數(shù)值計算在1000 MW機組空冷系統(tǒng)選型中的應(yīng)用

陳保華，馮 璟，雷平和，劉 軍

(北京國電華北電力工程有限公司，北京市，100120)

0 引言

空冷技術(shù)在我國發(fā)展迅速，目前已有1000 MW超超臨界空冷電站進入建設(shè)階段[1]。由于系統(tǒng)規(guī)模的擴大，空冷選型更加重要[2]，直接關(guān)系到機組運行的經(jīng)濟性及投資的正確性，所以空冷系統(tǒng)的選型必須從定性分析走向定量分析。

要從定量分析入手進行直接空冷系統(tǒng)和間接空冷系統(tǒng)的選型，就必須掌握在特定的地區(qū)、全年不同氣溫條件及不同風向條件下2種空冷系統(tǒng)的運行背壓，從而計算采用這2種空冷系統(tǒng)后機組全年的發(fā)電煤耗，再結(jié)合投資及運行費用，通過技術(shù)經(jīng)濟性比較，選取年總費用最低的方案[3-4]。如何知道在全年不同氣溫條件及不同風向條件下2種空冷系統(tǒng)的運行背壓，這是一個非常復(fù)雜的流動和傳熱問題?？茖W(xué)地選擇計算模型和合理地確定邊界條件，通過數(shù)值計算的方法計算環(huán)境風及外界氣溫對空冷系統(tǒng)背壓的影響，從而計算出全年空冷機組煤耗，最終通過全面的技術(shù)經(jīng)濟性比較為選型提供依據(jù)。

1 空冷系統(tǒng)選型方法

在可行性研究階段，需要通過詳細比較來確定空冷系統(tǒng)的型式，對于風向玫瑰圖很不規(guī)則的區(qū)域，空冷系統(tǒng)的選型尤為重要。空冷系統(tǒng)選型步驟如下：

（1）整理氣象資料。整理廠址處氣象站近10年的氣象資料，當氣象站資料不能完全代表廠址處氣象條件時，需要現(xiàn)場至少1年的氣象觀測資料。資料內(nèi)容包括近10年廠址處全年各月平均溫度，各月主導(dǎo)風、次主導(dǎo)風及平均風速，并根據(jù)廠址所在電網(wǎng)區(qū)域的負荷曲線，確定各月各風向下機組的滿負荷小時數(shù)。

（2）對直接空冷系統(tǒng)與間接空冷系統(tǒng)進行設(shè)計優(yōu)化，分別獲得最優(yōu)化方案。即根據(jù)主機參數(shù)、設(shè)計氣象條件、投資及運行維護費用等，通過優(yōu)化計算確定直接空冷系統(tǒng)及間接空冷系統(tǒng)的最佳方案，選定直接空冷系統(tǒng)的空冷凝汽器散熱面積、迎面風速、空冷單元排列方式及風機的主要參數(shù)等，選定間接空冷系統(tǒng)的空冷散熱器面積，排列方式及間接空冷塔的尺寸等。

（3）數(shù)模試驗。通過數(shù)模試驗分別計算各月平均氣溫，各月主導(dǎo)風、次主導(dǎo)風向及其相對應(yīng)的平均風速條件下，直接空冷凝汽器及間接空冷散熱器的迎面風速及進口空氣溫度。

（4）背壓計算。根據(jù)數(shù)模試驗的結(jié)果，計算空冷機組在各月平均氣溫條件下，主導(dǎo)風、次主導(dǎo)風向及其相對應(yīng)的平均風速下運行時，機組針對直接空冷系統(tǒng)與間接空冷系統(tǒng)的運行背壓值。

（5）發(fā)電煤耗計算。根據(jù)各月主導(dǎo)風向與次主導(dǎo)風向時機組對應(yīng)的運行背壓值，計算出2種類型空冷機組對應(yīng)的發(fā)電煤耗率，進而根據(jù)各月的平均發(fā)電煤耗率及月滿負荷運行小時數(shù)，計算各月的發(fā)電煤耗，最終分別得到2種類型空冷機組的年發(fā)電煤耗。

（6）進行技術(shù)經(jīng)濟性比較。分別計算2種類型空冷系統(tǒng)的年固定投資費用及年運行費用，從而分別計算出2種類型空冷系統(tǒng)的年總費用，取年總費用低的方案為最優(yōu)方案。

