2 350MW改建机组循环水系统的优化设计

第33卷第10期华电技术Vol.33 No. 102011年10月Huadian TechnologyOet. 20112x350MW改建机组循环水系统的优化设计赵佰波',王欣2(1.山东电力工程咨询院有限公司,山东济南250013; 2.广厦建设集团有限责任公司山东分公司,山东济南250100)摘要:华能济宁电厂2x350MW机组工程充分利用电厂已有的2x110MW机组的冷却设施,对冷端参数进行了优化计算。通过趋势性和敏感性分析，提出了机组运行年总费用最经济的配置方案,实现了机组冷端配置最优化运行效益最大化。关键词:循环水系统;冷端优化;运行设计;经济运行中图分类号:TK 223.5*1文献标志码:B文章编号:1674 - 1951 (2011)10 -0037 -05产。改建工程建设2x350MW级燃煤供热发电机0引言组,替代原有2 x50 MW机组.110 MW机组和11520世纪80年代初，国家花费巨资建设了一批MW机组。容量在135MW以下的火电厂, 这些电厂在当时的1.2循环水系统概况技术条件下发挥了骨干电源点的作用。随着技术的1.2.1 电厂原有机组循环水系统进步,大批大容量、高参数的机组相继投产,那些昔电厂现有的2x135 MW机组配置1座淋水面日建成的小容量机组在技术、经济与市场份额方面积为5 500 m2的逆流式自然通风冷却塔;另外,1台失去了竞争优势。为了生存和发展,这些小火电厂115MW和1台110MW机组共配置3座淋水面积不得不扩大电厂生产规模,纷纷拆除小机组,改建、为3500m2的逆流式自然通风冷却塔,"1,*2冷却扩建符合国家产业政策的高参数、高效率的大机组,塔于1972年建成投产，"3冷却塔于1988年建成在这样的背景下，迫使电厂对原有循环水系统进行投产。更新和改造。为了能最大限度地利用老电厂原有的由于冷却塔已使用多年,结构现状与设计情况循环水设施,本文结合华能济宁电厂2 x350 MW机已有所不同,原设计在计算和构造上与现行混凝土组循环水系统的优化设计情况,提出了改建工程循结构、抗震规范亦有较大区别。因此，华能济宁电环水系统的优化设计方案,供类似改建工程借鉴。厂委托中冶集团建筑研究总院(国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心)对该构筑物的安全性、1工程概况耐久性、适用性及抗震性能进行检测鉴定,为利用改1.1 工程概述造提供可靠依据,保证结构新功能的实现和安全、正华能济宁电厂位于济宁市西南郊城市规划工业常使用。区内,厂区西距梁济运河(京杭大运河)约500 m,南根据<华能济宁电厂3 x3500 m2冷却塔检测鉴面与杜庄村相邻,东侧为北小庄村和济安桥南路,北定报告》, '3冷却塔综合评定为三级,即建(构)筑面紧靠老运河及电厂生活区。物的可靠性在未来目标使用期内不满足国家现行规华能济宁电厂原有装机容量2x50 MW + 115范要求,继续使用很难保证其安全性。而且"3塔的MW+110MW+2x135MW共计595MW,均为凝汽缺陷面积大,涉及的构件较多，若考虑修复,则修复式发电机组,分三期建成。其中,一期工程"1, *2难度较大、费用较高且修复质量难以保证。综合考机组(2 x50 MW)于1973年投产,现已停运;二期工虑,*3冷却塔已没有继续使用的价值,因此,将"3程*3,*4机组原设计2x100MW,后经改造分别增冷却塔作报废处理。'1, *2冷却塔经鉴定虽略低于容为115MW和110MW,于1976年投产,即将退国家现行规范要求,但不影响正常使用,通过采取措役;三期工程"5, "6机组(2x 135 MW)于2003年投施进行加固中国煤化工内要求。因此，"1, '2冷却YHCN MH GMW机组退役收稿日期:2011 -06-28后可供电厂本期机组冷却使用,但需对这2座塔的.