数值计算在1000 MW机组空冷系统选型中的应用

陈保华，冯 璟，雷平和，刘 军

(北京国电华北电力工程有限公司，北京市，100120)

0 引言

空冷技术在我国发展迅速，目前已有1000 MW超超临界空冷电站进入建设阶段[1]。由于系统规模的扩大，空冷选型更加重要[2]，直接关系到机组运行的经济性及投资的正确性，所以空冷系统的选型必须从定性分析走向定量分析。

要从定量分析入手进行直接空冷系统和间接空冷系统的选型，就必须掌握在特定的地区、全年不同气温条件及不同风向条件下2种空冷系统的运行背压，从而计算采用这2种空冷系统后机组全年的发电煤耗，再结合投资及运行费用，通过技术经济性比较，选取年总费用最低的方案[3-4]。如何知道在全年不同气温条件及不同风向条件下2种空冷系统的运行背压，这是一个非常复杂的流动和传热问题。科学地选择计算模型和合理地确定边界条件，通过数值计算的方法计算环境风及外界气温对空冷系统背压的影响，从而计算出全年空冷机组煤耗，最终通过全面的技术经济性比较为选型提供依据。

1 空冷系统选型方法

在可行性研究阶段，需要通过详细比较来确定空冷系统的型式，对于风向玫瑰图很不规则的区域，空冷系统的选型尤为重要。空冷系统选型步骤如下：

（1）整理气象资料。整理厂址处气象站近10年的气象资料，当气象站资料不能完全代表厂址处气象条件时，需要现场至少1年的气象观测资料。资料内容包括近10年厂址处全年各月平均温度，各月主导风、次主导风及平均风速，并根据厂址所在电网区域的负荷曲线，确定各月各风向下机组的满负荷小时数。

（2）对直接空冷系统与间接空冷系统进行设计优化，分别获得最优化方案。即根据主机参数、设计气象条件、投资及运行维护费用等，通过优化计算确定直接空冷系统及间接空冷系统的最佳方案，选定直接空冷系统的空冷凝汽器散热面积、迎面风速、空冷单元排列方式及风机的主要参数等，选定间接空冷系统的空冷散热器面积，排列方式及间接空冷塔的尺寸等。

（3）数模试验。通过数模试验分别计算各月平均气温，各月主导风、次主导风向及其相对应的平均风速条件下，直接空冷凝汽器及间接空冷散热器的迎面风速及进口空气温度。

（4）背压计算。根据数模试验的结果，计算空冷机组在各月平均气温条件下，主导风、次主导风向及其相对应的平均风速下运行时，机组针对直接空冷系统与间接空冷系统的运行背压值。

（5）发电煤耗计算。根据各月主导风向与次主导风向时机组对应的运行背压值，计算出2种类型空冷机组对应的发电煤耗率，进而根据各月的平均发电煤耗率及月满负荷运行小时数，计算各月的发电煤耗，最终分别得到2种类型空冷机组的年发电煤耗。

（6）进行技术经济性比较。分别计算2种类型空冷系统的年固定投资费用及年运行费用，从而分别计算出2种类型空冷系统的年总费用，取年总费用低的方案为最优方案。

下面使用上述空冷系统选型方法，以某百万千瓦机组空冷系统选型为例进一步说明其使用方法。

2 空冷系统选型实例

2.1 整理气象资料

本案例为拟建中的内蒙古某电厂，规划装机总容量为6×1000 MW空冷发电机组，其中一期工程为2×1000 MW空冷发电机组。该电厂厂址区域风向多变，风速高，冬季严寒，需要通过空冷选型的方法对其进行选型研究。

按照空冷选型方法第1步，对电厂所在区域的气象资料进行整理，整理后的气象资料及运行小时数分布见表1。表1中风向和风速值为厂址处实际观测站，2007年全年所测得的10 m高处的风速和风向值；平均气温为多年月平均气温。根据厂址所在电网区域的负荷曲线确定的各月机组的满负荷小时数。

表1 2007年厂址气象资料简化表Tab.1 Simplified meteorological data at plant site for 2007

2.2 空冷系统方案优化

按照空冷选型方法第2步，对直接空冷系统与间接空冷系统分别进行设计优化，经优化选型程序计算[5]，得出该电厂直接空冷和间接空冷优化设计方案。

2.2.1 直接空冷系统主要设计参数

单台机组直接空冷系统主要设计参数见表2。

表2 1000 MW机组直接空冷系统主要设计参数Tab.2 Main design parameters of 1000 MW unit direct air-cooling system

2.2.2 间接空冷系统主要设计参数

系统采用表面式凝汽器与垂直布置的散热器相结合的SCAL型间接空冷系统。采用一机一塔设计，即6台机组采用6个空冷塔，单台机组间冷系统的主要设计参数见表3。

表3 1000 MW机组SCAL型间接空冷系统主要设计参数Tab.3 Main design parameters of 1000 MW unit SCAL in-direct air-cooling system

2.3 建立模型进行数模实验

2.3.1 直接空冷电厂模型

每2个机组汽机房平面尺寸为235 m×45 m，锅炉房平面尺寸为210 m×95 m。根据6×1000 MW直接空冷电站空冷岛和主要建筑物的布局，整个数值模拟实验的计算域如图1所示[6]。每2台机组构成1个独立空冷岛，其尺寸为240 m×100 m×15 m，由50根直径为3.8 m的混凝土立柱支撑。