下面使用上述空冷系統(tǒng)選型方法，以某百萬千瓦機組空冷系統(tǒng)選型為例進一步說明其使用方法。

2 空冷系統(tǒng)選型實例

2.1 整理氣象資料

本案例為擬建中的內(nèi)蒙古某電廠，規(guī)劃裝機總?cè)萘繛?×1000 MW空冷發(fā)電機組，其中一期工程為2×1000 MW空冷發(fā)電機組。該電廠廠址區(qū)域風向多變，風速高，冬季嚴寒，需要通過空冷選型的方法對其進行選型研究。

按照空冷選型方法第1步，對電廠所在區(qū)域的氣象資料進行整理，整理后的氣象資料及運行小時數(shù)分布見表1。表1中風向和風速值為廠址處實際觀測站，2007年全年所測得的10 m高處的風速和風向值；平均氣溫為多年月平均氣溫。根據(jù)廠址所在電網(wǎng)區(qū)域的負荷曲線確定的各月機組的滿負荷小時數(shù)。

表1 2007年廠址氣象資料簡化表Tab.1 Simplified meteorological data at plant site for 2007

2.2 空冷系統(tǒng)方案優(yōu)化

按照空冷選型方法第2步，對直接空冷系統(tǒng)與間接空冷系統(tǒng)分別進行設(shè)計優(yōu)化，經(jīng)優(yōu)化選型程序計算[5]，得出該電廠直接空冷和間接空冷優(yōu)化設(shè)計方案。

2.2.1 直接空冷系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)

單臺機組直接空冷系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 1000 MW機組直接空冷系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)Tab.2 Main design parameters of 1000 MW unit direct air-cooling system

2.2.2 間接空冷系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)

系統(tǒng)采用表面式凝汽器與垂直布置的散熱器相結(jié)合的SCAL型間接空冷系統(tǒng)。采用一機一塔設(shè)計，即6臺機組采用6個空冷塔，單臺機組間冷系統(tǒng)的主要設(shè)計參數(shù)見表3。

表3 1000 MW機組SCAL型間接空冷系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)Tab.3 Main design parameters of 1000 MW unit SCAL in-direct air-cooling system

2.3 建立模型進行數(shù)模實驗

2.3.1 直接空冷電廠模型

每2個機組汽機房平面尺寸為235 m×45 m，鍋爐房平面尺寸為210 m×95 m。根據(jù)6×1000 MW直接空冷電站空冷島和主要建筑物的布局，整個數(shù)值模擬實驗的計算域如圖1所示[6]。每2臺機組構(gòu)成1個獨立空冷島，其尺寸為240 m×100 m×15 m，由50根直徑為3.8 m的混凝土立柱支撐。

2.3.2 間接空冷電廠模型

根據(jù)電站當?shù)氐匦螚l件，采取如圖2所示的空冷塔及主要建筑物的平面布局。通過數(shù)值模擬計算，可分別獲得各月平均氣溫，各月主導(dǎo)風、次主導(dǎo)風向及其相對應(yīng)的平均風速條件下，直接空冷凝汽器及間接空冷散熱器的迎面風速及進口空氣溫度。

2.4 年運行背壓計算

2.4.1 直接空冷系統(tǒng)年運行背壓計算

直接空冷系統(tǒng)的傳熱過程為蒸汽、空氣的能量守恒過程，凝汽器凝結(jié)溫度與凝汽器進口空氣溫度、飽和蒸汽流量、凝汽器迎風面面積、迎風面風速、空冷凝汽器的傳熱系數(shù)、總傳熱面積及翅片管型式有關(guān)。

在空冷凝汽器面積、飽和蒸汽流量及翅片管型一定的情況下，通過數(shù)模試驗可以計算出全年不同風向、不同風速、不同氣溫條件下空冷凝汽器的迎面風速及進口空氣溫度，由凝結(jié)溫度公式計算得到空冷凝汽器的凝結(jié)溫度，進而得到空冷凝汽器對應(yīng)的壓力，加上相應(yīng)的壓損得到機組背壓。經(jīng)過數(shù)模試驗及理論計算可以得到直接空冷系統(tǒng)方案全年機組的運行背壓，如表4所示。

