新型并列配置間接空冷系統(tǒng)在熱電廠的應(yīng)用

雷平和，馮璟，陳保華

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京市，100120)

0 引言

目前新疆各地區(qū)中心城市正計(jì)劃興建熱電廠，針對(duì)新疆極度缺水的現(xiàn)狀，主機(jī)冷卻系統(tǒng)均采用空冷系統(tǒng)，以節(jié)省極度匱乏的水資源。然而新疆地域遼闊，區(qū)域氣象條件差別很大，部分地區(qū)氣候條件惡劣，經(jīng)分析，目前成熟的直接空冷系統(tǒng)和間接空冷系統(tǒng)，對(duì)新疆地區(qū)特殊的氣象條件和熱電廠運(yùn)行條件的適應(yīng)性方面存在一定的問(wèn)題。本文結(jié)合新疆部分區(qū)域的氣象條件和熱電廠運(yùn)行要求，介紹一種新型并列配置間接空冷系統(tǒng)。

1 新疆北疆部分地區(qū)氣象概況

發(fā)電廠空冷系統(tǒng)選型，氣象條件是最重要的因素之一。新疆地區(qū)自然災(zāi)害主要有干旱、低溫冷害、洪水災(zāi)害、雪災(zāi)等，天氣災(zāi)害主要包括寒潮、大風(fēng)、沙塵暴、暴雨、冰雹、霜凍等［1］。由于新疆幅員遼闊，即使是北疆地區(qū)，氣象條件也不盡相同，北疆部分地區(qū)氣象條件見(jiàn)表 1［2-5］。

上述地區(qū)共同特點(diǎn)是:夏季酷熱，極端最高氣溫可達(dá)40～44℃以上;冬季嚴(yán)寒，最低極端氣溫為-32～-42.7℃;降雨極少，嚴(yán)重干旱，水資源極度匱乏;日照時(shí)間長(zhǎng)，全年共有約7～8個(gè)月處于日照之下;主導(dǎo)風(fēng)向比較恒定，頻率高。

不同之處，年平均風(fēng)速差別較大，阜康地區(qū)年平均風(fēng)速2.1 m/s，比較正常，而福海地區(qū)年平均風(fēng)速高達(dá)7.1 m/s，比較少見(jiàn)。

2 空冷系統(tǒng)技術(shù)特性比較

新疆北疆地區(qū)冬季嚴(yán)寒，該地區(qū)供熱機(jī)組采用空冷系統(tǒng)，須解決好冬季防凍問(wèn)題。以350 MW供熱機(jī)組空冷系統(tǒng)負(fù)荷為例，額定抽汽量時(shí)，空冷系統(tǒng)的負(fù)荷約為32%，最大抽汽量時(shí)，空冷系統(tǒng)的負(fù)荷為30%，對(duì)目前廣泛使用的直接空冷系統(tǒng)和自然通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)，防凍任務(wù)都相當(dāng)嚴(yán)峻。

本文以2×350 MW 超臨界供熱機(jī)組為例，提出4種可選擇的空冷系統(tǒng)進(jìn)行比較。除直接空冷系統(tǒng)和自然通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)外，機(jī)械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)輔機(jī)水冷卻中有采用的，但規(guī)模較小。并列配置間接空冷系統(tǒng)是針對(duì)夏季高溫，冬季嚴(yán)寒，且冬季因供熱向空冷系統(tǒng)排熱量低等特點(diǎn)推出的一種新型空冷系統(tǒng)。其特征是:采用自然通風(fēng)空冷塔與多組機(jī)力通風(fēng)空冷塔并聯(lián)，1臺(tái)機(jī)組配1座自然通風(fēng)空冷塔和多組機(jī)力通風(fēng)空冷塔，或2臺(tái)機(jī)組配1座自然通風(fēng)空冷塔和多組機(jī)力通風(fēng)空冷塔的并聯(lián)冷卻方式。其效果是:通過(guò)技術(shù)集成的方法將自然通風(fēng)空冷塔與多組機(jī)力通風(fēng)空冷塔并聯(lián)組成的間接空冷系統(tǒng)，減小了自然冷卻塔的面積，而機(jī)力通風(fēng)空冷塔由若干格組成，布置方式靈活方便。采暖季節(jié)供熱運(yùn)行時(shí)，自然通風(fēng)間接空冷塔的冷卻能力與汽輪機(jī)排熱量的合理匹配能保證自然通風(fēng)間接空冷塔有足夠高的熱負(fù)荷以防止循環(huán)水凍結(jié)。自然通風(fēng)間接空冷塔全年運(yùn)行以最大限度節(jié)約廠用電，而機(jī)力通風(fēng)間接空冷塔投入運(yùn)行的單元數(shù)可以根據(jù)采暖季節(jié)熱負(fù)荷變化、熱季氣象條件、機(jī)組負(fù)荷率等因素決定，整套冷卻系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)、運(yùn)行方式非常靈活［6］。4 種空冷系統(tǒng)技術(shù)特性見(jiàn)表2［7］。

