濕冷火力發(fā)電廠冷卻構(gòu)筑物適用性研究

改造者：徐 妍 徐 正

濕冷火力發(fā)電廠冷卻構(gòu)筑物適用性研究

改造者：徐 妍 徐 正

為提高火力發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)性，采用“年費(fèi)用最小法”，將自然通風(fēng)冷卻塔方案與機(jī)械通風(fēng)冷卻塔方案進(jìn)行比較，得出容量機(jī)組、環(huán)境溫度、煤炭?jī)r(jià)格、年利用時(shí)間等因素變化時(shí)，工程適用的冷卻構(gòu)筑物。研究表明，350MW容量等級(jí)機(jī)組更適宜采用自然通風(fēng)冷卻塔；135MW容量等級(jí)機(jī)組更適宜采用機(jī)械通風(fēng)冷卻塔；660MW及1000MW容量等級(jí)機(jī)組采用冷卻構(gòu)筑物的形式，需要根據(jù)機(jī)組所在地區(qū)的環(huán)境溫度、煤炭?jī)r(jià)格及年利用時(shí)間等因素綜合判斷。

火力發(fā)電廠按照機(jī)組的冷卻介質(zhì)分為空冷機(jī)組和濕冷機(jī)組。濕冷機(jī)組的供水系統(tǒng)又分為直流供水系統(tǒng)、再循環(huán)供水系統(tǒng)、混合供水系統(tǒng)三種基本型式。再循環(huán)供水系統(tǒng)根據(jù)循環(huán)水散熱途徑分為冷卻池、冷卻水庫(kù)、冷卻塔等型式。冷卻塔根據(jù)其塔內(nèi)空氣流動(dòng)動(dòng)力分為自然通風(fēng)冷卻塔、機(jī)械通風(fēng)冷卻塔、輔助通風(fēng)冷卻塔等三種基本型式。由于水資源匱乏，目前冷卻池、冷卻水庫(kù)等冷卻方式很少被采用，帶冷卻塔的再循環(huán)冷卻系統(tǒng)多被采用。

背景資料與方法

工程背景資料

筆者按照不同的氣象條件、機(jī)組容量、煤炭?jī)r(jià)格及年利用小時(shí)數(shù)選取幾組有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

選取的不同地區(qū)的設(shè)計(jì)氣象資料如表1所示；假定機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)3500h～7500h間變化。

經(jīng)濟(jì)性參數(shù)

本研究所采用的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)如表2所示。

優(yōu)化原理及塔型介紹

眾所周知，提高蒸汽初參數(shù)和降低汽輪機(jī)蒸汽冷端參數(shù)（排汽溫度和排汽壓力），是提高機(jī)組熱效率的主要途徑。當(dāng)汽輪機(jī)初參數(shù)一定時(shí)，降低汽輪機(jī)冷端參數(shù)，可以增加汽輪機(jī)理想蒸汽焓降，減少冷源損失，提高循環(huán)的熱效率。但是，降低冷端參數(shù)是以增大冷卻構(gòu)筑物、增大凝汽器面積、增大循環(huán)水泵的功率、增大機(jī)力塔的功率等措施來完成的，當(dāng)冷端投入增加到一定值時(shí)，汽輪機(jī)熱耗降低的費(fèi)用并不能彌補(bǔ)冷端投入的成本，反而從整個(gè)電廠的全生命周期來看，不利于電廠的經(jīng)濟(jì)性，冷端優(yōu)化即是通過計(jì)算確定最優(yōu)的冷端配置，減少不必要的浪費(fèi)，增強(qiáng)電廠的盈利能力。目前火力發(fā)電廠二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)采用的冷卻構(gòu)筑物基本為自然塔和機(jī)力塔。

計(jì)算分析項(xiàng)目

冷卻塔初投資、年運(yùn)行費(fèi)用值、年費(fèi)用值。

結(jié)果與討論

不同冷卻塔方案初投資對(duì)比

表1　各月氣象條件特征值

表2　主要經(jīng)濟(jì)性參數(shù)

圖1　不同機(jī)組兩種冷卻塔方案的初投資對(duì)比（兩臺(tái)機(jī)）

采用機(jī)力塔及自然塔方案，幾種容量機(jī)組的年固定分?jǐn)傎M(fèi)用及兩種塔型的年固定分?jǐn)傎M(fèi)用的差值如圖1所示。

從圖中可以看出，機(jī)力塔方案的年固定分?jǐn)傎M(fèi)用隨機(jī)組容量的變化基本呈線性變化，而自然塔方案的線性關(guān)系較差，主要是由于135MW機(jī)組所采用的自然塔的塔高變低，冷卻效果變差，使得相對(duì)的投資成本增加。

圖2　冷端運(yùn)行費(fèi)用差值（單位功率）

從圖1可以看出，兩種冷卻方案的年固定分?jǐn)傎M(fèi)用差值，135MW機(jī)組甚至比350MW機(jī)組還低。對(duì)于135MW機(jī)組，4000m2的自然塔的冷卻能力與5格機(jī)力塔的相當(dāng)；對(duì)于300MW機(jī)組，5000 m2的自然塔的冷卻能力與10格機(jī)力塔的相當(dāng)。進(jìn)一步說明淋水面積較小的自然塔的冷卻效果較差。

