“上大压小”被替代机组循环水系统的利用研究

苏翔峰（中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽　合肥　230601）



“上大压小”被替代机组循环水系统的利用研究

苏翔峰（中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽合肥230601）

受国家政策扶持，电源点、热源点建设中“上大压小”热电联产项目比较普遍，部分被替代机组循环水系统运行状况良好，从节能、节约原材料、节约投资的角度考虑，如何在新上项目中将被替代机组循环水系统巧妙利用起来，使其“起死回生”是摆在水工专业面前的一个课题。本文结合工程实例谈了一些这方面的做法和体会。

机组；循环水系统；数值仿真模型

1　概述

某电厂现有四台机组，总装机容量300MW（1×15MW+1× 25MW+1×125MW+1×135MW），根据水源条件，所有机组均采用带冷却塔的二次循环供水系统。项目公司计划拆除#1、#2、#3机组，原址建设2台350MW超临界燃煤供热机组。

电厂#1、#2机组 （15MW、25MW）循环水系统采用母管制，建成于80年代末，停运多年，已无利用价值。#3机组（135MW）1997年投产，循环水系统采用单元制，系统配置如下：

循环水泵：48Sh-22X，2台

配套电动机：Y6304-12，2台

循环水母管：DN1800焊接钢管

冷却塔：3500m2逆流式自然通风冷却塔

该系统运行至今状况良好，其间冷却塔填料换过一次、循环水泵电机由单速改造为双速。

2　循环水系统方案选择

根据现场踏勘了解的情况，结合厂区总平面布置，本次新建的二台350MW机组循环水系统可供选择的布置方案有3个：

方案一：不考虑#3机组循环水系统的利用，单元制或扩大单元制布置，新建2座自然通风冷却塔，配套相应的循环水泵房和循环水管，系统图见图1。

图1　

方案二：考虑#3机组循环水系统的利用，#5机组单元制布置，新建1座自然通风冷却塔，配套相应的循环水泵房和循环水管；#6机利用老厂#3机的3500m2自然通风冷却塔和循环水泵房，新建1座自然通风冷却塔和循环水泵房，联合供水，系统图见图2。

图2　

方案三：将本工程2×350MW机组看成一个整体，在#3机3500m2自然通风冷却塔和循环水泵房的基础上，新建1座自然通风冷却塔和相应的循环水泵房、循环水管，联合供水，系统图见图3。

图3　

上述三个方案中，方案二、三由于利用了#3机循环水系统，节约投资是显而易见的，但方案二较方案三占地面积大，且受场地条件限制，布置起来很不合理。从运行角度考虑，方案三由于采用母管制，避免了检修一座塔必须停一台机组情况的出现；冬季循环水量较小时，还可以单独运行#3机循环水系统，即解决了冷却塔的冰冻问题，又降低了运行费用，对于供热机组而言，方案三运行更加灵活。

虽然方案三的优点很多，但由于两座冷却塔形成的循环水系统的配水高度和系统阻力不一样，两座塔进出水量不相等，若不加调控，很容易出现冷却塔集水池溢流或抽空的情况，也很容易发生水击、气蚀等安全事故，并严重影响电厂机组正常运行，无法保证机组安全；同时配水不当也会影响机组和冷却塔的运行效率。如何简单有效解决两座冷却塔之间的配水难题是该方案成立与否的关键，为此我们对该方案进行了重点研究，工作思路如下：

（1）首先根据新建冷却塔面积试算二套循环水系统的流量分配比例。

（2）根据流量分配比例，对新建循环水系统进行优化。

（3）根据优化结果，进行新老二套循环水系统联合运行的水力分析，研究实现冷却塔和机组之间循环水量分配的工程措施。

（4）结合冷却塔水量优化分配的计算结果，建立循环水管网恒定流数学模型，计算不同运行工况下，循环水系统各管段的水头损失，研究确定不同的流量工况下的水泵工作点。

（5）研究确定不同循环水流量工况下控制阀门的开度。

3　循环水系统优化

方案三夏季工况2×350MW机组全部满负荷纯凝运行时，新老二座冷却塔需并联运行。即新建冷却塔对应的系统除了向一台机组供水外，还有部分水量与3500m2冷却塔对应的系统一起向另一台机组供水。

本工程新建冷却塔按6500m2、7000m2、7500m2、8000m2四种不同淋水面积和夏季50、55、60、65四种不同冷却倍率分别计算其与3500m2冷却塔的流量分配比例。根据计算确定的流量分配比例对新建循环水系统进行优化，优化结果表明以下方案为新建循环水系统的最优方案：

冷却塔淋水面积：7500m2

循环水母管管径：DN3000

冷却倍率：60/51/36

该方案新老二套循环水系统联合运行时的系统流量分配比例为0.76：0.24。

4　循环水系统水力分析

新老二套循环水系统的管道连接如下：从二座循环水泵房来的二根供水母管在汽机房外并联后向凝汽器供水，凝汽器出水管在汽机房外分成二根回水母管分别回到二座冷却塔。二套系统联合运行时需要考虑以下两个问题：

