新型并列配置间接空冷系统在热电厂的应用

雷平和，冯璟，陈保华

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司，北京市，100120)

0 引言

目前新疆各地区中心城市正计划兴建热电厂，针对新疆极度缺水的现状，主机冷却系统均采用空冷系统，以节省极度匮乏的水资源。然而新疆地域辽阔，区域气象条件差别很大，部分地区气候条件恶劣，经分析，目前成熟的直接空冷系统和间接空冷系统，对新疆地区特殊的气象条件和热电厂运行条件的适应性方面存在一定的问题。本文结合新疆部分区域的气象条件和热电厂运行要求，介绍一种新型并列配置间接空冷系统。

1 新疆北疆部分地区气象概况

发电厂空冷系统选型，气象条件是最重要的因素之一。新疆地区自然灾害主要有干旱、低温冷害、洪水灾害、雪灾等，天气灾害主要包括寒潮、大风、沙尘暴、暴雨、冰雹、霜冻等［1］。由于新疆幅员辽阔，即使是北疆地区，气象条件也不尽相同，北疆部分地区气象条件见表 1［2-5］。

上述地区共同特点是:夏季酷热，极端最高气温可达40～44℃以上;冬季严寒，最低极端气温为-32～-42.7℃;降雨极少，严重干旱，水资源极度匮乏;日照时间长，全年共有约7～8个月处于日照之下;主导风向比较恒定，频率高。

不同之处，年平均风速差别较大，阜康地区年平均风速2.1 m/s，比较正常，而福海地区年平均风速高达7.1 m/s，比较少见。

2 空冷系统技术特性比较

新疆北疆地区冬季严寒，该地区供热机组采用空冷系统，须解决好冬季防冻问题。以350 MW供热机组空冷系统负荷为例，额定抽汽量时，空冷系统的负荷约为32%，最大抽汽量时，空冷系统的负荷为30%，对目前广泛使用的直接空冷系统和自然通风间接空冷系统，防冻任务都相当严峻。

本文以2×350 MW 超临界供热机组为例，提出4种可选择的空冷系统进行比较。除直接空冷系统和自然通风间接空冷系统外，机械通风间接空冷系统在国内辅机水冷却中有采用的，但规模较小。并列配置间接空冷系统是针对夏季高温，冬季严寒，且冬季因供热向空冷系统排热量低等特点推出的一种新型空冷系统。其特征是:采用自然通风空冷塔与多组机力通风空冷塔并联，1台机组配1座自然通风空冷塔和多组机力通风空冷塔，或2台机组配1座自然通风空冷塔和多组机力通风空冷塔的并联冷却方式。其效果是:通过技术集成的方法将自然通风空冷塔与多组机力通风空冷塔并联组成的间接空冷系统，减小了自然冷却塔的面积，而机力通风空冷塔由若干格组成，布置方式灵活方便。采暖季节供热运行时，自然通风间接空冷塔的冷却能力与汽轮机排热量的合理匹配能保证自然通风间接空冷塔有足够高的热负荷以防止循环水冻结。自然通风间接空冷塔全年运行以最大限度节约厂用电，而机力通风间接空冷塔投入运行的单元数可以根据采暖季节热负荷变化、热季气象条件、机组负荷率等因素决定，整套冷却系统负荷调节、运行方式非常灵活［6］。4 种空冷系统技术特性见表2［7］。

以表3汽轮机技术参数，结合克拉玛依地区气象条件对各空冷系统进行优化选型，如表4［8］所示。

3 各空冷系统经济性比较

为使经济分析更接近实际，依照大型空冷系统选型方法［9］，根据电网负荷曲线将机组利用小时数分配到各月，在空冷系统数值模拟的基础上进行定量的经济分析，取得了下述有关成果。表5为全年各月空冷系统运行条件，各空冷系统全年各月平均迎面风速对比见表6，各空冷系统全年各月进口空气温度对比见表7。

表1 北疆部分地区主要气象要素Tab.1 Main meteorological parameters in parts of northern Xinjiang

表2 4种用于350 MW供热机组空冷系统技术特性比较Tab.2 Comparisons of technical features for 4 air cooling systems applied to 350 MW heating units

表3 汽轮机各工况主要参数Tab.3 Main parameters of steam turbine under various conditions

表4 各空冷系统优化结果Tab.4 Optimized results for air cooling systems

表5 全年各月空冷系统运行条件Tab.5 Operational condition of air cooling system for whole year

根据上述空冷系统的迎面风速、进口空气温度，计算得到机组运行背压。当背压低于冬季最低运行背压9 kPa时，按9 kPa计算，因此最终选取背压如表8。利用背压计算结果，计算出全年各月相应背压下的发电煤耗［4］，见表 9。

分别计算各种类型空冷系统优化方案的年固定投资费用及年运行费用，从而分别计算出空冷系统的年总费用，见表10。计算条件如下:成本电价为0.143元/(kW·h);每0.066 hm2地价为55 000元;年利用小时数为5 500 h;经济运行年限为20年;标煤价为300元/t;投资利润率为10%;维修费用率为2.5%。

