直接空冷系统初始温差值的优化设计

雷振寰，刘齐寿，谢一民，魏 凯

（ 1.华北电力大学(保定)河北 保定 071003;2.西安交通大学 西安;3.唐山三友热电有限公司河北唐山）

0 引言

随着我国十二五计划的开展，电力市场竞争机制的深入的改革与发展，节水已成为我国经济可持续发展战略的重要实施内容之一。作为节水新途径之一的空冷技术，具有良好的经济效益和社会效益，已经表现出蓬勃的发展潜力。同时直接空冷系统以其节水多，设备少，系统简单，空气量调节灵活，防冻性能好优于间接空冷系统，成为空冷技术发展的必然方向［1］。

初始温差值ITD是空冷系统最主要的设计参数，ITD值的合理选取能够使空冷系统初投资与空冷机组的运行费用之间获得合理匹配，对提高直接空冷系统的经济性有着重大意义。

1.1 ITD 的含义

直接空冷凝汽器的初始换热温差ITD(Initial Temperature Difference)是指汽轮机排汽饱和温度与进入空冷凝汽器的空气温度之差。当设计环境空气温度确定后，汽轮机排汽饱和温度tc取决于ITD值得大小。由于压力pc是温度tc的单值函数，所以在优化设计中，当选定ITD值时，汽轮机背压pc也就确定了，从而汽轮机的出力和需排放的热量也就确定。因此ITD值涉及到机组发电量和空冷凝汽器面积的大小。

ITD是空冷系统的一个重要设计参数，反映了空冷系统初投资和运行费用的关系。ITD值高，空冷凝汽器可利用的传热温差大，所需散热面积可减少，即空冷系统投资减少，但汽轮机热效率降低，机组煤耗增多，运行费用上升;ITD值低，相应地散热面积增加，投资费用上升，但汽轮机热效率提高，机组运行费用减少。所以，ITD值的选择要经过详细的技术经济比较来确定［2］。

1.2 直接空冷系统传热计算理论［3］

空冷凝汽器传热过程是将汽轮机的排汽热量Qt(kW)，在管内通过翅片管和管外空气交换热量，即成为管外空气的吸热量Qa(kW)，通过热力学的传热理论也可求出交换的热量Q(kW):汽轮机尾部参数可根据制造厂家数据，采用多项式分段拟合。

在(1)，(2)，(3)式中:

Dt—汽轮机排热量，kg/s;

hs，hw—分别为排汽温度下地排汽焓和凝结水焓，kJ/kg;

AF—空冷器的迎风面积，m2;

VF—空冷器的迎面风速，m/s

ρa—入口空气密度，kg/m3;

cpa—入口空气质量热容，kJ/(kg*℃);

ta2—空冷器出口空气温度，℃;

tal—空冷器入口空气温度，℃;

K—空冷凝汽器的总传热系数，W/(m2*K);

A—空冷凝汽器的总换热面积，m2;

Δtm—传热平均温差;

传热单元数:

散热器效率η:

1.3 选取ITD值时目标函数的确定［4］

直接空冷系统的优化采用年费用最小法，其方法是计算这个工程多种可能实施方案的一次性投资，以及在经济服务年限内逐年支付的运行费用;然后按动态经济规律将投资与运行费用换算到指定年，再在经济服务年内等额均摊，最后比较各方案的年总费用，选择年最小费用的方案为最佳方案。因此，选取空冷系统的年总费用作为寻优过程的目标函数。预先假定不同的ITD值和迎面风速，以计算出的年总费用最小值对应的ITD值为最佳ITD。

优化计算中只计及随优化参数变化的项目，并且本文只讨论与优化参数有关的主要项目，而忽略次要项目，从而得到空冷系统最小年费用，用公式表示如下:

式中:

F—空冷机组的年总费用，万元/y，FKL—空冷凝汽器总投资，万元，ξ—年固定分摊率，ξ=r1+r2+r3，r1为折旧率，r2为设备大修费用率，r3为投资理论率，，i为投资理论率率，n为电厂经济运行年限，FRL—空冷机组燃料年消耗费用，万元，FFJ—风机年运行费用，万元。

