1000MW火電機(jī)組主機(jī)直接空冷和間接空冷方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析

摘 要：本文結(jié)合華能段寨電廠（2X1000MW火電機(jī)組）主機(jī)冷卻采用機(jī)械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)ACC或表凝式間接空冷系統(tǒng)ISC（垂直布置）方式，并且對兩種主機(jī)冷卻方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析。

關(guān)鍵詞：1000MW火電機(jī)組；主機(jī)；ACC； ISC（垂直布置）；技術(shù)經(jīng)濟(jì)；分析

華能段寨電廠位于陜西省府谷縣城東北，離縣城直線距離約33km，黃河西岸的“凸”形臺地上，北、東、南三面臨黃河，西為其配套段寨、堯卯井田。電廠一期工程擬建設(shè)2×1000MW國產(chǎn)燃煤超超臨界發(fā)電機(jī)組，同步建設(shè)煙氣脫硫、脫硝設(shè)施。府谷縣屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，水資源相對匱乏，所以新建火電項(xiàng)目不宜采用濕冷機(jī)組，工程擬采用空冷機(jī)組。本文就本工程主機(jī)的機(jī)械通風(fēng)直接空冷（ACC）和表凝式間接空冷（ISC-垂直布置）兩種冷卻方案從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行分析研究。

1 工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

方案一：主機(jī)采用直接空冷系統(tǒng)。

方案二：主機(jī)采用表凝式間接空冷系統(tǒng)，每臺1000MW主機(jī)配一座自然通風(fēng)間冷塔。

根據(jù)氣象資料的統(tǒng)計(jì)，主要數(shù)據(jù)如下： 年平均設(shè)計(jì)氣溫：14.0℃；夏季設(shè)計(jì)氣溫：31.1℃。

2 直接空冷和間接空冷系統(tǒng)配置方案

2.1 機(jī)械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)配置

（1）本工程1×1000MW機(jī)組機(jī)械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)配置如下：

冷卻單元數(shù)量：每臺機(jī)組配10列冷卻單元組，每列由8個(gè)冷卻單元組成，每臺機(jī)組共計(jì)10×8=80個(gè)冷卻單元；空冷凝汽器總散熱面積：240萬m2；迎風(fēng)面風(fēng)速：2.1～2.2m/s；

空冷平臺高度：50m；每列空冷凝汽器頂部配汽管直徑：DN1600～DN3000m；每臺機(jī)組平面面積：11300～12100m2。

（2）風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)型式：每個(gè)冷卻段配一臺軸流風(fēng)機(jī)，變頻調(diào)速；風(fēng)機(jī)直徑：9.75m；空氣流量：520.7m3/s；風(fēng)機(jī)靜壓：102.6Pa；風(fēng)機(jī)功率：110kw；臺數(shù)：80臺；風(fēng)機(jī)電動機(jī)電壓：380V。

（3）通過計(jì)算，空冷系統(tǒng)主要參數(shù)擬定如下：

設(shè)計(jì)氣溫：15℃；設(shè)計(jì)背壓（汽輪機(jī)排汽裝置出口處）：～13kPa；夏季滿發(fā)氣溫：31.5℃；主機(jī)TRL工況設(shè)計(jì)背壓（汽輪機(jī)排汽裝置出口處）：33kPa。

（4）ACC空冷凝汽器

空冷凝汽器翅片管是空冷系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，有單排管和多排管。本工程按單排管配置。每臺汽輪機(jī)需配置80個(gè)空冷凝汽器冷卻單元，共分10組，每組8個(gè)單元，其中6個(gè)為順流空冷凝汽器，2個(gè)逆流空冷凝汽器。逆流凝汽器布置在順流凝汽器的中間。

2.2 表凝式間接空冷系統(tǒng)ISC（垂直布置）配置

（1）本工程1×1000MW機(jī)組表凝式間接空冷系統(tǒng)系統(tǒng)配置如下表2：

（2）循環(huán)水泵和循環(huán)水管

表面式凝汽器間接空冷系統(tǒng)的冷卻水量一般較濕冷系統(tǒng)低。循環(huán)水泵：ISC為閉式系統(tǒng)，單臺機(jī)組循環(huán)水量約為24.8～27.6m3/s。每臺機(jī)配4臺泵，相應(yīng)單臺泵流量為6.2～6.9m3/s。循環(huán)水泵采用立式泵方案。循環(huán)水管與同容量濕冷機(jī)組相似，循環(huán)水進(jìn)出水母管各一根，埋地敷設(shè)，管材采用焊接鋼管。