表6 各空冷系统全年各月平均迎面风速对比Tab.6 Comparisons of average face velocity of air cooling systems for whole year m/s

表7 各空冷系统全年各月进口空气温度对比Tab.7 Comparison of inlet air temperature of air cooling systems for whole year℃

表8 各空冷系统全年各月实际运行背压Tab.8 Comparison of running back pressure of air cooling systems for whole year kPa

表9 各空冷系统全年各月实际运行发电煤耗Tab.9 Comparison of coal consumption of air cooling systems for whole year g/(kW·h)

表10 4种空冷系统方案经济性比较Tab.10 Economic comparisons of 4 air cooling systems

4 比较结果

对各系统技术经济特点和供热安全性进行比较分析。

(1)由于煤价偏低，成本电价仅0.143元/(kW·h)，因而直接空冷系统初投资最低，但煤耗比其他系统增加3～6 g/(kW·h)，年总费用低于间接空冷系统和机械通风间接空冷系统，在经济上体现出低煤价时直接空冷系统的优越性，但高于并列配置间接空冷系统。若远期煤价提高，直接空冷系统的运行费用会进一步增加，则并列配置间接空冷系统的经济优势会更加明显。

(2)在夏季6、7、8月平均气温和平均风速条件下，直接空冷机组的平均运行背压已超过38 kPa，自然通风间接空冷系统平均背压没有超过30 kPa，而机械通风间接空冷系统及并列配置间接空冷系统背压较低，体现出了对夏季工况较强的适应能力。

(3)进一步分析夏季高温大风的特殊工况，计算表明，在出现频率较高的气温33℃，外界风速12 m/s时，直接空冷系统和自然通风间接空冷系统必须降负荷运行，将背压控制在45 kPa，负荷率仅能达到70%左右。若气温进一步上升达40℃左右，6～8 m/s以上风速时，直接空冷系统和自然通风间接空冷系统基本无法正常安全运行。

(4)在冬季防冻方面，目前国内供热机组尚缺乏在-30℃以下气温长期运行的经验，由于直接空冷机组蒸汽分配管隔离阀泄漏和冬季风造成的局部过冷的风险，极大地增加了直接空冷系统防冻的难度。对自然通风间接空冷系统，需要采取切除部分冷却扇段，调整百叶窗开度，控制循环水温度等措施，操作要求高，要求设备完好、控制可靠，由于缺乏经验，防冻措施需要在实践中探索。比较而言，对机械通风间接空冷系统，关闭换热单元配水管阀门比较容易，必要时还可采取伴热措施，对换热单元除采用百叶窗封闭外，还可在顶部加盖，最大限度减少自然对流，防冻措施可靠。并列配置间接空冷系统，在冬季最大热负荷时，可切除自然通风冷却塔仅运行机械通风间接空冷，防冻的可靠性与机械通风间接空冷系统相同。不足之处是气温变化较大时，会引起自然通风冷却塔的投入和切除，增加了运行的风险。也可以切除机械通风间接空冷塔而运行自然通风冷却塔，由于自然通风冷却塔面积小，能保证较高的热负荷，当气温变化较大时用机械通风间接空冷塔的投切作调解，运行灵活，安全性比较高。

综合各方面因素，并列配置间接空冷系统在各空冷系统方案中经济性最好，在夏季高温大风时的度夏能力强，冬季供热期间防冻措施灵活、有效，具有明显的优越性。

5 结论

新疆部分地区气象条件特殊，夏季高温，冬季严寒，常伴有大风，对空冷机组度夏能力和冬季防冻都提出了苛刻的要求(对热电厂而言冬季防冻任务更为严酷)。通过对4种空冷系统的技术、经济性比较，并列配置间接空冷系统具有度夏能力强，冬季防冻手段灵活，经济性好的突出优点，特别适合在冬季严寒，夏季酷热并常伴有大风地区的热电厂使用。

［1］向明燕，向丽红，海米提·依米提，等.新疆近45年气象灾害及其防御措施［J］.干旱区研究，2007(9):712-716.

［2］华北电力设计院工程有限公司.华能阜康电厂初步可行性研究报告［R］.北京:华北电力设计院工程有限公司，2010.

［3］华北电力设计院工程有限公司.华能福海电厂可行性研究报告［R］.北京:华北电力设计院工程有限公司，2010.

［4］华北电力设计院工程有限公司.国电克拉玛依电厂初步设计报告［R］.北京:华北电力设计院工程有限公司，2010.

［5］华北电力设计院工程有限公司.华能哈密电厂初步可行性研究报告［R］.北京:华北电力设计院工程有限公司，2010.

［6］雷平和.热电厂并列配置间接空冷系统［R］.北京:华北电力设计院工程有限公司，2010.

［7］华北电力设计院工程有限公司.国电克拉玛依电厂空冷系统选型专题报告［R］.北京:华北电力设计院工程有限公司，2010.

［8］冯璟.直接空冷系统优化设计［R］.北京:华北电力设计院工程有限公司，2010.

［9］雷平和.大型空冷系统选型设计技术研究［R］.北京:中国电力工程顾问集团公司，2009.