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直接空冷机组尖峰冷却系统冷却倍率优化

2024-03-04 17 上传者：管理员

摘要：为了提高燃煤直接空冷机组尖峰冷却系统的经济性，提出了尖峰冷却系统冷却倍率优化计算的方法；在参照EPC招标文件要求的基础上确定了尖峰冷却系统的凝汽量，并重点探讨了带表面式凝汽器的尖峰冷却系统的最优冷却倍率。研究表明，“表面式凝汽器+机力塔+循环泵”的尖峰冷却系统在设计凝汽量、设计温度35℃下的最佳冷却倍率为35倍，随着环境温度的降低，对应温度下的最佳冷却倍率增大；600 MW超临界直接空冷发电机组，尖冷凝汽量280 t/h时，扣除水资源费用后，年收益为886.92万元。

关键词：
冷却倍率
尖峰冷却
干湿联合
直接空冷
表面式凝汽器
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北方某2×600 MW超临界直接空冷机组，因夏季高温时机组的运行背压较高，机组运行的经济性较差，拟采取降背压的技术措施进行改造。而降低机组背压，必须增加机组排汽冷端的散热能力[1]。拟增设“表面式凝汽器+机力塔+循环水泵”的尖峰冷却系统（以下简称尖冷系统）。本文主要对该尖冷系统的优化配置进行研究。

1、工程主要背景资料

1.1汽轮机

该空冷发电机组的汽轮机为东方汽轮机有限公司生产的单轴空冷、三缸四排汽、低压缸双流、中间再热式汽轮机。根据汽轮机最大连续运行工况的“热耗—背压”曲线所对应关系，再综合考虑锅炉效率及管道效率，以及电厂的实际运行数据，折算出的对应关系大概为“背压每降低1 kPa，煤耗可以降低1.79 g/（kW·h）”。需要说明的是，这种经验值与汽轮机的装机方案有关，不同的机型、不同的制造商，其对应关系也不同，工程技术人员在设计时应找出工程的特定关系，不能简单地套用[2]；此外，这种对应关系只属于汽轮机的特性，与空冷岛规模无关[3]。

1.2气象条件

该电厂附近气象站提供了常规气象条件、风向、风频、典型年气象条件，与尖峰冷却系统相关的主要为夏季高温及对应的时长。根据典型年小时累积次数统计表可知，温度高于20℃的气温小时数为3 576 h，而且极端的高温时间并不是很长，全年大于40℃的时间只有15 h；全年大于35℃的时间只有194 h。值得说明的是，尖峰湿冷还需要大气压力、相对湿度等数据，但由于这些数据对系统的影响权重较小，故大气压取全年平均大气压100.8 kPa，相对湿度取全年平均相对湿度65%。

1.3空冷岛特性曲线

对于已建成的空冷岛，均有一个表征其性能的“特性曲线”[4]，本工程的空冷岛特性曲线如图1所示。

图1空冷岛特性曲线

空冷岛背压（机组背压）是环境温度和空冷岛凝汽量的函数，且对于每一个自变量而言均为单调增函数，当环境温度高或凝汽量大时，背压也高[5]。

2、尖冷系统改造EPC招标文件要求

尖峰冷却工程总承包供货范围包括：增设2台表面式凝汽器、3台循环水泵（2运1备）、4格机力塔、胶球清洗系统、滤网、加药、阻垢除垢、电气、热控、管道阀门等满足系统安全、方便运行、易于检修要求的全部设备及材料。

性能保证要求：当环境干球温度35℃、风速4 m/s时，主机在额定工况下，尖冷系统投运后，机组背压降低值不小于6 kPa；当环境干球温度30℃、风速4 m/s的情况下，主机在额定工况下，尖冷系统投运后，汽轮机排汽口处背压降低值不小于5 kPa。

3、尖冷凝汽量的确定

理论上讲，尖冷凝汽量越多，机组背压降低越多，机组的煤耗越低。但对于改造工程，场地面积有限，冷却构筑物面积受限，若尖冷凝汽量过大，会增大循环水泵和机力塔的电耗，导致系统净发电量收益下降；同时，作为空冷电厂，年生产用水量有限，尖冷凝汽量过大，会增大水耗量。因此，本着技术可行、经济效益最佳的原则，采用“净发电量法”进行优化，即，由于尖冷系统的投入带来的电厂主机发电量收益减去循环水泵及机力塔的电耗。净发电量收益越多，表示方案越优。拟按照250、260、270、280、300 t/h几个尖冷凝汽量进行比选，比选情况如图2所示。

