電站空冷系統適宜性分析及型式選擇

張新海

(山西省電力勘測設計院,山西太原 030001)

根據國家節水政策,在富煤缺水地區 (干旱指數大于1.5)建設火電站時,宜采用空冷系統。干旱指數是指某地區年蒸發能力與降雨量的比值,干旱指數在 1～3范圍內屬于半濕潤區。我國超過60%以上國土面積的干旱指數大于1.5,電站空冷機組目前主要集中在高干旱指數的缺水富煤的 “三北”地區。地方政府包括環保部門對廠址附近有特殊要求時,也可考慮采用空冷系統[1]。某些地區有經濟的水源,但基于對水資源的長期規劃而限制使用或環保部門有特殊要求,比如采用海水 (河水)直流冷卻會對水體造成熱污染時,或周圍不能長期有濕冷塔的水霧漂滴時,等等,則可以采用空冷系統解決。如:比利時BRUGGE電廠,緊鄰河水,為防治對水體熱污染,采用了空冷系統。另外,當老廠擴建、水資源困難時,也可采用空冷系統。

1 總體環境條件

采用空冷系統應有 “適當的環境條件”,即氣溫、風速等氣象條件和空氣質量條件應適合建設空冷電站。世界上采用空冷系統的已投運電廠,環境氣溫為-52～+50℃之間,如巴林的阿爾巴(ALBA)2×900 MW聯合電廠,其極端最高氣溫高達50℃;而俄羅斯比利比諾 (Bilibino)4×12 MW核電站,其極端最低氣溫達-52℃。環境風速最大值為36 m/s(如美國 1×365 MW 的WYODAK電站),其年平均風速3.5 m/s;國內有些在建電廠環境風速最大值達到40 m/s(如吉林某2×600 MW 電廠),其年平均風速為3.8 m/s;甚至有些電廠年平均風速超過 4 m/s(如新疆某2×600 MW電廠)。這些電站特殊的氣象條件對空冷系統的運行是不利的,并不是最適宜采用空冷系統的,但因有實際工程作依托,可以將其作為適當條件的極限值,但應進行必要的重點專題研究,采取保證機組安全運行的措施。此外,擬建廠址處還應避開諸如水泥廠、石灰廠等嚴重工業腐蝕性粉塵區域。

2 空冷系統型式適宜的工程技術條件

2.1 直接空冷及間接空冷系統

在項目確定采用空冷系統后,應根據總圖布置條件,廠址處氣溫、風向、風速等氣象條件,環境噪音要求等,結合每種空冷系統的特點,經充分論證后,合理選擇空冷系統工藝型式。一般選擇原則如下。

a)氣溫條件。在嚴寒地區,宜優先考慮采用直接空冷系統,嚴寒地區是指多年最冷月平均氣溫低于-10℃的地區。經綜合比較后,如確需采用間接空冷系統,特別是極其寒冷地區,需重點研究防凍措施。

b)風場、風速條件。在風場流態較穩定的地區,宜采用直接空冷系統;當主導風向不明顯或風向對直接空冷總體布置極不合理時,宜采用間接空冷系統。當環境風速較大時,兩種空冷型式均可采用。由于基本風壓較大,間冷塔的投資會較大,須與直接空冷系統采取防風措施的投資比較后確定空冷系統型式,一般情況下,由于間接空冷系統受風的影響比直接空冷系統相對要小,建議優先考慮間接空冷系統。風場穩定是指多年全年或夏季的主導風向明顯且頻率較高,單從風向資料因素考慮是非常適宜采用直接空冷的,但這并不意味著不能采用間接空冷系統,還需結合其他條件綜合分析。

c)場地條件。受電廠場地條件限制、無法布置較大的間冷塔時,宜采用直接空冷系統。當只能采用直接空冷系統時,若風向、風速對空冷系統影響較大時,需重點研究防治環境風的措施。

