冷系統(tǒng)tI的選擇與機(jī)組背壓的選擇緊密相關(guān).

tI是空冷系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，反映了空冷系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)系.tI越高，空冷凝汽器可利用的傳熱溫差越大，所需散熱面積越少，即空冷系統(tǒng)初投資減少，但相應(yīng)地汽輪機(jī)熱效率降低，運(yùn)行費(fèi)用上升；tI低，散熱面積增加，投資費(fèi)用上升，但機(jī)組熱效率提高，機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用減少.因此，tI的選擇要經(jīng)過詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來確定.

2 直接空冷機(jī)組tI的優(yōu)選

2.1 考慮因素

直接空冷機(jī)組tI的優(yōu)選需要考慮的因素主要有：（1）廠址所在地的氣象條件；（2）環(huán)境氣溫對(duì)汽輪機(jī)背壓和出力的影響；（3）機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)；（4）當(dāng)?shù)孛簝r(jià)、水價(jià)和上網(wǎng)電價(jià)；（5）空冷設(shè)備如散熱器、水泵、冷卻風(fēng)機(jī)及配套電機(jī)的價(jià)格；（6）空冷設(shè)備經(jīng)濟(jì)服務(wù)年限、設(shè)備維修費(fèi)率；（7）資金回收率、年利率.

2.2 相關(guān)傳熱理論

凝汽器管內(nèi)蒸汽的放熱量（即汽輪機(jī)排熱量）為

式中：Dn為汽輪機(jī)排汽量，kg／s；hn為汽輪機(jī)排汽焓，kJ／kg；hc為飽和溫度下凝結(jié)水焓，kJ／kg.

傳熱單元數(shù)是表示散熱器換熱能力大小的一個(gè)無量綱值，也是反映散熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的指標(biāo)［4-5］，可表示為：

式中：Af為迎風(fēng)面面積，m2；K 為傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；F為總傳熱面積，m2；ψNTU為傳熱單元數(shù)；ρ為空氣的平均密度，kg／m3；vf為迎面風(fēng)速，m／s；cp為空氣的比定壓熱容，J／（kg·K）.

空氣在空冷凝汽器中的溫升Δta為：

散熱器效率η為：

式中：tn為凝汽器入口蒸汽飽和溫度，℃；t1為環(huán)境溫度.

凝汽器入口蒸汽飽和溫度tn為：

由水蒸氣焓熵圖可查出tn所對(duì)應(yīng)的空冷凝汽器入口蒸汽飽和壓力：

對(duì)于常規(guī)濕冷機(jī)組而言，低壓缸排汽口與凝汽器入口的距離相對(duì)較短，可近似地認(rèn)為排汽壓力等于凝汽器壓力.而直接空冷機(jī)組排汽管道較長，并且從低壓缸排汽口到凝汽器入口有幾十米高的水蒸氣柱，因此低壓缸排汽壓力與凝汽器入口壓力相差較大.例如，某1000MW空冷機(jī)組在額定工況下的排汽壓力為13kPa，測量得到排汽管壓降為1.77 kPa［6］，不可忽略.蒸汽流經(jīng)排汽管道的壓損為Δp1，水蒸氣柱引起的重位壓差為Δp2，Δp1和Δp2的表達(dá)式分別為［7］：

式中：μ、ζ分別為沿程、局部阻力系數(shù)；v為蒸汽在排汽管道中的流速，m／s；h為排汽口到凝汽器入口的高度，m.

排汽壓力ps的表達(dá)式為：

2.3 目標(biāo)函數(shù)的確定

直接空冷系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化通常采取年總費(fèi)用最小法［8］.該方法是計(jì)算某工程多種可能實(shí)施方案的一次性投資，以及其在經(jīng)濟(jì)服務(wù)年限內(nèi)逐年支付的運(yùn)行費(fèi)用，然后按動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)規(guī)律將投資與運(yùn)行費(fèi)用換算到指定年，再在經(jīng)濟(jì)服務(wù)年內(nèi)等額均攤，最后比較各方案的年總費(fèi)用，選擇年總費(fèi)用最小的方案為最佳方案.