（3）凝汽器

ISC系統(tǒng)采用表面式凝汽器，因此該系統(tǒng)凝汽器布置也可參考濕冷機(jī)組。由于空冷塔的冷卻效果不如濕冷塔，因而前者冷卻塔出水溫度較高，同時(shí)因空冷塔投資費(fèi)用大，不宜采用增加空冷散熱器面積以降低冷卻塔出水溫度方法，選用相對較大的凝汽器面積，降低凝汽器端差是可以作為空冷塔出水溫度高的一種補(bǔ)償。

3 直接空冷系統(tǒng)與間接空冷系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3.1 技術(shù)比較

3.1.1 設(shè)備制造、供貨情況

直接空冷系統(tǒng)與間接空冷系統(tǒng)可以是國外技術(shù)國內(nèi)制造，也可以完全國產(chǎn)，它們在國內(nèi)應(yīng)用、制造、供貨已相當(dāng)成熟。

3.1.2 工程應(yīng)用業(yè)績

直接空冷系統(tǒng)與間接空冷系統(tǒng)從200MW～1000MW機(jī)組在國內(nèi)許多工程的應(yīng)用業(yè)績。

3.1.3 總平面布置

（1）采用直接空冷系統(tǒng)方案時(shí)，直接空冷器布置在汽機(jī)房A排外，且變壓器及其它設(shè)備間可布置在空冷凝汽器下面，廠區(qū)占地較少。

（2）采用間接空冷系統(tǒng)方案時(shí)，需要每臺機(jī)組配置大型自然通風(fēng)冷卻塔，由于冷卻塔的直徑較大，且2塔之間距需要留夠半個(gè)塔間距，故將增加廠區(qū)占地面積約12hm2。

（3）由于間冷方案間冷塔占地較大，相對于直接空冷方案，土方挖方量將增加38×104m3。

（4）間接空冷系統(tǒng)除每座冷卻塔占地外，每座塔之間須留有空間、主廠房A排外還要留出循環(huán)水管走廊。間冷方案中，垂直布置的表凝式間冷系統(tǒng)間冷塔內(nèi)可以布置煙塔合一，甚至脫硫系統(tǒng)的吸收塔、循環(huán)泵和氧化風(fēng)機(jī)等裝置也可布置在冷卻塔內(nèi)。

3.1.4 建筑結(jié)構(gòu)

（1）直接空冷系統(tǒng)

直接空冷系統(tǒng)平臺高度為50m，除結(jié)構(gòu)工程量和投資增加外，沒有很大技術(shù)難度。

（2）間接空冷系統(tǒng)冷卻塔結(jié)構(gòu)

①每臺主機(jī)配一座間冷塔。根據(jù)工藝熱力優(yōu)化的結(jié)果，主機(jī)表凝式間接空冷塔主要結(jié)構(gòu)尺寸如下：

塔高（地面以上）：195m；進(jìn)風(fēng)口高度：27m；零米底徑：185m；出口直徑：108m。

②目前國內(nèi)主要幾個(gè)電力設(shè)計(jì)院在超大型冷卻塔設(shè)計(jì)方面已取得了許多技術(shù)研究成果，并已經(jīng)多個(gè)工程超大型冷卻塔實(shí)際應(yīng)用。

③冷卻塔區(qū)域初步地基處理。根據(jù)廠址巖土地質(zhì)條件及總圖布置，廠區(qū)上部地層為第四系黃土，屬非重濕陷性黃土場地，濕陷等級為Ⅱ（中等）級。濕陷性黃土厚度變化較大，建筑物地基采用人工地基或樁基，按塔的重要性初擬地基處理方式。

按水工建（構(gòu)）筑物重要性，間冷塔高度大于100米，根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》，屬甲類建筑物，應(yīng)消除地基的全部濕陷性。

3.1.5 水質(zhì)控制和防腐

對于表凝式間接空冷系統(tǒng)，凝結(jié)水系統(tǒng)與濕冷機(jī)組的方案基本相同。由于熱力系統(tǒng)與冷卻水系統(tǒng)各自獨(dú)立，易于控制，且循環(huán)水的水質(zhì)好、熱力系統(tǒng)的水汽品質(zhì)易于保證。另外，表凝式間冷機(jī)組的循環(huán)冷卻水是二級除鹽水，冷卻水中含鹽量極低，且循環(huán)產(chǎn)生的雜質(zhì)主要是少量的金屬產(chǎn)物，如凝汽器發(fā)生泄漏，漏入凝結(jié)水的雜質(zhì)很容易通過凝結(jié)水精處理系統(tǒng)除掉。

