電站空冷系統(tǒng)適宜性分析及型式選擇

張新海

(山西省電力勘測設(shè)計院,山西太原 030001)

根據(jù)國家節(jié)水政策,在富煤缺水地區(qū) (干旱指數(shù)大于1.5)建設(shè)火電站時,宜采用空冷系統(tǒng)。干旱指數(shù)是指某地區(qū)年蒸發(fā)能力與降雨量的比值,干旱指數(shù)在 1～3范圍內(nèi)屬于半濕潤區(qū)。我國超過60%以上國土面積的干旱指數(shù)大于1.5,電站空冷機組目前主要集中在高干旱指數(shù)的缺水富煤的 “三北”地區(qū)。地方政府包括環(huán)保部門對廠址附近有特殊要求時,也可考慮采用空冷系統(tǒng)[1]。某些地區(qū)有經(jīng)濟的水源,但基于對水資源的長期規(guī)劃而限制使用或環(huán)保部門有特殊要求,比如采用海水 (河水)直流冷卻會對水體造成熱污染時,或周圍不能長期有濕冷塔的水霧漂滴時,等等,則可以采用空冷系統(tǒng)解決。如:比利時BRUGGE電廠,緊鄰河水,為防治對水體熱污染,采用了空冷系統(tǒng)。另外,當老廠擴建、水資源困難時,也可采用空冷系統(tǒng)。

1 總體環(huán)境條件

采用空冷系統(tǒng)應(yīng)有 “適當?shù)沫h(huán)境條件”,即氣溫、風速等氣象條件和空氣質(zhì)量條件應(yīng)適合建設(shè)空冷電站。世界上采用空冷系統(tǒng)的已投運電廠,環(huán)境氣溫為-52～+50℃之間,如巴林的阿爾巴(ALBA)2×900 MW聯(lián)合電廠,其極端最高氣溫高達50℃;而俄羅斯比利比諾 (Bilibino)4×12 MW核電站,其極端最低氣溫達-52℃。環(huán)境風速最大值為36 m/s(如美國 1×365 MW 的WYODAK電站),其年平均風速3.5 m/s;國內(nèi)有些在建電廠環(huán)境風速最大值達到40 m/s(如吉林某2×600 MW 電廠),其年平均風速為3.8 m/s;甚至有些電廠年平均風速超過 4 m/s(如新疆某2×600 MW電廠)。這些電站特殊的氣象條件對空冷系統(tǒng)的運行是不利的,并不是最適宜采用空冷系統(tǒng)的,但因有實際工程作依托,可以將其作為適當條件的極限值,但應(yīng)進行必要的重點專題研究,采取保證機組安全運行的措施。此外,擬建廠址處還應(yīng)避開諸如水泥廠、石灰廠等嚴重工業(yè)腐蝕性粉塵區(qū)域。

2 空冷系統(tǒng)型式適宜的工程技術(shù)條件

2.1 直接空冷及間接空冷系統(tǒng)

在項目確定采用空冷系統(tǒng)后,應(yīng)根據(jù)總圖布置條件,廠址處氣溫、風向、風速等氣象條件,環(huán)境噪音要求等,結(jié)合每種空冷系統(tǒng)的特點,經(jīng)充分論證后,合理選擇空冷系統(tǒng)工藝型式。一般選擇原則如下。

a)氣溫條件。在嚴寒地區(qū),宜優(yōu)先考慮采用直接空冷系統(tǒng),嚴寒地區(qū)是指多年最冷月平均氣溫低于-10℃的地區(qū)。經(jīng)綜合比較后,如確需采用間接空冷系統(tǒng),特別是極其寒冷地區(qū),需重點研究防凍措施。

b)風場、風速條件。在風場流態(tài)較穩(wěn)定的地區(qū),宜采用直接空冷系統(tǒng);當主導風向不明顯或風向?qū)χ苯涌绽淇傮w布置極不合理時,宜采用間接空冷系統(tǒng)。當環(huán)境風速較大時,兩種空冷型式均可采用。由于基本風壓較大,間冷塔的投資會較大,須與直接空冷系統(tǒng)采取防風措施的投資比較后確定空冷系統(tǒng)型式,一般情況下,由于間接空冷系統(tǒng)受風的影響比直接空冷系統(tǒng)相對要小,建議優(yōu)先考慮間接空冷系統(tǒng)。風場穩(wěn)定是指多年全年或夏季的主導風向明顯且頻率較高,單從風向資料因素考慮是非常適宜采用直接空冷的,但這并不意味著不能采用間接空冷系統(tǒng),還需結(jié)合其他條件綜合分析。

