1 000 MW火電機(jī)組冷端優(yōu)化分析

吳志祥

(安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司,安徽 安慶 246005)

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1 000 MW火電機(jī)組冷端優(yōu)化分析

吳志祥

(安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司,安徽 安慶 246005)

為了選取安徽某電廠二期擴(kuò)建2×1 000 MW機(jī)組最優(yōu)的冷端優(yōu)化結(jié)果,根據(jù)不同冷卻倍率、凝汽器面積、冷卻塔面積、設(shè)計(jì)背壓,并結(jié)合考慮最小年費(fèi)用法,最終選用了設(shè)計(jì)背壓為5.2 kPa,冷卻塔淋水面積為12 000 m2,凝汽器面積為52 000 m2的最優(yōu)化方案.

1 000 MW火電機(jī)組; 冷端; 優(yōu)化; 分析

火電廠冷端設(shè)備主要包括汽輪機(jī)的低壓缸、凝汽器和冷卻水系統(tǒng).冷端優(yōu)化工作是多方面的,從設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō),根據(jù)《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求,主要是對(duì)凝汽器面積、冷卻倍率、冷卻塔面積及循環(huán)水管溝尺寸等進(jìn)行優(yōu)化.

合理降低汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽的終參數(shù)可以提高電廠的熱效率,降低汽輪機(jī)的排汽背壓,增加功率(或功率不變,煤耗減少).而降低汽輪機(jī)的背壓勢(shì)必增加冷卻水量及增大冷端設(shè)備的投資[1],因此就要優(yōu)化出一組最佳方案組合,使電廠整體經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最高.也就是說(shuō),在電廠的廠址確定后,按照當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件、燃料價(jià)格、冷端設(shè)施價(jià)格、成本電價(jià)、系統(tǒng)設(shè)備投資等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析和優(yōu)化計(jì)算,得到與當(dāng)?shù)貙?shí)際條件相適應(yīng)的設(shè)計(jì)水溫、凝汽器面積、冷卻設(shè)備等最優(yōu)方案組合,以保證汽輪機(jī)在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行,使電站綜合的經(jīng)濟(jì)效益最高.這就是循環(huán)水系統(tǒng)冷端優(yōu)化的目的.

安徽某電廠進(jìn)行了二期2×1 000 MW機(jī)組擴(kuò)建工程,本文結(jié)合工程實(shí)際,對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了比較,最終選出最優(yōu)方案.

1 優(yōu)化計(jì)算方法及原則

冷端優(yōu)化采用的是年費(fèi)用最小法[2],也就是把投資和運(yùn)行費(fèi)用兩個(gè)因素統(tǒng)一起來(lái)綜合考慮,并結(jié)合其他因素進(jìn)行計(jì)算.考慮復(fù)利因素,將各方案的基建投資按標(biāo)準(zhǔn)投資收益率,換算成使用年限內(nèi)的等額費(fèi)用,再與運(yùn)行費(fèi)用統(tǒng)一考慮,計(jì)算出年費(fèi)用,年費(fèi)用最小者為最佳方案.

優(yōu)化前,大多數(shù)工程使用的多為“微增功率法”[3],其主要缺陷是沒(méi)有對(duì)設(shè)計(jì)背壓進(jìn)行優(yōu)化,只考慮了額定工況背壓與微增功率曲線(xiàn)的變化[4].而優(yōu)化后,優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際工程選用的相差較大,究其原因主要是計(jì)算方法與機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況不符.“煤耗法”[5]的主要特點(diǎn)是:汽輪機(jī)背壓變化引起的熱耗變化,以燃料費(fèi)的變化進(jìn)行計(jì)算,此計(jì)算方法符合科學(xué)要求,本次優(yōu)化采用“煤耗法”.

優(yōu)化計(jì)算主要采用如下計(jì)算方法.

(1) 方案分析比較采用年費(fèi)用最小法,并采用年固定分?jǐn)偮是竽曩M(fèi)用.

(1)

式中:NF——年費(fèi)用(平均分布在從1～n間的n年內(nèi)),萬(wàn)元;

P——投資的現(xiàn)值,萬(wàn)元;

n——設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行年限,年;

u——折算的年運(yùn)行費(fèi)用(包括運(yùn)行電費(fèi)、維修費(fèi)和管理費(fèi)等),萬(wàn)元(假設(shè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行期內(nèi)每年的運(yùn)行費(fèi)是等額的);

i——折現(xiàn)率,%.

