復合循環空冷系統與直接空冷系統經濟性比較分析

梁 婧

（濟南熱電有限公司，濟南 250000）

復合循環空冷系統與直接空冷系統經濟性比較分析

梁 婧

（濟南熱電有限公司，濟南 250000）

通過對復合循環空氣冷卻系統工作原理的分析，在系統設備產、耗功量與性能指標的分析基礎上得出機組汽輪機最佳真空。結合算例中機組所在地區的氣候條件，從理論上對復合循環空冷系統與算例中選擇的蒙東600MW直接空冷系統的做經濟性比較。綜合分析復合循環空冷系統的經濟性收益，進一步證實復合循環空冷系統的可行性，對空冷系統的研究和工程應用具有指導意義。

發電功率增量；環境溫度；變工況；最佳真空

前言

近年來提出的復合循環空冷系統具有直冷系統的節水率，同時可實現接近于濕冷機組的真空。由于復合循環空冷系統真空不受外界環境與機組工況的約束，在系統設備配合下真空是可以人為大范圍調節的，這就相對于直接空冷系統大大的增強了環境適應能力且很好的解決了“高溫難滿發”的難題［1］。本文以蒙東地區600MW直接空冷機組為例，結合當地的氣候條件在經濟性上與復合循環空冷系統做詳細的比較。

1 復合循環空冷系統與直冷系統比較

圖1 直接空冷機組系統簡圖

圖2 復合循環空冷系統機組簡圖

如圖1、2中給出了直接空冷系統與復合循環空冷系統的主要設備圖。復合循環空冷系統的設計結構［2］其相對于直接空冷系統是在空冷散熱器與汽輪機凝汽器之間插入了由氨汽輪機與壓縮機并聯而成的系統，其運行方式主要取決于機組負荷與外界的環境溫度。通過氨汽輪機的運行，實現低溫時段排汽潛熱的利用，通過壓縮機的運行保證機組的高溫滿發與提高設備的利用率。

2 算例的氣候條件與系統真空的選取

圖3 蒙東地區典型年氣溫—小時分布

由于復合循環空冷系統與直冷系統設備的運行功率與外界環境溫度有直接的關系，對系統做經濟性的分析需結合機組的氣候分布做計算。算例中氣候條件分布采用典型年氣溫—小時分布如圖3所示，結合機組的運行負荷變化，本文采用滿負荷加權小時數，全年加權小時數為5500h。

復合循環空冷系統在不同的外界環境溫度與負荷下，最佳真空的計算中選取采用了系統功率的增益函數［3］：

圖4 理論最佳背壓的變化曲線

式中，Pst—系統相對于直接空冷真空變化的發電功率增量，kW；Pat—復合循環空冷系統低溫時段潛熱利用氨汽輪機發電功率，kW；Pac—高溫時段壓縮機耗功率，kW；Pap—氨泵的功率，kW。在機組負荷與環境溫度為定量時，不同真空值對應有不同的增益函數Y值，其中Y為最大值時對于的真空值為系統的運行最佳真空，計算結果如圖4所示。

3 空冷系統經濟性比較預測分析

根據上述計算的復合循環空冷系統的最佳真空結果，在系統的實際運行假定系統始終按照最佳真空方式運行，通過計算來分析其高溫時段與低溫時段的產耗功相比較于直接空冷系統的經濟性。計算以機組滿負荷運行為例，結合不同溫度分布的加權小時數可以得出每一溫度點對于的功量：Qst（低溫時段Qst，1和高溫時段Qst，2的和）、Qat、Qac、Qap，可定量的對系統經濟性做出分析。

3.1 低溫時段系統經濟性比較

由圖4可知在低于-2℃時，最佳真空為4kPa（在最佳真空的計算中，真空取值從機組設計的極限背壓4kPa開始取值），算例中直接空冷系統額定背壓為15kPa。復合循環空冷系統相對于直接空冷系統的經濟性收益［4］有兩部分：（1）由于背壓的降低汽輪機發電增量Qst，1定義為復合循環空冷系統內收益；（2）對低溫潛熱利用的氨汽輪機的發電功率Qat定義為復合循環空冷系統的外收益。算例中溫度低于-2℃的加權小時數為2409.7h，機組由于真空的變化汽輪機發電功率增量為10129kW，由此可得到復合循環空冷系統在低溫時段機組內收益為：

結合氨汽輪機功率與溫度—小時分布情況可以得到系統的外收益如圖5所示。低溫時段氨氣輪機累計產電量為：

按算例中直接空冷機組的額定工況計算，可以得出直接空冷系統全年的發電量為3.33×1010kW.h，由此可得：（2.44108+9.78×108）/3.33×1010=3.67%，可以看出復合循環空冷系統中的氨汽輪機內收益與汽輪機組發電外收益對電站整個系統經濟性有一個很大的提高。

