电厂机组空冷系统优化

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电厂机组空冷系统优化1.1空冷系统优化概述为了节约有限的水资源，目前我国北方缺水地区新建火力发电厂的冷却系统普遍采用空冷系统。由于空冷系统所使用的空冷散热器比较昂贵，在火力发电厂中，空冷系统是与汽轮机、锅炉并列的造价较高的重要系统。间接空冷系统能够提供更低的运行背压，是近年来较为常用的排汽冷却系统。冷端系统规模大小的选择对工程效益影响较大。如果空冷系统规模偏小，会造成夏季及其他不利条件下汽轮机背压过高，影响电厂运行经济性和安全性；如果空冷系统规模偏大，会造成无谓的投资浪费，冬季空冷系统防冻问题突出。因此，空冷系统规模的大小应根据厂址所在地气象及技术经济条件，结合汽轮机技术参数进行技术经济分析和优化计算后取得，空冷系统优化应在满足技术条件的前提下使得系统年总费用最低。1.2本工程空冷优化的特点本工程属于供热机组，冬季一部分蒸汽用于采暖供热。在进行空冷优化时重点考虑使得系统在纯凝工况下以较低的投资尽可能多发电。由于在供暖季节采暖工况下，进入空冷系统的排汽量和热负荷较少，按纯凝工况优化得到的空冷系统规模能够满足供暖季节采暖工况的冷却任务。1.3优化计算基本数据空冷系统优化计算，采用年总费用最小法，即将空冷系统的投资按规定的回收率分摊到每一年中，再加上一年运行费、折旧费、大修费以及微增出力引起的补偿电量的电费作为年总费用，其值最小的方案为最优。计算结果中的年总费用不是各方案的实际年总费用值，而是各方案比较的相对值。1.3.1主机参数现阶段空冷汽轮机已招标确定，供货商为上海汽轮机厂，汽轮机型式：单轴、双缸双排汽（高中压合缸）、表凝式间接空冷、抽汽供热式空冷汽轮机。小机采用汽泵，主机、小机排汽全部进入ISC系统冷却，汽轮机参数见表4-1。表4-1汽轮机特性数据项目单位THA工况TRL工况TMCR工况VWO工况阻塞背压工况75%额定出力（滑压）50%额定出力（滑压）机组出力kW330250330267352941367318354791247618165065汽轮发电机组热耗值kJ/kWh8323.08890.68316.18312.18272.38450.28821.8

1主蒸汽压力MPa(a)16.716.716.716.716.716.3211.05再热蒸汽压力MPa(a)3.5053.7443.7733.9483.7752.5951.768高压缸排汽压力MPa(a)3.8941.1601.1931.3871.1952.8831.965主蒸汽温度℃538.0538538538538538538再热蒸汽温度℃538.0538538538538538538高压缸排汽温度℃326.0332.2333.1337.7333.2301.1311.6主蒸汽流量kg/h10478581135531113553111923081135531758547502903再热蒸汽流量kg/h880775944680949836995159949933648374438314背压kPa1230121271212低压缸排汽干度%93.3796.1793.1793.0693.5391.5597.05低压缸排汽焓kJ/kg2432.32535.22427.42421.924162460.42519.9低压缸排汽流量kg/h649793700593694772723318684917494161350727补给水率%0300000辅机冷却水温度℃-------最终给水温度℃272.4277.1277.5280.7277.5253231.2项目40%额定出力（滑压）30%额定出力（滑压）高加全切工况额定抽汽供热工况最大采暖抽汽工况机组出力13208699066330211325242272056汽轮发电机组热耗值9109.69540.38626.47278.65767.4主蒸汽压力9.0877.12416.716.716.7再热蒸汽压力1.4451.123.6543.7073.699高压缸排汽压力1.6061.2451.0601.1191.11主蒸汽温度538538538538538再热蒸汽温度524500538538538高压缸排汽温度313.8315.5331.7331.0330.7主蒸汽流量41031431936892624711355311135531再热蒸汽流量360335282699901070946688946246背压1212121212低压缸排汽干度98.0299.0593.4092.6低压缸排汽焓2543.12567.72432.92411.02567低压缸排汽流量293749235223699924486559198965补给水率00000辅机冷却水温度-----最终给水温度220.7208.1183.6276.9276.81.3.2冷却设备采用FORGOT60型铝制散热器，由18mm圆形铝管套以600×150mm的大片铝翅片，片距2.88~3mm。散热器布置在冷却塔进风口外侧，沿塔周竖向布置。单台机组循环水量为38000m3/h，每台机设2台循环水泵，循环水泵布置在空冷塔内的循环水泵房内，两台机合用一座泵房。表面式凝汽器采用TP316L不锈钢冷却水管，管径25mm，壁厚0.50mm，凝汽器面积为21000m2。

21.3.3主要经济参数年利用小时数：5500h投资回收期：20年投资回收率：8%大修费率：2.5%发电成本：0.15元/kW.h间冷空冷散热器造价：~85元/m2冷却塔进风口顶标高处冷却塔投影面积单位造价：~5000元/m2微增出力引起的补偿电量电价的折减系数：取0.851.4优化计算1.1.1优化计算方法1.1.1.1经济评价方法本工程以空冷系统年总费用最小法作为工程项目经济评价法，即按照《火力发电厂水工设计技术规定》(DL/T5339－2006)的规定，将工程多种可能实施的方案，按每一方案的一次投资与此方案实施后，在预测到的经济服务年限内，逐年的支付运行费用，然后按动态经济规律将投资与费用均换算到指定年，再在经济服务年限内等额均摊，最终比较各方案的年均摊值，取年最小费用的方案作为最佳方案。空冷系统年总费NF用可按下式计算：即是指将投资成本按规定的回收率分摊到每一年中，再加上一年运行费以及折旧、大修费等为年费用，其值最小时，说明此方案最为经济。式中：Z—空冷岛投资；i—投资回收率；u—折算年运行费用；MR-大修费率；n—工程经济使用年限。1.1.1.2计算方法压力蒸汽的热力性质采用《工业用1967年IFC公式(IFC-67)》计算。凝汽器热力计算和水力计算采用美国传热协会《HeatExchangeInstitute，INC..