優(yōu)化計(jì)算中只考慮隨優(yōu)化參數(shù)變化的費(fèi)用，并且只討論與優(yōu)化參數(shù)有關(guān)的主要項(xiàng)目，忽略了機(jī)組少發(fā)電損失以及廠用電消耗等費(fèi)用.所討論的年總費(fèi)用包括年運(yùn)行費(fèi)用、風(fēng)機(jī)耗電費(fèi)用、空冷設(shè)備的年維修費(fèi)用、年固定分?jǐn)傎M(fèi)用和年燃料費(fèi)用.用公式表示如下：

2.4 優(yōu)化過程

2.4.1 空冷凝汽器費(fèi)用的計(jì)算

在單位面積凝汽器管束造價(jià)一定的情況下，凝汽器的費(fèi)用與凝汽器的散熱面積有直接關(guān)系，而不同tI對(duì)應(yīng)不同的散熱面積.計(jì)算散熱面積時(shí)所需的參數(shù)包括機(jī)組的排汽量、排汽壓力、凝結(jié)水溫、當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)氣溫、迎面風(fēng)速和翅片管的結(jié)構(gòu)尺寸等.用η－法計(jì)算所需的總散熱面積，再將散熱器片數(shù)取整，得到實(shí)際的散熱面積.

2.4.2 風(fēng)機(jī)耗電費(fèi)用的計(jì)算

在直接空冷系統(tǒng)中，每個(gè)冷卻單元所需風(fēng)量的計(jì)算公式如下

式中：a、b分別為每片散熱器的長、寬，m；g為每個(gè)單元組散熱器片數(shù)，個(gè)；K為迎風(fēng)面折減系數(shù).

在空冷凝汽器的尺寸和組數(shù)確定后，即可確定風(fēng)機(jī)直徑和臺(tái)數(shù)，并由迎面風(fēng)速計(jì)算所需送風(fēng)量，從而選定風(fēng)量、功率相匹配的風(fēng)機(jī)，將風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)取整.最后根據(jù)風(fēng)機(jī)的功率、臺(tái)數(shù)和年運(yùn)行小時(shí)數(shù)即可得到年風(fēng)機(jī)耗電費(fèi)用.

2.4.3 燃煤費(fèi)用的計(jì)算

在計(jì)算燃煤費(fèi)用時(shí)，需要知道不同tI（即不同背壓）下汽輪機(jī)的排汽量、排汽焓、排熱量及熱耗.由以下公式計(jì)算出機(jī)組的耗煤量：

式中：qo為空冷機(jī)組熱耗率，kJ／kW；Pe為空冷機(jī)組發(fā)電功率，kW；ηb為鍋爐效率；ηp為管道效率；ql為標(biāo)煤熱值，kJ／kg；τ為機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h.

3 直接空冷機(jī)組tI優(yōu)選實(shí)例

3.1 超超臨界直接空冷機(jī)組tI的計(jì)算結(jié)果

國內(nèi)某1000MW直接空冷機(jī)組的冷端參數(shù)如下：設(shè)計(jì)氣溫為20℃，設(shè)計(jì)排汽壓力為13kPa，相應(yīng)熱負(fù)荷為1104753kW.由于實(shí)際運(yùn)行的需要，機(jī)組各個(gè)負(fù)荷下的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)見表1，標(biāo)煤價(jià)600元／t，發(fā)電成本價(jià)0.4元／（kW·h），投資收益率10%，經(jīng)濟(jì)服務(wù)年限為20年.

表1 不同負(fù)荷下機(jī)組的年運(yùn)行時(shí)間Tab.1 Annual running time of the unit at different loads

凝汽器翅片管采用單排橢圓管，其尺寸和參數(shù)為：基管橫截面長軸為220mm，短軸為20mm；基管壁厚1.6mm；翅片長200mm，寬19mm（單側(cè)寬度）；翅片厚度、間距分別為0.25mm和2.3mm；管束個(gè)數(shù)為640個(gè)；每片散熱器的長、寬分別為10m和2.875m；翅化比為123.9；在迎面風(fēng)速為2.2m／s時(shí)，迎風(fēng)面折減系數(shù)為0.91；以翅片面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)為31.2W／（m2·K）.