1.4 求解目标函数

1.4.1 空冷凝汽器总投资FKL的计算

空冷凝汽器总投资等于空冷所需换热面积乘以单位造价。

已知汽轮机的排热量，排汽压力，凝结水温，机组当地设计气温，大气压力，翅片管的结构数据及一定风速下翅片管的传热系数。

空冷所需换热面积计算公式参照1.2小节。

计算步骤为:计算该空冷凝汽器的传热单元数;计算散热器效能;计算空气温升;计算空冷凝汽器总得迎风面积;计算空冷凝汽器总得光管面积;计算空冷凝汽器总得传热外表面面积;取整计算空冷凝汽器的单元组数N;取整后重新计算空冷凝汽器总得传热外表面积。

1.4.2 空冷机组燃料年消耗费用FRL的计算空冷机组年煤耗量:

在上式中，Nm—年煤耗量，kg;Wt—汽轮机功率，kW;qn—热耗值，kJ/kWh;Yh—年利用小时数，h;ηb、ηt—分别为锅炉效率和管道效率;Cm—标煤发热量，kJ;FRL=Nm×Jm。

式中:Jm—标煤价格，元/吨

1.4.3 风机年运行费用的计算

直接空冷系统中，由8个散热片组成一个空冷凝汽器，再配以一台风机组成空冷凝汽器的一个单元组。由1.4.1节知有N台风机，则风机总耗功为:

式中:N'FJ—单个风机的效率，kW;hd—电动机效率。

式中:Ce—发电成本。

2 优化分析

按照所建立的优化模型，对600 MW直接空冷机组进行优化分析，主要设计参数为:设计气温17℃，设计排汽量349.39 kg/s，年利用小时数6000 h。两个设计变量取值范围为:ITD值取25℃ －41℃之间的值，迎面风速在0.5 m/s到4.5m/s范围内变动，得到的年度费用曲线图2.1－2.2。

表1 不同迎面风速和ITD值下的年总费用

表2 600 MW直接空冷凝汽器优化计算结果(VF=2.3 m/s)

从图2.1可以得出在一定ITD的情况下，年总费用是随着迎面风速增加而降低的，这是因为增加迎面风速而增加的风机运行费用远没有减少的燃料费用多。现实中，空冷凝汽器迎风风速大小主要取决于环境对电厂噪声的要求，所以在满足噪声要求的情况下，迎面风速越大，年总费用越低，在本600 MW直接空冷凝汽器实例中，根据当地噪声要求等数据，最大迎面风速取2.3 m/s。

从图2.2可以得到在一定迎面风速情况下，年总费用随着ITD值增大而先减小后增大。这是因为随着ITD的提高，一方面使得换热面积减小导致初投资费用减小，另一方面使得风机耗功的增加导致运行费用的增加，所以在迎面风速确定后，需要通过计算得到最小年总费用，该最小年总费用对应的ITD为最佳设计ITD值。

在该600 MW直接空冷凝汽器优化结果中，最小年总费用19880.3万元对应的设计变量ITD值为38℃，迎面风速为2.3 m/s。

3 结论

(1)文中根据动态经济分析的年总费用最小法确定了直接空冷系统ITD优化设计的目标函数及计算方法，考虑了多种经济因素，并建立优化模型，对某600 MW直接空冷机组运用此优化模型进行了优化设计取得了合理优化结果，结果证明该方法具有实际意义。

(2)年总费用随着迎面风速增大下降较快，所以迎面风速应选择满足当地噪声要求情况下的最大迎面风速。

(3)在最佳ITD附近的ITD值对应的年总费用与最小年总费用相比，变化并不是很大。所以在考虑实际需要情况下，可以调整选择最佳ITD值，如强调多发电时，ITD值可以取小些;强调少投资，ITD值可定得大点。总之，最佳ITD值要理论与实际综合考虑，选定一个适合具体工程的值。

［1］赵之东，杨丰利.直接空冷凝汽器的发展和现状［J］.华北电力技术，2004(5):44－50.

［2］付玉玲，胡三高，徐鸿.直接空冷系统初始温差值的优化分析［J］.动力工程，2006，26(3):403 －406.

［3］丁尔谋.发电厂空冷技术［M］.北京:水力水电出版社，1992.

［4］付玉玲.火电厂空冷系统经济性分析与ITD值优化设计［D］.华北电力大学(北京)，2006.