亚热带地区燃机发电厂循环水冷端优化及冷却塔选型

陈正清 方常芳 李季

（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003）

冷端优化工作是多方面的，根据现行的《火力发电厂设计技术规程》中的规定，主要是对设计背压、凝汽器面积、冷却倍率、冷却塔面积及循环水管沟尺寸等进行优化。采用《循环水系统优化计算程序》通过水力、热力计算，进行多方案优化比选出的最佳循环水系统配置方案后，并以此方案为基础，采用“冷效相同”的方法进行冷却塔选型优化。本文主要结合自然塔和机力塔展开对比研究，通过技术经济比较，推荐出在发电单位成本、自然塔单位面积造价等变量下的冷却塔选型方案，为以后工程提供设计经验。

1 技术特点分析

自然塔和机力塔在技术上各有优势和特点，简单对比如下［1］：

（1）气象条件适应性：机力塔进出水温差△t 较大，冷幅小，逼近度更加贴近湿球温度，特别适合高温高湿地区；自然塔△t 较小，冷幅大，与湿球温度的逼近度一般。

（2）回流影响：自然塔出风口较高回流影响较小，机力塔出风口高度低，有一定回流，使环境温度增加从而降低冷却效果。

（3）投资及占地：自然塔淋水密度较小，占地面积大且初期投资大；机力塔淋水密度大，占地小，塔体平面尺寸可以根据工程用地的情况进行调整，布置紧凑且初期投资较小。

（4）运行维护：自然塔运行安全可靠，设备维护量较小，但可调性较差。机力塔因为段数多，运行灵活性强，但增加了机械设备故障点和维护保养工作，且风机运行费用较高。

（5）施工条件：机力塔重量轻、高度低，对地基承载力要求小，施工周期短且工程量少；自然塔则刚好相反，在地质条件不好的地区，地基处理的技术难度高，施工周期长，对施工队伍水平及经验要求高。

（6）设备运行噪声：机力塔淋水高度低，淋水噪声较低；自然塔淋水高度高，产生的淋水噪声高且不易控制。

2 循环水系统冷端优化

2.1 冷端优化设计方法

循环水系统优化计算采用年总费用最小法。该方法把投资和生产成本两个要素统一起来，并结合时间因素进行计算，即将各方案的基建投资考虑复利因素，换算成使用年限内每年年末的等额偿付的成本，再加上年运行费用，构成该方案的年费用。各方案中年费用最小者为经济可取的方案。

2.2 基础资料及设备参数

（1）汽轮机参数。本文汽轮机参数拟采用2×400 MW 某燃气发电厂资料，性能保证工况凝气量：405.8 t/h，夏季工况凝气量：408.5 t/h，冬季工况凝气量：416.2 t/h。

（2）气象条件。本文拟分别选取亚热带地区有代表性的气象资料来进行循环水系统冷端优化，多年逐月平均及最热3个月频率为P=10%的日平均气象资料具体如表1。

表1 亚热带地区代表性气象资料

（3）凝汽器参数。凝汽器选用单背压、双流程、表面式凝汽器。管材选用不锈钢管（TP304），清洁系数为0.85。凝汽器的端差不得小于2.8 ℃。若计算出的端差小于2.8 ℃，取端差为2.8 ℃。结合机组凝汽器系列资料及气象资料［2］，分别选取10 500 m2、11 500 m2、12 500 m2、13 500 m2、14 500 m2等5 种凝汽器面积配置方案进行计算。

（4）冷却塔参数。冷却塔热力计算采用焓差法，淋水填料按“S 波（PVC）”填料数据，填料高度为1.0 m。分别按3 000 m2、3 500 m2、4 000 m2、4 500 m2等4 种不同淋水面积进行优化计算。

（5）冷却倍率参数。根据气象条件并参考其它同类型机组的设计经验，冷却倍数m 取50、55、60、65 倍4 个变量；按夏季、春秋季、冬季3 个季节分配不同的冷却水量进行优化，优选出每个季节最佳运行水量即水泵运行台数。

（6）技术经济参数。计算各参选方案采取的基本技术经济参数预测值均为［3］：机组年利用小时数为4 200 h，投资回收率为10%，年固定费用率为14.25%，大修理费率为2.5%，残值率为5%。

2.3 水泵运行工况优化计算结果分析

按夏季、春秋季、冬季3 个季节分配不同的冷却水量进行优化，优选出每个季节最佳运行水量即水泵运行台数。本文按发电单位成本0.3 元/kWh～0.7 元/kWh 分别计算，按照循环水泵在夏季、春秋季、冬季的开启台数的不同配比方案，计算出各方案的年费用，计算结果见图1。这表明年总费用的排序主要与水泵开启台数配比有关，而发电单位成本的变化对年总费用的排序基本无影响。亚热带地区夏季、春秋季、冬季的水泵开启台数配比为2∶2∶2 时年费用最低；因此冷端优化过程也按以上推荐的运行方式进行配置。