圖1 不同迎面風(fēng)速下年總費(fèi)用隨tI的變化規(guī)律Fig.1 Variation of the total annual cost with tIvalue at different face velocities

選擇13個(gè)tI分別為28K、29K、30K、31K、32 K、33K、34K、35K、36K、37K、38K、39K 和 40 K，7個(gè)迎面風(fēng)速值分別為1.9m／s、2m／s、2.1m／s、2.2m／s、2.3m／s、2.4m／s和2.5m／s，共計(jì)91組數(shù)據(jù).根據(jù)相關(guān)傳熱理論進(jìn)行計(jì)算，找出使年總費(fèi)用最小的組合方案.最終得出年總費(fèi)用隨tI的變化規(guī)律如圖1所示.由圖1可以看出，在不同的迎面風(fēng)速下，隨著tI的增大，機(jī)組的年總費(fèi)用先減少后增加.圖1（a）中，在迎面風(fēng)速為1.9～2.2m／s時(shí)，機(jī)組的最佳tI均為32K，隨著迎面風(fēng)速的增大，對(duì)應(yīng)的年最小費(fèi)用逐漸減小，當(dāng)迎面風(fēng)速為1.9m／s時(shí)，年最小費(fèi)用為117215.8萬元，當(dāng)迎面風(fēng)速為2.2 m／s時(shí)，年最小費(fèi)用為117001.3萬元.因此，在此范圍內(nèi)，選取的迎面風(fēng)速較大時(shí)，節(jié)省的凝汽器初投資大于所增加的風(fēng)機(jī)耗電費(fèi)用.由圖1（a）還可以看出，相同的tI下，年總費(fèi)用隨著迎面風(fēng)速的增大而減小，當(dāng)迎面風(fēng)速取2.2m／s時(shí)，年總費(fèi)用為最小值.

圖1（b）中，迎面風(fēng)速為2.3～2.5m／s時(shí)，機(jī)組的最佳tI減小為31K，說明選取的迎面風(fēng)速較高時(shí)，需要適當(dāng)降低機(jī)組的背壓，提高熱經(jīng)濟(jì)性，以彌補(bǔ)風(fēng)機(jī)費(fèi)用的上升；當(dāng)tI取值在31～34K時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的迎面風(fēng)速，tI均較低，并且變化不明顯；相同tI下，年總費(fèi)用隨著迎面風(fēng)速的增加而增加.各迎面風(fēng)速下的最小年總費(fèi)用如圖2所示.

圖2 不同迎面風(fēng)速下的最小年總費(fèi)用Fig.2 Minimal total annual costs at different face velocities

由圖1和圖2可以看出，當(dāng)迎面風(fēng)速取2.2m／s、tI取32K時(shí)，對(duì)應(yīng)的年總費(fèi)用最低，為117001.3萬元，與設(shè)計(jì)值31K相比節(jié)省了48萬元年總費(fèi)用.

3.2 各種外界因素的分析

3.2.1 電煤價(jià)格變化對(duì)最佳tI的影響

煤價(jià)是影響火電廠運(yùn)行費(fèi)用的重要因素之一.圖3給出了迎面風(fēng)速為2.2m／s時(shí)，不同煤價(jià)下年總費(fèi)用隨tI的變化規(guī)律.隨著電煤價(jià)格的提高，機(jī)組的年總費(fèi)用顯著增加，對(duì)應(yīng)的最佳tI逐漸下降；當(dāng)煤價(jià)由400元／t提高到800元／t時(shí)，最佳tI由37 K減小到28K，對(duì)應(yīng)的年總費(fèi)用由大約80000萬元增加到大約154000萬元，增幅較大；當(dāng)煤價(jià)為800元／t時(shí)，年總費(fèi)用隨著tI的增大呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，燃料費(fèi)用增加的幅度超過了風(fēng)機(jī)費(fèi)用和分?jǐn)傎M(fèi)用減少的幅度.因此，煤價(jià)對(duì)機(jī)組年總費(fèi)用的影響比較明顯，當(dāng)煤價(jià)較低時(shí)，可適當(dāng)降低機(jī)組的熱效率，采取較大的tI以節(jié)省機(jī)組的風(fēng)機(jī)耗電費(fèi)用，而在煤價(jià)較高的地區(qū)，可采取較小的tI，保證機(jī)組的熱效率.