由图2可以看出，尖冷凝汽量每增加10 t/h，机组净多发电增加340 kW；发电收益与尖冷凝汽量的线性关系很好，仅是发电收益随着尖峰凝汽量的增加，稍有变缓趋势；此外，当尖冷凝汽量达到300 t/h时，机力塔的总轴功率消耗达到了396 kW(2个风机），需要采用高压电机，本改造项目，高压厂变容量不够，需要进行扩容改造，增加建设成本；而低压负荷仅700 kW,2台空冷机组改造勉强满足4格机力塔的电负荷需求，且每格机力塔的配套电机功率为160 kW。此外，增加尖冷凝汽量，必然增加耗水量，本项目可研中，按照可资用水量推算的尖冷凝汽量为240 t/h，增加尖冷凝汽量，势必增加耗水量。尖冷凝汽量每增加10 t/h，耗水量增加20 t/h。且厂内富余水资源量有限，不能无限增大尖冷系统的耗水量。

图2净发电量收益与尖冷凝汽量的关系曲线

综合上述分析，尖冷凝汽量应≥250 t/h（若低于该值，无法满足性能考核要求），且应≤280 t/h（否则电负荷及水耗超标）。故推荐按照280 t/h的尖冷凝汽量进行设计，在这一凝汽量时，35℃环境温度时，机组背压下降6.83 kPa，优于考核值[6]。

4、尖冷系统的优化

根据常规湿冷火电机组的建设经验，冷端优化主要是确定循环水系统各个组成部分的参数：凝汽器面积、循环水管道直径、冷却塔规模、循环水泵规模，对应的自变量参数为：冷却倍率、冷却塔出塔水温、凝汽器的面积。由于是技改工程，受到诸多条件限制，循环水管道母管为DN1 800 mm的焊接钢管，尖峰凝汽器面积为5 500 m2,2个变量保持不变。因此，只有循环冷却倍率、机力塔出水温度2个自变量。同时，由于需要尖峰凝汽器内的背压与空冷岛背压一致[7]，这一限定条件，再一次减少了自变量的“自由度”，即当循环冷却倍率确定后，冷却水的水温必须确定，才能保证两处的背压一致。以干球温度35℃为设计温度，以干球温度40℃、30℃为校核温度，初步拟订冷却倍率方案为27、30、35、40、45、50倍。

4.1环境温度35℃时不同冷却倍率对比

在一定的温度下，确定冷却倍率，尖峰凝汽器与空冷岛背压保持一致，这样推求的冷却塔出塔水温、循环水泵功率、机力塔耗电功率、净发电收益等可以确定[8]。在环境温度35℃、湿球温度30℃情况下的冷却塔出水温度及背压降低值的变化情况如图3所示。

图3背压降低值与冷却塔出水温度随冷却倍率变化趋势

由图3可以看出，背压降低值不随冷却倍率的变化而变化，这主要是由于当尖冷凝汽量确定之后，尖峰凝汽器内的压力要与空冷岛内压力一致，所以温度一定时，空冷岛背压降低值与循环冷却倍率无关。这样，“带蒸发冷却器”的尖冷系统的循环水量仅为“带表面式换热器+机力塔”的尖冷系统的50%左右，两者的降低背压值情况基本一致[9]。同时，也可以看出，低倍率下，需要冷却塔的出塔水温较低，“冷幅高”比较低，机力塔的耗电功率高；高倍率下，循环水量大，循环水泵的耗电功率高。不同倍率下循环水泵和机力塔功率变化情况如图4所示。

图4循环水泵功率与冷却塔功率随冷却倍率变化趋势

从图4可以看出，冷却倍率存在一个最优值，使得冷却塔功率消耗和循环水泵功率消耗达到最低值。由于汽轮发电机组端的功率增加值不随冷却倍率的变化而变化，所以，冷却塔功率与循环水泵功率之和最小值对应的冷却倍率即为整个系统最优的冷却倍率[10]。净发电收益差值情况如表1所示。

表1净发电收益随冷却倍率变化情况（单台机）

由表1可以看出，在35℃时，最优的冷却倍率为35倍，净发电收益最大。

4.2环境温度40℃时不同冷却倍率下净发电量收益对比

环境温度升高，同样是在尖冷凝汽量280 t/h的条件下，空冷岛背压下降值为增加，本项目对应的背压降低值为8.39 kPa。所以说，相同条件下，环境温度越高，尖冷系统带来的收益也越高[11]。尖冷系统的净发电量收益对比如图5所示。

图5 40℃与35℃时的净发电量收益对比

由图5可以看出，当环境温度升高时，净发电量收益大幅提升，如冷却倍率30倍时，干球40℃时，净发电量收益为18 196 kW，而35℃时为13 682 kW，提高了4 514 kW，经济效益十分可观。

实际上从空冷岛特性曲线也可以看出，环境温度越高时，曲线越陡，说明在相同的尖冷凝汽量时，背压降低值越多[12]。同时，当空冷岛面积较小时（单位凝汽量对应的空冷散热器面积），空冷岛特性曲线较陡，说明这种空冷岛配置的机组适于进行尖峰冷却技术改造[13]。

