1000 MW超超臨界機組寬負荷冷端優化及冷卻系統配置研究

孟令國，龍 輝，管永慶，王 威，倪 煜

(1. 中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，吉林 長春 130021；2. 中國電力工程顧問集團有限公司，北京 100120)

0 引言

我國的資源稟賦決定了煤電機組成為各電網電源結構的中流砥柱，火電機組承擔主要調峰任務將是今后一段時間的必然趨勢[1]，這就要求運行和新建機組在寬負荷運行工況下具有高度節能的能力。

循環水冷端系統是火力發電廠的一個重要的系統，無論是投資還是運行能耗在全廠占比較大，特別是參與調峰的1000 MW超超臨界機組在寬負荷運行工況下，應通過冷端優化來確定汽輪機設計參數和選擇經濟冷卻倍率及冷卻設施的設計參數，在保證機組安全運行情況下，以達到投資和運行費的綜合最優。

1 研究的基礎條件

1.1 氣象條件

研究依托工程所在區域的平均氣壓992.5 hPa，平 均 氣 溫18.2 ℃，最 高 溫 度39.7 ℃，最低環境溫度-0.5 ℃，平均相對濕度81%，廠址處的夏季頻率10%氣象條件、全年、逐月平均氣象條件見表1所列。

表1 電廠區域多年逐月氣象資料

1.2 汽輪機參考特性數據

本研究采用的依托工程主機參數按：28 MPa(a)/ 600 ℃/620 ℃。

汽輪機型式：1000 MW超超臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式、九級回熱抽汽。

1.3 電力負荷分布

根據依托電廠區域電網目前的現狀及用電負荷情況，機組的年運行小時數和年利用小時數情況見表2所列。

表2 機組年運行小時和年利用小時數h

夏季是全年用電的高峰期，機組的滿發主要出現在夏季，本研究根據工程各月不同負荷工況對利用小時數進行詳細劃分，使優化計算結果更接近電廠實際運行。

2 機組寬負荷冷端優化

2.1 冷端優化方法

在濕冷循環水系統中，影響年費用的因素主要有填料面積、塔形參數、凝汽器面積、循環水量(或冷卻倍率)、管道直徑等變量。

本研究采用業界普遍認可的年費用最小的優化方法，寬負荷運行機組也同樣適用該方法。

年費用最小法計算式如下：

式中：NF為年費用值；P為總投資現值；AFCR為年固定分攤率；μa為年運行費，包括水泵的電耗、微增功率收益。

將投資成本按規定的回收率分攤到每一年中，再加上一年的水泵耗電費，微增出力引起的補償電量的電費、大修費等為年費用，其值最小時，說明此方案經濟性最優。其中，大修費率和保險等費率按2%考慮，投資收益率按10%選取，工程的經濟年限取20 a。

2.2 優化變量參數選取

由于本研究工程為1000 MW這樣大型機組，優化時采用高度節能的自然通風高位收水冷卻塔。冷端優化涉及若干變量，每個變量的取值參數如下：

1)風筒底部擴散角：15.5°，16.0°，16.5°，17.0°；

2)塔總高度：182 m，186 m，190 m，194 m；

3)喉部高度與塔高比值：0.8，0.85；

4)喉徑殼底徑比值：0.6，0.65，0.7；

5)填 料 層 面 積： 9000 m2，10000 m2，11000 m2，12000 m2，13000 m2，14000 m2；

6)填料高度：1.5 m；

7)進風口與填料面積比值：0.425，0.45，0.475；

8)凝 汽 器 面 積：58000 m2，59000 m2，60000 m2，61000 m2；

9)額 定 工 況 循 環 水 量：24.67 m3/s，26.08 m3/s，27.49 m3/s，29.38 m3/s；

10)循環水干管直徑：DN3600，DN3800，DN4000。

2.3 優化后方案的配置及各項參數

經過對濕冷機組的冷端參數進行了優化計算，優化后可以得到多種方案，所得的方案均選擇沒有缺陷的組合，故采用按年費用最小方法排在第一位的方案作為推薦方案，推薦方案配置及各項參數見表3所列。

表3 推薦方案配置及各項參數一覽表

循環水系統冷端優化組合排序后，根據推薦方案配置及各項參數一覽表可知，在機組年利用小時數為3600 h時冷卻塔淋水面積11000 m2，塔總高186 m，冷卻倍率53倍，凝汽器面積59000 m2，循環水管道直徑DN 3800，機組設計背壓值5.08 kPa時可比凈收益最高，扣除年費用后可比凈收益66916.5萬元，此時夏季頻率10%氣象條件下，計算背壓為7.90 kPa，取設計背壓為8.30 kPa，可以采用此方案作為利用小時數為3600 h時循環水系統的推薦方案。

