坑口電站主機(jī)冷卻系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案比選

王生龍，王江懿，張樹芳，牛玉法，王軍，陳宇奇

（1.新疆天富電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000；2.北京提睿投資管理有限公司，北京 100080；3.美國能源方案策劃公司，美國 田納西 37075）

坑口電站主機(jī)冷卻系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案比選

王生龍1，王江懿2，張樹芳2，牛玉法1，王軍1，陳宇奇3

（1.新疆天富電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000；2.北京提睿投資管理有限公司，北京 100080；3.美國能源方案策劃公司，美國 田納西 37075）

應(yīng)用國民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法，對(duì)某坑口電站水庫混合供水（直流供水和再循環(huán)水冷系統(tǒng)）冷卻方案和冷卻塔二次循環(huán)冷卻方案進(jìn)行差額投資國民經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率比較，得出水庫混合供水方案優(yōu)于冷卻塔二次循環(huán)冷卻方案的結(jié)論。該方案的技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性在于：高緯度、山麓水庫水溫較低，末級(jí)長葉片汽輪機(jī)背壓較低，機(jī)組朗肯循環(huán)效率高；可最大限度減少水資源蒸發(fā)損失，節(jié)水效益突出；解決了水庫冬季融冰難題，并符合水庫“溫排”標(biāo)準(zhǔn)；項(xiàng)目規(guī)模大，社會(huì)效益貢獻(xiàn)突出；煤礦、火電、水電、水庫項(xiàng)目一體化集約優(yōu)勢相得益彰，綜合開發(fā)效益顯著，發(fā)電成本較低；是直流供水冷卻系統(tǒng)在干旱地區(qū)的創(chuàng)新應(yīng)用。

坑口電站；直流供水；混合供水；經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)；差額投資內(nèi)部收益率

0 引言

坑口電站主機(jī)冷卻系統(tǒng)一般由火電機(jī)組汽輪機(jī)排汽裝置、凝汽器裝置、循環(huán)水供水設(shè)備及抽真空設(shè)備等組成。以凝汽器為核心，冷卻系統(tǒng)構(gòu)成了電站熱力系統(tǒng)的“冷端”，冷端優(yōu)化和當(dāng)?shù)氐乩?、水文、氣象狀態(tài)參數(shù)直接有關(guān)。凝汽器設(shè)備內(nèi)部冷卻水或冷卻空氣起著冷源的作用，與當(dāng)?shù)厮?、氣象狀態(tài)參數(shù)一起控制著汽輪機(jī)排汽終參數(shù)。

眾所周知，提高汽輪機(jī)進(jìn)汽初參數(shù)、增加汽輪機(jī)回?zé)峒?jí)數(shù)和降低汽輪機(jī)排汽終參數(shù)，是火電機(jī)組提高朗肯循環(huán)效率的重要措施，也是當(dāng)今火電機(jī)組技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性發(fā)展的主要方向。提高火電機(jī)組進(jìn)汽初參數(shù)，受到耐熱金屬材料技術(shù)條件的限制；增加汽輪機(jī)回?zé)峒?jí)數(shù)，受到汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)的限制。在汽輪機(jī)進(jìn)汽初參數(shù)和回?zé)峒?jí)數(shù)方面，中國與世界先進(jìn)機(jī)組的差別不大。降低汽輪機(jī)排汽終參數(shù)（冷端優(yōu)化），其工藝技術(shù)的限制程度低于提高火電機(jī)組進(jìn)汽參數(shù)的難度。資料顯示，中國與世界先進(jìn)火電機(jī)組汽輪機(jī)的終參數(shù)（背壓值）相差一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)［1］。由此可見，在汽輪機(jī)冷端優(yōu)化研究方面，特別是在利用我國北方地區(qū)自然水溫較低優(yōu)勢推廣應(yīng)用長葉片汽輪機(jī)、提高火電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性方面，中國火電廠項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和規(guī)劃建設(shè)是薄弱環(huán)節(jié)［2］。汽輪機(jī)冷端優(yōu)化工作主要涉及項(xiàng)目建設(shè)單位、電力設(shè)計(jì)院和汽輪機(jī)制造廠3家單位，受到各方利益的影響，冷端優(yōu)化工作復(fù)雜且難以協(xié)調(diào)［3］；同時(shí)，“冷端損失”也是火電機(jī)組運(yùn)行中節(jié)能減排重點(diǎn)控制的指標(biāo)［4-6］。

1 電站概況

新疆某大型水電、煤電一體化電源基地（以下簡稱電源基地）主要由水利水電樞紐工程（含水庫）、煤礦以及選煤廣場、大型煤電一體化坑口電站、煤矸石坑口電站、瓦斯發(fā)電機(jī)組、抽水蓄能發(fā)電站、太陽能與燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電站、粉煤灰綜合利用項(xiàng)目和輔助生產(chǎn)生活項(xiàng)目等組成，規(guī)劃最終裝機(jī)容量13 200MW，其中大型坑口電站裝機(jī)8000MW，由8臺(tái)單機(jī)1000MW的超超臨界火電機(jī)組組成，規(guī)劃2017年至2032年分期建設(shè)和投產(chǎn)。電源基地內(nèi)規(guī)劃的各個(gè)項(xiàng)目均布置在以水利水電樞紐水庫工程為中心，半徑2 km的范圍內(nèi)；某省道、新疆北疆境內(nèi)最大的某內(nèi)陸河在其中穿越。