(2) 凝汽器的熱力計(jì)算、阻力計(jì)算采用美國(guó)傳熱學(xué)會(huì)(HEI)關(guān)于表面式凝汽器標(biāo)準(zhǔn)中的公式.

(3) 汽輪機(jī)背壓的不同所引起的熱耗變化對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響以背壓對(duì)熱耗的修正曲線(xiàn)來(lái)概括,求出不同背壓所對(duì)應(yīng)的熱耗,再以燃料費(fèi)(煤價(jià))的形式參與經(jīng)濟(jì)計(jì)算.

優(yōu)化的原則是在一定的前提下,選用年費(fèi)用最小的方案.

2 工程概況和計(jì)算輸入條件

2.1 項(xiàng)目概況

本期工程擴(kuò)建2×1 000 MW 超超臨界燃煤機(jī)組,循環(huán)冷卻水采用冷卻塔循環(huán)供水系統(tǒng),汽輪機(jī)配一臺(tái)高效超超臨界汽輪機(jī),一次再熱,兩個(gè)低壓缸,對(duì)應(yīng)兩臺(tái)凝汽器.

2.2 循環(huán)水系統(tǒng)概述

冷卻水系統(tǒng)采用帶逆流式雙曲線(xiàn)自然通風(fēng)冷卻塔的單元制循環(huán)供水系統(tǒng),一臺(tái)機(jī)組配一座冷卻塔,兩臺(tái)機(jī)組在冷卻塔區(qū)設(shè)置一座循環(huán)水泵房.

2.3 氣象條件

2.3.1 常規(guī)氣象要素

安徽某電廠處于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),具有光照充足、季風(fēng)明顯、四季分明、雨量適中、春溫多變、梅雨顯著、夏雨集中、秋高氣爽、冬少?lài)?yán)寒,以及無(wú)霜期長(zhǎng)和寒雪期短等氣候特征.

根據(jù)安徽某電廠所在市氣象站歷年統(tǒng)計(jì)資料,主要?dú)庀笠厝缦?

(1) 氣壓 歷年極端最高氣壓為1 044.8 hPa(1955年1月15日),歷年極端最低氣壓為976.1 hPa(1956年8月2日),歷年平均氣壓為1 014.0 hPa.

(2) 氣溫 歷年極端最高氣溫為40.2 ℃(1953年8月11日),歷年極端最低氣溫為-12.5 ℃(1969年2月5日),最熱月平均最高氣溫為32.9 ℃(8月),歷年平均氣溫為16.5 ℃.

(3) 水汽壓 歷年最大水汽壓為39.5 hPa(1951年7月22日),歷年最小水汽壓為1.0 hPa(1963年1月26日),歷年平均水汽壓為16.5 hPa.

(4) 相對(duì)濕度 歷年最小相對(duì)濕度為4%(1963年1月23日),歷年平均相對(duì)濕度為76%.

(5) 降水 歷年最大年降水量為2 294.2 mm(1954年),歷年最小年降水量為758.8 mm(1978年),歷年平均降水量為1 385.0 mm,一次連續(xù)最大降雨量為578.4 mm(1951年7月11～18日),一日最大降雨量為262.3 mm(1954年6月24日),1 h最大降雨量為100.8 mm(1966年7月7日).

(6) 其他 最大積雪深度為31 cm(1964年2月19日);最大凍土深度為15 cm(1990年2月7日);歷年最大年雷暴日數(shù)為68 d(1963年),歷年平均雷暴日數(shù)為42.1 d.

電廠所在長(zhǎng)江段的水溫如表1所示.經(jīng)計(jì)算,年平均水溫為17.7 ℃.

表1 歷年水溫統(tǒng)計(jì) ℃

2.3.2 逐月氣象特征參數(shù)

累年逐月氣象要素特征如表2所示.

2.3.3 濕冷自然塔氣象條件

統(tǒng)計(jì)安徽某電廠所在市氣象站最近5年(2006～2010年)最炎熱時(shí)期6,7,8這3個(gè)月的日平均濕球溫度資料,再按累積頻率曲線(xiàn)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,求出10%濕球溫度為27.5 ℃,與之相應(yīng)的氣象要素如表3所示.

表2 安徽某電廠氣象站逐月氣象要素(均為平均值)

表3 累積頻率10%日平均濕球溫度對(duì)應(yīng)的

2.4 汽輪機(jī)組條件

本階段汽輪機(jī)型式擬定為:超超臨界,一次中間再熱,單軸,四缸四排汽,凝汽式汽輪機(jī).