（1）从二座循环水泵房到汽机房外的并联点，四台循泵为并联运行，在并联点压力应相等，否则压力低的一边就会存在憋泵现象，使水泵出流量低于设计值；

（2）从汽机房外回水管并联点到冷却塔，二座冷却塔也是并联运行，两边系统阻力也应相等，否则阻力大的一边将会流量减少，导致循泵的出水量和对应的冷却塔回水量不一样，如不及时调整，回水少的冷却塔水位会不断降低，最终致使系统不能运行。

计算结果表明，7500m2冷却塔系统各段水头损失较3500m2冷却塔都高。冷却塔水池至A外并联点段管道水头损失差值较小，为0.20m，对循环水泵出力的影响只有1.5%左右，可以不考虑调整；A外并联点至各冷却塔段管道水头损失差值较大，为5.40m，必须采取调节措施。

我们首先想到将此段管道上装上阀门，用阀门的开度来调节管道损失。经计算，若阀门阻力要达到5.40m，阀门处的水流速度必须在5m/s以上，已经超出了阀门的承受范围。我们又想到加高#3机配水竖井及配水槽，用自然高差来增加系统阻力。这个方案对老塔改动较大，费用增加，且减小了淋水面积，降低了冷却效果。此外，我们还想到在此段管道上增加减压孔板来增加系统阻力，此方法简单，易操作，但当3500m2冷却塔要单独运行时，不可能将减压孔板取出，人为增加了运行成本。

经过反复思考，我们想到采用旁路的方法，系统见图4。具体操作如下：在原有管道（图中细线部分）的适当位置并联一根小口径管道（图中粗线部分），需要配水调节时，关闭阀门A，使水流从小口径管道通过，从而提高系统阻力；当 3500m2冷却塔单独运行时，打开阀门A，系统阻力又回到原来水平。此方法操作简单，方便灵活。本次增加的小口径管道直径为DN1300，长14.0m，加上2只三通和3只（人为增加2只）90°弯头，总阻力为5.40m。

图4　

以上计算为理论值，与实际运行工况可能存在误差，在运行过程中，还需实时对系统进行监控，具体措施如下：在二座循泵房的二根供水管和二座冷却塔的二根回水管上分别装超声波流量计；在运行时由流量计监控每座循泵房的二台循泵的供水量和对应冷却塔的回水量，如偏差较大，则微调阀门B，使得水量基本相等，保证冷却塔和循环水泵的正常运行，避免造成一座冷却塔水位持续降低，而另一座冷却塔却在溢水的情况发生。

5　循环水泵选择

#3机循环水泵房内设有二台48sh-22x型单级双吸水平中开式离心泵，根据循环水系统水力计算，二套系统联合运行时，3500m2冷却塔对应的循环水泵调整后的工况点与水泵并联曲线基本吻合，且在水泵高效区间内。因此，#3机循环水泵可以满足本工程要求。

根据循环水系统水力计算，考虑经济性，本工程新建循环水泵初步确定为二台立式混流泵、每泵配双速电机，具体参数为：

6　数值仿真模型验证

根据以上的分析，我们初步认为对#3机循环水系统进行简单改造后方案三是可行的。鉴于循环水系统流量、阻力计算的准确性关系到二座冷却塔的正常运行，本工程委托相关科研单位对循环水系统进行了数值模型试验研究。

根据设计提出的初步方案，研究单位采用键合图理论建立了冷却塔循环水系统的动态模型，通过计算一定时间段的动态过程，得到稳态解。然后采用基于遗传算法的参数优化方法，对循环水系统进行参数优化，给出其控制目标函数和必要的控制阀门分布，并对控制阀门的敏感性进行了分析。

研究表明：为控制两个冷却塔的竖井水位，保证每个冷却塔的进排水流量相等，每个凝汽器分配的水量相等，在循环水供水管道上设置一个控制阀门，在循环水回水管道上设置两个控制阀门，辅以流量计和微调阀门可以实现上述控制目标。

7　各方案投资、占地分析比较

本工程循环水系统方案一需新建二座6000m2冷却塔及相应的循环水泵房、循环水管沟；方案二需新建一座6000m2冷却塔，一座 3000m2冷却塔及相应的循环水泵房、循环水管沟；方案三需新建一座7500m2冷却塔及相应的循环水泵房、循环水管沟。各方案的投资比较见表1。

表1　

各方案新增占地比较见表2。

表2　

由上述比较可以看出，方案三无论是投资和占地都远优于方案一和方案二，并且由于避免了#3机循环水系统的拆除，即缩短了施工工期、节约了资源又减少了大量的建筑垃圾，保护了环境。

8　结束语

“技术先进、安全可靠、造价合理、资源节约、环境友好、绿色和谐”是每一个电力建设者追求的目标。要实现这一目标就必须从大处着眼，小处着手，精细化设计。目前“上大压小”项目中部分关停机组远没有达到经济使用年限，只是由于机组容量小、能耗高而遭淘汰；但辅助系统很多运行状况良好，将其巧妙地融入新建项目中不但可以产生巨大的经济效益和社会效益，而且还能产生巨大的环境效益，本文从循环水系统利用的一个侧面论述了其可行性和经济性。

2016-5-1

TK267

A

2095-2066（2016）14-0020-02