3STANDARDSforsteamsurfaceCondeners.NinthEdition.Ohio:HEI,1995》(简称9版HEI)中提供的方法。福哥铝制散热器热力特性计算采用《电力工程水务设计手册》中提供的公式：，通过归纳制造厂投标文件中的技术参数得出。自然通风冷却塔空气动力计算采用《电力工程水务设计手册》及《发电厂空冷技术》中提供的方法。根据《电力工程水务设计手册》及《发电厂空冷技术》，自然通风冷却塔塔高与塔底直径的比例范围在1.05~1.40之间，自然通风冷却塔阿基米德数控制在3左右。1.1.2优化原则1)满足设计工况及夏季考核工况下的运行要求并留有一定的余量满足安全运行的要求。2)满足安全运行的前提下，所选方案年总费用较低。3)空冷散热器面积应与冷却塔尺寸组成合理的搭配。1.1.3优化计算1.1.3.1优化计算(1)设计气温按5℃法，即在系统优化计算中，当设计气温低于5℃时，均按5℃进行计算，并考虑空冷电厂投运后局部空气温升的影响，由此计算出设计气温为16.068℃；由于主机已招标确定，以下参数根据设备技术协议已知：1)凝汽器：采用TP316L不锈钢冷却水管，管径25mm，壁厚0.50mm，清洁系数0.9，凝汽器面积21000m2；2)循环水量：循环水量为38000m3/h，循环倍率按50，每台机设2台循环水泵；3)设计背压(kPa)：12；4)设计ITD(℃)：31.026；自然通风塔配置：根据工程经验，在同等条件下，一机一塔方案与两机一塔方案相比较，两机一塔方案冷却塔造价较小。在本工程厂址区域50年一遇10m环境风速32m/s(风力等级为11级暴风)条件下，本工程一机一塔方案与两机一塔方案的冷却塔造价的差额相比一般风速较小区域的二者间的差额更大。由于厂区总平面布置的局限，如采用一机一塔方案，对下期扩建有很大影响。因此，选择两机一塔方案作为本工程自然通风塔配置方案，冷却三角预设高度为25m。散热器配置：采用FORGOT60型铝制，散热器布置在冷却塔进风口外侧，沿塔周竖向布置，单一方案；

4本阶段仅根据以上参数，对迎面风速与空冷散热器面积、冷却塔尺寸的组合进行优化计算。名义迎面风速(m/s)：1.65、1.7、1.75、1.8、1.85、1.9、1.95、2.0、2.05、2.1共10个方案；计算结果中按年费用前10名排序见表4-2。

5国电库车发电有限公司二期（2×330MW）扩建工程第14卷初步设计阶段表4-2优化计算输出结果汇总表序号空冷器总面积(m2)设计风速(m/s)设计ITD(℃)设计背压(kPa)凝汽器面积(m2)冷却倍率散热器高度(m)冷却单元(个)空冷系统投资(万元)循泵功耗(MWh)发电量(MWh)年费用(万元)TMF(℃)TRL背压(kPa)TZS(℃)0m散热器外缘直径(m)0m直径(m)冷却塔高(m)出口直径(m)进风口高(m)喉部高度(m)喉部直径(m)121290561.6231.0261221000502521829116259013837953470131.2132.605.747178170187702715968220743031.6631.0261221000502521228094262113836800459231.2132.875.573173165182722715570320231641.7131.0261221000502520727190265353837369447431.2132.715.619169161177762715074419744741.7631.0261221000502520226333268583836915437731.2132.805.536165157172802714678519280241.8031.0261221000502519725629271883836628429731.2132.855.485161153168852714383618846251.8531.0261221000502519324952275153836354422031.2132.905.416157149164922713990718431401.9031.0261221000502518924798278483835939421131.2133.005.359154146167942714292818034451.9031.0261221000502518524203281973831816419731.2133.991.857151143165922714090917654031.9431.0261221000502518124163285423830927421031.2131.191.7581471391719027145881017288881.9831.0261221000502517724173288963829959423031.2131.421.641144136177882715086

6国电库车发电有限公司二期（2×330MW）扩建工程第14卷初步设计阶段1.1.3.2优化结果分析由表4-2可见，各方案中，在设计风速为1.898m/s，空冷系统投资较低，机组年费用最小。1.5ISC系统推荐配置方案结合本工程高温时段长，大风频率高的工程特点，本工程采用表凝式间接空冷系统（两机一塔方案），两台机组ISC系统配置推荐方案参数如下：序号项目单位参数1散热面积m218034452迎风面风速m/s1.903凝汽器面积（1台机）m2210004循环冷却倍率505冷却散热器个数个1856冷却散热器高度m257设计气温°C16.068设计水温°C36.89TMCR工况设计背压kPa1210TMCR工况点ITD°C31.0311满发气温°C31.2112满发设计水温°C58.613欠发时间h25014阻塞背压对应临界气温°C1.8615自然通风塔工艺参数1)0m散热器外缘直径m1512)X柱处冷却塔底部直径m1433)冷却塔高m1654)出口直径m925)进风口高m276)喉部高度m1407)喉部直径m90