電源基地周邊半徑100 km范圍內(nèi)，煤礦探明開采儲(chǔ)量39.76億 t［7］，目前設(shè)計(jì)規(guī)劃年原煤產(chǎn)量2560萬t，項(xiàng)目周邊煤礦探明開采儲(chǔ)量可滿足電源基地火電機(jī)組最終規(guī)模年耗煤2 000萬t 200年的需求［8］。正在試運(yùn)行的水庫大壩高129.4m，庫容1.88億m3，年平均徑流水庫的流量為12.7億m3，可以滿足8×1000MW坑口電站年耗水2016萬m3的需要［8］。電源基地煤炭、水資源、氣象、交通、土地、光熱、特高壓電力網(wǎng)接入系統(tǒng)等資源和地理優(yōu)勢相得益彰，為在干旱地區(qū)創(chuàng)新規(guī)劃建設(shè)大型坑口電站火電機(jī)組直流供水冷卻系統(tǒng)提供了前提。

國家電力能源政策和方針是：“鼓勵(lì)建設(shè)坑口電站，優(yōu)先發(fā)展煤、電一體化項(xiàng)目，優(yōu)先發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和資源綜合利用項(xiàng)目”［9］，“穩(wěn)步推進(jìn)大型煤電基地建設(shè)”［10-11］。

2 坑口電站主機(jī)冷卻系統(tǒng)

坑口電站主機(jī)冷卻方式可分為直流冷卻（直流供水）和循環(huán)供水二次冷卻兩大類別；從冷卻介質(zhì)上又分水濕式冷卻（以下簡稱濕冷）和空氣冷卻（以下簡稱空冷）。其中，空冷機(jī)組實(shí)質(zhì)上是用增加全廠供電煤耗來“換取”節(jié)約水資源，更適合缺水地區(qū)坑口電站，本文所介紹的電源基地坑口電站具備選擇“濕冷”機(jī)組的地理?xiàng)l件［12］。濕冷系統(tǒng)可分為直流供水系統(tǒng)、再循環(huán)供水系統(tǒng)和混合供水系統(tǒng)3種基本形式。該項(xiàng)目推薦水庫作為電源基地坑口電站冷卻供水水源，一年內(nèi)大部分時(shí)間能滿足電站直流供水流量，僅在嚴(yán)冬季節(jié)，為了解決高緯度山麓水庫融冰問題［13］，以及減少水庫水位對(duì)坑口電站火電機(jī)組供水可靠性的影響，采取水庫再循環(huán)混合供水（直流和再循環(huán)）系統(tǒng)［14-19］。

方案1（水庫混合供水系統(tǒng)）流程：雙作用取水頭部→引水管→循環(huán)水泵房→供水壓力水管道→廠房汽輪機(jī)凝汽器→回（排）水壓力管道→回水至水庫（或虹吸井→排水溝→河道排水口）。

方案2（冷卻塔二次循環(huán)供水系統(tǒng)）流程：冷卻塔水池→吸水管→循環(huán)水泵→加藥裝置→廠房汽機(jī)冷凝器→供水管→冷卻塔噴淋和填料散熱→冷卻塔水池。

方案3采用直接空氣冷卻系統(tǒng)。

3 坑口電站主機(jī)冷卻系統(tǒng)技術(shù)分析

3.1 坑口電站主機(jī)冷卻系統(tǒng)的理論依據(jù)

文獻(xiàn)［5，20］給出了汽輪機(jī)熱耗率相對(duì)變化量Δq的關(guān)系式。

當(dāng)汽輪機(jī)背壓由臨界壓力pcr上升時(shí)

當(dāng)汽輪機(jī)背壓由臨界壓力pcr下降時(shí)

式中：qm為低壓缸流量；pcr為臨界壓力，由當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Q定，常數(shù)；pc為背壓；w2cr為臨界壓力為pcr時(shí)的蒸汽出口相對(duì)速度；xm1為背壓升高段的末級(jí)平均干度；x1為凝結(jié)水升高使最低一級(jí)回?zé)岢槠繙p少而使功率增加的系數(shù)，x1＞1；ηri′為不考慮余速損失和濕汽損失時(shí)汽輪機(jī)的內(nèi)效率，背壓變化不大時(shí)，ηri′近似不變；ηm，ηg為機(jī)械效率和發(fā)電效率；k為絕熱指數(shù)；u為末級(jí)動(dòng)葉圓周速度；β2為出汽角，亞臨界工況時(shí)不隨pc變化；n為多變指數(shù)，常數(shù)；xm2為背壓下降段的末級(jí)平均干度；x2為凝結(jié)水降低使最低一級(jí)回?zé)岢槠吭黾佣构β蕼p少的系數(shù)，x2＜1。

由式（1）、式（2）可得：無論汽輪機(jī)是亞臨界還是超臨界工況，當(dāng)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速和進(jìn)汽量參數(shù)一定時(shí)，汽輪機(jī)熱耗率變化量Δq只與汽輪機(jī)背壓pc有關(guān)；汽輪機(jī)背壓pc和汽輪機(jī)冷凝器的冷卻方式有關(guān)［5］。因此，降低汽輪機(jī)熱耗率、提高汽輪機(jī)內(nèi)效率，最直接、最有效的途徑之一就是降低汽輪機(jī)背壓pc，僅從技術(shù)的角度考慮（暫不考慮經(jīng)濟(jì)性），工程上降低汽輪機(jī)背壓pc最直接、最有效的途徑就是采用冷凝器一次直流供水冷卻方案。

