复合循环空冷系统与直接空冷系统经济性比较分析

梁 婧

（济南热电有限公司，济南 250000）

复合循环空冷系统与直接空冷系统经济性比较分析

梁 婧

（济南热电有限公司，济南 250000）

通过对复合循环空气冷却系统工作原理的分析，在系统设备产、耗功量与性能指标的分析基础上得出机组汽轮机最佳真空。结合算例中机组所在地区的气候条件，从理论上对复合循环空冷系统与算例中选择的蒙东600MW直接空冷系统的做经济性比较。综合分析复合循环空冷系统的经济性收益，进一步证实复合循环空冷系统的可行性，对空冷系统的研究和工程应用具有指导意义。

发电功率增量；环境温度；变工况；最佳真空

前言

近年来提出的复合循环空冷系统具有直冷系统的节水率，同时可实现接近于湿冷机组的真空。由于复合循环空冷系统真空不受外界环境与机组工况的约束，在系统设备配合下真空是可以人为大范围调节的，这就相对于直接空冷系统大大的增强了环境适应能力且很好的解决了“高温难满发”的难题［1］。本文以蒙东地区600MW直接空冷机组为例，结合当地的气候条件在经济性上与复合循环空冷系统做详细的比较。

1 复合循环空冷系统与直冷系统比较

图1 直接空冷机组系统简图

图2 复合循环空冷系统机组简图

如图1、2中给出了直接空冷系统与复合循环空冷系统的主要设备图。复合循环空冷系统的设计结构［2］其相对于直接空冷系统是在空冷散热器与汽轮机凝汽器之间插入了由氨汽轮机与压缩机并联而成的系统，其运行方式主要取决于机组负荷与外界的环境温度。通过氨汽轮机的运行，实现低温时段排汽潜热的利用，通过压缩机的运行保证机组的高温满发与提高设备的利用率。

2 算例的气候条件与系统真空的选取

图3 蒙东地区典型年气温—小时分布

由于复合循环空冷系统与直冷系统设备的运行功率与外界环境温度有直接的关系，对系统做经济性的分析需结合机组的气候分布做计算。算例中气候条件分布采用典型年气温—小时分布如图3所示，结合机组的运行负荷变化，本文采用满负荷加权小时数，全年加权小时数为5500h。

复合循环空冷系统在不同的外界环境温度与负荷下，最佳真空的计算中选取采用了系统功率的增益函数［3］：

图4 理论最佳背压的变化曲线

式中，Pst—系统相对于直接空冷真空变化的发电功率增量，kW；Pat—复合循环空冷系统低温时段潜热利用氨汽轮机发电功率，kW；Pac—高温时段压缩机耗功率，kW；Pap—氨泵的功率，kW。在机组负荷与环境温度为定量时，不同真空值对应有不同的增益函数Y值，其中Y为最大值时对于的真空值为系统的运行最佳真空，计算结果如图4所示。

3 空冷系统经济性比较预测分析

根据上述计算的复合循环空冷系统的最佳真空结果，在系统的实际运行假定系统始终按照最佳真空方式运行，通过计算来分析其高温时段与低温时段的产耗功相比较于直接空冷系统的经济性。计算以机组满负荷运行为例，结合不同温度分布的加权小时数可以得出每一温度点对于的功量：Qst（低温时段Qst，1和高温时段Qst，2的和）、Qat、Qac、Qap，可定量的对系统经济性做出分析。

3.1 低温时段系统经济性比较

由图4可知在低于-2℃时，最佳真空为4kPa（在最佳真空的计算中，真空取值从机组设计的极限背压4kPa开始取值），算例中直接空冷系统额定背压为15kPa。复合循环空冷系统相对于直接空冷系统的经济性收益［4］有两部分：（1）由于背压的降低汽轮机发电增量Qst，1定义为复合循环空冷系统内收益；（2）对低温潜热利用的氨汽轮机的发电功率Qat定义为复合循环空冷系统的外收益。算例中温度低于-2℃的加权小时数为2409.7h，机组由于真空的变化汽轮机发电功率增量为10129kW，由此可得到复合循环空冷系统在低温时段机组内收益为：

结合氨汽轮机功率与温度—小时分布情况可以得到系统的外收益如图5所示。低温时段氨气轮机累计产电量为：

按算例中直接空冷机组的额定工况计算，可以得出直接空冷系统全年的发电量为3.33×1010kW.h，由此可得：（2.44108+9.78×108）/3.33×1010=3.67%，可以看出复合循环空冷系统中的氨汽轮机内收益与汽轮机组发电外收益对电站整个系统经济性有一个很大的提高。