汽輪機(jī)主要參數(shù)如表4所示(參考上海汽輪機(jī)廠資料).

表4 本工程汽輪機(jī)技術(shù)參數(shù)

注:a是指低壓缸排汽絕對(duì)壓力.

2.5 優(yōu)化計(jì)算的組合方案

(1) 3種冷卻倍率分別為55,60,65;

(2) 循環(huán)水主管尺寸為DN3800;

(3) 2組冷卻塔面積分別為12 000 m2,13 000 m2.

(4) 凝汽器面積分別為50 000 m2,51 000 m2,52 000 m2,53 000 m2,54 000 m2,55 000 m2.

2.6 經(jīng)濟(jì)參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)每噸約1 000元;機(jī)組年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)為5 500 h;循環(huán)水泵造價(jià)約為800元/kW;凝汽器冷卻面積造價(jià)約為1 000元/m2;冷卻塔造價(jià)約為7 000元/m2;成本電價(jià)約為0.35元/kWh;投資回收率為9%;大修費(fèi)率為2.5%;經(jīng)濟(jì)使用年限為20年.

3 優(yōu)化計(jì)算

利用傳熱學(xué)試驗(yàn)和凝汽器工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),建立適用于整臺(tái)凝汽器熱力計(jì)算的總傳熱系數(shù)公式,基于該公式進(jìn)行熱力計(jì)算的方法稱(chēng)為工程熱力計(jì)算.它滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)計(jì)算的實(shí)際需要和計(jì)算精度要求.

計(jì)算軟件采用《火電廠冷端優(yōu)化程序CEO-C V2.0 2010》程序.

3.1 原始數(shù)據(jù)和條件

(1) 凝汽器的蒸汽負(fù)荷,一般指汽輪機(jī)的排汽量Dk,為1 658 t/h;

(2) 凝汽器的蒸汽比焓,一般指汽輪機(jī)的排汽比焓hs,為2 332 kJ/kg;

(3) 冷卻水進(jìn)水水溫t1,℃;

(4) 冷卻水流量W,kg/s;

(5) 冷卻水流程數(shù)Z,Z=2;

(6) 冷卻管內(nèi)流速Vw,Vw=2.3 m/s;

(7) 冷卻管材料及相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)J,m/℃;

(8) 冷卻管外徑和內(nèi)徑分別為d1和d2,m;

(9) 清潔系數(shù)ζc.

3.2 總傳熱系數(shù)的確定

目前比較權(quán)威的總傳熱系數(shù)計(jì)算公式有:美國(guó)傳熱學(xué)會(huì)(HEI)公式,別爾曼公式,分部計(jì)算關(guān)系式,ABB公司計(jì)算公式等.本次優(yōu)化采用HEI公式.該公式簡(jiǎn)單明了,使用方便,各種有關(guān)冷卻管材料品種、規(guī)格以及冷卻水溫的修正系數(shù)資料很齊全.該公式還有一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn),就是無(wú)須事先假定任何參數(shù),可以一次直接計(jì)算出結(jié)果.

HEI公式為:

(2)

式中:C——冷卻管外徑的計(jì)算系數(shù),如表4所示.ζc——清潔系數(shù),可根據(jù)冷卻水水質(zhì)條件、蒸汽純度及其對(duì)冷卻管材料的影響適當(dāng)選取;

βt——冷卻水溫修正系數(shù);

βm——冷卻管的材料及壁厚修正系數(shù);

Vw——冷卻管內(nèi)流速,m/s.

表4 HEI公式中冷卻管外徑d1對(duì)應(yīng)的計(jì)算系數(shù)C

3.3 工程熱力計(jì)算步驟

3.3.1 凝汽器的冷卻面積計(jì)算

冷卻面積計(jì)算式為:

(3)

(4)

式中:Dk——凝汽器的蒸汽負(fù)荷,一般即為汽輪機(jī)的排汽量,本文取1 658 t/h;

hs——凝汽器的蒸汽比焓,一般即為汽輪機(jī)的排汽比焓,本文取2 332 kJ/kg;

hc——凝汽器的凝結(jié)水比焓,本文取140.62 kJ/kg;

K——總傳熱系數(shù);

Δtm——對(duì)數(shù)平均溫差;

Δt2-1——冷卻水溫升,Δt2-1=t1-t2;

δt——傳熱端差,δt=ts-t2;

ts——Pk相應(yīng)的蒸汽飽和溫度.