●38华电技术第33卷进出水管沟、填料及水塔本身进行改造加固。差Ah循环冷却倍率m有关,0t = Ah/(4.1868m)，1.2.2 改建工程循环水系统而传热端差δ = Ot/[exp(KA/1 163qv) - 1]。根据《华能济宁电厂2 x350 MW以大代小热电由上述公式可以看出,凝汽器的背压和进水温联产机组改建工程可行性研究报告审查会议纪度(.)有关,即与冷却条件(凝汽器面积A、气象条要》,结合电厂的水源、已有条件等实际情况,改建件等)有关,同时与循环水量qv有关,即与冷却倍率工程采用带自然通风冷却塔的循环供水系统，*1机m有关，另外还与冷凝管材质(换热系数K)及低压组利用电厂已有的2座3500m2("1, *2)冷却塔,由缸形式有关。上述参数共同决定了汽轮机的冷端于布置场地受限,还需在拆除"3冷却塔的场地上新参数。建1座冷却塔,供*2机组冷却使用,该系统采用单提高蒸汽初参数和降低汽轮机蒸汽冷端参数元制配水(2台机组冷却塔供水高度不同,不能采用(排汽温度和排汽压力),是提高机组热效率的主要扩大单元制) ;或者新建1座淋水面积约为3500 m2途径。当汽轮机初参数一定时,降低汽轮机冷端参的冷却塔,此塔与电厂原有的'1, *2冷却塔联合为数,可以增加汽轮机理想蒸汽焓降,减少冷源损失,新建的2台350 MW机组供水。改建工程将在这2提高循环热效率。个冷却塔配置方案的基础上进行循环水系统的优化为获得较低的蒸汽参数就得降低凝汽器压力背计算。压,也就是要降低蒸汽在凝汽器内的凝结温度,当冷考虑到该工程为供热机组,为了在供热抽汽工却水温度--定时,可通过降低温差和端差来实现。况时节能运行,每台机组配2台循环水泵(其中一(1)增大冷却倍率,即增大循环水量,可降低温台配定速电动机,另一台配双速电动机) ,设1座循差,然而由此将导致循环水泵电动机的耗功、设备造环水泵房,循环水泵房靠近冷却塔布置。从冷却塔价、循环水管沟和建(构)筑物造价等增加。水池出水至循环水泵房为引水明渠及前池,从循环(2)增大凝汽器换热面积可以减少端差,但凝水泵房至汽机房凝汽器的进水管和由凝汽器至冷却汽器的造价提高。塔的出水管均为各自独立的压力管道。.(3)增大循环水量和凝汽器换热面积,虽可降2冷端优化设计计算低凝汽器压力,然而汽轮机为了适应较低的排汽压力,可能使低压缸尺寸增大,还要装配更长的末级叶2.1冷端优化计算的目 的和意义根据DL/T 5000- -2000《火 力发电厂设计技术片,使得汽轮机造价增高,此时若不增加末级叶片长规程》及DLT 5339- -2006< 火力发电厂水工设计规度,排汽损失就会增加。范》,在发电厂水工设计过程中，应根据汽轮机特(4)减小循环水管径,可节约建设初投资,但会性、厂址区域气象条件、水源情况及系统布置进行优引起厂用电的增加。化设计,以确定系统内主要设备及建筑物的经济配由此不难看出,汽轮机冷端参数的设计不仅与置,即选择凝汽器的面积、冷却塔面积、循环冷却倍低压缸形式的设计与选择有关,还与凝汽器、供水系率、循环水管沟等最经济的组合配置方案。为业主统的设计与选择有关。“冷端”中任何一个设备和提供-一个经济、合理的冷端系统配置,为工程下阶段系统参数的设计和选择都不能撇开其他各因素的设的设备技术规范和施工标书提供经济、合理的参考计和选择而孤立进行。合理的参数是各因素中诸参数据;同时也降低了发电成本,提高了上网竞争力。数恰到好处的组合,这种组合只有通过“冷端”优化2.2冷端优化计算的原理、方法和特点设计来获得。，2.2.1冷端优化计算的原理2.2.2冷端优化计算的方法火力发电厂中通过供水系统向凝汽器供水以达供水系统的优化计算是冷端优化设计的主要工到冷凝蒸汽的目的。从汽轮机的角度来看,供水系作,而冷端优化设计则是根据供水系统的优化计算统即冷却系统。从热力学观点来看,凝汽装置和供成果进行汽轮机冷端设备配置。