图5 低温时段温度—小时累计发电量

图6 高温时段温度—小时累计耗功量

3.2 高温时段系统经济性的比较

复合循环空冷系统在满负荷时，由图4可知当外界温度大于-2℃时为最佳真空运行方式的高温时段，系统由氨汽轮机转换为压缩机的运行。随着环境温度的升高，系统的最佳真空也增大，当环境温度为13℃最佳真空值是10.5kPa时，系统相对于算例中直接空冷系统的收益为零，即此时压缩机的功率等于系统相对于直冷系统由于背压下降汽轮机功率的增量。当环境温度大于13℃时，采用最佳真空运行方式由于压缩机的功量的增加与最佳真空的变大，复合循环空冷系统的运行出现负收益阶段。结合图4中的给出的数据点，计算负收益阶段复合循环空冷系统压缩机小时累计耗功量如图6所示。高温时段压缩机耗功Qac结合对应小时数计算结果：

高温时段系统采取最佳真空方式运行与直接空冷系统汽轮机发电功率增量计算中，直接空冷系统的额定背压为15kPa，复合循环空冷系统背压结合图4中计算结果［5］，结合气温—小时分布图可得：

由于此处的直接空冷系统选取的背压为额定背压，而在高温时段直接空冷系统的运行保持额定背压是很难实现的，因此实际汽轮机发电功率增量要大于公式（5）中结果，这里的计算结果为复合循环空冷系统相对于直接空冷系统的发电功量负收益的一个极限。

3.3 全年系统的经济性比较

上面对复合循环空冷系统与直接空冷系统的经济性在高温时段与低温时段做了详细的比较计算。计算的温度选取区间只考虑了收益性较明显的低温时段与高温时段的系统负收益区，对高温时段的经济性正收益阶段此处不做考虑［6］。接下来对全年的经济性收益做计算：

结合直接空冷系统额定工况全年发电量可得7.97×108/3.33×1010=2.39%，计算表明复合循环空冷系统相对于直接空冷系统的全年经济性收益还是比较可观的。

4 结论

本文以蒙东600MW直接空冷系统为例，结合算例中气候条件与复合循环空冷系统的经济性做了详细的分析：

1）复合循环空冷系统在低温时段运行相对于直接空冷系统的收益是比较明显的，可以分为汽轮机发电功率增量的内收益与排汽低温潜热利用的外收益，且内外收益之和相对于直冷机组全年发电量可达3.67%，对电站系统总效率都是一个很大的提高。

2）复合循环空冷系统在高温时段的运行相对于直接空冷系统额定背压15kPa在经济性收益方面存在负收益，但是综合复合循环空冷系统全年时段的运行在经济性上相对于直接空冷机组全年发电量可达2.39%，在解决目前空冷机组普遍存在的问题的同时还是有很好的经济性收益。

［1］高增宝，柴靖宇.关于空冷机组在夏季炎热期满发的问题［J］.电力建设，1998，（9）：28～31.

［2］杨善让，徐志明，王恭等.蒸汽动力循环耦合正、逆制冷循环的电站空冷系统［J］.中国电机工程学报，2006，26（23）：61～66.

［3］赵洪滨，曹岭.直接空冷凝汽器理论最佳背压的研究［J］.工程热物理学报，2009，30（11）：1834～1836.

［4］杨善让，陈立军，郭晓克等.环境低温条件下汽轮机排汽潜热的利用新方法［J］.吉林大学学报（工学版），2009，39（1）：150～153.

［5］曹丽华，金建国，李勇.背压变化对汽轮发电机组电功率影响的计算方法研究［J］.汽轮机技术，2009，48（1）：11～13.

［6］陈立军，蒸汽动力循环耦合正、逆制冷循环的电站空冷系统理论与评价研究［D］.河北：华北电力大学，2010.

Based on the composite-cycle air-cooling system works and analysis of the system equipment production，consumption work and performance indicators，derived turbine optimal vacuum of units.Combining the climatic conditions of the unit in example，make the econom ic theory comparison between composite-cycle air-cooling system and Mondon 600MW direct air-cooling system.Comprehensive analysis the econom ic benef ts of the composite-cycle aircooling system，which could provide guiding signif cance for research and engineering applications of air-cooling system，also further conf rm the feasibility of composite-cycle air-cooling system.

Power generation increment； Ambient temperature； Variable working conditions； Optimal vacuum