2.4 冷卻塔淋水面積敏感性分析

根據冷端優化可以得到不同的淋水面積情況下，機組的背壓和相應的扣除年費用可比凈收益，不同淋水面積時背壓和收益曲線如圖1所示。

圖1 不同淋水面積時背壓和收益曲線

由圖1可知，在年利用小時數為3600 h時，隨著淋水面積從9000 m2逐漸增加到14000 m2時，機組設計背壓從5.43 kPa逐漸降低到4.7 kPa，呈線性下降趨勢，但扣除年費用可比凈收益先升高，在設計背壓5.08 kPa時達到最大收益值，然后開始呈下降趨勢。故在機組年利用小時數為3600 h工況下，機組設計背壓在5.08 kPa，冷卻塔淋水面積11000 m2時年費用最小，收益最大。

2.5 年利用小時數敏感性分析

在其他設計條件不變的情況下，年利用小時數分別取3100 h、4100 h、4600 h和5100 h進行冷端優化，對應的不同利用小時數方案中分別取其中年費用最小方案作為推薦方案，如圖2、圖3所示。

圖2 不同利用小時數與背壓、可比凈收益關系曲線

圖3 不同利用小時數與淋水面積、循環水量關系曲線

由圖2、圖3可知，利用小時數分別取5100 h、4600 h、4100 h、3600 h和3100 h進行冷端優化，隨著機組年利用小時數的降低，機組處于寬負荷運行的狀態，低負荷區域運行時間增加，優化后推薦方案的設計背壓呈逐漸升高趨勢，但可比凈收益則逐漸下降。同時隨著機組年利用小時數的降低，推薦方案的冷卻塔面積、循環水量也逐漸減小，冷端的投資也逐漸減少。

2.6 煤價敏感性分析

在其他設計條件不變的情況下，煤價分別 取550元/t、650元/t、745元/t、850元/t、950元/t進行冷端優化，對應的不同煤價方案中取其中最優方案作為推薦方案,不同煤價與淋水面積、運行背壓關系曲線如圖4所示。

圖4 不同煤價與淋水面積、運行背壓關系曲線

由圖4可知，采用同一冷卻塔淋水面積時，隨著煤價的增高，優化所得設計背壓亦呈現非線性單調遞減趨勢，且煤價越高，優化背壓降低趨勢越緩，循環水量和凝汽器面積也隨著煤價的增高而逐漸增加。采用同一個煤價時，隨著冷卻塔淋水面積的增加，優化所得設計背壓均降低，但降低的幅度逐漸 減小。

3 寬負荷運行機組循環水泵配置研究

3.1 最優循環水流量系數研究

根據機組冷端優化的結果，在不同機組負荷、不同環境氣溫的條件下，計算出最經濟運行時循環水流量系數(運行水量與總水量比值)及機組的運行背壓見表4所列。

表4 各工況最經濟運行循環水流量系數及背壓

續表

在循環水泵配置時，可通過調整水泵的運行模式，使機組運行循環水量盡量接近最優循環水量。

3.2 循環水泵運行模式

定速泵、雙速泵組合運行可使流量階梯變化，變頻泵可使流量在一定范圍內連續變化，主要的水泵組合主要有3種方案：

1)1機3泵，定速泵方案；

2)1機3泵，其中1臺定速泵，2臺雙速泵方案；

3)1機3泵，其中1臺變頻泵，2臺定速泵方案；

定速泵及雙速電機水泵通過高速、低速泵的組合運行，實現循環水量梯級變化，設備費用低；而變頻泵方案是通過配置一臺變頻水泵，實現循環水量在某一區間的連續變化，設備費用高。

3.3 循環水泵運行模式經濟比較

根據計算得出的各工況最優循環水量系數，選擇定速、雙速、變頻不同調速手段流量最為接近的組合，各調速模式機組在寬負荷工況下運行費用結果見表5所列。

表5 水泵組合模式運行費用表

雙速水泵與定速泵相比，僅增加雙速電機設備及附屬設備費用，無需新建設備間。變頻水泵與定速泵或雙速泵相比，增加了一臺水泵的變頻控制裝置費用及變頻裝置的土建費用，各方案年費用比較見表6所列。

表6 各方案年費用比較表

在依托工程的設計條件下，機組寬負荷工況運行，每臺機組配3臺循環水泵，其中1臺定速2臺雙速，通過水泵運行數量和雙速調節，基本能夠滿足機組各工況運行，雖然初投資較定速泵有所增加，但回收年限不到4 a，經濟性較好；采用雙速泵的配置，雖然運行調節沒有變頻調速運行更加靈活和節能，但變頻調速初投資較大，檢修維護量大，經濟回收年限較長。故推薦每臺機配3臺循環水泵，其中1臺定速2臺雙速的配置方案。