圖3 不同煤價(jià)下年總費(fèi)用隨tI的變化Fig.3 Variation of the total annual cost with tI value at different coal prices

3.2.2 凝汽器管束價(jià)格變化對(duì)最佳tI的影響

凝汽器管束占空冷系統(tǒng)初投資的比例較大，其價(jià)格變化對(duì)機(jī)組年總費(fèi)用的影響如圖4所示.由圖4可以看出，年總費(fèi)用隨凝汽器管束價(jià)格變化不明顯，管束價(jià)格變化50%時(shí)，年總費(fèi)用的變化不到3%；但是最佳tI隨管束價(jià)格的提高而增大；不同的管束價(jià)格下，當(dāng)tI在32～34K時(shí)，年總費(fèi)用均較低.當(dāng)管束價(jià)格上漲時(shí)，采用較大tI可以減少機(jī)組初投資；若考慮到提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，則可采用較小的tI.

圖4 不同凝汽器管束價(jià)格下年總費(fèi)用與tI的關(guān)系Fig.4 Variation of the total annual cost with tIvalue at different condenser tube prices

3.2.3 環(huán)境溫度變化對(duì)最佳tI的影響

環(huán)境溫度是影響tI的一個(gè)重要因素.圖5給出了迎面風(fēng)速為2.2m／s時(shí)，不同環(huán)境溫度下年總費(fèi)用隨tI的變化規(guī)律.由圖5可以看出，環(huán)境溫度越高，機(jī)組的年總費(fèi)用也越高，對(duì)應(yīng)的最佳tI越低；當(dāng)環(huán)境溫度為2℃時(shí)，最佳tI為38K；當(dāng)環(huán)境溫度為26℃時(shí)，機(jī)組的最佳tI理論上為29K，需要83臺(tái)風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，但機(jī)組實(shí)際布置的最大風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)為80個(gè)［6］，因此機(jī)組此時(shí)的tI只能維持到31K；當(dāng)環(huán)境溫度為2℃和8℃，對(duì)應(yīng)的tI為28～30K時(shí)，機(jī)組的年總費(fèi)用相差較少，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)機(jī)組的背壓在阻塞背壓以下，隨著排汽壓力的降低，機(jī)組的熱耗基本不再變化，因此，在環(huán)境溫度過低時(shí)，機(jī)組應(yīng)選擇較大的tI，防止背壓過低造成排汽濕度過大、機(jī)組振動(dòng)加劇以及同等條件下機(jī)組能耗增加的現(xiàn)象.

圖5 不同環(huán)境溫度下年總費(fèi)用隨tI的變化Fig.5 Variation of the total annual cost with tIvalue at different environmental temperatures

4 結(jié) 論

（1）該機(jī)組的tI取32K，迎面風(fēng)速為2.2m／s時(shí)，年總費(fèi)用最小，為117001.3萬元，對(duì)應(yīng)的排汽壓力為13.6kPa，空冷凝汽器面積為2137833m2.

（2）煤價(jià)對(duì)機(jī)組年總費(fèi)用的影響最明顯，當(dāng)煤價(jià)由400元／t提高到800元／t時(shí)，對(duì)應(yīng)的年總費(fèi)用由大約80000萬元增加到大約154000萬元.當(dāng)煤價(jià)較高時(shí)，可以采取較小的tI，以提高機(jī)組熱效率，降低煤耗.

（3）當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，機(jī)組應(yīng)采取較高tI，減小年總費(fèi)用，避免背壓過低造成機(jī)組排汽濕度過大、振動(dòng)加劇以及同等條件下機(jī)組能耗增加的現(xiàn)象.當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，應(yīng)結(jié)合機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，采取較小的tI.

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