供水系统的优化计水系统起着冷源的作用。以凝汽器为核心,内连汽算应用了通过部级鉴定的软件“循环水系统优化计轮机低压缸,外连供水系统,构成了电站热力系统算程序”,其中凝汽器的热力、水力计算均采用美国“冷端"。传热学会HFh 2丰南古黄汽蚌气器规程》推荐凝汽器的背压Pe可由其饱和蒸汽温度i。确定,的计算方法中国煤化工该工程九比计开力么不用vuTYHb。=im\ +δ +Ot。CNMH5339 20006其中,循环冷却水温升△t与排汽及凝结水的焓《火力发电厂水工设计规范》推荐采用的年费用最.第10期赵佰波,等:2x350MW改建机组循环水系统的优化设计●39●小法。该方法把投资和生产成本2个要素统- -起来表1汽轮机热力数据并结合时间因素进行计算,即将各方案的基建投资额定抽夏季抽考虑复利因素,换算成使用年限内每年年末的等额序号项目单位汽工况汽I况偿付的成本,再加上年运行费用,构成该方案的年费主机凝汽量/h569.4590.0用。各方案中年费用最小者为经济可取的方案。小机凝汽量37.541.7敏感性分析主要是将--些重要的但不确定的因背压xPa主机排汽焓k/hg 2344.8 2457.3素在设定的变动范围进行计算,以便研究分析该因小机排汽焓2461.62533.5素对方案的影响程度。冷端优化设计中敏感性的经凝结水温度C33.6049.11济指标主要包括微增出力电费价格的折减系数、发凝结水焓140.205.5电成本(燃煤价格)及年固定分摊率(投资利润率)。冷却水温度20.0033.00.2.2.3冷 端优化计算的特点(2)气象参数。济宁市气象站要素统计结果见(1)冷端优化计算涉及比选方案数量大,只能表2。冷却塔优化计算中采用的主要气象参数是气依靠专业程序电算。温、气压和相对湿度,通过对表2的分析,根据各月(2)依据各方案的年费用进行排名,并以年费平均气温的变化,可将每年分成夏季春/秋季和冬用最小的方案为推荐方案。各方案的年费用包括水季,主要气象参数见表3。.泵的年运行费用、年维修费用、由总投资费用折算出(3)经济分析原始数据。发电成本, 200的年固定分摊费用等。元(MW●h);电价折减系数,0.90( DLIT 5339-(3)通过对发电成本、收益率以及微增出力的2006《火力发电厂“水工设计规范》规定范围值);年电价折减系数的变化进行敏感性分析,推荐一次投运行小时数, 6000 h;冷却塔综合造价,4 600元/m2资适中、经济效益高的冷端配置方案。(普通3500m2冷却塔) ,6200元/m2 (4500 m2瘦高(4)对于经过冷端优化的设计方案不能以- -次型冷却塔);凝汽器综合造价,750元/m2;循环水沟投资进行简单考核。道单位造价,600元m;循环水管道单位造价,4000(5)计算结果中年总费用值,不是各方案的实元/;年投资回收率,0.09( DLIT 5339- -2006《火力际年总费用值,而是各方案比较的相对值。如各方发电厂水工设计规范》规定范围值);大修费率,案中循环水泵房、循环水沟的长度及规格相同,其投0. 025(DLIT 5339- -2006《火力 发电厂水工设计规资也相同,对比较结果无影响,所以,该部分投资未范》规定推荐值) ;凝汽器材质,TP317L;凝汽器材质列入计算结果中。系数,0.85;电厂的经济运行年限,20年。2.3冷端优化计算(4)参与冷端优化计算的方案数。冷却塔面2.3.1冷 端优化原始数据积, 4500 ,5000 ,5 500 ,6000 m2 ;凝汽器面积,22 000(1)汽轮机参数。改建工程采用上汽集团亚临m2(已定货);冷却倍率,45 ,50 ,55 ,60;循环水总管界、一次中间再热、单轴、三缸、双抽、双调整、双排汽管径,DN240;循环水支管管径, DN1800。凝汽式汽轮机。汽轮机热力数据见表1。运行循环水量百分数见表4。