圖5 低溫時段溫度—小時累計發電量

圖6 高溫時段溫度—小時累計耗功量

3.2 高溫時段系統經濟性的比較

復合循環空冷系統在滿負荷時，由圖4可知當外界溫度大于-2℃時為最佳真空運行方式的高溫時段，系統由氨汽輪機轉換為壓縮機的運行。隨著環境溫度的升高，系統的最佳真空也增大，當環境溫度為13℃最佳真空值是10.5kPa時，系統相對于算例中直接空冷系統的收益為零，即此時壓縮機的功率等于系統相對于直冷系統由于背壓下降汽輪機功率的增量。當環境溫度大于13℃時，采用最佳真空運行方式由于壓縮機的功量的增加與最佳真空的變大，復合循環空冷系統的運行出現負收益階段。結合圖4中的給出的數據點，計算負收益階段復合循環空冷系統壓縮機小時累計耗功量如圖6所示。高溫時段壓縮機耗功Qac結合對應小時數計算結果：

高溫時段系統采取最佳真空方式運行與直接空冷系統汽輪機發電功率增量計算中，直接空冷系統的額定背壓為15kPa，復合循環空冷系統背壓結合圖4中計算結果［5］，結合氣溫—小時分布圖可得：

由于此處的直接空冷系統選取的背壓為額定背壓，而在高溫時段直接空冷系統的運行保持額定背壓是很難實現的，因此實際汽輪機發電功率增量要大于公式（5）中結果，這里的計算結果為復合循環空冷系統相對于直接空冷系統的發電功量負收益的一個極限。

3.3 全年系統的經濟性比較

上面對復合循環空冷系統與直接空冷系統的經濟性在高溫時段與低溫時段做了詳細的比較計算。計算的溫度選取區間只考慮了收益性較明顯的低溫時段與高溫時段的系統負收益區，對高溫時段的經濟性正收益階段此處不做考慮［6］。接下來對全年的經濟性收益做計算：

結合直接空冷系統額定工況全年發電量可得7.97×108/3.33×1010=2.39%，計算表明復合循環空冷系統相對于直接空冷系統的全年經濟性收益還是比較可觀的。

4 結論

本文以蒙東600MW直接空冷系統為例，結合算例中氣候條件與復合循環空冷系統的經濟性做了詳細的分析：

1）復合循環空冷系統在低溫時段運行相對于直接空冷系統的收益是比較明顯的，可以分為汽輪機發電功率增量的內收益與排汽低溫潛熱利用的外收益，且內外收益之和相對于直冷機組全年發電量可達3.67%，對電站系統總效率都是一個很大的提高。

2）復合循環空冷系統在高溫時段的運行相對于直接空冷系統額定背壓15kPa在經濟性收益方面存在負收益，但是綜合復合循環空冷系統全年時段的運行在經濟性上相對于直接空冷機組全年發電量可達2.39%，在解決目前空冷機組普遍存在的問題的同時還是有很好的經濟性收益。

［1］高增寶，柴靖宇.關于空冷機組在夏季炎熱期滿發的問題［J］.電力建設，1998，（9）：28～31.

［2］楊善讓，徐志明，王恭等.蒸汽動力循環耦合正、逆制冷循環的電站空冷系統［J］.中國電機工程學報，2006，26（23）：61～66.

［3］趙洪濱，曹嶺.直接空冷凝汽器理論最佳背壓的研究［J］.工程熱物理學報，2009，30（11）：1834～1836.

［4］楊善讓，陳立軍，郭曉克等.環境低溫條件下汽輪機排汽潛熱的利用新方法［J］.吉林大學學報（工學版），2009，39（1）：150～153.

［5］曹麗華，金建國，李勇.背壓變化對汽輪發電機組電功率影響的計算方法研究［J］.汽輪機技術，2009，48（1）：11～13.

［6］陳立軍，蒸汽動力循環耦合正、逆制冷循環的電站空冷系統理論與評價研究［D］.河北：華北電力大學，2010.

Based on the composite-cycle air-cooling system works and analysis of the system equipment production，consumption work and performance indicators，derived turbine optimal vacuum of units.Combining the climatic conditions of the unit in example，make the econom ic theory comparison between composite-cycle air-cooling system and Mondon 600MW direct air-cooling system.Comprehensive analysis the econom ic benef ts of the composite-cycle aircooling system，which could provide guiding signif cance for research and engineering applications of air-cooling system，also further conf rm the feasibility of composite-cycle air-cooling system.

Power generation increment； Ambient temperature； Variable working conditions； Optimal vacuum