亞熱帶地區燃機發電廠循環水冷端優化及冷卻塔選型

陳正清 方常芳 李季

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

冷端優化工作是多方面的，根據現行的《火力發電廠設計技術規程》中的規定，主要是對設計背壓、凝汽器面積、冷卻倍率、冷卻塔面積及循環水管溝尺寸等進行優化。采用《循環水系統優化計算程序》通過水力、熱力計算，進行多方案優化比選出的最佳循環水系統配置方案后，并以此方案為基礎，采用“冷效相同”的方法進行冷卻塔選型優化。本文主要結合自然塔和機力塔展開對比研究，通過技術經濟比較，推薦出在發電單位成本、自然塔單位面積造價等變量下的冷卻塔選型方案，為以后工程提供設計經驗。

1 技術特點分析

自然塔和機力塔在技術上各有優勢和特點，簡單對比如下［1］：

（1）氣象條件適應性：機力塔進出水溫差△t 較大，冷幅小，逼近度更加貼近濕球溫度，特別適合高溫高濕地區；自然塔△t 較小，冷幅大，與濕球溫度的逼近度一般。

（2）回流影響：自然塔出風口較高回流影響較小，機力塔出風口高度低，有一定回流，使環境溫度增加從而降低冷卻效果。

（3）投資及占地：自然塔淋水密度較小，占地面積大且初期投資大；機力塔淋水密度大，占地小，塔體平面尺寸可以根據工程用地的情況進行調整，布置緊湊且初期投資較小。

（4）運行維護：自然塔運行安全可靠，設備維護量較小，但可調性較差。機力塔因為段數多，運行靈活性強，但增加了機械設備故障點和維護保養工作，且風機運行費用較高。

（5）施工條件：機力塔重量輕、高度低，對地基承載力要求小，施工周期短且工程量少；自然塔則剛好相反，在地質條件不好的地區，地基處理的技術難度高，施工周期長，對施工隊伍水平及經驗要求高。

（6）設備運行噪聲：機力塔淋水高度低，淋水噪聲較低；自然塔淋水高度高，產生的淋水噪聲高且不易控制。

2 循環水系統冷端優化

2.1 冷端優化設計方法

循環水系統優化計算采用年總費用最小法。該方法把投資和生產成本兩個要素統一起來，并結合時間因素進行計算，即將各方案的基建投資考慮復利因素，換算成使用年限內每年年末的等額償付的成本，再加上年運行費用，構成該方案的年費用。各方案中年費用最小者為經濟可取的方案。

2.2 基礎資料及設備參數

（1）汽輪機參數。本文汽輪機參數擬采用2×400 MW 某燃氣發電廠資料，性能保證工況凝氣量：405.8 t/h，夏季工況凝氣量：408.5 t/h，冬季工況凝氣量：416.2 t/h。

（2）氣象條件。本文擬分別選取亞熱帶地區有代表性的氣象資料來進行循環水系統冷端優化，多年逐月平均及最熱3個月頻率為P=10%的日平均氣象資料具體如表1。

表1 亞熱帶地區代表性氣象資料

（3）凝汽器參數。凝汽器選用單背壓、雙流程、表面式凝汽器。管材選用不銹鋼管（TP304），清潔系數為0.85。凝汽器的端差不得小于2.8 ℃。若計算出的端差小于2.8 ℃，取端差為2.8 ℃。結合機組凝汽器系列資料及氣象資料［2］，分別選取10 500 m2、11 500 m2、12 500 m2、13 500 m2、14 500 m2等5 種凝汽器面積配置方案進行計算。

（4）冷卻塔參數。冷卻塔熱力計算采用焓差法，淋水填料按“S 波（PVC）”填料數據，填料高度為1.0 m。分別按3 000 m2、3 500 m2、4 000 m2、4 500 m2等4 種不同淋水面積進行優化計算。

（5）冷卻倍率參數。根據氣象條件并參考其它同類型機組的設計經驗，冷卻倍數m 取50、55、60、65 倍4 個變量；按夏季、春秋季、冬季3 個季節分配不同的冷卻水量進行優化，優選出每個季節最佳運行水量即水泵運行臺數。

（6）技術經濟參數。計算各參選方案采取的基本技術經濟參數預測值均為［3］：機組年利用小時數為4 200 h，投資回收率為10%，年固定費用率為14.25%，大修理費率為2.5%，殘值率為5%。

2.3 水泵運行工況優化計算結果分析

按夏季、春秋季、冬季3 個季節分配不同的冷卻水量進行優化，優選出每個季節最佳運行水量即水泵運行臺數。本文按發電單位成本0.3 元/kWh～0.7 元/kWh 分別計算，按照循環水泵在夏季、春秋季、冬季的開啟臺數的不同配比方案，計算出各方案的年費用，計算結果見圖1。這表明年總費用的排序主要與水泵開啟臺數配比有關，而發電單位成本的變化對年總費用的排序基本無影響。亞熱帶地區夏季、春秋季、冬季的水泵開啟臺數配比為2∶2∶2 時年費用最低；因此冷端優化過程也按以上推薦的運行方式進行配置。

