數(shù)值計(jì)算在1000 MW機(jī)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(guó)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(guó)發(fā)展迅速，目前已有1000 MW超超臨界空冷電站進(jìn)入建設(shè)階段[1]。由于系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，空冷選型更加重要[2]，直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(fēng)向條件下2種空冷系統(tǒng)的運(yùn)行背壓，從而計(jì)算采用這2種空冷系統(tǒng)后機(jī)組全年的發(fā)電煤耗，再結(jié)合投資及運(yùn)行費(fèi)用，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，選取年總費(fèi)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(fēng)向條件下2種空冷系統(tǒng)的運(yùn)行背壓，這是一個(gè)非常復(fù)雜的流動(dòng)和傳熱問(wèn)題。科學(xué)地選擇計(jì)算模型和合理地確定邊界條件，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法計(jì)算環(huán)境風(fēng)及外界氣溫對(duì)空冷系統(tǒng)背壓的影響，從而計(jì)算出全年空冷機(jī)組煤耗，最終通過(guò)全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(guò)詳細(xì)比較來(lái)確定空冷系統(tǒng)的型式，對(duì)于風(fēng)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?？绽湎到y(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(dāng)氣象站資料不能完全代表廠址處氣象條件時(shí)，需要現(xiàn)場(chǎng)至少1年的氣象觀測(cè)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(fēng)、次主導(dǎo)風(fēng)及平均風(fēng)速，并根據(jù)廠址所在電網(wǎng)區(qū)域的負(fù)荷曲線，確定各月各風(fēng)向下機(jī)組的滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)。

（2）對(duì)直接空冷系統(tǒng)與間接空冷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，分別獲得最優(yōu)化方案。即根據(jù)主機(jī)參數(shù)、設(shè)計(jì)氣象條件、投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等，通過(guò)優(yōu)化計(jì)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(fēng)速、空冷單元排列方式及風(fēng)機(jī)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(yàn)。通過(guò)數(shù)模試驗(yàn)分別計(jì)算各月平均氣溫，各月主導(dǎo)風(fēng)、次主導(dǎo)風(fēng)向及其相對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速條件下，直接空冷凝汽器及間接空冷散熱器的迎面風(fēng)速及進(jìn)口空氣溫度。

（4）背壓計(jì)算。根據(jù)數(shù)模試驗(yàn)的結(jié)果，計(jì)算空冷機(jī)組在各月平均氣溫條件下，主導(dǎo)風(fēng)、次主導(dǎo)風(fēng)向及其相對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速下運(yùn)行時(shí)，機(jī)組針對(duì)直接空冷系統(tǒng)與間接空冷系統(tǒng)的運(yùn)行背壓值。

（5）發(fā)電煤耗計(jì)算。根據(jù)各月主導(dǎo)風(fēng)向與次主導(dǎo)風(fēng)向時(shí)機(jī)組對(duì)應(yīng)的運(yùn)行背壓值，計(jì)算出2種類型空冷機(jī)組對(duì)應(yīng)的發(fā)電煤耗率，進(jìn)而根據(jù)各月的平均發(fā)電煤耗率及月滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)，計(jì)算各月的發(fā)電煤耗，最終分別得到2種類型空冷機(jī)組的年發(fā)電煤耗。

（6）進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較。分別計(jì)算2種類型空冷系統(tǒng)的年固定投資費(fèi)用及年運(yùn)行費(fèi)用，從而分別計(jì)算出2種類型空冷系統(tǒng)的年總費(fèi)用，取年總費(fèi)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(wàn)千瓦機(jī)組空冷系統(tǒng)選型為例進(jìn)一步說(shuō)明其使用方法。

2 空冷系統(tǒng)選型實(shí)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(jī)總?cè)萘繛?×1000 MW空冷發(fā)電機(jī)組，其中一期工程為2×1000 MW空冷發(fā)電機(jī)組。該電廠廠址區(qū)域風(fēng)向多變，風(fēng)速高，冬季嚴(yán)寒，需要通過(guò)空冷選型的方法對(duì)其進(jìn)行選型研究。

按照空冷選型方法第1步，對(duì)電廠所在區(qū)域的氣象資料進(jìn)行整理，整理后的氣象資料及運(yùn)行小時(shí)數(shù)分布見(jiàn)表1。表1中風(fēng)向和風(fēng)速值為廠址處實(shí)際觀測(cè)站，2007年全年所測(cè)得的10 m高處的風(fēng)速和風(fēng)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(fù)荷曲線確定的各月機(jī)組的滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)。

表1 2007年廠址氣象資料簡(jiǎn)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(duì)直接空冷系統(tǒng)與間接空冷系統(tǒng)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，經(jīng)優(yōu)化選型程序計(jì)算[5]，得出該電廠直接空冷和間接空冷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2.2.1 直接空冷系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

單臺(tái)機(jī)組直接空冷系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 1000 MW機(jī)組直接空冷系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)一塔設(shè)計(jì)，即6臺(tái)機(jī)組采用6個(gè)空冷塔，單臺(tái)機(jī)組間冷系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 1000 MW機(jī)組SCAL型間接空冷系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)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(jìn)行數(shù)模實(shí)驗(yàn)