文獻(xiàn)［6］給出了汽輪機(jī)背壓（近似凝汽器內(nèi)平均壓力）關(guān)系式

式中：tw1為冷卻水溫度，℃；qmw為循環(huán)水量，kg／s；qmc為汽輪機(jī)排氣量，kg／s。

由式（3）可以看出：汽輪機(jī)背壓值冷端優(yōu)化內(nèi)容和凝汽器面積、凝汽器管材、冷卻水溫度、冷卻水流量、當(dāng)?shù)厮臍庀髤?shù)等有關(guān)，當(dāng)主要設(shè)計(jì)原則和運(yùn)行方式確定以后，汽輪機(jī)冷端優(yōu)化的設(shè)計(jì)背壓值與當(dāng)?shù)丨h(huán)境下的冷卻水溫度tw1有關(guān)［6，20］。依據(jù)我國的氣象條件，南方規(guī)劃建設(shè)的火電機(jī)組凝汽器設(shè)計(jì)壓力一般為5.88～6.86 kPa，北方規(guī)劃建設(shè)的火電機(jī)組凝汽器設(shè)計(jì)壓力一般為3.92～5.39 kPa［21］。當(dāng)冷卻水溫度為10℃時(shí)，推薦排汽壓力為3～4 kPa［22］，此時(shí)600 MW汽輪機(jī)對(duì)應(yīng)的末級(jí)扭曲葉片長度為1044mm［21］，初步估算本文單機(jī)容量為1000 MW的汽輪機(jī)對(duì)應(yīng)的末級(jí)扭曲葉片長度為1 080～1146mm。

受汽輪機(jī)末級(jí)汽動(dòng)特性、結(jié)構(gòu)和當(dāng)?shù)貧庀髼l件的約束，每臺(tái)汽輪機(jī)都有一個(gè)極限背壓和極限葉片長度［21，23］?！袄涠藘?yōu)化”是汽輪機(jī)制造設(shè)計(jì)和電力設(shè)計(jì)院供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜優(yōu)化過程，“冷端”中任何一個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)和選擇（包括背壓值和末級(jí)葉片高度），都不能撇開其他各參數(shù)而孤立地進(jìn)行，必須把汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)“冷端”作為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［3］。

一般情況下，方案2（冷卻塔二次循環(huán)供水系統(tǒng)）的汽輪機(jī)排汽溫度為29.0～40.3℃，對(duì)應(yīng)的冷卻水傳熱端差（排汽溫度與設(shè)計(jì)水溫的差值）為11～18℃［2］，背壓為5.0～7.5 kPa；方案3（直接空氣冷卻系統(tǒng)）對(duì)應(yīng)的冷卻空氣傳熱設(shè)計(jì)端差（排汽溫度與氣溫的差值）為25～45℃［2］，汽輪機(jī)排汽溫度為50.0～75.2℃，背壓為12～50 kPa；方案1（水庫混合供水系統(tǒng)）的冷卻水傳熱端差（排汽溫度與設(shè)計(jì)水溫的差值）比方案2低2～4℃，背壓為2.8～

4.4 kPa。因此，本文推薦的高緯度、山麓水庫直流混合冷卻供水方案，其技術(shù)路線具有可靠的理論基礎(chǔ)。

3.2 直流混合冷卻供水系統(tǒng)的可行性

電源基地地處寒冷干旱地區(qū)，高緯度山麓水庫冷卻水溫較低。2月份水庫上游河水平均溫度為2.0℃，7月份水庫上游河水平均水溫為5.5℃，水庫上游河水全年平均水溫為4.2℃（項(xiàng)目地多年平均大氣溫度為5.2℃）［24］。大型坑口電站裝機(jī)容量為8 000MW時(shí)，冬季融冰采取水庫再循環(huán)運(yùn)行方式，經(jīng)估算：水庫水體表面最大溫升為15.47℃，夏季3個(gè)月，水庫河水徑流量較大，水體表面溫升小于14.82℃［25］。文獻(xiàn)［26］研究結(jié)果顯示：直接冷卻方式汽輪機(jī)的實(shí)際平均冷卻倍率比名義冷卻倍率低，國內(nèi)實(shí)際上的冷卻倍率也在逐漸變小。因此，該項(xiàng)目汽輪機(jī)凝汽器冷卻倍率可取較低的30倍，冷卻水量只有設(shè)計(jì)規(guī)范“一般規(guī)定”的一半左右。同一水源的新疆某平原發(fā)電廠直流供水方案的冷卻倍率取值為40［27］，該項(xiàng)目在這個(gè)發(fā)電廠的上游山區(qū)70 km處，水溫更低，海拔更高（相差650m），因此冷卻倍率取值為30是有參考依據(jù)的。據(jù)此估算，大型坑口電站裝機(jī)發(fā)電裝機(jī)容量為4000～8000MW時(shí)，冷卻水量為20～40m3／s。河流多年平均徑流量為40.39 m3／s，7月份平均流量為134.3m3／s，枯水季的2月份平均流量為9.46m3／s。水庫冬季采取高水位運(yùn)行［24］，嚴(yán)冬時(shí)期坑口電站機(jī)組采取水庫再循環(huán)混合供水（直流和再循環(huán)）系統(tǒng)運(yùn)行方式，同時(shí)通過一系列大型坑口電站主機(jī)冷卻系統(tǒng)節(jié)約水資源的優(yōu)化設(shè)計(jì)，水庫可以保證大型坑口電站裝機(jī)8000MW火電機(jī)組冷卻系統(tǒng)年耗水2 016萬m3的需要，其取水、運(yùn)行方式，符合電廠水源設(shè)計(jì)供水保證率的要求［28］。初步估算，該項(xiàng)目四季“溫排水”指標(biāo)小于30℃［25］，滿足相關(guān)規(guī)范和行業(yè)要求［29］。項(xiàng)目地河水含沙量大，一直是困擾火電機(jī)組的難題之一，采用水庫再循環(huán)混合供水方案，含沙量可由夏季平均