c)場地條件。受電廠場地條件限制、無法布置較大的間冷塔時,宜采用直接空冷系統(tǒng)。當只能采用直接空冷系統(tǒng)時,若風向、風速對空冷系統(tǒng)影響較大時,需重點研究防治環(huán)境風的措施。

d)噪音條件。受周圍環(huán)境條件限制 (如距離居民區(qū)較近),噪音標準要求很高,如采用直接空冷系統(tǒng)降噪措施造價較高、經(jīng)濟上不合理時或者根本無法滿足要求時,應(yīng)采用間接空冷系統(tǒng)。

e)燃煤價格條件。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較,燃煤價格高于直冷、間冷經(jīng)濟性相當?shù)呐R界煤價時,宜采用間接空冷系統(tǒng)。

f)機組夏季安全運行條件。由于直接空冷受環(huán)境風影響比間接空冷大,大風高溫時負荷波動較大且有可能造成機組跳閘,業(yè)主對項目今后機組夏季運行的安全性要求嚴格的宜優(yōu)先采用間接空冷系統(tǒng)。

g)電站建設(shè)急緩條件。間接空冷系統(tǒng)由于大型冷卻塔施工周期較長,如果項目為滿足盡快解決缺電局面,要求機組建設(shè)速度較快的宜優(yōu)先采用直接空冷系統(tǒng)。

以上a)～g)條僅是空冷系統(tǒng)型式選擇中對某種空冷系統(tǒng)更適宜的一項因素,不能孤立地認為滿足其一即可確定空冷系統(tǒng)的型式。值得指出的是:間接空冷系統(tǒng)也會受到環(huán)境風的影響,夏季有時會非常嚴重,比如大同二電廠根據(jù)實測資料[2],當環(huán)境風為14 m/s時,循環(huán)冷卻水回水的溫升升高了14℃。由于間冷塔較高,不存在熱回流這一因素,且間冷塔是圓形建筑物,對風向要求沒有直接空冷嚴格,另外風對間冷系統(tǒng)的影響有延緩現(xiàn)象,不像直接空冷那么敏感。

2.2 表凝式間接空冷與混凝式間接空冷系統(tǒng)

a)老廠機組改造。對于老廠濕冷機組改造為空冷機組的,受汽機房條件限制及考慮改造的難易性,宜采用表凝式間接空冷系統(tǒng)。

b)核電機組。如核電機組采用空冷系統(tǒng),出于對機組運行安全性以及增加防止核泄漏的多重措施考慮,應(yīng)采用表凝式間接空冷系統(tǒng)[3]。

c)常規(guī)空冷機組。可采用表凝式間接空冷系統(tǒng),也可采用混凝式間接空冷系統(tǒng)。從經(jīng)濟性考慮,宜優(yōu)先考慮采用混凝式間接空冷系統(tǒng),從運行及系統(tǒng)簡單性考慮,優(yōu)先考慮采用表凝式間接空冷系統(tǒng)。

2.3 間接空冷系統(tǒng)散熱器布置型式

[4]進行選擇。

2.4 汽輪機小汽機排汽及輔機冷卻水系統(tǒng)

a)當直接空冷機組采用汽動給水泵且小汽機排汽冷卻設(shè)置單獨空冷系統(tǒng)時,單獨設(shè)置自然通風冷卻塔塔型極不合理,宜采用單元制的兩機一塔表凝式間接空冷系統(tǒng),機組較小時可考慮采用機力通風冷卻方式。

b)當輔機冷卻水系統(tǒng)采用空冷系統(tǒng)時,由于對水溫有限制且水量相對較小,宜采用機力通風間接空冷系統(tǒng)加夏季水噴霧系統(tǒng)。該系統(tǒng)在國外已經(jīng)廣泛采用,國內(nèi)目前已有項目實施,采用這種方式可進一步節(jié)約電廠用水。

c)當間接空冷機組采用汽動給水泵時,汽動給水泵排汽冷卻系統(tǒng)宜與主機冷卻系統(tǒng)合并。

3 空冷系統(tǒng)型式選擇的經(jīng)濟條件

在進行直接空冷和間接空冷型式選擇時,不僅需考慮上述各種條件,還需進行經(jīng)濟比較與分析。它并不是用一個簡單的數(shù)據(jù)能說明間接空冷系統(tǒng)比直接空冷能省幾克煤、造價高多少的問題。在某項目采用兩種空冷系統(tǒng)型式的技術(shù)條件均基本滿足時,比較的前提條件不同,經(jīng)濟指標不同。主要有以下幾類。

