濕冷火力發電廠冷卻構筑物適用性研究

改造者：徐 妍 徐 正

濕冷火力發電廠冷卻構筑物適用性研究

改造者：徐 妍 徐 正

為提高火力發電廠的經濟性，采用“年費用最小法”，將自然通風冷卻塔方案與機械通風冷卻塔方案進行比較，得出容量機組、環境溫度、煤炭價格、年利用時間等因素變化時，工程適用的冷卻構筑物。研究表明，350MW容量等級機組更適宜采用自然通風冷卻塔；135MW容量等級機組更適宜采用機械通風冷卻塔；660MW及1000MW容量等級機組采用冷卻構筑物的形式，需要根據機組所在地區的環境溫度、煤炭價格及年利用時間等因素綜合判斷。

火力發電廠按照機組的冷卻介質分為空冷機組和濕冷機組。濕冷機組的供水系統又分為直流供水系統、再循環供水系統、混合供水系統三種基本型式。再循環供水系統根據循環水散熱途徑分為冷卻池、冷卻水庫、冷卻塔等型式。冷卻塔根據其塔內空氣流動動力分為自然通風冷卻塔、機械通風冷卻塔、輔助通風冷卻塔等三種基本型式。由于水資源匱乏，目前冷卻池、冷卻水庫等冷卻方式很少被采用，帶冷卻塔的再循環冷卻系統多被采用。

背景資料與方法

工程背景資料

筆者按照不同的氣象條件、機組容量、煤炭價格及年利用小時數選取幾組有代表性的數據進行研究。

選取的不同地區的設計氣象資料如表1所示；假定機組年利用小時數3500h～7500h間變化。

經濟性參數

本研究所采用的經濟性參數如表2所示。

優化原理及塔型介紹

眾所周知，提高蒸汽初參數和降低汽輪機蒸汽冷端參數（排汽溫度和排汽壓力），是提高機組熱效率的主要途徑。當汽輪機初參數一定時，降低汽輪機冷端參數，可以增加汽輪機理想蒸汽焓降，減少冷源損失，提高循環的熱效率。但是，降低冷端參數是以增大冷卻構筑物、增大凝汽器面積、增大循環水泵的功率、增大機力塔的功率等措施來完成的，當冷端投入增加到一定值時，汽輪機熱耗降低的費用并不能彌補冷端投入的成本，反而從整個電廠的全生命周期來看，不利于電廠的經濟性，冷端優化即是通過計算確定最優的冷端配置，減少不必要的浪費，增強電廠的盈利能力。目前火力發電廠二次循環冷卻系統采用的冷卻構筑物基本為自然塔和機力塔。

計算分析項目

冷卻塔初投資、年運行費用值、年費用值。

結果與討論

不同冷卻塔方案初投資對比

表1　各月氣象條件特征值

表2　主要經濟性參數

圖1　不同機組兩種冷卻塔方案的初投資對比（兩臺機）

采用機力塔及自然塔方案，幾種容量機組的年固定分攤費用及兩種塔型的年固定分攤費用的差值如圖1所示。

從圖中可以看出，機力塔方案的年固定分攤費用隨機組容量的變化基本呈線性變化，而自然塔方案的線性關系較差，主要是由于135MW機組所采用的自然塔的塔高變低，冷卻效果變差，使得相對的投資成本增加。

圖2　冷端運行費用差值（單位功率）

從圖1可以看出，兩種冷卻方案的年固定分攤費用差值，135MW機組甚至比350MW機組還低。對于135MW機組，4000m2的自然塔的冷卻能力與5格機力塔的相當；對于300MW機組，5000 m2的自然塔的冷卻能力與10格機力塔的相當。進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行費用對比

對于機力塔方案而言，冷端運行成本為機力塔風機和循環水泵的電耗，而自然塔方案僅有循環水泵的電耗，同時，由于兩種塔型的冷卻能力不同，對于同樣的氣象條件，相同冷卻水量，其出水溫度也不相同，進而影響機組的熱耗，所以運行費用的比較主要是這三項指標的綜合對比。

機力塔風機的實際消耗按照185kW考慮，雖然機力塔也可采用變頻或雙速電機，且經濟性可能會更優，但是會使系統復雜，同時也增加了比選難度，本文重點討論機力塔與自然塔兩種冷卻構筑物的適用性，按照機力塔風機為定速電機，最大限度降低循環水溫度的方法來進行考慮。關于機力塔的電機采用變頻對經濟性的影響，筆者將專文論述。

不同容量機組，在年利用5000h、煤價為1000元/t條件下，兩種類型冷卻塔在四個地區的年運行費用的差值，如圖2所示。

圖2僅是從運行費用的角度比較機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，對于該機組而言，配置在該地區比其他地區更合理；“柱高”低的比“柱高”高的，從運行角度來看是機力塔更合適些，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性要看年費用值。

從圖2可以看出：對于135MW機組，淋水面積4000m2的自然塔更適合配置在A區；對于350MW機組，淋水面積5000m2的自然塔更適合配置在C區；對于660MW機組，淋水面積9000m2的自然塔更適合配置在C區；對于1000MW機組，淋水面積12500m2的自然塔更適合配置在C區。

值得說明的是，當自然塔的淋水面積及機力塔的格數發生變化時，上圖反映的情況也會發生變化。

四種機組在D區的“柱高”有比其他三個區域低的趨勢，反映出自然塔在高溫地區的適應性變差。

660MW機組及1000MW機組的運行費用差值低于135MW及350MW機組，但是不能說，大型機組比小型機組更適宜采用機力塔，因為大機組的效率高，單位MW電量的初投資及運行成本均低于小機組。

圖3　不同冷卻塔方案年費用值對比（單位功率）

不同冷卻塔方案的年費用值的對比

年費用值是評價方案優劣的最佳判據，它是對電廠全生命周期的經濟性評價。綜合反映了投資與運行成本的高低。

由于本文重點比較自然塔與機力塔的適用性，所以采取“相對年費用值”的概念進行論述，即“（機力塔年費用值-自然塔年費用值）/裝機容量”。不同容量機組，在年利用5000h、煤價為1000元/t條件下，兩種類型冷卻塔在四個地區的相對年費用差值，如圖3所示。

從上圖可以看出，在上述年利用時間及煤價的條件下，135MW機組采用機力塔方案的優勢明顯，相對年費用差值約為-0.8～-1.2（萬元/年/MW），說明機力塔最適合用于該容量的機組；600MW及1000MW機組采用機力塔方案也是有經濟優勢，只是適用性比135MW機組稍差；350MW機組采用自然塔方案的優勢明顯，說明自然塔最適合用于該容量的機組。

結語

（1）自然塔對350MW容量等級機組的適應性最好，即使在溫度較高地區，煤炭價格1000元/t時，自然塔的經濟性仍優于機力塔；機力塔對135MW容量等級機組的適應性最好，即使在寒冷地區，煤炭價格1000元/t時，機力塔的經濟性仍優于自然塔。

（2）350MW等級的機組盡量選擇自然塔；135MW等級的機組盡量選擇機力塔。

（3）660MW及以上容量的大型火力發電機組在濕熱地區、煤價較低、年利用時間較短的工程，采用機力塔經濟性更為有利。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.036