不同冷卻塔方案的運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

對(duì)于機(jī)力塔方案而言，冷端運(yùn)行成本為機(jī)力塔風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵的電耗，而自然塔方案僅有循環(huán)水泵的電耗，同時(shí)，由于兩種塔型的冷卻能力不同，對(duì)于同樣的氣象條件，相同冷卻水量，其出水溫度也不相同，進(jìn)而影響機(jī)組的熱耗，所以運(yùn)行費(fèi)用的比較主要是這三項(xiàng)指標(biāo)的綜合對(duì)比。

機(jī)力塔風(fēng)機(jī)的實(shí)際消耗按照185kW考慮，雖然機(jī)力塔也可采用變頻或雙速電機(jī)，且經(jīng)濟(jì)性可能會(huì)更優(yōu)，但是會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜，同時(shí)也增加了比選難度，本文重點(diǎn)討論機(jī)力塔與自然塔兩種冷卻構(gòu)筑物的適用性，按照機(jī)力塔風(fēng)機(jī)為定速電機(jī)，最大限度降低循環(huán)水溫度的方法來進(jìn)行考慮。關(guān)于機(jī)力塔的電機(jī)采用變頻對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響，筆者將專文論述。

不同容量機(jī)組，在年利用5000h、煤價(jià)為1000元/t條件下，兩種類型冷卻塔在四個(gè)地區(qū)的年運(yùn)行費(fèi)用的差值，如圖2所示。

圖2僅是從運(yùn)行費(fèi)用的角度比較機(jī)力塔與自然塔的適用性，“柱高”越高，說明本文所述淋水面積的自然塔，對(duì)于該機(jī)組而言，配置在該地區(qū)比其他地區(qū)更合理；“柱高”低的比“柱高”高的，從運(yùn)行角度來看是機(jī)力塔更合適些，但是還需要綜合考慮初投資的情況，即最終兩種塔型的適應(yīng)性要看年費(fèi)用值。

從圖2可以看出：對(duì)于135MW機(jī)組，淋水面積4000m2的自然塔更適合配置在A區(qū)；對(duì)于350MW機(jī)組，淋水面積5000m2的自然塔更適合配置在C區(qū)；對(duì)于660MW機(jī)組，淋水面積9000m2的自然塔更適合配置在C區(qū)；對(duì)于1000MW機(jī)組，淋水面積12500m2的自然塔更適合配置在C區(qū)。

值得說明的是，當(dāng)自然塔的淋水面積及機(jī)力塔的格數(shù)發(fā)生變化時(shí)，上圖反映的情況也會(huì)發(fā)生變化。

四種機(jī)組在D區(qū)的“柱高”有比其他三個(gè)區(qū)域低的趨勢(shì)，反映出自然塔在高溫地區(qū)的適應(yīng)性變差。

660MW機(jī)組及1000MW機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用差值低于135MW及350MW機(jī)組，但是不能說，大型機(jī)組比小型機(jī)組更適宜采用機(jī)力塔，因?yàn)榇髾C(jī)組的效率高，單位MW電量的初投資及運(yùn)行成本均低于小機(jī)組。

圖3　不同冷卻塔方案年費(fèi)用值對(duì)比（單位功率）

不同冷卻塔方案的年費(fèi)用值的對(duì)比

年費(fèi)用值是評(píng)價(jià)方案優(yōu)劣的最佳判據(jù)，它是對(duì)電廠全生命周期的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。綜合反映了投資與運(yùn)行成本的高低。

由于本文重點(diǎn)比較自然塔與機(jī)力塔的適用性，所以采取“相對(duì)年費(fèi)用值”的概念進(jìn)行論述，即“（機(jī)力塔年費(fèi)用值-自然塔年費(fèi)用值）/裝機(jī)容量”。不同容量機(jī)組，在年利用5000h、煤價(jià)為1000元/t條件下，兩種類型冷卻塔在四個(gè)地區(qū)的相對(duì)年費(fèi)用差值，如圖3所示。

從上圖可以看出，在上述年利用時(shí)間及煤價(jià)的條件下，135MW機(jī)組采用機(jī)力塔方案的優(yōu)勢(shì)明顯，相對(duì)年費(fèi)用差值約為-0.8～-1.2（萬(wàn)元/年/MW），說明機(jī)力塔最適合用于該容量的機(jī)組；600MW及1000MW機(jī)組采用機(jī)力塔方案也是有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，只是適用性比135MW機(jī)組稍差；350MW機(jī)組采用自然塔方案的優(yōu)勢(shì)明顯，說明自然塔最適合用于該容量的機(jī)組。

結(jié)語(yǔ)

（1）自然塔對(duì)350MW容量等級(jí)機(jī)組的適應(yīng)性最好，即使在溫度較高地區(qū)，煤炭?jī)r(jià)格1000元/t時(shí)，自然塔的經(jīng)濟(jì)性仍優(yōu)于機(jī)力塔；機(jī)力塔對(duì)135MW容量等級(jí)機(jī)組的適應(yīng)性最好，即使在寒冷地區(qū)，煤炭?jī)r(jià)格1000元/t時(shí)，機(jī)力塔的經(jīng)濟(jì)性仍優(yōu)于自然塔。

（2）350MW等級(jí)的機(jī)組盡量選擇自然塔；135MW等級(jí)的機(jī)組盡量選擇機(jī)力塔。

（3）660MW及以上容量的大型火力發(fā)電機(jī)組在濕熱地區(qū)、煤價(jià)較低、年利用時(shí)間較短的工程，采用機(jī)力塔經(jīng)濟(jì)性更為有利。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.036