3.3.2 冷卻管的根數(shù)及有效長(zhǎng)度計(jì)算

冷卻管根數(shù)計(jì)算式為:

(5)

式中:W——冷卻水流量,kg/s;Z——冷卻水流程數(shù),本文取2;ρw——冷卻水密度,kg/m3.Vw——冷卻管內(nèi)流速,本文取2.3 m/s;d2——冷卻管內(nèi)徑,mm.

冷卻管有效長(zhǎng)度的計(jì)算式為:

(6)

式中:d1——冷卻管外徑,mm.

3.3.3 冷卻塔熱力計(jì)算及冷端優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

冷卻塔計(jì)算出水水溫如表5所示.

通過(guò)程序進(jìn)行組合計(jì)算,冷端優(yōu)化計(jì)算結(jié)果如表6所示.

表5 冷卻塔出水水溫

表6 冷端優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

4 推薦方案和校核計(jì)算

4.1 推薦方案

為滿(mǎn)足電廠運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性,并考慮今后煤價(jià)進(jìn)一步上漲的可能性,應(yīng)適當(dāng)增大冷端設(shè)備的余量,所以本階段推薦的冷端方案如下.冷端優(yōu)化最終方案參數(shù)如表7所示.最終方案中冷卻塔參數(shù)如表8所示.

表7 冷端優(yōu)化最終方案參數(shù)

表8 最終方案中冷卻塔參數(shù)

4.2 選定方案下的校核計(jì)算

在選定方案下,10%的氣象條件,機(jī)組在TRL工況下,冷卻塔的出水水溫約為33 ℃,此時(shí)機(jī)組背壓約為9.4 kPa,小于機(jī)組滿(mǎn)發(fā)所容許的最高背壓11.8 kPa,因此是安全的,并留有一定的裕度.

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)安徽某電廠二期擴(kuò)建2×1 000 MW機(jī)組具體案例,根據(jù)不同冷卻倍率、凝汽器面積、冷卻塔

面積、設(shè)計(jì)背壓,運(yùn)用最小年費(fèi)用法進(jìn)行了冷端優(yōu)化分析,在保證安全的前提下,并考慮一定的裕度,本工程最終選用了設(shè)計(jì)背壓為5.2 kPa,冷卻塔淋水面積為12 000 m2,凝汽器面積為52 000 m2的方案.實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,效果良好.因此,本案例的優(yōu)化思路可為同類(lèi)型機(jī)組冷端優(yōu)化提供參考.

[1] 金宏偉,章軍人.1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)冷端設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].發(fā)電設(shè)備,2012(9):331-333.

[2] 袁雄俊.1 000 MW級(jí)機(jī)組凝結(jié)水泵配置方案探討[J].華北電力技術(shù),2010(10):10-12.

[3] 王雪蓮,張炳文,文振忠.電廠冷端系統(tǒng)最優(yōu)循環(huán)水量的確定[J].汽輪機(jī)技術(shù),2012(10):375-378.

[4] 孫偉鵬,江永.汽輪機(jī)冷端優(yōu)化運(yùn)行試驗(yàn)及最佳背壓的求取方法[J].發(fā)電設(shè)備,2011(5):156-158.

[5] 楊明.循環(huán)水系統(tǒng)冷端優(yōu)化計(jì)算探討[J].發(fā)電設(shè)備,2011(5):156-158.

(編輯 胡小萍)

Optimization Analysis of Cold End of 1 000 MW Thermal Power Unit

WU Zhixiang

(AnhuiAnqingWanjiangPowerGenerationCo.Ltd.,Anqing246005,China)

In order to select the optimal cold end optimization results of the second phase of expansion 2×1 000 MW unit of a power plant in Anhui Province,according to the different cooling rate,condensing collector area,area of cooling tower,design pressure,combined with considering the minimum annual usage,this project selects design pressure for 5.2 kPa,cooling tower water spraying area 12 000 m2,and condenser area is 52 000 m2of the optimized plan.

1 000 MW thermal power unit; cold end; optimization; analysis

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.03.010

2016-08-26

吳志祥(1978-),男,碩士,高級(jí)工程師,安徽樅陽(yáng)人.主要研究方向?yàn)榛痣姀S技術(shù)管理.E-mail:791945126@qq.com.

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1006-4729(2017)03-0265-06