表2济宁市气象站要素统计成果月份全年项目单位1s6702平均温度-1.0 1.87.514.8 20.525.4 27.126.121.2 15.37.5| 1.213.9降水量im7.610.1| 20.8 36.2| 48.578.4| 173.116368.7| 36.4 20.0 | 14.7| 56.5|相对湿度64.00 61.00 60.00 61.00| 63.00| 64.00 80.00| 82.00| 76.00| 70.00| 70.00 68.00 68.25气压hPa|1022.3|1020.3 | 1015.81010.21005.2|1000.4 998.3| 1001.2 | 1009.1|1015.7 | 1019.81022.2| 1011.5风速| m/s2.83.13.63.8| 3.53.43.02.52.5 2.62.9| 2.9极端最高气温41.6C出现日期1960-06 -21极端最低气温中国煤化工1964 -02 -18.夏季P= 10%的气象条件湿球温度26.2C对应的干球温度YHCN MH G_ 1004.0hPa对应的平均风速2.8m/s|对应的相对湿度80%.●40华电技术第33卷表3主要气象条件夏季(6,7,8月)春/秋季(3,4,5,9,10,11月)冬季(12,1,2 月)夏季P= 10%的气象条件干球温度/C26. 2014.500.6729. 30气压/hPa1000.01012.6 .1021.61004.0相对湿度/%7567648表4循环水量百分数2.3.2冷端优化计算结果水泵装置数循环水量占分数/%(1)方案1:新建1座冷却塔+已有2座3500(2台机组)/台运行4台运行3台 运行2台m2冷却塔。41000.850.6根据以.上参数,对循环水系统进行优化计算,新根据DL/T 5339- -2006《火力发电厂 “水工设计建冷却塔对应"1机组的计算结果前10位方案排序规范》,凝汽器的端差不应小于2.8C。该计算结果详见表5、表6。2座3500m2冷却塔对应"2机组的中若出现端差小于2.8C的情况,则刪除此方案。优化计算结果见表7和表8。裹5循环水系统优化结果( 循环水系数比1.00: 0.85: 0.60)循环水管径/m优劣名次冷却倍率凝汽器面积Vm2冷却塔面积/m2年总费用/万元母管支管16(2200055002.4 .1074.3250002.41.81078. 49s:1079.376060001.1082.921085. 7745001088. 365s1091.37.41095.52501 106.631(2. 41110. 29表6循环水系统优化结果( 循环水t 系数比1.00: 1.00: 0.85)循环水管径/m .凝汽器i面积/m2冷 却塔面积/m25:1253.551253.81 .1260. 85551260. 941262.351271.47451273.49ss1279. 151281.081285. 65表7循环水系统优化结果(循环水量 系数比1.00: 0.85: 0.60)凝汽器面积/m2冷 却塔面积/m26C2 x3500。 1.8561.602x3S00中国煤化工573.402000YHCN M H Gs91.65632.23.第10期赵佰波,等:2x350 MW改建机组循环水系统的优化设计.●41●表8循环水系统优化结果( 循环水系数比1.00: 1.00: 0.85)循环水管径/m优劣名次.冷却倍率凝汽器面积/m2冷 却塔面积/m2母管支管年总费用/万元6C220002x35002.41.8608.95255612.70502 x3500.4616.714522 000633.14由以上表格内容可以看出:2.3.3冷 端优化计算结果分析1)2台机组的循环水泵在各季节的运行方式由于参加比较的方案很多,无法-- -列出,下面均以水量系数比1.00: 0.85: 0. 