2.3.1 直接空冷電廠模型

每2個(gè)機(jī)組汽機(jī)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(gè)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的計(jì)算域如圖1所示[6]。每2臺(tái)機(jī)組構(gòu)成1個(gè)獨(dú)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(dāng)?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(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，可分別獲得各月平均氣溫，各月主導(dǎo)風(fēng)、次主導(dǎo)風(fēng)向及其相對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速條件下，直接空冷凝汽器及間接空冷散熱器的迎面風(fēng)速及進(jìn)口空氣溫度。

2.4 年運(yùn)行背壓計(jì)算

2.4.1 直接空冷系統(tǒng)年運(yùn)行背壓計(jì)算

直接空冷系統(tǒng)的傳熱過(guò)程為蒸汽、空氣的能量守恒過(guò)程，凝汽器凝結(jié)溫度與凝汽器進(jìn)口空氣溫度、飽和蒸汽流量、凝汽器迎風(fēng)面面積、迎風(fēng)面風(fēng)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(guò)數(shù)模試驗(yàn)可以計(jì)算出全年不同風(fēng)向、不同風(fēng)速、不同氣溫條件下空冷凝汽器的迎面風(fēng)速及進(jìn)口空氣溫度，由凝結(jié)溫度公式計(jì)算得到空冷凝汽器的凝結(jié)溫度，進(jìn)而得到空冷凝汽器對(duì)應(yīng)的壓力，加上相應(yīng)的壓損得到機(jī)組背壓。經(jīng)過(guò)數(shù)模試驗(yàn)及理論計(jì)算可以得到直接空冷系統(tǒng)方案全年機(jī)組的運(yùn)行背壓，如表4所示。

2.4.2 間接空冷系統(tǒng)年運(yùn)行背壓計(jì)算

通過(guò)對(duì)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(jìn)口溫度、汽輪機(jī)排汽量確定的條件下，即可獲得汽輪機(jī)背壓。同樣，冷卻空氣流量受空冷塔結(jié)構(gòu)和環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的影響，而冷卻空氣進(jìn)口溫度與環(huán)境氣溫和風(fēng)速、風(fēng)向有關(guān)。通過(guò)數(shù)值模擬，可以得到不同工況、不同氣溫、不同風(fēng)向、風(fēng)力條件下的冷卻空氣流量以及空冷散熱器進(jìn)口溫度，最終獲得汽輪機(jī)背壓。經(jīng)過(guò)數(shù)模試驗(yàn)及理論計(jì)算可以得到間接空冷系統(tǒng)方案全年機(jī)組的運(yùn)行背壓，如表5所示。

2.5 全年煤耗計(jì)算

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

表4 不同風(fēng)速、風(fēng)向下直接空冷機(jī)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(jī)組背壓在各個(gè)月份不同風(fēng)向、風(fēng)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(jì)性比較

考慮系統(tǒng)初投資及年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，以及有關(guān)財(cái)務(wù)費(fèi)用，結(jié)合以上5個(gè)步驟得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

稅前上網(wǎng)電價(jià)：0.238元/（kW·h）；年利用小時(shí)數(shù)：5500 h；地價(jià)：85.4 元/m2；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行年限：20 年；標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)：350元/t；投資回收率：8%；維修費(fèi)用率：2.5%。

2種空冷系統(tǒng)的詳細(xì)經(jīng)濟(jì)性比較見(jiàn)表6。按照數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，間接空冷機(jī)組單位發(fā)電煤耗比直接空冷機(jī)組低3.18 g/（kW·h）。

從表2～4可以看出2臺(tái)1000 MW機(jī)組間接空冷系統(tǒng)的年總費(fèi)用比直接空冷低約307.68萬(wàn)元，其中年固定投資費(fèi)用間冷較直冷高約1177.8萬(wàn)元，年運(yùn)行費(fèi)用間冷較直冷低約1485.47萬(wàn)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(yán)寒地區(qū)，在間接空冷系統(tǒng)落實(shí)了可靠的防凍措施的情況下，結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(duì)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(yùn)行實(shí)踐所證明。

表6 2×1000 MW機(jī)組間接和直接空冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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(xì)的氣象條件為基礎(chǔ)，以空冷優(yōu)化程序?yàn)闂l件，以電網(wǎng)運(yùn)行模式為依據(jù)，計(jì)算出機(jī)組在詳細(xì)的氣象條件下全年運(yùn)行發(fā)電煤耗，具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性。

（3）建議對(duì)600 MW級(jí)、1000 MW級(jí)大型空冷電廠，在環(huán)境復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單判斷直接空冷或間接空冷的優(yōu)劣時(shí)，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(zhǔn)確。

[1]雷平和.1000 MW直接空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初探[J].現(xiàn)代電力，2008，25（S）：149-153.

[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.

[3]丁爾謀.發(fā)電廠空冷技術(shù)[M].北京：水利電力出版社，1992.

[4]嚴(yán)俊杰，張春雨，李秀云，等.直接空冷系統(tǒng)變工況特性的理論研究[J].熱能動(dòng)力工程，2000，15(6)：601-603.

[5]董韶峰閆金霞，任潔.發(fā)電廠直接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].能源與環(huán)境，2006（5）：117-120.

[6]楊立軍.內(nèi)蒙古克什克騰發(fā)電廠空冷系統(tǒng)數(shù)模實(shí)驗(yàn)研究[R].北京：華北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，2008.