2.4.2 間接空冷系統(tǒng)年運行背壓計算

通過對表面式凝汽器和空冷散熱器的傳熱分析，可以得到在冷卻空氣流量、循環(huán)水流量、冷卻空氣進口溫度、汽輪機排汽量確定的條件下，即可獲得汽輪機背壓。同樣，冷卻空氣流量受空冷塔結(jié)構(gòu)和環(huán)境風場的影響，而冷卻空氣進口溫度與環(huán)境氣溫和風速、風向有關(guān)。通過數(shù)值模擬，可以得到不同工況、不同氣溫、不同風向、風力條件下的冷卻空氣流量以及空冷散熱器進口溫度，最終獲得汽輪機背壓。經(jīng)過數(shù)模試驗及理論計算可以得到間接空冷系統(tǒng)方案全年機組的運行背壓，如表5所示。

2.5 全年煤耗計算

根據(jù)選型方法第5步驟，利用背壓計算結(jié)果，采用煤耗計算公式進行計算。鍋爐效率和管道效率分別選取93.5%和99%，通過計算，可以得到6×1000 MW間接空冷系統(tǒng)機組年平均發(fā)電煤耗為290.98 g/（kW·h）。直接空冷系統(tǒng)機組年平均發(fā)電煤耗為287.8 g/（kW·h）。與直冷系統(tǒng)相比，間接空冷系統(tǒng)機組年平均發(fā)電煤耗低3.18 g/（kW·h），說明間接空冷系統(tǒng)機組煤耗略低于直接空冷系統(tǒng)。

表4 不同風速、風向下直接空冷機組的最終選取背壓Tab.4 Finally selected backpressure for direct air-cooling units under different wind speeds and directions kPa

表5 間接空冷機組背壓在各個月份不同風向、風速下的選取值Tab.5 Selected value for in-direct air-cooling unit backpressure under different wind directions and speeds in months kPa

2.6 2種系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性比較

考慮系統(tǒng)初投資及年運行維護費用，以及有關(guān)財務(wù)費用，結(jié)合以上5個步驟得到的數(shù)據(jù)進行綜合分析。

稅前上網(wǎng)電價：0.238元/（kW·h）；年利用小時數(shù)：5500 h；地價：85.4 元/m2；經(jīng)濟運行年限：20 年；標準煤價：350元/t；投資回收率：8%；維修費用率：2.5%。

2種空冷系統(tǒng)的詳細經(jīng)濟性比較見表6。按照數(shù)值模擬計算結(jié)果，間接空冷機組單位發(fā)電煤耗比直接空冷機組低3.18 g/（kW·h）。

從表2～4可以看出2臺1000 MW機組間接空冷系統(tǒng)的年總費用比直接空冷低約307.68萬元，其中年固定投資費用間冷較直冷高約1177.8萬元，年運行費用間冷較直冷低約1485.47萬元。

廠址所在地區(qū)多年極端最低氣溫為-33.2℃，典型年最低氣溫為-30℃，屬于嚴寒地區(qū)，在間接空冷系統(tǒng)落實了可靠的防凍措施的情況下，結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟性比較的結(jié)果，推薦采用間接空冷系統(tǒng)。

3 結(jié)論

（1）環(huán)境氣象條件對空冷系統(tǒng)的選型影響極大，以前定性分析的方法選擇系統(tǒng)帶有一定的盲目性，已為運行實踐所證明。

表6 2×1000 MW機組間接和直接空冷系統(tǒng)經(jīng)濟比較Tab.6 1000MW unit in-direct and direct air-cooling system economic comparison

（2）本選型方法利用CFD為手段，以詳細的氣象條件為基礎(chǔ)，以空冷優(yōu)化程序為條件，以電網(wǎng)運行模式為依據(jù)，計算出機組在詳細的氣象條件下全年運行發(fā)電煤耗，具有相當?shù)臏蚀_性。

（3）建議對600 MW級、1000 MW級大型空冷電廠，在環(huán)境復(fù)雜，不能簡單判斷直接空冷或間接空冷的優(yōu)劣時，使用本選型方法，以科學(xué)的定量分析方法確保選擇更加準確。

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[2]陳保華，馮璟，顧大明.直接空冷系統(tǒng)與煙塔合一間接空冷系統(tǒng)選型研究[J].現(xiàn)代電力，2008，25（S）：115-119.

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