4.380 kg／m3降到0.007 kg／m3［24］。

對(duì)于直流供水冷卻的電廠而言，凝汽器頂面至水庫最低水平面的高度差對(duì)電廠運(yùn)行費(fèi)用的影響較大；工程挖方量和供水運(yùn)行費(fèi)用是矛盾的兩個(gè)方面，一般情況下凝汽器（主廠房）標(biāo)高的變化對(duì)供水運(yùn)行費(fèi)用的影響大于對(duì)土建挖方費(fèi)用的影響［30-31］。本文推薦廠址自然地面海拔為1 000m，水庫正常蓄水位為990m，最低水位為960m，推薦廠址機(jī)組冷卻水吸水揚(yáng)程為20～50m，此時(shí)須考慮排水位能的回收；備選廠址機(jī)組冷卻水吸水揚(yáng)程為-30～-10 m，可以采用無泵直流供水方案。當(dāng)水源水量充足、供水揚(yáng)程在25m以內(nèi)、輸水距離不超過1 km時(shí)，采用直流供水系統(tǒng)通常是經(jīng)濟(jì)的［32］，即本文方案1（混合供水方案）的初步廠址選擇基本符合直流供水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、合理的原則［33-34］。如果該項(xiàng)目推薦廠址主廠房挖方量增大，廠房零米標(biāo)高（或凝汽器頂面海拔）降至990 m，則機(jī)組冷卻水吸水揚(yáng)程為0～30m，其經(jīng)濟(jì)性會(huì)更合理［35］。該方案的水利工程取水頭部及工程設(shè)想可以多方案比選，選擇水庫底部取水頭部取水［36-38］，或利用水庫上游引水圍堰通過輸水管道（17‰～19‰ 的自然坡度，長1 000 m）將水源引進(jìn)廠區(qū)，實(shí)現(xiàn)無泵直流方式的直流供水系統(tǒng)取水方案［19］?，F(xiàn)場踏勘，該排水方案可以滿足航道橫向流速小于0.3m／s的要求，可以防止水庫和河道被沖刷而坍塌［39］。

文獻(xiàn)［30，40］總結(jié)了渾江電廠、內(nèi)蒙古岱海電廠、營口電廠等冷卻水工程的冬季融冰模型試驗(yàn)。其中營口電廠的試驗(yàn)提供了冷卻水排放口的優(yōu)化布置，滿足了工程要求并獲得能源部科研成果一等獎(jiǎng)。文獻(xiàn)［41］以華能丹東電廠取水口利用溫排水余熱緩冰工程為實(shí)例，進(jìn)行了流冰的二維非恒定運(yùn)動(dòng)與融消的數(shù)值模擬分析，提出了流冰塊受熱融消的計(jì)算模式，給出了溫排水的融冰能力估算方法。其結(jié)論可用于寒帶地區(qū)的火電、核電廠及其他工業(yè)用水的取水口工程的防冰、緩冰設(shè)計(jì)，是一種變廢為寶、保障取水安全的好辦法。文獻(xiàn)［40-41］證明，采用電廠冷卻水進(jìn)行水庫融冰，技術(shù)上可行。

采用水庫再循環(huán)混合冷卻供水方案，可能對(duì)水庫、河道“溫排水”及其生態(tài)環(huán)境造成其他影響，同時(shí)，強(qiáng)地震構(gòu)造地帶地震設(shè)防問題也是下一步項(xiàng)目可行性研究的重點(diǎn)內(nèi)容［12，42-44］。

因此，本文推薦的直流混合冷卻供水方案、取水方案和融冰思路技術(shù)上是可行的［30，45-46］。

3.3 直流混合冷卻供水系統(tǒng)的先進(jìn)性

本文電源基地水庫混合（直流和再循環(huán)）供水方案的技術(shù)先進(jìn)性主要表現(xiàn)在冷卻水溫更低、汽輪機(jī)冷凝器冷卻效果更好、末級(jí)長葉片汽輪機(jī)背壓值較低、機(jī)組朗肯循環(huán)效率高、發(fā)電煤耗相對(duì)較低［16，47］；僅有的汽輪機(jī)冷端乏汽也最大限度地被利用在水庫冬季融冰的功能上。在節(jié)能的同時(shí)，減少了水蒸氣的蒸發(fā)量，也解決了冬季水庫和發(fā)電引水渠的融冰難題，符合夏季水庫“溫排”的相關(guān)研究結(jié)論［48-54］。

文獻(xiàn)［55］中皖東南地區(qū)某電廠資料顯示：直流供水方案年自然水溫比同環(huán)境下的冷卻塔出水水溫低2～4℃，相應(yīng)的汽輪機(jī)背壓低1.2～1.4 kPa，長葉片汽輪機(jī)機(jī)組凈功率熱耗率年平均低1%。在同樣冷卻水量的前提下，直流供水比冷卻塔循環(huán)水供水的煤耗低1.0%～1.5%，直流供水水資源蒸發(fā)損耗量是冷卻塔循環(huán)水供水的1／10～1／7。本文電源基地坑口電站水庫地處北緯44°、海拔1 000m的山麓，水庫入口（上游河水）平均水溫為4.2℃，比北緯30°的皖東南地區(qū)同時(shí)期直流供水方案水溫還要低6～8℃［56］，由此可見，該項(xiàng)目直流供水方案的水溫更低，汽輪機(jī)可以選擇較長的末級(jí)葉片［4］，排氣負(fù)荷率一般在18～22MW／m2［57-58］，節(jié)能減排的優(yōu)勢明顯。