a)業(yè)主無任何特殊要求,僅要求項目的空冷系統(tǒng)方案最經(jīng)濟。此時,需進行間接空冷多個背壓、多種塔型優(yōu)化 (即迎面風速),直接空冷多個背壓、多種迎面風速優(yōu)化,最終在直接空冷、間接空冷所有方案中選取最經(jīng)濟可行的方案即可。經(jīng)濟性包括一次投資和年運行費用。此時用最經(jīng)濟的間接空冷系統(tǒng)方案對照最經(jīng)濟的直接空冷系統(tǒng)方案,可以得出業(yè)主所關(guān)注的背壓、投資、煤耗、電耗等差值數(shù)據(jù)。在此過程中,影響方案經(jīng)濟性的關(guān)健因素是煤價,當煤價高到一定程度時,直接空冷與間接空冷最優(yōu)方案經(jīng)濟性相同,若高于此煤價,則間接空冷經(jīng)濟。

b)采取直接空冷和間接空冷一樣的設(shè)計背壓,來比較其初投資差異和煤耗?？傮w結(jié)果是:混凝式間接空冷系統(tǒng)比直接空冷投資高5%～10%[5],表凝式間接空冷系統(tǒng)比直接空冷系統(tǒng)高約15%～20%。機組越小差值越大,這時由于小機組間接空冷迎面風速較低、大機組迎面風速較高,而直接空冷系統(tǒng)無論大小機組迎面風速變化不大,迎面風速每減小0.1 m/s,空冷系統(tǒng)投資在原基礎(chǔ)上增加約1%～2%,直接空冷風機電耗減少約 5%～7%。理論上,設(shè)計背壓一樣,設(shè)計煤耗也應(yīng)一樣,但由于直接空冷、間接空冷受環(huán)境風影響的程度不同,實際運行中,兩者加權(quán)平均煤耗折合到全年利用小時中,直接空冷比間接空冷的煤耗高 0.4～0.6 g/(kW ?h)。[6,7]

c)采用間接空冷的設(shè)計背壓比直接空冷設(shè)計背壓低幾個kPa,來比較其初投資差異、煤耗、電耗等。由于兩者設(shè)計背壓不同,即ITD值不同,一般,ITD值每減小1℃,投資增加約2.5%～3.5%,低背壓時差值大。背壓每降低1 kPa,煤耗降低約0.8～1.1 g/(kW?h),低背壓時差值小。

d)采用直接空冷和采用間接空冷的初投資一樣,確定系統(tǒng)的規(guī)模和參數(shù) (如設(shè)計背壓、散熱器面積等),最終比較其運行經(jīng)濟性 (如煤耗、電耗等)。混凝式間接空冷設(shè)計背壓需要比直接空冷高0.75～1.5 kPa(低設(shè)計背壓時)和1.5～3 kPa(高設(shè)計背壓時),大機組差值小,煤耗相應(yīng)將比直接空冷高 0.1～0.7 g/(kW?h)和 1.1～2.8 g/(kW?h)。表凝式間接空冷設(shè)計背壓需要比直接空冷高2.2～3.0 kPa(低設(shè)計背壓時)和4～5 kPa(高設(shè)計背壓時),大機組差值小,煤耗相應(yīng)將比直接空冷高 1.3～2 g/(kW?h)和 3.5～4.5 g/(kW?h)。

e)采取直接空冷和間接空冷的煤耗、電耗一樣,來比較其初投資差異。即先確定直接空冷系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù) (如背壓)以及系統(tǒng)配置等數(shù)據(jù),然后取間接空冷的設(shè)計背壓高于直接空冷的0.5 kPa,進行兩種系統(tǒng)投資比較,此時,間接空冷系統(tǒng)比直冷系統(tǒng)的投資比本節(jié)b)中約減少1.7%～3%,低設(shè)計背壓時差值大。

4 結(jié)論

通過上述分析,電站空冷系統(tǒng)適宜性涉及到國家政策、水源、煤炭、自然環(huán)境等。而系統(tǒng)型式的選擇,在基本適宜性條件的基礎(chǔ)上,還需結(jié)合場地條件、環(huán)保要求、機組安全運行要求、機組類型、電力負荷需求、燃煤價格、基建投資、經(jīng)濟比較等諸多工程條件進行綜合性分析后,合理進行選擇確定?？傊?各種空冷系統(tǒng)型式均是成熟的技術(shù),應(yīng)根據(jù)不同的項目條件,理性選擇系統(tǒng)型式。

參考文獻:

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[3] 張新海,李潤森,李勤明,等.空冷技術(shù)在百萬級核電機組上應(yīng)用研究 [R].太原:山西省電力勘測設(shè)計院,2009.

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