2.3.2 间接空冷电厂模型

根据电站当地地形条件，采取如图2所示的空冷塔及主要建筑物的平面布局。通过数值模拟计算，可分别获得各月平均气温，各月主导风、次主导风向及其相对应的平均风速条件下，直接空冷凝汽器及间接空冷散热器的迎面风速及进口空气温度。

2.4 年运行背压计算

2.4.1 直接空冷系统年运行背压计算

直接空冷系统的传热过程为蒸汽、空气的能量守恒过程，凝汽器凝结温度与凝汽器进口空气温度、饱和蒸汽流量、凝汽器迎风面面积、迎风面风速、空冷凝汽器的传热系数、总传热面积及翅片管型式有关。

在空冷凝汽器面积、饱和蒸汽流量及翅片管型一定的情况下，通过数模试验可以计算出全年不同风向、不同风速、不同气温条件下空冷凝汽器的迎面风速及进口空气温度，由凝结温度公式计算得到空冷凝汽器的凝结温度，进而得到空冷凝汽器对应的压力，加上相应的压损得到机组背压。经过数模试验及理论计算可以得到直接空冷系统方案全年机组的运行背压，如表4所示。

2.4.2 间接空冷系统年运行背压计算

通过对表面式凝汽器和空冷散热器的传热分析，可以得到在冷却空气流量、循环水流量、冷却空气进口温度、汽轮机排汽量确定的条件下，即可获得汽轮机背压。同样，冷却空气流量受空冷塔结构和环境风场的影响，而冷却空气进口温度与环境气温和风速、风向有关。通过数值模拟，可以得到不同工况、不同气温、不同风向、风力条件下的冷却空气流量以及空冷散热器进口温度，最终获得汽轮机背压。经过数模试验及理论计算可以得到间接空冷系统方案全年机组的运行背压，如表5所示。

2.5 全年煤耗计算

根据选型方法第5步骤，利用背压计算结果，采用煤耗计算公式进行计算。锅炉效率和管道效率分别选取93.5%和99%，通过计算，可以得到6×1000 MW间接空冷系统机组年平均发电煤耗为290.98 g/（kW·h）。直接空冷系统机组年平均发电煤耗为287.8 g/（kW·h）。与直冷系统相比，间接空冷系统机组年平均发电煤耗低3.18 g/（kW·h），说明间接空冷系统机组煤耗略低于直接空冷系统。

表4 不同风速、风向下直接空冷机组的最终选取背压Tab.4 Finally selected backpressure for direct air-cooling units under different wind speeds and directions kPa

表5 间接空冷机组背压在各个月份不同风向、风速下的选取值Tab.5 Selected value for in-direct air-cooling unit backpressure under different wind directions and speeds in months kPa

2.6 2种系统的技术经济性比较

考虑系统初投资及年运行维护费用，以及有关财务费用，结合以上5个步骤得到的数据进行综合分析。

税前上网电价：0.238元/（kW·h）；年利用小时数：5500 h；地价：85.4 元/m2；经济运行年限：20 年；标准煤价：350元/t；投资回收率：8%；维修费用率：2.5%。

2种空冷系统的详细经济性比较见表6。按照数值模拟计算结果，间接空冷机组单位发电煤耗比直接空冷机组低3.18 g/（kW·h）。

从表2～4可以看出2台1000 MW机组间接空冷系统的年总费用比直接空冷低约307.68万元，其中年固定投资费用间冷较直冷高约1177.8万元，年运行费用间冷较直冷低约1485.47万元。

厂址所在地区多年极端最低气温为-33.2℃，典型年最低气温为-30℃，属于严寒地区，在间接空冷系统落实了可靠的防冻措施的情况下，结合技术经济性比较的结果，推荐采用间接空冷系统。

3 结论

（1）环境气象条件对空冷系统的选型影响极大，以前定性分析的方法选择系统带有一定的盲目性，已为运行实践所证明。

表6 2×1000 MW机组间接和直接空冷系统经济比较Tab.6 1000MW unit in-direct and direct air-cooling system economic comparison

（2）本选型方法利用CFD为手段，以详细的气象条件为基础，以空冷优化程序为条件，以电网运行模式为依据，计算出机组在详细的气象条件下全年运行发电煤耗，具有相当的准确性。

（3）建议对600 MW级、1000 MW级大型空冷电厂，在环境复杂，不能简单判断直接空冷或间接空冷的优劣时，使用本选型方法，以科学的定量分析方法确保选择更加准确。

[1]雷平和.1000 MW直接空冷系统的设计初探[J].现代电力，2008，25（S）：149-153.

[2]陈保华，冯璟，顾大明.直接空冷系统与烟塔合一间接空冷系统选型研究[J].现代电力，2008，25（S）：115-119.

[3]丁尔谋.发电厂空冷技术[M].北京：水利电力出版社，1992.

[4]严俊杰，张春雨，李秀云，等.直接空冷系统变工况特性的理论研究[J].热能动力工程，2000，15(6)：601-603.

[5]董韶峰闫金霞，任洁.发电厂直接空冷系统设计[J].能源与环境，2006（5）：117-120.

[6]杨立军.内蒙古克什克腾发电厂空冷系统数模实验研究[R].北京：华北电力大学能源与动力工程学院，2008.