直接空冷系統(tǒng)初始溫差值的優(yōu)化設(shè)計(jì)

雷振寰，劉齊壽，謝一民，魏 凱

（ 1.華北電力大學(xué)(保定)河北 保定 071003;2.西安交通大學(xué) 西安;3.唐山三友熱電有限公司河北唐山）

0 引言

隨著我國(guó)十二五計(jì)劃的開展，電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的深入的改革與發(fā)展，節(jié)水已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要實(shí)施內(nèi)容之一。作為節(jié)水新途徑之一的空冷技術(shù)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已經(jīng)表現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展?jié)摿ΑＭ瑫r(shí)直接空冷系統(tǒng)以其節(jié)水多，設(shè)備少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，空氣量調(diào)節(jié)靈活，防凍性能好優(yōu)于間接空冷系統(tǒng)，成為空冷技術(shù)發(fā)展的必然方向［1］。

初始溫差值ITD是空冷系統(tǒng)最主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，ITD值的合理選取能夠使空冷系統(tǒng)初投資與空冷機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用之間獲得合理匹配，對(duì)提高直接空冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有著重大意義。

1.1 ITD 的含義

直接空冷凝汽器的初始換熱溫差I(lǐng)TD(Initial Temperature Difference)是指汽輪機(jī)排汽飽和溫度與進(jìn)入空冷凝汽器的空氣溫度之差。當(dāng)設(shè)計(jì)環(huán)境空氣溫度確定后，汽輪機(jī)排汽飽和溫度tc取決于ITD值得大小。由于壓力pc是溫度tc的單值函數(shù)，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，當(dāng)選定ITD值時(shí)，汽輪機(jī)背壓pc也就確定了，從而汽輪機(jī)的出力和需排放的熱量也就確定。因此ITD值涉及到機(jī)組發(fā)電量和空冷凝汽器面積的大小。

ITD是空冷系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，反映了空冷系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)系。ITD值高，空冷凝汽器可利用的傳熱溫差大，所需散熱面積可減少，即空冷系統(tǒng)投資減少，但汽輪機(jī)熱效率降低，機(jī)組煤耗增多，運(yùn)行費(fèi)用上升;ITD值低，相應(yīng)地散熱面積增加，投資費(fèi)用上升，但汽輪機(jī)熱效率提高，機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用減少。所以，ITD值的選擇要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)確定［2］。

1.2 直接空冷系統(tǒng)傳熱計(jì)算理論［3］

空冷凝汽器傳熱過(guò)程是將汽輪機(jī)的排汽熱量Qt(kW)，在管內(nèi)通過(guò)翅片管和管外空氣交換熱量，即成為管外空氣的吸熱量Qa(kW)，通過(guò)熱力學(xué)的傳熱理論也可求出交換的熱量Q(kW):汽輪機(jī)尾部參數(shù)可根據(jù)制造廠家數(shù)據(jù)，采用多項(xiàng)式分段擬合。

在(1)，(2)，(3)式中:

Dt—汽輪機(jī)排熱量，kg/s;

hs，hw—分別為排汽溫度下地排汽焓和凝結(jié)水焓，kJ/kg;

AF—空冷器的迎風(fēng)面積，m2;

VF—空冷器的迎面風(fēng)速，m/s

ρa(bǔ)—入口空氣密度，kg/m3;

cpa—入口空氣質(zhì)量熱容，kJ/(kg*℃);

ta2—空冷器出口空氣溫度，℃;

tal—空冷器入口空氣溫度，℃;

K—空冷凝汽器的總傳熱系數(shù)，W/(m2*K);

A—空冷凝汽器的總換熱面積，m2;

Δtm—傳熱平均溫差;

傳熱單元數(shù):

散熱器效率η:

1.3 選取ITD值時(shí)目標(biāo)函數(shù)的確定［4］

直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化采用年費(fèi)用最小法，其方法是計(jì)算這個(gè)工程多種可能實(shí)施方案的一次性投資，以及在經(jīng)濟(jì)服務(wù)年限內(nèi)逐年支付的運(yùn)行費(fèi)用;然后按動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)規(guī)律將投資與運(yùn)行費(fèi)用換算到指定年，再在經(jīng)濟(jì)服務(wù)年內(nèi)等額均攤，最后比較各方案的年總費(fèi)用，選擇年最小費(fèi)用的方案為最佳方案。因此，選取空冷系統(tǒng)的年總費(fèi)用作為尋優(yōu)過(guò)程的目標(biāo)函數(shù)。預(yù)先假定不同的ITD值和迎面風(fēng)速，以計(jì)算出的年總費(fèi)用最小值對(duì)應(yīng)的ITD值為最佳ITD。

優(yōu)化計(jì)算中只計(jì)及隨優(yōu)化參數(shù)變化的項(xiàng)目，并且本文只討論與優(yōu)化參數(shù)有關(guān)的主要項(xiàng)目，而忽略次要項(xiàng)目，從而得到空冷系統(tǒng)最小年費(fèi)用，用公式表示如下:

式中:

F—空冷機(jī)組的年總費(fèi)用，萬(wàn)元/y，F(xiàn)KL—空冷凝汽器總投資，萬(wàn)元，ξ—年固定分?jǐn)偮剩?r1+r2+r3，r1為折舊率，r2為設(shè)備大修費(fèi)用率，r3為投資理論率，，i為投資理論率率，n為電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行年限，F(xiàn)RL—空冷機(jī)組燃料年消耗費(fèi)用，萬(wàn)元，F(xiàn)FJ—風(fēng)機(jī)年運(yùn)行費(fèi)用，萬(wàn)元。

1.4 求解目標(biāo)函數(shù)

1.4.1 空冷凝汽器總投資FKL的計(jì)算

空冷凝汽器總投資等于空冷所需換熱面積乘以單位造價(jià)。

已知汽輪機(jī)的排熱量，排汽壓力，凝結(jié)水溫，機(jī)組當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)氣溫，大氣壓力，翅片管的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及一定風(fēng)速下翅片管的傳熱系數(shù)。

空冷所需換熱面積計(jì)算公式參照1.2小節(jié)。

計(jì)算步驟為:計(jì)算該空冷凝汽器的傳熱單元數(shù);計(jì)算散熱器效能;計(jì)算空氣溫升;計(jì)算空冷凝汽器總得迎風(fēng)面積;計(jì)算空冷凝汽器總得光管面積;計(jì)算空冷凝汽器總得傳熱外表面面積;取整計(jì)算空冷凝汽器的單元組數(shù)N;取整后重新計(jì)算空冷凝汽器總得傳熱外表面積。

1.4.2 空冷機(jī)組燃料年消耗費(fèi)用FRL的計(jì)算空冷機(jī)組年煤耗量:

在上式中，Nm—年煤耗量，kg;Wt—汽輪機(jī)功率，kW;qn—熱耗值，kJ/kWh;Yh—年利用小時(shí)數(shù)，h;ηb、ηt—分別為鍋爐效率和管道效率;Cm—標(biāo)煤發(fā)熱量，kJ;FRL=Nm×Jm。

式中:Jm—標(biāo)煤價(jià)格，元/噸

1.4.3 風(fēng)機(jī)年運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算

直接空冷系統(tǒng)中，由8個(gè)散熱片組成一個(gè)空冷凝汽器，再配以一臺(tái)風(fēng)機(jī)組成空冷凝汽器的一個(gè)單元組。由1.4.1節(jié)知有N臺(tái)風(fēng)機(jī)，則風(fēng)機(jī)總耗功為:

式中:N'FJ—單個(gè)風(fēng)機(jī)的效率，kW;hd—電動(dòng)機(jī)效率。

式中:Ce—發(fā)電成本。

2 優(yōu)化分析

按照所建立的優(yōu)化模型，對(duì)600 MW直接空冷機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化分析，主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:設(shè)計(jì)氣溫17℃，設(shè)計(jì)排汽量349.39 kg/s，年利用小時(shí)數(shù)6000 h。兩個(gè)設(shè)計(jì)變量取值范圍為:ITD值取25℃ －41℃之間的值，迎面風(fēng)速在0.5 m/s到4.5m/s范圍內(nèi)變動(dòng)，得到的年度費(fèi)用曲線圖2.1－2.2。

表1 不同迎面風(fēng)速和ITD值下的年總費(fèi)用

表2 600 MW直接空冷凝汽器優(yōu)化計(jì)算結(jié)果(VF=2.3 m/s)

從圖2.1可以得出在一定ITD的情況下，年總費(fèi)用是隨著迎面風(fēng)速增加而降低的，這是因?yàn)樵黾佑骘L(fēng)速而增加的風(fēng)機(jī)運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)沒(méi)有減少的燃料費(fèi)用多?，F(xiàn)實(shí)中，空冷凝汽器迎風(fēng)風(fēng)速大小主要取決于環(huán)境對(duì)電廠噪聲的要求，所以在滿足噪聲要求的情況下，迎面風(fēng)速越大，年總費(fèi)用越低，在本600 MW直接空冷凝汽器實(shí)例中，根據(jù)當(dāng)?shù)卦肼曇蟮葦?shù)據(jù)，最大迎面風(fēng)速取2.3 m/s。

從圖2.2可以得到在一定迎面風(fēng)速情況下，年總費(fèi)用隨著ITD值增大而先減小后增大。這是因?yàn)殡S著ITD的提高，一方面使得換熱面積減小導(dǎo)致初投資費(fèi)用減小，另一方面使得風(fēng)機(jī)耗功的增加導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用的增加，所以在迎面風(fēng)速確定后，需要通過(guò)計(jì)算得到最小年總費(fèi)用，該最小年總費(fèi)用對(duì)應(yīng)的ITD為最佳設(shè)計(jì)ITD值。

在該600 MW直接空冷凝汽器優(yōu)化結(jié)果中，最小年總費(fèi)用19880.3萬(wàn)元對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量ITD值為38℃，迎面風(fēng)速為2.3 m/s。

3 結(jié)論

(1)文中根據(jù)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)分析的年總費(fèi)用最小法確定了直接空冷系統(tǒng)ITD優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)及計(jì)算方法，考慮了多種經(jīng)濟(jì)因素，并建立優(yōu)化模型，對(duì)某600 MW直接空冷機(jī)組運(yùn)用此優(yōu)化模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)取得了合理優(yōu)化結(jié)果，結(jié)果證明該方法具有實(shí)際意義。

(2)年總費(fèi)用隨著迎面風(fēng)速增大下降較快，所以迎面風(fēng)速應(yīng)選擇滿足當(dāng)?shù)卦肼曇笄闆r下的最大迎面風(fēng)速。

(3)在最佳ITD附近的ITD值對(duì)應(yīng)的年總費(fèi)用與最小年總費(fèi)用相比，變化并不是很大。所以在考慮實(shí)際需要情況下，可以調(diào)整選擇最佳ITD值，如強(qiáng)調(diào)多發(fā)電時(shí)，ITD值可以取小些;強(qiáng)調(diào)少投資，ITD值可定得大點(diǎn)。總之，最佳ITD值要理論與實(shí)際綜合考慮，選定一個(gè)適合具體工程的值。

［1］趙之東，楊豐利.直接空冷凝汽器的發(fā)展和現(xiàn)狀［J］.華北電力技術(shù)，2004(5):44－50.

［2］付玉玲，胡三高，徐鴻.直接空冷系統(tǒng)初始溫差值的優(yōu)化分析［J］.動(dòng)力工程，2006，26(3):403 －406.

［3］丁爾謀.發(fā)電廠空冷技術(shù)［M］.北京:水力水電出版社，1992.

［4］付玉玲.火電廠空冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析與ITD值優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.華北電力大學(xué)(北京)，2006.