d)噪音條件。受周圍環境條件限制 (如距離居民區較近),噪音標準要求很高,如采用直接空冷系統降噪措施造價較高、經濟上不合理時或者根本無法滿足要求時,應采用間接空冷系統。

e)燃煤價格條件。經技術經濟比較,燃煤價格高于直冷、間冷經濟性相當的臨界煤價時,宜采用間接空冷系統。

f)機組夏季安全運行條件。由于直接空冷受環境風影響比間接空冷大,大風高溫時負荷波動較大且有可能造成機組跳閘,業主對項目今后機組夏季運行的安全性要求嚴格的宜優先采用間接空冷系統。

g)電站建設急緩條件。間接空冷系統由于大型冷卻塔施工周期較長,如果項目為滿足盡快解決缺電局面,要求機組建設速度較快的宜優先采用直接空冷系統。

以上a)～g)條僅是空冷系統型式選擇中對某種空冷系統更適宜的一項因素,不能孤立地認為滿足其一即可確定空冷系統的型式。值得指出的是:間接空冷系統也會受到環境風的影響,夏季有時會非常嚴重,比如大同二電廠根據實測資料[2],當環境風為14 m/s時,循環冷卻水回水的溫升升高了14℃。由于間冷塔較高,不存在熱回流這一因素,且間冷塔是圓形建筑物,對風向要求沒有直接空冷嚴格,另外風對間冷系統的影響有延緩現象,不像直接空冷那么敏感。

2.2 表凝式間接空冷與混凝式間接空冷系統

a)老廠機組改造。對于老廠濕冷機組改造為空冷機組的,受汽機房條件限制及考慮改造的難易性,宜采用表凝式間接空冷系統。

b)核電機組。如核電機組采用空冷系統,出于對機組運行安全性以及增加防止核泄漏的多重措施考慮,應采用表凝式間接空冷系統[3]。

c)常規空冷機組?？刹捎帽砟介g接空冷系統,也可采用混凝式間接空冷系統。從經濟性考慮,宜優先考慮采用混凝式間接空冷系統,從運行及系統簡單性考慮,優先考慮采用表凝式間接空冷系統。

2.3 間接空冷系統散熱器布置型式

[4]進行選擇。

2.4 汽輪機小汽機排汽及輔機冷卻水系統

a)當直接空冷機組采用汽動給水泵且小汽機排汽冷卻設置單獨空冷系統時,單獨設置自然通風冷卻塔塔型極不合理,宜采用單元制的兩機一塔表凝式間接空冷系統,機組較小時可考慮采用機力通風冷卻方式。

b)當輔機冷卻水系統采用空冷系統時,由于對水溫有限制且水量相對較小,宜采用機力通風間接空冷系統加夏季水噴霧系統。該系統在國外已經廣泛采用,國內目前已有項目實施,采用這種方式可進一步節約電廠用水。

c)當間接空冷機組采用汽動給水泵時,汽動給水泵排汽冷卻系統宜與主機冷卻系統合并。

3 空冷系統型式選擇的經濟條件

在進行直接空冷和間接空冷型式選擇時,不僅需考慮上述各種條件,還需進行經濟比較與分析。它并不是用一個簡單的數據能說明間接空冷系統比直接空冷能省幾克煤、造價高多少的問題。在某項目采用兩種空冷系統型式的技術條件均基本滿足時,比較的前提條件不同,經濟指標不同。主要有以下幾類。

a)業主無任何特殊要求,僅要求項目的空冷系統方案最經濟。此時,需進行間接空冷多個背壓、多種塔型優化 (即迎面風速),直接空冷多個背壓、多種迎面風速優化,最終在直接空冷、間接空冷所有方案中選取最經濟可行的方案即可。經濟性包括一次投資和年運行費用。此時用最經濟的間接空冷系統方案對照最經濟的直接空冷系統方案,可以得出業主所關注的背壓、投資、煤耗、電耗等差值數據。在此過程中,影響方案經濟性的關健因素是煤價,當煤價高到一定程度時,直接空冷與間接空冷最優方案經濟性相同,若高于此煤價,則間接空冷經濟。

