电站空冷系统适宜性分析及型式选择

张新海

(山西省电力勘测设计院,山西太原 030001)

根据国家节水政策,在富煤缺水地区 (干旱指数大于1.5)建设火电站时,宜采用空冷系统。干旱指数是指某地区年蒸发能力与降雨量的比值,干旱指数在 1～3范围内属于半湿润区。我国超过60%以上国土面积的干旱指数大于1.5,电站空冷机组目前主要集中在高干旱指数的缺水富煤的 “三北”地区。地方政府包括环保部门对厂址附近有特殊要求时,也可考虑采用空冷系统[1]。某些地区有经济的水源,但基于对水资源的长期规划而限制使用或环保部门有特殊要求,比如采用海水 (河水)直流冷却会对水体造成热污染时,或周围不能长期有湿冷塔的水雾漂滴时,等等,则可以采用空冷系统解决。如:比利时BRUGGE电厂,紧邻河水,为防治对水体热污染,采用了空冷系统。另外,当老厂扩建、水资源困难时,也可采用空冷系统。

1 总体环境条件

采用空冷系统应有 “适当的环境条件”,即气温、风速等气象条件和空气质量条件应适合建设空冷电站。世界上采用空冷系统的已投运电厂,环境气温为-52～+50℃之间,如巴林的阿尔巴(ALBA)2×900 MW联合电厂,其极端最高气温高达50℃;而俄罗斯比利比诺 (Bilibino)4×12 MW核电站,其极端最低气温达-52℃。环境风速最大值为36 m/s(如美国 1×365 MW 的WYODAK电站),其年平均风速3.5 m/s;国内有些在建电厂环境风速最大值达到40 m/s(如吉林某2×600 MW 电厂),其年平均风速为3.8 m/s;甚至有些电厂年平均风速超过 4 m/s(如新疆某2×600 MW电厂)。这些电站特殊的气象条件对空冷系统的运行是不利的,并不是最适宜采用空冷系统的,但因有实际工程作依托,可以将其作为适当条件的极限值,但应进行必要的重点专题研究,采取保证机组安全运行的措施。此外,拟建厂址处还应避开诸如水泥厂、石灰厂等严重工业腐蚀性粉尘区域。

2 空冷系统型式适宜的工程技术条件

2.1 直接空冷及间接空冷系统

在项目确定采用空冷系统后,应根据总图布置条件,厂址处气温、风向、风速等气象条件,环境噪音要求等,结合每种空冷系统的特点,经充分论证后,合理选择空冷系统工艺型式。一般选择原则如下。

a)气温条件。在严寒地区,宜优先考虑采用直接空冷系统,严寒地区是指多年最冷月平均气温低于-10℃的地区。经综合比较后,如确需采用间接空冷系统,特别是极其寒冷地区,需重点研究防冻措施。

b)风场、风速条件。在风场流态较稳定的地区,宜采用直接空冷系统;当主导风向不明显或风向对直接空冷总体布置极不合理时,宜采用间接空冷系统。当环境风速较大时,两种空冷型式均可采用。由于基本风压较大,间冷塔的投资会较大,须与直接空冷系统采取防风措施的投资比较后确定空冷系统型式,一般情况下,由于间接空冷系统受风的影响比直接空冷系统相对要小,建议优先考虑间接空冷系统。风场稳定是指多年全年或夏季的主导风向明显且频率较高,单从风向资料因素考虑是非常适宜采用直接空冷的,但这并不意味着不能采用间接空冷系统,还需结合其他条件综合分析。

c)场地条件。受电厂场地条件限制、无法布置较大的间冷塔时,宜采用直接空冷系统。当只能采用直接空冷系统时,若风向、风速对空冷系统影响较大时,需重点研究防治环境风的措施。

d)噪音条件。受周围环境条件限制 (如距离居民区较近),噪音标准要求很高,如采用直接空冷系统降噪措施造价较高、经济上不合理时或者根本无法满足要求时,应采用间接空冷系统。

e)燃煤价格条件。经技术经济比较,燃煤价格高于直冷、间冷经济性相当的临界煤价时,宜采用间接空冷系统。

f)机组夏季安全运行条件。由于直接空冷受环境风影响比间接空冷大,大风高温时负荷波动较大且有可能造成机组跳闸,业主对项目今后机组夏季运行的安全性要求严格的宜优先采用间接空冷系统。

g)电站建设急缓条件。间接空冷系统由于大型冷却塔施工周期较长,如果项目为满足尽快解决缺电局面,要求机组建设速度较快的宜优先采用直接空冷系统。

以上a)～g)条仅是空冷系统型式选择中对某种空冷系统更适宜的一项因素,不能孤立地认为满足其一即可确定空冷系统的型式。值得指出的是:间接空冷系统也会受到环境风的影响,夏季有时会非常严重,比如大同二电厂根据实测资料[2],当环境风为14 m/s时,循环冷却水回水的温升升高了14℃。由于间冷塔较高,不存在热回流这一因素,且间冷塔是圆形建筑物,对风向要求没有直接空冷严格,另外风对间冷系统的影响有延缓现象,不像直接空冷那么敏感。

2.2 表凝式间接空冷与混凝式间接空冷系统

a)老厂机组改造。对于老厂湿冷机组改造为空冷机组的,受汽机房条件限制及考虑改造的难易性,宜采用表凝式间接空冷系统。

b)核电机组。如核电机组采用空冷系统,出于对机组运行安全性以及增加防止核泄漏的多重措施考虑,应采用表凝式间接空冷系统[3]。

c)常规空冷机组。可采用表凝式间接空冷系统,也可采用混凝式间接空冷系统。从经济性考虑,宜优先考虑采用混凝式间接空冷系统,从运行及系统简单性考虑,优先考虑采用表凝式间接空冷系统。