文獻(xiàn)［4-6，21］對(duì)大型火電機(jī)組冷端優(yōu)化的研究表明，冷凝器背壓值每升高1 kPa，機(jī)組熱耗率就增加1%，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗也相應(yīng)增加3 g／（kW·h）左右。其中文獻(xiàn)［4］對(duì)比研究和優(yōu)化了浙江嘉興某火電廠和浙江蘭溪某火電廠：嘉興某火電廠全年平均冷卻水溫為18.26℃，最高為31.06℃，采取一次直流冷卻方式，凝汽器背壓額定值為4.900 kPa，最高為10.180 kPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)的凝汽凝結(jié)水出水溫度為32.8℃和49.4℃；蘭溪某火電廠，采取二次循環(huán)冷卻塔冷卻方式，凝汽器背壓額定值為5.500 kPa，最高為11.264 kPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)的凝汽凝結(jié)水出水溫度為36.7℃和51.5℃。由此可見，采取一次直流冷卻方式比二次循環(huán)冷卻塔冷卻方式的背壓額定值低0.600～1.084 kPa，凝結(jié)水溫度低2.1～3.9℃。

對(duì)于300MW以上大功率直流供水火電機(jī)組，在水溫較低的地區(qū)可以選擇單背壓凝汽器，在保證與多背壓汽輪機(jī)凝汽器一樣好的熱經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)上，降低大功率汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)“冷端”優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)條件，為大功率汽輪機(jī)低壓缸、凝汽器的設(shè)計(jì)、制造、布置提供更加靈活的條件，而且避免了多背壓汽輪機(jī)凝汽器僅夏季高溫季節(jié)節(jié)能效益顯著的限制［23，59-60］。

因此，本文推薦的直流混合冷卻供水方案技術(shù)上具有先進(jìn)性。

4 坑口電站主機(jī)冷卻系統(tǒng)投資和成本估算

4.1 比較原則和依據(jù)

裝機(jī)規(guī)模，一期工程4×1000MW；估算價(jià)格，參考2007年定額標(biāo)準(zhǔn)和價(jià)格；供水價(jià)格（水資源費(fèi)），參考新疆維吾爾自治區(qū)發(fā)改委、水利廳〔2004〕1289號(hào)文件；火電機(jī)組耗水指標(biāo)；水庫混合供水方案0.1m3／（s·GW）［12］、直接空氣冷卻方案0.18m3／（s·GW）［12］、冷卻塔二次循環(huán)方案0.7m3／（s·GW）［12］；供水系統(tǒng)冷卻設(shè)備年利用小時(shí)，7000h［28］。

4.2 主要技術(shù)指標(biāo)

年消耗水量（蒸發(fā)和不可回收），水庫混合供水方案1008萬m3、直接空氣冷卻方案1814萬m3、冷卻塔二次循環(huán)方案7 056萬 m3；項(xiàng)目運(yùn)營期，20年［61］；行業(yè)財(cái)務(wù)基準(zhǔn)收益率，7.5%［61-62］；社會(huì)折現(xiàn)率，8%［62］；建筑抗震設(shè)防烈度，9度［24，44］。

4.3 冷卻系統(tǒng)靜態(tài)投資和成本對(duì)比

編制坑口電站主機(jī)冷卻系統(tǒng)靜態(tài)投資估算和運(yùn)行成本費(fèi)用時(shí)，沒有考慮排水位能回收的相關(guān)投資［55］。統(tǒng)一冷卻系統(tǒng)年利用小時(shí)數(shù)為 7 000 h［11-12，28］，當(dāng)?shù)貜S用電價(jià)為0.15元／（kW·h），貫流水年水資源費(fèi)為0.26分／（kW·h），消耗水年水資源費(fèi)為0.25元／m3。與直流供水方案對(duì)比節(jié)煤成本時(shí)，按年均節(jié)約煤耗1.5%估算，標(biāo)準(zhǔn)煤耗為0.3 kg／（kW·h），當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)煤價(jià)為300元／t。3個(gè)方案的冷卻系統(tǒng)靜態(tài)投資及年運(yùn)行成本費(fèi)用估算見表1、表2。

表1 冷卻系統(tǒng)靜態(tài)投資匯總 萬元

5 坑口電站主機(jī)冷卻系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)比選

5.1 靜態(tài)分析

方案3的空冷系統(tǒng)靜態(tài)投資比其他兩個(gè)方案高出1倍，系統(tǒng)年運(yùn)行成本也高出1倍多。在發(fā)電量相同的情況下，方案1和方案2的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于方案3。因此，在此只對(duì)方案1和方案2的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比對(duì)分析，方案1和方案2滿足增量分析法投資額不等、壽命周期相同、方案互斥的條件［63］。

表2 冷卻系統(tǒng)年運(yùn)行成本費(fèi)用估算萬元

方案1和方案2靜態(tài)差額投資收益率（增量分析法）的計(jì)算公式為

5.2 動(dòng)態(tài)分析和國民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

該項(xiàng)目屬于國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)性項(xiàng)目，關(guān)系到公共利益，市場不能有效配置資源；同時(shí)，根據(jù)該項(xiàng)目的行業(yè)壟斷特征、公共產(chǎn)品性質(zhì)以及社會(huì)效益突出等