對于直接空冷系統(tǒng)，由于有龐大的空冷器，產(chǎn)生大量的腐蝕物質(zhì)，造成凝結(jié)水含鐵量高，使得凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的除鐵負(fù)擔(dān)大，而且凝結(jié)水溫度高，導(dǎo)致對離子交換樹脂的熱穩(wěn)定性要求高，特別是陰樹脂，對其使用壽命影響較大。

故從水化學(xué)工況控制和凝結(jié)水精處理設(shè)置方面考慮，采用表凝式間接空冷系統(tǒng)較好。

3.1.6 環(huán)境氣象條件影響

環(huán)境風(fēng)和對流氣象條件對直接空冷系統(tǒng)ACC的影響已在投運(yùn)電廠中得到驗(yàn)證，這主要是由于環(huán)境風(fēng)和突變對流氣象條件對風(fēng)機(jī)出力有影響并產(chǎn)生熱風(fēng)回流；環(huán)境風(fēng)對間接空冷系統(tǒng)影響稍小，主要是對冷卻塔進(jìn)、出風(fēng)阻力有影響，間冷系統(tǒng)基本不存在熱風(fēng)回流問題。

環(huán)境風(fēng)和對流氣象條件相同的情況下，間接空冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好于直接空冷系統(tǒng)。

3.1.7 防凍性能及控制

根據(jù)氣象資料，廠址歷年最冷月平均氣溫為-8.1℃，多年平均氣溫為9.2℃，極端最低氣溫為-24.3℃，屬于寒冷地區(qū)，因此空冷系統(tǒng)的防凍問題比較重要。

（1）機(jī)械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，百萬空冷風(fēng)機(jī)臺數(shù)多，可以通過調(diào)節(jié)運(yùn)行風(fēng)機(jī)臺數(shù)、關(guān)斷部分配汽管等多種方式靈活調(diào)節(jié)解決防凍問題，國內(nèi)對此系統(tǒng)已積累豐富的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

（2）間接空冷系統(tǒng)：需要通過切斷部分冷卻單元、依靠控制百葉窗的開啟度來調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行防凍控制，控制較為繁瑣。

3.1.8 噪音

間接空冷系統(tǒng)噪音較低，一般能滿足環(huán)保要求；而直接空冷系統(tǒng)由于采用了大量的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)群運(yùn)行產(chǎn)生的噪音，可能在電廠廠界部分區(qū)域存在噪音超過環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的問題，但這可通過一系列防噪措施來解決，如采用普通低噪音低轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)、設(shè)虛擬廠界等。

3.1.9 散熱器臟污影響和清洗性能

（1）直接空冷ACC系統(tǒng)布置在50m高的平臺上，沉積在散熱器表面的臟污主要來自空氣中的粉塵和少量飛揚(yáng)絮狀物，根據(jù)空氣質(zhì)量和季節(jié)情況一般3～6月沖洗一次。

（2）垂直布置的間冷散熱器，在塔外從距地面1.0～2.0m高度垂直布置，因此臟污來源除了空氣中的粉塵和少量飛揚(yáng)絮狀物、還會截留地面因風(fēng)吹起的塵土和雜物，臟污影響程度較大，需根據(jù)空氣質(zhì)量和環(huán)境條件決定沖洗次數(shù)。

3.2 經(jīng)濟(jì)比較

3.2.1 投資費(fèi)用比較

3.2.2 運(yùn)行費(fèi)用比較

3.2.2.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)備耗電量比較

x

3.2.2.2 年煤耗比較

3.2.3 綜合費(fèi)用比較

4 結(jié)論

通過對該工程機(jī)械通風(fēng)直接空冷和表凝式間接空冷系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、比較，表凝式間冷系統(tǒng)的投資比直接空冷系統(tǒng)增加～12488萬元，年運(yùn)行費(fèi)用減少1139.1萬元。按現(xiàn)行年貸款利率5.94%計(jì)算，若本工程采用間接空冷系統(tǒng)，需要約18年可收回成本，回收周期長。故通過以上對空冷系統(tǒng)型式的綜合技術(shù)分析比較，建議本工程采用機(jī)械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)。

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作者簡介： 蔣大文（1970，10-），工程師，主要從事火電廠工程技術(shù)管理工作。身份證號：620423197010053514