圖1 每臺機組各季節循泵開啟臺數對年總費用的影響

2.4 冷端優化計算結果分析

按照本文設定的基礎資料、設備參數及推薦的循環水泵運行方案，發電單位成本0.3 元/kWh～0.7 元/kWh，分別進行冷卻塔淋水面積、冷卻倍率、凝汽器面積的冷端優化計算。篇幅有限，本文僅列出年總費用排名前5 名的優化結果。

（1）冷端優化計算及結果分析。冷端優化計算結果見表2。

（2）優化結果分析。分析表2 中的數據可以得出以下結論：①冷卻倍率變化趨勢：冷卻倍率-冷卻塔面積優選方案可類似為沿55 倍～60 倍冷卻倍率軸線的拋物線形狀，即亞熱帶地區最優冷卻倍率為55 倍和60 倍交替出現。為了提高機組的穩定性和適應性，建議當發電成本較高時可選擇相對高一些的冷卻倍率。②冷卻塔面積變化趨勢：當發電單位成本逐步增加時，最優方案中的冷卻塔面積也逐漸增加。③凝汽器面積的變化趨勢：當發電單位成本為0.3 元/kWh 時，凝汽器面積為11 500 m2～12 500 m2時方案最優；當發電單位成本0.4 元/kWh時，凝汽器面積為13 500 m2時方案最優；當發電單位成本從0.5 元/kWh 逐步地增加，最優方案中凝汽器面積基本穩定在14 500 m2。建議當發電單位成本較高時，可適當增大凝汽器面積，降低年微增電費，從而獲得較低的年費用。

表2 冷端優化計算結果

3 冷卻塔塔型比選

3.1 冷卻塔塔型比選方法

采用《循環水系統優化計算程序》進行水力、熱力及經濟計算優化比選出的最優循環水系統配置方案，并以此方案為基礎，采用“冷效相同”的方法進行冷卻塔選型優化。即保持以上冷端優化的最優方案中的循環水量、運行方式、凝汽器面積、冷卻倍率、背壓、進出塔溫度均不變，把自然塔改為機力塔方案，計算其年總費用。

3.2 機力塔配置方案

一般來講，機力塔段數越少，投資也越少，但風機運行費用增加，同時受到機力塔風機直徑、配水均勻性的影響，因此本文在機力塔配置時盡量考慮上述因素對機力塔段數進行優化，根據上述冷端優化結果，機力塔配置方案如表3。

表3 不同發電成本機力塔配置方案

對比分析通過表2 與表3，發電單位成本為0.3 元/kWh～0.7 元/kWh 時，循環水系統配置自然塔的方案比配置機力塔方案年總費用分別減少1.52 萬元、9.42 萬元、68.32 萬元、69.85 萬元、74.84 萬元。亞熱帶地區的氣溫及濕度都較高，所選的冷卻倍率較高，風機耗電量大。當發電單位成本較高時，年總費用高于自然塔。但當發電成本低于0.3 元/kWh 時，機力塔可以通過增加風量得到更低的出水溫度，此時汽機出力大于冷卻塔風機電耗，機力塔更有優勢。

3.3 自然塔投資敏感性分析

筆者注意到某些工程的自然塔的實際單位面積造價高于5 000 元/m2，特別是地基處理難度較高、風壓及地震加速度較大的廠址，因此有必要對冷卻塔單位面積造價進行敏感性分析。假設對冷卻塔單位面積造價分別為5 000 元/m2、5 500 元/m2、6 000 元/m2進行敏感性分析，循環水系統配置自然塔與機力塔方案年總費用差值詳見圖2。

從圖2 可以看出，當冷卻塔單位面積造價為5 000 元/m2，循環水系統配置自然塔的方案年總費用均比配置機力塔方案低；當冷卻塔單位面積造價為5 500 元/m2以上時，發電單位成本在0.3 元/kWh～0.4 元/kWh 時，循環水系統配置自然塔的方案年總費用比配置機力塔方案高約15 萬元，發電單位成本高于0.5 元/kWh 時，循環水系統配置自然塔的方案年總費用比配置機力塔方案低。

圖2 冷卻塔單位面積造價對年總費用的影響

4 結語

自然塔具有冷效穩定、設備維護簡單、維護量費用低、運行安全可靠、受回流影響小等優點，而機力塔具有氣象條件的適應能力強、冷卻效率高、占地面積小、施工周期短、設備運行噪聲低等優點。因此燃機發電廠冷卻系統的配置應結合發電單位成本、自然塔單位面積造價、施工水平和施工周期等因素，根據工程性質選擇合理的塔型配置方案。