式中：C1為方案2的年運(yùn)行成本；C2為方案1的年運(yùn)行成本；I1為方案2的投資額；I2為方案1的投資額。特性，依據(jù)文獻(xiàn)［61-62］的要求，對(duì)方案進(jìn)行項(xiàng)目國民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。

由于方案3與方案1、方案2不具備可比性，又根據(jù)“項(xiàng)目費(fèi)用和效益計(jì)算范圍與口徑一致的原則”，只對(duì)方案1、方案2進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

僅從項(xiàng)目財(cái)務(wù)分析角度來看，貫流水年水資源費(fèi)是方案1的最大費(fèi)用，消耗（蒸發(fā)）水年水資源費(fèi)是方案2的最大費(fèi)用。由于水資源政策的原因，方案1比方案2節(jié)約了大量水資源和煤炭資源，但要繳納很大的一筆水資源費(fèi)用。方案1中的貫流水在實(shí)際應(yīng)用中并沒有消耗和蒸發(fā)，而且水庫“溫升”沒有超標(biāo)，反而有利于水庫的冬季融冰；方案2的消耗（蒸發(fā)）水年水資源費(fèi)相對(duì)政府是國民經(jīng)濟(jì)收入。根據(jù)項(xiàng)目國民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)費(fèi)用和效益識(shí)別的原則，把項(xiàng)目繳納水資源費(fèi)用歸為“效益”后，兩個(gè)方案的國民經(jīng)濟(jì)效益現(xiàn)金流量對(duì)比見表3。

表3 國民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)現(xiàn)金流量對(duì)比萬元

滿負(fù)荷時(shí)：B2＝貫流水年水資源費(fèi)5200萬元+消耗水年水資源費(fèi)252萬元+節(jié)約煤炭費(fèi)2 700萬元＝8125萬元；C2＝循環(huán)水泵年運(yùn)行電費(fèi)2100萬元；B1＝消耗水年水資源費(fèi)1764萬元；C1＝循環(huán)水泵年運(yùn)行電費(fèi)2400萬元+循環(huán)水加藥等運(yùn)行費(fèi)用600萬元＝3000萬元。

項(xiàng)目運(yùn)營期為20年，行業(yè)財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為7.5%。［61］

該項(xiàng)目屬于水利、電力、煤炭、粉煤灰等綜合開發(fā)項(xiàng)目，社會(huì)效益顯著，自身財(cái)務(wù)效益不明顯，具有建設(shè)期和運(yùn)營期相對(duì)較長的特點(diǎn)［62］。大型建設(shè)項(xiàng)目投資大、影響面廣，可通過項(xiàng)目自身發(fā)揮效益，促進(jìn)地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)總量成倍增長，改變區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城鎮(zhèn)布局和環(huán)境質(zhì)量［62］。同時(shí)，方案1、方案2具有壽命周期相同、方案互斥的特性，根據(jù)文獻(xiàn)［67-69］，采用差額投資內(nèi)部收益率法不能反映方案的絕對(duì)經(jīng)濟(jì)效果，但可用于方案之間的相對(duì)效果檢驗(yàn)。

采用差額投資國民經(jīng)濟(jì)收益率法，對(duì)兩個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比［63，67-69］。

式中：ΔEIRR為差額投資經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率；（B2-C2）為第t期投資大的方案年凈效益流量；（B1-C1）為第t期投資小的方案年凈效益流量；n為項(xiàng)目計(jì)算期；t為計(jì)算期各年的序號(hào)，基準(zhǔn)年的序號(hào)為1。

通過計(jì)算得ΔEIRR＝36.48% ＞8%［62］（亞洲開發(fā)銀行社會(huì)折現(xiàn)率為12%［62］），即采用差額投資國民經(jīng)濟(jì)收益率法進(jìn)行評(píng)價(jià)，方案1優(yōu)于方案2。

6 結(jié)論

采用方案1（水庫混合供水方案），機(jī)組朗肯循環(huán)效率高，發(fā)電技術(shù)更先進(jìn)，解決了水庫冬季融冰難題，并符合水庫“溫排”標(biāo)準(zhǔn)。方案1和方案2的差額投資經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率為36.48%，靜態(tài)差額投資收益率為23.25%。方案1發(fā)電成本較低，節(jié)水效益突出，經(jīng)濟(jì)上更合理，因此本文推薦方案1。

新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶是新疆經(jīng)濟(jì)最具活力的地區(qū)，根據(jù)2013年新疆統(tǒng)計(jì)年鑒，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶人口占全疆的38.9%，生產(chǎn)總值占全疆的69.1%。該項(xiàng)目行政區(qū)處于新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中心的黃金地帶，人口密度、人均生產(chǎn)總值和電力能源密度3項(xiàng)綜合指標(biāo)位居新疆榜首［70］。

直流供水技術(shù)在干旱地區(qū)的創(chuàng)新應(yīng)用，標(biāo)志著當(dāng)?shù)鼗痣婍?xiàng)目的技術(shù)進(jìn)步，對(duì)進(jìn)一步提升項(xiàng)目行政區(qū)域在天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的戰(zhàn)略地位、打造電價(jià)“洼地”、積極參與“一帶一路”的國家戰(zhàn)略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005：96-103.

［2］西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005：201-205.