4.3环境温度30℃时不同冷却倍率下净发电量收益对比

环境温度为30℃时，若仍保证尖冷凝汽量为280 t/h，则单格机力塔的功率将达到200～500 kW（冷却倍率大冷却塔功率低），显然不符合工程实际。诸如这种带尖峰冷却系统的干湿联合系统，具有2个凝汽器，即空冷凝汽器和尖峰湿冷凝汽器，当环境温度变化时，进入2个凝汽器的乏汽量会自动分配，达到压力的平衡[14]。当环境温度下降时，进入尖冷凝汽器中的乏汽量会减少。环境温度30℃时，背压降低5 kPa，推算对应的尖冷凝汽量为250 t/h。环境温度为30℃与35℃时的净发电量收益对比如图6所示。

图6环境温度为30℃与35℃时的净发电量收益对比

结合图5、图6可以发现，随着环境温度的降低，最优冷却倍率逐渐增大，而尖冷凝汽量自动调整（随环境温度变小）的情况下，定速循环水泵提供一定的冷却水量，冷却倍率也会自动增大[15]。本工程取设计倍率35倍，对应280 t/h的抽汽量，对应的循环水的流量为9 800 m3/h，满足EPC招标文件中“单台循泵水量不小于9 600 m3/h”的要求。机力塔风机功率采用160 kW时，可以满足出塔水温的要求。

4.4全运行周期环境温度下的净发电量收益对比

根据前文的环境温度大于20℃时，尖峰冷却系统投入运行的情况，对比不同的设计倍率（环境温度35℃时、280 t/h尖冷凝汽量时的倍率），即，比较设计倍率为35倍和30倍的情况。图7为不同的环境温度下，该气温对应的冷却倍率及出塔水温。图8为不同的环境温度下，尖冷系统投运后，机组净发电功率增加值及发电量增量值。

图7冷却倍率及出塔水温随环境温度变化趋势

图8净增发电量功率及多发电量随环境温度变化趋势

从图7中可以看出，冷却倍率及出塔水温随环境干球温度变化的线性关系较好；且冷却倍率低（循环水量少时），冷却塔出塔水温也低。从图8中可以看出，净增发电功率随着环境温度升高而增加，而且，设计倍率35倍时，净增发电功率多数情况是高于设计倍率30倍的方案，仅20～25℃的温度区间时，较低的循环倍率经济性好。

此外，由于极端高温天气的时长较短，37℃以上带来的电量的增量并不高，反而是比较低的电量增量。而24～31℃的温度区间内，由于时间长度大，带来的经济收益较高。

经过详细计算，尖冷系统在年运行3 600 h的条件下，按照设计温度35℃时确定的35倍的冷却倍率，扣除水资源费用后，年收益为886.92万元；而30倍的冷却倍率，扣除水资源费用后，年收益为879.42万元，2种倍率方案每年收益相差7.5万元。同时，从技术上而言，高压厂变满足新增高压负荷的要求；35倍的冷却倍率计算的水量满足招标文件对循环水泵流量的要求，故采用35倍的设计冷却倍率。

5、结论

a）设计环境温度为35℃时，尖峰冷却系统最优的冷却倍率为35倍。环境温度降低，尖冷系统的凝汽量下降，最优冷却倍率升高。

b）冷却倍率越低，冷却塔电耗越高；冷却倍率越高，循环水泵耗电越高。

c）环境温度越高，尖冷系统带来的净增发电功率越高；由于极端高温小时数少，高温时段的电量增量并不高。

d)EPC总承包模式的尖冷技改项目，应关注招标文件技术要求、既有工程的场地、高低压电负荷、可资用水量的限制情况。

参考文献:

[1]李永华,许宁,杨海生,等.直接空冷尖峰冷却系统改造及性能分析[J].汽轮机技术,2016,58(2):143-145.

[2]曹永军,王云峰,郝金花.直接空冷凝汽器尖峰冷却系统的应用[J].山西电力,2014(3):57-59.

[3]樊小朝,党岳,史瑞静,等.600 MW直接空冷机组加装尖峰冷却装置改造及性能分析[J].汽轮机技术,2013(4):300-302.

[4]徐正,徐妍,余悦聪.某电厂尖峰冷却系统循环水泵运行水位控制研究[J].城镇供水,2018(2):3-7.

[5]徐正,余悦聪,霍玉龙.直接空冷机组尖峰冷却系统性能验收测试与分析[J].黑龙江电力,2018,40(2):81-83.

[6]徐妍,徐正.湿冷火力发电厂冷却构筑物适用性研究[J].中国科技信息,2015(9):102-103.