2.3 间接空冷系统散热器布置型式

[4]进行选择。

2.4 汽轮机小汽机排汽及辅机冷却水系统

a)当直接空冷机组采用汽动给水泵且小汽机排汽冷却设置单独空冷系统时,单独设置自然通风冷却塔塔型极不合理,宜采用单元制的两机一塔表凝式间接空冷系统,机组较小时可考虑采用机力通风冷却方式。

b)当辅机冷却水系统采用空冷系统时,由于对水温有限制且水量相对较小,宜采用机力通风间接空冷系统加夏季水喷雾系统。该系统在国外已经广泛采用,国内目前已有项目实施,采用这种方式可进一步节约电厂用水。

c)当间接空冷机组采用汽动给水泵时,汽动给水泵排汽冷却系统宜与主机冷却系统合并。

3 空冷系统型式选择的经济条件

在进行直接空冷和间接空冷型式选择时,不仅需考虑上述各种条件,还需进行经济比较与分析。它并不是用一个简单的数据能说明间接空冷系统比直接空冷能省几克煤、造价高多少的问题。在某项目采用两种空冷系统型式的技术条件均基本满足时,比较的前提条件不同,经济指标不同。主要有以下几类。

a)业主无任何特殊要求,仅要求项目的空冷系统方案最经济。此时,需进行间接空冷多个背压、多种塔型优化 (即迎面风速),直接空冷多个背压、多种迎面风速优化,最终在直接空冷、间接空冷所有方案中选取最经济可行的方案即可。经济性包括一次投资和年运行费用。此时用最经济的间接空冷系统方案对照最经济的直接空冷系统方案,可以得出业主所关注的背压、投资、煤耗、电耗等差值数据。在此过程中,影响方案经济性的关健因素是煤价,当煤价高到一定程度时,直接空冷与间接空冷最优方案经济性相同,若高于此煤价,则间接空冷经济。

b)采取直接空冷和间接空冷一样的设计背压,来比较其初投资差异和煤耗。总体结果是:混凝式间接空冷系统比直接空冷投资高5%～10%[5],表凝式间接空冷系统比直接空冷系统高约15%～20%。机组越小差值越大,这时由于小机组间接空冷迎面风速较低、大机组迎面风速较高,而直接空冷系统无论大小机组迎面风速变化不大,迎面风速每减小0.1 m/s,空冷系统投资在原基础上增加约1%～2%,直接空冷风机电耗减少约 5%～7%。理论上,设计背压一样,设计煤耗也应一样,但由于直接空冷、间接空冷受环境风影响的程度不同,实际运行中,两者加权平均煤耗折合到全年利用小时中,直接空冷比间接空冷的煤耗高 0.4～0.6 g/(kW ◦h)。[6,7]

c)采用间接空冷的设计背压比直接空冷设计背压低几个kPa,来比较其初投资差异、煤耗、电耗等。由于两者设计背压不同,即ITD值不同,一般,ITD值每减小1℃,投资增加约2.5%～3.5%,低背压时差值大。背压每降低1 kPa,煤耗降低约0.8～1.1 g/(kW◦h),低背压时差值小。

d)采用直接空冷和采用间接空冷的初投资一样,确定系统的规模和参数 (如设计背压、散热器面积等),最终比较其运行经济性 (如煤耗、电耗等)。混凝式间接空冷设计背压需要比直接空冷高0.75～1.5 kPa(低设计背压时)和1.5～3 kPa(高设计背压时),大机组差值小,煤耗相应将比直接空冷高 0.1～0.7 g/(kW◦h)和 1.1～2.8 g/(kW◦h)。表凝式间接空冷设计背压需要比直接空冷高2.2～3.0 kPa(低设计背压时)和4～5 kPa(高设计背压时),大机组差值小,煤耗相应将比直接空冷高 1.3～2 g/(kW◦h)和 3.5～4.5 g/(kW◦h)。

e)采取直接空冷和间接空冷的煤耗、电耗一样,来比较其初投资差异。即先确定直接空冷系统的设计参数 (如背压)以及系统配置等数据,然后取间接空冷的设计背压高于直接空冷的0.5 kPa,进行两种系统投资比较,此时,间接空冷系统比直冷系统的投资比本节b)中约减少1.7%～3%,低设计背压时差值大。

4 结论

通过上述分析,电站空冷系统适宜性涉及到国家政策、水源、煤炭、自然环境等。而系统型式的选择,在基本适宜性条件的基础上,还需结合场地条件、环保要求、机组安全运行要求、机组类型、电力负荷需求、燃煤价格、基建投资、经济比较等诸多工程条件进行综合性分析后,合理进行选择确定。总之,各种空冷系统型式均是成熟的技术,应根据不同的项目条件,理性选择系统型式。

参考文献:

[1] 火力发电厂空冷系统设计技术规定 (Q/SXED102.03-2010)[S].太原:山西省电力勘测设计院,2010.

[2] 马新平,张汉卿.间接空冷系统防冻与经济运行试验研究[C].山西五台山:第二届国际空冷技术研讨会论文集,1995.

[3] 张新海,李润森,李勤明,等.空冷技术在百万级核电机组上应用研究 [R].太原:山西省电力勘测设计院,2009.

[4] 张新海.间接空冷系统散热器布置型式分析 [J].电力建设,2010(增刊):10-12.

[5] SPX.间接空冷系统 [C].上海:上海间接空冷技术交流会,2008.

[6] 陈保华,冯璟,雷平和,等.数值计算在1 000 MW机组空冷系统选型中的应用[C].贵阳:第五届空冷会议论文集,2009.

[7] 张爱军,唐燕萍.空冷系统选择专题报告 [R].西安:西北电力设计院,2008.