［3］齊復(fù)東，賈樹本，馬義偉.電站凝汽設(shè)備和冷卻系統(tǒng)［M］.北京：水力電力出版社，1990：281-303.

［4］曾上將.火力發(fā)電機(jī)組冷端優(yōu)化［D］.保定：華北電力大學(xué)，2011.

［5］付文鋒.大型火電機(jī)組冷端優(yōu)化研究［D］.保定：華北電力大學(xué)，2008.

［6］石書雨.火力發(fā)電廠冷端系統(tǒng)優(yōu)化分析［D］.北京：華北電力大學(xué)，2008.

［7］中煤邯鄲設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司.新疆天富熱電股份有限公司大白楊礦井（含選煤廠）可行性研究報(bào)告［R］.邯鄲：中煤邯鄲設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，2008.

［8］王生龍.電源基地項(xiàng)目煤炭資源、水資源研究［R］.石河子：新疆天富電力集團(tuán)，2011.

［9］國家能源局.《煤炭產(chǎn)業(yè)政策》（修訂稿）公開征求意見［EB／OL］.（2013-02-04）［2013-08-14］.http：／／www.nea.gov.cn／2013-02／04／c_132149959.htm.

［10］國務(wù)院新聞辦公室.《中國的能源政策（2012）》白皮書［EB／OL］.2012-10-24）［2013-08-14］.http：／／www.gov.cn／jrzg／2012-10／24／content_2250377.htm.

［11］國家能源局.國家發(fā)展改革委關(guān)于燃煤電站項(xiàng)目規(guī)劃和建設(shè)有關(guān)要求的通知［EB／OL］.（2012-01-04）［2013-08-14］.http：／／www.nea.gov.cn／2012-01／04／c_131262602.htm.

［12］DL／T 5339—2006火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［13］徐紹忠.冰壓力對(duì)月亮湖水庫二號(hào)壩的危害及防治技術(shù)的應(yīng)用［J］.吉林水利，2008（5）：47-48.

［14］西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005：219-225.

［15］海深.瑪電循環(huán)水二次循環(huán)方式研究［J］.新疆電力技術(shù)，1999（4）：21-23.

［16］費(fèi)全昌，梁超.火力發(fā)電廠濕式冷卻系統(tǒng)節(jié)能分析［J］.中國電力，2012，45（9）：68-71.

［17］張瑩，李永光，張麗華，等.直接空冷系統(tǒng)與水冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估［J］.上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，27（2）：5-9.

［18］陳承寬.寬頂堰虹吸井在電廠直流供水系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.水利水電科技進(jìn)展，2005，25（12）：43-45.

［19］盧緒祥，喬建，靳攀科，等.復(fù)雜循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)及軟件［J］.節(jié)能，2005（8）：15-17.

［20］翦天聰.汽輪機(jī)原理［M］.北京：中國電力出版社，2005：192.

［21］齊復(fù)東.電站凝汽設(shè)備和冷卻系統(tǒng)［M］.北京：水利電力出版社，1990：10.

［22］翦天聰.汽輪機(jī)原理［M］.北京：中國電力出版社，2005：110.

［23］齊復(fù)東，賈樹本，馬義偉.電站凝汽設(shè)備和冷卻系統(tǒng)［M］.北京：水利電力出版社，1990：177.

［24］新疆兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.新疆肯斯瓦特水利樞紐工程可行性研究報(bào)告［R］.烏魯木齊：新疆兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2008.

［25］王生龍.電源基地坑口電站混合供水方案對(duì)水庫表面水體溫度影響的研究［R］.石河子：新疆天富電力集團(tuán)，2011.

［26］西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005：911-914.

［27］西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005：4.

［28］DL／T 5375—2008火力發(fā)電廠可行性研究報(bào)告內(nèi)容深度規(guī)定［S］.

［29］西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005：612-621.

［30］陳惠泉，許玉麟，賀益英.火、核電廠冷卻水試驗(yàn)研究50年的進(jìn)展和體驗(yàn)［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008，6（4）：288-298.

［31］雷金峰，張婷.淺談直流供水電廠豎向布置形式的選擇［J］.價(jià)值工程，2013，32（4）56-58

［32］西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005：2.

［33］雷達(dá).濱海核電站廠址標(biāo)高的研究［J］.廣東電力，2006，19（9）：30-33.

［34］李瑞生.沙角電廠冷卻水工程模型試驗(yàn)研究及其特色［J］.水利學(xué)報(bào)，1997（1）：31-38.

［35］魏東，張樹慶，孫書耀.關(guān)于濱海山區(qū)電廠廠區(qū)豎向布置的探討［J］.城市建設(shè)，2010（7）：84-85.

［36］韓敬欽，劉斌.沿海大型火電廠取水工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行［J］.中國給水排水，2011，27（18）：68-70.

［37］黃健東，江洧，倪培桐.惠州LNG電廠取排水工程布置研究［J］.廣東水利水電，2009（8）：7-8，11.

［38］劉勝利，張勇.寒冷地區(qū)取水構(gòu)筑物窗口防冰流速優(yōu)化［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36（10）：1294-1296.

［39］張貴財(cái).火電廠高落差循環(huán)水排水口的消能設(shè)計(jì)［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2009（20）：170-174.

［40］倪浩清，陳惠泉，羅惠遠(yuǎn)，等.電廠溫排水對(duì)港口結(jié)冰環(huán)境效應(yīng)的試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，1993（5）：48-58.