以表3汽輪機(jī)技術(shù)參數(shù)，結(jié)合克拉瑪依地區(qū)氣象條件對(duì)各空冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化選型，如表4［8］所示。

3 各空冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較

為使經(jīng)濟(jì)分析更接近實(shí)際，依照大型空冷系統(tǒng)選型方法［9］，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷曲線將機(jī)組利用小時(shí)數(shù)分配到各月，在空冷系統(tǒng)數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量的經(jīng)濟(jì)分析，取得了下述有關(guān)成果。表5為全年各月空冷系統(tǒng)運(yùn)行條件，各空冷系統(tǒng)全年各月平均迎面風(fēng)速對(duì)比見(jiàn)表6，各空冷系統(tǒng)全年各月進(jìn)口空氣溫度對(duì)比見(jiàn)表7。

表1 北疆部分地區(qū)主要?dú)庀笠豑ab.1 Main meteorological parameters in parts of northern Xinjiang

表2 4種用于350 MW供熱機(jī)組空冷系統(tǒng)技術(shù)特性比較Tab.2 Comparisons of technical features for 4 air cooling systems applied to 350 MW heating units

表3 汽輪機(jī)各工況主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of steam turbine under various conditions

表4 各空冷系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果Tab.4 Optimized results for air cooling systems

表5 全年各月空冷系統(tǒng)運(yùn)行條件Tab.5 Operational condition of air cooling system for whole year

根據(jù)上述空冷系統(tǒng)的迎面風(fēng)速、進(jìn)口空氣溫度，計(jì)算得到機(jī)組運(yùn)行背壓。當(dāng)背壓低于冬季最低運(yùn)行背壓9 kPa時(shí)，按9 kPa計(jì)算，因此最終選取背壓如表8。利用背壓計(jì)算結(jié)果，計(jì)算出全年各月相應(yīng)背壓下的發(fā)電煤耗［4］，見(jiàn)表 9。

分別計(jì)算各種類(lèi)型空冷系統(tǒng)優(yōu)化方案的年固定投資費(fèi)用及年運(yùn)行費(fèi)用，從而分別計(jì)算出空冷系統(tǒng)的年總費(fèi)用，見(jiàn)表10。計(jì)算條件如下:成本電價(jià)為0.143元/(kW·h);每0.066 hm2地價(jià)為55 000元;年利用小時(shí)數(shù)為5 500 h;經(jīng)濟(jì)運(yùn)行年限為20年;標(biāo)煤價(jià)為300元/t;投資利潤(rùn)率為10%;維修費(fèi)用率為2.5%。

表6 各空冷系統(tǒng)全年各月平均迎面風(fēng)速對(duì)比Tab.6 Comparisons of average face velocity of air cooling systems for whole year m/s

表7 各空冷系統(tǒng)全年各月進(jìn)口空氣溫度對(duì)比Tab.7 Comparison of inlet air temperature of air cooling systems for whole year℃

表8 各空冷系統(tǒng)全年各月實(shí)際運(yùn)行背壓Tab.8 Comparison of running back pressure of air cooling systems for whole year kPa

表9 各空冷系統(tǒng)全年各月實(shí)際運(yùn)行發(fā)電煤耗Tab.9 Comparison of coal consumption of air cooling systems for whole year g/(kW·h)

表10 4種空冷系統(tǒng)方案經(jīng)濟(jì)性比較Tab.10 Economic comparisons of 4 air cooling systems

4 比較結(jié)果

對(duì)各系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)和供熱安全性進(jìn)行比較分析。

(1)由于煤價(jià)偏低，成本電價(jià)僅0.143元/(kW·h)，因而直接空冷系統(tǒng)初投資最低，但煤耗比其他系統(tǒng)增加3～6 g/(kW·h)，年總費(fèi)用低于間接空冷系統(tǒng)和機(jī)械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)，在經(jīng)濟(jì)上體現(xiàn)出低煤價(jià)時(shí)直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)越性，但高于并列配置間接空冷系統(tǒng)。若遠(yuǎn)期煤價(jià)提高，直接空冷系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用會(huì)進(jìn)一步增加，則并列配置間接空冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯。