b)采取直接空冷和間接空冷一樣的設計背壓,來比較其初投資差異和煤耗。總體結果是:混凝式間接空冷系統比直接空冷投資高5%～10%[5],表凝式間接空冷系統比直接空冷系統高約15%～20%。機組越小差值越大,這時由于小機組間接空冷迎面風速較低、大機組迎面風速較高,而直接空冷系統無論大小機組迎面風速變化不大,迎面風速每減小0.1 m/s,空冷系統投資在原基礎上增加約1%～2%,直接空冷風機電耗減少約 5%～7%。理論上,設計背壓一樣,設計煤耗也應一樣,但由于直接空冷、間接空冷受環境風影響的程度不同,實際運行中,兩者加權平均煤耗折合到全年利用小時中,直接空冷比間接空冷的煤耗高 0.4～0.6 g/(kW ?h)。[6,7]

c)采用間接空冷的設計背壓比直接空冷設計背壓低幾個kPa,來比較其初投資差異、煤耗、電耗等。由于兩者設計背壓不同,即ITD值不同,一般,ITD值每減小1℃,投資增加約2.5%～3.5%,低背壓時差值大。背壓每降低1 kPa,煤耗降低約0.8～1.1 g/(kW?h),低背壓時差值小。

d)采用直接空冷和采用間接空冷的初投資一樣,確定系統的規模和參數 (如設計背壓、散熱器面積等),最終比較其運行經濟性 (如煤耗、電耗等)?；炷介g接空冷設計背壓需要比直接空冷高0.75～1.5 kPa(低設計背壓時)和1.5～3 kPa(高設計背壓時),大機組差值小,煤耗相應將比直接空冷高 0.1～0.7 g/(kW?h)和 1.1～2.8 g/(kW?h)。表凝式間接空冷設計背壓需要比直接空冷高2.2～3.0 kPa(低設計背壓時)和4～5 kPa(高設計背壓時),大機組差值小,煤耗相應將比直接空冷高 1.3～2 g/(kW?h)和 3.5～4.5 g/(kW?h)。

e)采取直接空冷和間接空冷的煤耗、電耗一樣,來比較其初投資差異。即先確定直接空冷系統的設計參數 (如背壓)以及系統配置等數據,然后取間接空冷的設計背壓高于直接空冷的0.5 kPa,進行兩種系統投資比較,此時,間接空冷系統比直冷系統的投資比本節b)中約減少1.7%～3%,低設計背壓時差值大。

4 結論

通過上述分析,電站空冷系統適宜性涉及到國家政策、水源、煤炭、自然環境等。而系統型式的選擇,在基本適宜性條件的基礎上,還需結合場地條件、環保要求、機組安全運行要求、機組類型、電力負荷需求、燃煤價格、基建投資、經濟比較等諸多工程條件進行綜合性分析后,合理進行選擇確定?？傊?各種空冷系統型式均是成熟的技術,應根據不同的項目條件,理性選擇系統型式。

參考文獻:

[1] 火力發電廠空冷系統設計技術規定 (Q/SXED102.03-2010)[S].太原:山西省電力勘測設計院,2010.

[2] 馬新平,張漢卿.間接空冷系統防凍與經濟運行試驗研究[C].山西五臺山:第二屆國際空冷技術研討會論文集,1995.

[3] 張新海,李潤森,李勤明,等.空冷技術在百萬級核電機組上應用研究 [R].太原:山西省電力勘測設計院,2009.

[4] 張新海.間接空冷系統散熱器布置型式分析 [J].電力建設,2010(增刊):10-12.

[5] SPX.間接空冷系統 [C].上海:上海間接空冷技術交流會,2008.

[6] 陳保華,馮璟,雷平和,等.數值計算在1 000 MW機組空冷系統選型中的應用[C].貴陽:第五屆空冷會議論文集,2009.

[7] 張愛軍,唐燕萍.空冷系統選擇專題報告 [R].西安:西北電力設計院,2008.