60是最经济的。.仅对输出的结果做结论性的分析。2)新建冷却塔和2座3500m2冷却塔循环水(1)敏感性分析。影响优化结果的主要因素是系统排名第I的方案均为冷却倍率为60倍的方案。发电成本 及凝汽器的造价,当单独改变发电成本冷"1机组在夏季P=10%气象条件下,冷却塔出却塔造价或凝汽器造价时,计算结果会发生明显的水温度为31.28C ,背压为9.04kPa; *2机组在夏季变化。 当发电成本升高时,计算结果中的冷却塔面P=10%气象条件下,冷却塔出水温度为30.63C，积随发电成本的升高而升高,而冷却倍率有不同程背压为8.74kPa。'1循环水系统的最优方案和*2循度的下降;当冷却塔造价上升且发电成本不变时,计环水系统的最优方案的组合即为方案I的最优方算结果中的冷 却塔面积随着冷却塔造价的上升而下案,此时年总费用最低,达到1635.92万元。降,冷却倍率不变;当凝汽器造价上升时,计算结果(2)方案2:新建1座3500 m2冷却塔+已有2中的冷 却塔面积则增大,冷却倍率不变。座3500m2冷却塔。该系统3座3500 m2冷却塔循(2)趋势性分析。当电价折减系数由0.8变为环水系统采用联合供水,冷却塔循环水系统优化计0.6时,由分析优化结果可知:实际上微增出力的变算结果见表9。.化仅与热耗有关,即微增出力与燃料费用紧密相关，由表9可以看出,3座3500m2冷却塔循环水系其他非燃料性的发电成本并不对微增出力产生实质统排名第1的方案为冷却倍率为55倍的方案。在性的影响,由于电厂燃料在发电成本中所占比例较夏季P=10%气象条件下,冷却塔出水温度为31.40高,因此,较优方案中的冷却倍率、冷却塔面积均会C,背压为9.39 kPa,年总费用为1 968.99万元。有利于高倍率大冷却塔面积的方案。(3)方案比较。从循环冷却水系统设计优化结随着机组运行时间的增加,凝汽器管的清洁系果可知,2种方案在技术上均是可行的,方案1的年数随之降低 ,当凝汽器管的清洁系数降低时,计算结总费比方案2低333.07万元。根据济宁电厂的实果中的循环水冷 却倍率冷却塔面积均相应增加。际运行经验和初设审查意见,经综合比较,该工程最，另外,由于经济指数的变化,也影响冷端各参数终采用方案1中的最优方案,即*1机组配1座5500的确定,当固定费用率上升时,优化结果中的冷却塔m2型冷却塔和*2机组利用原有2座3500m'冷却塔倍率冷却塔面积会相应降低;当固定费用率下降单元制配水,冷却倍率均为60倍。循环水泵的运行时,优化结果中的冷却塔倍率、冷却塔面积会相应组合方式为:夏季工况为每台机组1台定速循环水上升。泵及1台双速循环水泵高速运行;春/秋季工况为每2.3.4 循环水 系统最终配置台机组1台定速循环水泵及1台双速循环水泵低速该工程采用的汽轮机额定工况对应的背压为运行;冬季工况为每台机组1台定速循环水泵运行5. 20kPa,根据背压对汽机微增功率的修正曲线,当或者1台双速循环水泵高速运行。凝汽器背压高于此压力时，汽轮机出力将随之减少;表9循环水系统优化结果优劣名次母2 x220003 x3 5001 968.995C2 x 220003x35001984.74中国煤化工602011.74YHCNMH G 2094.51(下转第44页).●44●华电技术第33卷度以下(大约为8C)时,该扇区冷却三角左侧的3及技术[J].中国电力,2010(3):31 -34.个百叶窗转人新的控制方式,将关闭5% (约3s);[3]翁希旭,秦玉波，曹金胜.空冷系统冬季防冻及夏季优化系统每隔1 min检测1次,如果温度还低，继续关闭,运行的研究与实践[J].中氮肥,2011(4):32-33.温度上升到危险临界温度以上(大约为12C)时,停[4]田亚钊,晋杰600 MW直接空冷机组冬季运行防冻要点[J].电力建设,2006 ,27(2):4 -6,10.止关闭。