［41］賀益英.寒區(qū)工業(yè)取水口防冰工程新方法的研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2003（1）：7-11.

［42］劉志明，劉少玉，陳德華，等.瑪納斯河流域水資源利用及其存在的問題［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007，15（S1）：155-159.

［43］劉志明，劉少玉，陳德華，等.瑪納斯河流域水資源利用及其存在的問題［A］.中國地質(zhì)學(xué)會(huì)工程地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)暨生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)工程地質(zhì)學(xué)術(shù)論壇論文集［C］.北京：中國地質(zhì)學(xué)會(huì)工程地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)，2007.

［44］張黎明.肯斯瓦特水利樞紐工程關(guān)鍵技術(shù)問題的探析［J］.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，28（4）：506-509.

［45］吳天勝，劉瓊軼.陽西電廠冷卻水工程物理模型試驗(yàn)研究［J］.廣東水利水電，2007（1）：7-11.

［46］羅岸，黃健東，陳卓英，等.平海電廠冷卻水工程物理模型試驗(yàn)研究［J］.廣東水利水電，2006（2）：20-23.

［47］西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005：97-98.

［48］於凡，姜子英.我國濱海核電站溫排水排放口的極端高溫限值研究［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2012，46（S1）：694-699.

［49］郝青哲，賈路，劉哲，等.沿海電廠溫排水環(huán)境影響及取水溫升分析［J］.電力建設(shè)，2011，32（2）：7-9.

［50］陳惠泉，賀益英.考慮風(fēng)吹效應(yīng)水力熱力模擬的理論和實(shí)踐［J］.水利學(xué)報(bào)，1996，74（7）：1-8，22.

［51］賀益英，趙懿珺.電廠循環(huán)冷卻水余熱高效利用的關(guān)鍵問題［J］.能源與環(huán)境，2007（6）：27-29.

［52］陳斌.中山燃?xì)怆姀S溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型研究廣東水利水電［J］.廣東水利水電，2007（1）：16-19，23.

［53］郝青哲，段宗伯，付倩.波浪對(duì)沿海電廠溫排水影響性分析［J］.東北電力技術(shù)，2011（2）：45-47.

［54］胡曉張，莊佳，杜萬保.海南東方電廠溫排水平面二維數(shù)值模擬研究［J］.廣東水利水電，2008（4）：11-15，34.

［55］程道倉，徐得潛，朱志強(qiáng).電廠循環(huán)與直流供水方案的經(jīng)濟(jì)性分析［J］.中國電力，2005，38（9）：37-41.

［56］SL 278—2002水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范［S］.

［57］西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005：97.

［58］李秀云，嚴(yán)俊杰，林萬超.火電廠冷端系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)及診斷方法的研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21（9）：94-98.

［59］馬立恒.電廠汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2010.

［60］韓敬欽，王愛玲.火電廠供水系統(tǒng)方案選擇研究［J］.山東電力技術(shù)，2011（4）：70-73.

［61］DL／T 5435—2009火力發(fā)電工程經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)導(dǎo)則［S］.

［62］國家發(fā)改委，建設(shè)部.建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法和參數(shù)［M］.3版.北京：中國計(jì)劃出版社，2006.

［63］SL 72—2013水利建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)規(guī)范［S］.

［64］田洪濤.增量分析法及其應(yīng)用初探［J］.時(shí)代金融，2007（7）：33-34.

［65］李忠民，王仁寶，夏立寧.增量分析法在電力技術(shù)方案比選中的應(yīng)用［J］.科技風(fēng)，2013（21）：88-89.

［66］蔣其發(fā).增量分析的原理及其在項(xiàng)目評(píng)估中的應(yīng)用［J］.技術(shù)經(jīng)濟(jì)與管理研究，2012（8）：21-24.

［67］金勝，胡福祥，張傳信.基于收益率比較法的塔東鐵礦開采方案選擇［J］.金屬礦山，2011（2）：40-42.

［68］張曲濤.基于Excel的差額投資內(nèi)部收益率法在投資決策中的應(yīng)用［J］.中國管理信息化，2010（6）：25-28.

［69］注冊咨詢工程師（投資）考試教材編寫委員會(huì).現(xiàn)代咨詢方法與實(shí)務(wù)［M］.北京：中國計(jì)劃出版社，2003：170-179.

［70］新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計(jì)局.新疆統(tǒng)計(jì)年鑒2013［M］.北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2013：28-36.

（本文責(zé)編：劉芳）

TM 621

：A

：1674-1951（2015）04-0007-07

王生龍（1959—），男，甘肅武威人，高級(jí)工程師，從事電力項(xiàng)目規(guī)劃和建設(shè)等方面的工作（E-mail：shzwsl＠163. com）。

王江懿（1987—），男，廣東深圳人，經(jīng)濟(jì)師，法律碩士，從事項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和金融等方面的工作（E-mail：ai1270＠163.com）。

張樹芳（1987—），女，湖南張家界人，經(jīng)濟(jì)師，法律碩士，從事項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和金融等方面的工作（E-mail：15201476431＠163.com）。

牛玉法（1957—），男，山東單縣人，高級(jí)工程師，從事電力項(xiàng)目管理和建設(shè)等方面的工作。

王軍（1969—），男，四川廣安人，高級(jí)工程師，從事電力項(xiàng)目管理和建設(shè)等方面的工作。

陳宇奇（1959—），男，重慶人，高級(jí)工程師，工學(xué)博士，從事能源策劃方面的工作（E-mail：laoyao23＠yahoo.com）。

2014-09-30；

2015-01-30