火力發電廠一機雙塔運行改造經濟性分析

郭晶晶，龐 啟

(1.中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063；2.江蘇闞山發電有限公司，江蘇 徐州 221000)

0 引言

近年來受電源結構調整政策影響，我國火電燃煤機組利用小時數逐年下降[1]，在此背景下，降低火電廠的煤耗、促進節能減排顯得尤為重要[2]。江蘇某電廠2 臺600 MW 級超超臨界燃煤機組分別于2007 年10 月和2008 年1 月建成投產。2017—2019 年，電廠夏季長期處于1 臺機組停備狀態，為充分利用冷卻塔的冷卻面積，降低發電機組能耗，電廠進行了一機雙塔(1 臺機組循環水通過2 座冷卻塔冷卻)運行系統優化改造。

1 一機雙塔改造方案

1.1 依托工程概況

電廠循環水采用帶雙曲線逆流式自然通風冷卻塔的擴大單元制循環水系統，2 臺600 MW機組共選用4 臺循環水泵。循環水泵流量為9.09 m3/s，揚程27.4 m,水泵效率85%～88%；電動機功率為3 150 kW，電壓6 kV。

冷卻塔為9 000 m2雙曲線逆流式自然通風冷卻塔，塔高150.6 m，進風口高9.8 m，喉部高度119.84 m，塔底部集水池內徑121.66 m。冷卻塔采用一個中央豎井，主水槽呈正交布置，管式配水。夏季日平均濕球溫度為26.6 ℃，相應的干球溫度為29.8 ℃，相對濕度為77%，大氣壓力為1 001.7 hPa，風速為2.6 m/s，冷卻塔的冷卻水量為65 448 t/h，平均淋水密度為7.27 m3/m2h。

電廠汽輪機組額定運行工況見表1 所列。

表1 汽輪機額定運行工況

電廠2017 年和2018 年夏季運行小時數據見表2 所列。

表2 2017年和2018年夏季運行小時數

1.2 循環水回水母管改造

原設計已在兩臺機組的循環水泵出水管之間和兩座冷卻塔的回水溝之間設有聯通設施，可實現循環水泵運行的擴大單元。要實現一臺機組利用兩座冷卻塔運行，還需在兩臺機組的循環水回水管之間加設聯絡管道。根據#1 機和#2 機的循環水排水母管布置位置，選擇從#2 機冷卻塔附近#1 機循環水回水母管(DN3000 鋼管)上接出一根聯通管，連接至#2 機組循環水回水母管上。聯通管直徑從DN2200、DN2400、DN2600、DN2800、DN3000 共5 種管徑中選擇。根據冷卻塔噴頭數量、現場布置對冷卻塔豎井水位差和沿程損失疊加計算后，流量分配具體數據見表3 所列。

表3 不同管徑流量分配

從表3 可知，DN2600 管徑的聯通管投資適中。如果增加管徑，配水不均性改善效果并不明顯，因此綜合考慮最終選擇DN2600 的聯通管徑，此水損造成兩座冷卻塔的配水不均性約為1∶1.5。

2 一機雙塔改造經濟性分析

本文針對電廠不同運行負荷情況下的一機雙塔運行進行討論，主要分為100%、80%、70%、60%四種負荷工況進行經濟性分析。

2.1 100%負荷一機雙塔運行

根據循環水系統計算，夏季單臺機組滿負荷、一機雙塔運行，沿程水損略有減少，對應約18.3 m3/s 的循環水流量送至兩座冷卻塔，冷卻塔流量分別為7.32 m3/s 和10.98 m3/s，兩座冷卻塔的出塔水溫不同，采用二維熱力計算模式[3]，根據加權平均得到綜合的出塔水溫，改造前后水溫、背壓及煤耗等參數見表4 所列。

表4 100%負荷一機雙塔運行改造前后對比表

根據表4 可知，如果6～9 月所有運行時間都按600 MW 機組100%滿負荷運行，可以節約運行費用約169.49 萬元。

2.2 80%負荷一機雙塔運行

2.2.1 一機兩泵高速運行

根據循環水系統計算，夏季單臺機組80%負荷、一機雙塔運行，循環水量分配與100%負荷相同，改造前后對比見表5 所列。

表5 80%負荷一機兩泵高速運行改造前后對比表

根據表5 可知，如果6～9 月所有運行時間都按600 MW 機組80%負荷、一機兩泵高速運行，可以節約運行費用約118.08 萬元。

2.2.2 一機兩泵低速運行

根據循環水系統計算，夏季單臺機組80%負荷、一機雙塔運行，如按照一機兩泵低速運行工況考慮(廠內已經改造了2 臺循環水泵，低速時對應流量約為27 000 m3/h)，約有15 m3/s的循環水量送至兩座冷卻塔，每座冷卻塔流量約為5.925 m3/s 和9.075 m3/s，改造前后對比見表6 所列。