(2)在夏季6、7、8月平均氣溫和平均風(fēng)速條件下，直接空冷機(jī)組的平均運(yùn)行背壓已超過(guò)38 kPa，自然通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)平均背壓沒(méi)有超過(guò)30 kPa，而機(jī)械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)及并列配置間接空冷系統(tǒng)背壓較低，體現(xiàn)出了對(duì)夏季工況較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

(3)進(jìn)一步分析夏季高溫大風(fēng)的特殊工況，計(jì)算表明，在出現(xiàn)頻率較高的氣溫33℃，外界風(fēng)速12 m/s時(shí)，直接空冷系統(tǒng)和自然通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)必須降負(fù)荷運(yùn)行，將背壓控制在45 kPa，負(fù)荷率僅能達(dá)到70%左右。若氣溫進(jìn)一步上升達(dá)40℃左右，6～8 m/s以上風(fēng)速時(shí)，直接空冷系統(tǒng)和自然通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)基本無(wú)法正常安全運(yùn)行。

(4)在冬季防凍方面，目前國(guó)內(nèi)供熱機(jī)組尚缺乏在-30℃以下氣溫長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，由于直接空冷機(jī)組蒸汽分配管隔離閥泄漏和冬季風(fēng)造成的局部過(guò)冷的風(fēng)險(xiǎn)，極大地增加了直接空冷系統(tǒng)防凍的難度。對(duì)自然通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)，需要采取切除部分冷卻扇段，調(diào)整百葉窗開(kāi)度，控制循環(huán)水溫度等措施，操作要求高，要求設(shè)備完好、控制可靠，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，防凍措施需要在實(shí)踐中探索。比較而言，對(duì)機(jī)械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)，關(guān)閉換熱單元配水管閥門(mén)比較容易，必要時(shí)還可采取伴熱措施，對(duì)換熱單元除采用百葉窗封閉外，還可在頂部加蓋，最大限度減少自然對(duì)流，防凍措施可靠。并列配置間接空冷系統(tǒng)，在冬季最大熱負(fù)荷時(shí)，可切除自然通風(fēng)冷卻塔僅運(yùn)行機(jī)械通風(fēng)間接空冷，防凍的可靠性與機(jī)械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)相同。不足之處是氣溫變化較大時(shí)，會(huì)引起自然通風(fēng)冷卻塔的投入和切除，增加了運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。也可以切除機(jī)械通風(fēng)間接空冷塔而運(yùn)行自然通風(fēng)冷卻塔，由于自然通風(fēng)冷卻塔面積小，能保證較高的熱負(fù)荷，當(dāng)氣溫變化較大時(shí)用機(jī)械通風(fēng)間接空冷塔的投切作調(diào)解，運(yùn)行靈活，安全性比較高。

綜合各方面因素，并列配置間接空冷系統(tǒng)在各空冷系統(tǒng)方案中經(jīng)濟(jì)性最好，在夏季高溫大風(fēng)時(shí)的度夏能力強(qiáng)，冬季供熱期間防凍措施靈活、有效，具有明顯的優(yōu)越性。

5 結(jié)論

新疆部分地區(qū)氣象條件特殊，夏季高溫，冬季嚴(yán)寒，常伴有大風(fēng)，對(duì)空冷機(jī)組度夏能力和冬季防凍都提出了苛刻的要求(對(duì)熱電廠而言冬季防凍任務(wù)更為嚴(yán)酷)。通過(guò)對(duì)4種空冷系統(tǒng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性比較，并列配置間接空冷系統(tǒng)具有度夏能力強(qiáng)，冬季防凍手段靈活，經(jīng)濟(jì)性好的突出優(yōu)點(diǎn)，特別適合在冬季嚴(yán)寒，夏季酷熱并常伴有大風(fēng)地區(qū)的熱電廠使用。

［1］向明燕，向麗紅，海米提·依米提，等.新疆近45年氣象災(zāi)害及其防御措施［J］.干旱區(qū)研究，2007(9):712-716.

［2］華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司.華能阜康電廠初步可行性研究報(bào)告［R］.北京:華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，2010.

［3］華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司.華能福海電廠可行性研究報(bào)告［R］.北京:華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，2010.

［4］華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司.國(guó)電克拉瑪依電廠初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.北京:華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，2010.

［5］華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司.華能哈密電廠初步可行性研究報(bào)告［R］.北京:華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，2010.

［6］雷平和.熱電廠并列配置間接空冷系統(tǒng)［R］.北京:華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，2010.

［7］華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司.國(guó)電克拉瑪依電廠空冷系統(tǒng)選型專(zhuān)題報(bào)告［R］.北京:華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，2010.

［8］馮璟.直接空冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［R］.北京:華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，2010.

［9］雷平和.大型空冷系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)技術(shù)研究［R］.北京:中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司，2009.