图1 每台机组各季节循泵开启台数对年总费用的影响

2.4 冷端优化计算结果分析

按照本文设定的基础资料、设备参数及推荐的循环水泵运行方案，发电单位成本0.3 元/kWh～0.7 元/kWh，分别进行冷却塔淋水面积、冷却倍率、凝汽器面积的冷端优化计算。篇幅有限，本文仅列出年总费用排名前5 名的优化结果。

（1）冷端优化计算及结果分析。冷端优化计算结果见表2。

（2）优化结果分析。分析表2 中的数据可以得出以下结论：①冷却倍率变化趋势：冷却倍率-冷却塔面积优选方案可类似为沿55 倍～60 倍冷却倍率轴线的抛物线形状，即亚热带地区最优冷却倍率为55 倍和60 倍交替出现。为了提高机组的稳定性和适应性，建议当发电成本较高时可选择相对高一些的冷却倍率。②冷却塔面积变化趋势：当发电单位成本逐步增加时，最优方案中的冷却塔面积也逐渐增加。③凝汽器面积的变化趋势：当发电单位成本为0.3 元/kWh 时，凝汽器面积为11 500 m2～12 500 m2时方案最优；当发电单位成本0.4 元/kWh时，凝汽器面积为13 500 m2时方案最优；当发电单位成本从0.5 元/kWh 逐步地增加，最优方案中凝汽器面积基本稳定在14 500 m2。建议当发电单位成本较高时，可适当增大凝汽器面积，降低年微增电费，从而获得较低的年费用。

表2 冷端优化计算结果

3 冷却塔塔型比选

3.1 冷却塔塔型比选方法

采用《循环水系统优化计算程序》进行水力、热力及经济计算优化比选出的最优循环水系统配置方案，并以此方案为基础，采用“冷效相同”的方法进行冷却塔选型优化。即保持以上冷端优化的最优方案中的循环水量、运行方式、凝汽器面积、冷却倍率、背压、进出塔温度均不变，把自然塔改为机力塔方案，计算其年总费用。

3.2 机力塔配置方案

一般来讲，机力塔段数越少，投资也越少，但风机运行费用增加，同时受到机力塔风机直径、配水均匀性的影响，因此本文在机力塔配置时尽量考虑上述因素对机力塔段数进行优化，根据上述冷端优化结果，机力塔配置方案如表3。

表3 不同发电成本机力塔配置方案

对比分析通过表2 与表3，发电单位成本为0.3 元/kWh～0.7 元/kWh 时，循环水系统配置自然塔的方案比配置机力塔方案年总费用分别减少1.52 万元、9.42 万元、68.32 万元、69.85 万元、74.84 万元。亚热带地区的气温及湿度都较高，所选的冷却倍率较高，风机耗电量大。当发电单位成本较高时，年总费用高于自然塔。但当发电成本低于0.3 元/kWh 时，机力塔可以通过增加风量得到更低的出水温度，此时汽机出力大于冷却塔风机电耗，机力塔更有优势。

3.3 自然塔投资敏感性分析

笔者注意到某些工程的自然塔的实际单位面积造价高于5 000 元/m2，特别是地基处理难度较高、风压及地震加速度较大的厂址，因此有必要对冷却塔单位面积造价进行敏感性分析。假设对冷却塔单位面积造价分别为5 000 元/m2、5 500 元/m2、6 000 元/m2进行敏感性分析，循环水系统配置自然塔与机力塔方案年总费用差值详见图2。

从图2 可以看出，当冷却塔单位面积造价为5 000 元/m2，循环水系统配置自然塔的方案年总费用均比配置机力塔方案低；当冷却塔单位面积造价为5 500 元/m2以上时，发电单位成本在0.3 元/kWh～0.4 元/kWh 时，循环水系统配置自然塔的方案年总费用比配置机力塔方案高约15 万元，发电单位成本高于0.5 元/kWh 时，循环水系统配置自然塔的方案年总费用比配置机力塔方案低。

图2 冷却塔单位面积造价对年总费用的影响

4 结语

自然塔具有冷效稳定、设备维护简单、维护量费用低、运行安全可靠、受回流影响小等优点，而机力塔具有气象条件的适应能力强、冷却效率高、占地面积小、施工周期短、设备运行噪声低等优点。因此燃机发电厂冷却系统的配置应结合发电单位成本、自然塔单位面积造价、施工水平和施工周期等因素，根据工程性质选择合理的塔型配置方案。