表6 80%負荷一機兩泵低速運行改造前后對比表

根據表6 可知，如果6～9 月所有運行時間都按600 MW 機組80%負荷、一機兩泵低速運行，可以節約運行費用約82.21 萬元。

循環水泵高速運行軸功率為2 875 kW，低速運行軸功率為2 055 kW，2018 年6～9 月份單臺機組發電小時數約為1 560 h，兩臺低速運行相對于高速運行節約的6～9 月份循環水泵電動機功率約為127.92 萬kWh，按照0.33 元/kWh的電價計算，每年節約運行費用約42.21 萬元。

2.2.3 兩種運行工況對比

根據80%負荷，一機兩泵高速運行和一機兩泵低速運行結果，兩種工況費用對比見表7所列。

表7 80%負荷一機兩泵高低速運行工況費用對比

從表7 可以看出，一機兩泵低速運行，每年可以節約6.34 萬元的運行費用，故推薦80%負荷運行時采用一機兩泵低速運行方式。

2.3 70%負荷一機雙塔運行

根據單臺機組夏季單機80%負荷計算結果，單臺機組夏季單機70%負荷運行時，按照一機兩泵低速運行工況考慮，計算結果見表8所列。

表8 70%負荷一機雙塔運行改造前后對比

根據表8 可知，如果6～9 月所有運行時間都按600 MW 機組70%負荷運行，可以節約運行費用約80 萬元。

2.4 60%負荷一機雙塔運行

單臺機組夏季單機60%負荷時，按照一機一泵運行，對應約有11.05 m3/s 的循環水量送至兩座冷卻塔，每座冷卻塔流量約為4.337 m3/s 和6.713 m3/s，對比結果見表9 所列。

表9 60%負荷一機雙塔運行改造前后對比

根據表9 可知，如果6～9 月所有運行時間都按600 MW 機組60%負荷運行，可以節約運行費用約32.18 萬元。

2.5 不同負荷下一機雙塔運行降低煤耗收益表

前述不同負荷情況下的收益見表10 所列。

表10 不同負荷下一機雙塔運行收益表

根據表10 可知，從單臺機組70%～100%負荷工況下，一機雙塔運行的收益較為顯著，當單臺機組60%負荷工況情況下，一機雙塔運行的收益較小。

對2018 年6～9 月單機時間的實際運行情況進行核算，按照2018 年機組實際76.1%負荷率，收益見表11 所列。

表11 2018年6-9月一機雙塔運行收益

根據表11 可知，改造后一機雙塔收益約81.55 萬元，工程總投資253 萬元，回收期估算約3.1 a。

3 一機雙塔實際運行試驗結果對比

電廠改造后，在2020 年運行效果較好，并于當年進行了改造性能試驗，根據試驗報告，電廠在550 MW 工況點，循環水泵一臺高速、一臺低速運行，結果見表12 所列。

表12 一機雙塔實際運行結果對比

通過單、雙塔切換后，記錄的數據進行比對，在環境溫度保持不變，雙塔模式下，凝汽器真空下降0.6 kPa，根據電廠2019 年排汽背壓與煤耗變化關系試驗數據和微增功率曲線折算，可得出供電煤耗綜合下降約1.5 g/kWh。

4 結語

經循環水回水管徑的配水計算分析，選定DN2600 管徑作為聯通管道，電廠一機雙塔改造靜態總投資253 萬元，對單臺機組100%負荷、80%負荷、70%負荷和60%負荷分別進行分析討論，70%～100%負荷下一機雙塔運行的收益較為顯著，60%負荷下一機雙塔運行的收益較小。按照2018年6～9月單機時間和負荷率計算，改造后年運行收益約81.55 萬元，回收期約3.1 a，根據2020 年實際運行數據顯示，整體收益基本接近原改造計算數據，每年夏季單機運行可節省能耗，有較好的環境效益和社會效益。