4 高位收水冷卻塔與常規塔技術經濟比較

4.1 常規冷卻塔與高位收水塔典型差異

常規冷卻塔與高位收水塔最本質的區別就在于收水高度的不同。常規冷卻塔收水依靠底部水池，接收到的冷卻水自流進入循環水泵房吸水前池，然后由循環水泵送至汽輪機凝汽器及各輔機冷卻水設備，循環水經凝汽器和輔機設備加熱后送回冷卻塔冷卻。高位收水塔取消了底部的水池，主要依靠高位集水槽實現收水的目的，高位集水槽收集的冷卻水以壓力流的形式送至循環水泵入口，然后由循環水泵送至汽輪機凝汽器及各輔機冷卻水設備，循環水經凝汽器和輔機設備加熱后送回冷卻塔冷卻[2]。

兩種塔型的主要差異有：

1)冷卻塔跌水高度；

2)循環水泵布置方式；

3)冷卻塔冷卻效果；

4)冷卻塔噪聲；

5)運行控制方式；

6)工程投資。

4.2 常規冷卻塔與高位收水塔經濟比較

為了使常規冷卻塔和高位收水冷卻塔具有可比性，本研究分為兩個步驟比較二者經濟性差異：

第一步：按照高位收水塔方案對循環水系統冷端優化，并給出推薦方案中的冷卻塔配置；

第二步：按熱負荷、出塔水溫與高位收水塔相同的要求，對若干常規冷卻塔塔型比選，其年費用最經濟的方案為擬推薦的常規冷卻塔塔型，再與高位收水塔進行比較，年費用小的塔型為較優塔型。

機組年利用小時數采用3600 h，標準煤價745元/t，優選后的高位收水塔與常規冷卻塔對比見表7所列。

表7 高位收水冷卻塔與常規冷卻塔經濟比較表

由表7可知，采用高位收水冷卻塔初投資較常規冷卻塔多2027.9萬元，但噪聲治理費用低，且循環水泵揚程較低，運行費較省，從動態經濟比較來看，年總費用采用高位收水塔較常規冷卻塔少16.3萬元，采用兩種冷卻塔基本相當，可見機組年利用小時數為3600 h，機組在寬負荷運行工況下，采用高位收水冷卻塔并無多大優勢。但從圖2可知，隨著機組利用小時數的逐漸增加，機組的設計背壓將逐漸降低，冷卻塔面積也逐漸增加，由此可知隨著機組利用小時數的增加，采用高位收水冷卻塔的優勢將會逐漸增大。

5 結論

在依托工程的設計條件下，對1000 MW 超超臨界機組寬負荷運行工況進行冷端優化，確定冷端系統設計參數后對冷卻塔淋水面積、年利用小時數、煤價進行敏感性分析和循環水泵配置進行研究，并對高位收水冷卻塔與常規冷卻塔進行技術經濟比較，可以得出如下結論：

1)寬負荷機組在冷端優化時，應充分考慮機組在夏季高溫時段滿足機組出力的情況下，結合其他季節機組負荷、煤耗、電耗和冷卻塔熱力性能等條件采用年費用最小的方法進行優化計算。

2)通過對寬負荷機組冷端優化后機組利用小時數敏感性分析，隨著機組年利用小時數增加，機組負荷率增加，機組設計背壓逐漸降低，冷卻塔面積、循環水量逐漸增大，冷端的投資也逐漸增加，但機組的收益逐漸增加。反之，機組年利用小時數較低，機組長期處于寬負荷運行工況，冷端配置較小，機組設計背壓較高，雖然電廠收益降低，但這樣配置方式更為經濟。

3)通過對煤價敏感性分析，采用相同冷卻塔淋水面積時，隨著煤價的增高，機組設計背壓亦呈現非線性單調遞減趨勢，煤價越高，優化背壓降低趨勢越緩。采用相同煤價時，隨著冷卻塔淋水面積的增加，優化所得設計背壓均降低，但降低的幅度逐漸減小。

4)機組寬負荷工況運行時，每臺機組配 1臺定速泵+2臺雙速泵的配置方案雖然沒有變頻循環水泵方案運行節能，但初投資低，檢修維護量小，綜合經濟性略好。

5)在依托工程設計氣象條件下，對于1000 MW超超臨界這樣大容量機組，機組年利用小時數3600 h寬負荷運行工況下，采用初投資較大的高位收水冷卻塔較常規冷卻塔優勢不明顯，隨著機組利用小時逐漸增加，采用高位收水冷卻塔的優勢將會逐漸 增大。

6)高位收水冷卻塔采用了高位集水裝置，降低了循環水泵揚程，節能效果好，同時降低了冷卻塔噪音，但高位收水冷卻塔增加了收水裝置等設施，初投資要大于常規冷卻塔，運行和控制也相對復雜，故兩種塔型的選擇需結合環境因素、機組特點、節能減排要求和經濟性等綜合優化確定。