(2)当第6冷却柱上的温度稳定上升到15 C[5]朱大宏.雷平和.600MW直接空冷凝汽器的度夏与防冻能力探讨[J].电力建设,2006,27(9):33 -36.时,3个百叶窗转换到标准温度控制模式，即原来的[6]李宏寿.表凝式间接空冷系统运行的安全性分析[C]//控制方式。(3)第17冷却柱上的温度用于控制该扇区冷全国火电机组优化运行技术研讨会论文集.北京:中国电力企业联合会,2005.却三角右侧的3个百叶窗,原理同上。(4)除左右各3个百叶窗的控制逻辑需要改[7]曾时明,陈梅倩.杨雁梅表面式空冷系统特点及可靠性[J].东北电力技术,2007(4):41 -44.变外,其余百叶窗的控制逻辑不变。[8]石诚,王智.某电厂空冷系统的优选分析[J].电力建设，2008 ,29(8):84 -87.4结束语[9]柴靖字.I000MW超超临界机组空冷系统选型设计研兖随着国内间接空冷机组的不断增多,加之气候[C]//2008年中国电机工程学会年会会议论文集.北日益多变,间接空冷塔的防冻显得越来越重要。如京:中国电机工程学会,2008.果不采取有效措施保证防冻的可靠性,轻则影响机[10]张新海. 1 000 MW超超临界机组直接空冷系统技术探组的安全运行,造成非计划停运或限负荷出力,重则讨[J].华电技术,2008 ,30 (5):7-11.造成几千万元的设备损坏。因此,在工作中不断进[11]李春山.600 MW机组间接空冷系统冬季防冻控制研究[J].电力安全技术,2010,12(6) :53 -54.行总结并采取有效的优化措施,可保证空冷塔运行[12]王佩璋.火电厂塔外设散热器间接空冷装置的实践经更加可靠。验[J].电力设备,2008(9) :78 -81.参考文献:(编辑:刘芳)[1]丁尔谋.发电厂空冷技术[ M].北京:水利电力出版社,作者简介: .刘海军(1973- -) ,男,山西晋城人,调度值长,助理I程师,[2]梁振明,王平国.内首例600HW机组间接空冷示范工程从事电厂发电方面的工作( E-mail:13363565878@ 189. cn)。.0.......................................................(.上接第41页)而当凝汽器背压低于此压力时,汽3结束语轮机出力将随之增加,为达到这一-目标,采用较大的冷却水量对于冷却塔面积较为有利,该设计将充分根据上述分析及计算,华能济宁电厂2 x 350考虑这个特点。MW热电联产机组改建工程最大限度地利用了电厂从表9可以看出,方案靠前的冷却塔面积多为原有的循环冷却水设施,同时给出了机组经济运行5000~6000m2,为控制工程造价,同时保证冷却效的最佳配置方案。目前，在国家以大代小的火电产果,结合国内同地区、同容量机组的设计运行情况，业政策下,如何能在电厂扩建过程中更好地利用电冷却塔(*1机组)的面积最终采用5500m2;循环倍厂原有小机组的冷却设施,成为火电厂设计中水工率靠前的多为60倍,故设计循环倍率采用60倍;凝专业的一个新课题。汽器面积为22000m2;循环水管道为DN2400/DN1800;*1机组在夏季P=10%气象条件下,冷却塔出水温度为31.28C,背压为9.04kPa;凝汽器年平均进水温度为18. 93 C ,汽轮机年平均背压为4. 96[1]DLT 5339- 2006,火力发电厂 水工设计规范[S].kPa。*2机组在夏季P= 10%气象条件下,冷却塔出(编辑:白银雷)水温度为30.63 C ,背压为8.74 kPa;凝汽器年平均中国煤化工进水温度为18. 27C。汽轮机年平均背压为4.78作者简介:CNMHG_kPa。此种组合排名在循环水系统优化结果中位列JH赵佰波( 1980一),办山办即川入,工在师,从事发电厂第一。水工工艺设计方面的工作( E-mail:zhaob@ 163. com)。.