湿冷火力发电厂冷却构筑物适用性研究

改造者：徐 妍 徐 正

湿冷火力发电厂冷却构筑物适用性研究

改造者：徐 妍 徐 正

为提高火力发电厂的经济性，采用“年费用最小法”，将自然通风冷却塔方案与机械通风冷却塔方案进行比较，得出容量机组、环境温度、煤炭价格、年利用时间等因素变化时，工程适用的冷却构筑物。研究表明，350MW容量等级机组更适宜采用自然通风冷却塔；135MW容量等级机组更适宜采用机械通风冷却塔；660MW及1000MW容量等级机组采用冷却构筑物的形式，需要根据机组所在地区的环境温度、煤炭价格及年利用时间等因素综合判断。

火力发电厂按照机组的冷却介质分为空冷机组和湿冷机组。湿冷机组的供水系统又分为直流供水系统、再循环供水系统、混合供水系统三种基本型式。再循环供水系统根据循环水散热途径分为冷却池、冷却水库、冷却塔等型式。冷却塔根据其塔内空气流动动力分为自然通风冷却塔、机械通风冷却塔、辅助通风冷却塔等三种基本型式。由于水资源匮乏，目前冷却池、冷却水库等冷却方式很少被采用，带冷却塔的再循环冷却系统多被采用。

背景资料与方法

工程背景资料

笔者按照不同的气象条件、机组容量、煤炭价格及年利用小时数选取几组有代表性的数据进行研究。

选取的不同地区的设计气象资料如表1所示；假定机组年利用小时数3500h～7500h间变化。

经济性参数

本研究所采用的经济性参数如表2所示。

优化原理及塔型介绍

众所周知，提高蒸汽初参数和降低汽轮机蒸汽冷端参数（排汽温度和排汽压力），是提高机组热效率的主要途径。当汽轮机初参数一定时，降低汽轮机冷端参数，可以增加汽轮机理想蒸汽焓降，减少冷源损失，提高循环的热效率。但是，降低冷端参数是以增大冷却构筑物、增大凝汽器面积、增大循环水泵的功率、增大机力塔的功率等措施来完成的，当冷端投入增加到一定值时，汽轮机热耗降低的费用并不能弥补冷端投入的成本，反而从整个电厂的全生命周期来看，不利于电厂的经济性，冷端优化即是通过计算确定最优的冷端配置，减少不必要的浪费，增强电厂的盈利能力。目前火力发电厂二次循环冷却系统采用的冷却构筑物基本为自然塔和机力塔。

计算分析项目

冷却塔初投资、年运行费用值、年费用值。

结果与讨论

不同冷却塔方案初投资对比

表1　各月气象条件特征值

表2　主要经济性参数

图1　不同机组两种冷却塔方案的初投资对比（两台机）

采用机力塔及自然塔方案，几种容量机组的年固定分摊费用及两种塔型的年固定分摊费用的差值如图1所示。

从图中可以看出，机力塔方案的年固定分摊费用随机组容量的变化基本呈线性变化，而自然塔方案的线性关系较差，主要是由于135MW机组所采用的自然塔的塔高变低，冷却效果变差，使得相对的投资成本增加。

图2　冷端运行费用差值（单位功率）

从图1可以看出，两种冷却方案的年固定分摊费用差值，135MW机组甚至比350MW机组还低。对于135MW机组，4000m2的自然塔的冷却能力与5格机力塔的相当；对于300MW机组，5000 m2的自然塔的冷却能力与10格机力塔的相当。进一步说明淋水面积较小的自然塔的冷却效果较差。

不同冷却塔方案的运行费用对比

对于机力塔方案而言，冷端运行成本为机力塔风机和循环水泵的电耗，而自然塔方案仅有循环水泵的电耗，同时，由于两种塔型的冷却能力不同，对于同样的气象条件，相同冷却水量，其出水温度也不相同，进而影响机组的热耗，所以运行费用的比较主要是这三项指标的综合对比。

机力塔风机的实际消耗按照185kW考虑，虽然机力塔也可采用变频或双速电机，且经济性可能会更优，但是会使系统复杂，同时也增加了比选难度，本文重点讨论机力塔与自然塔两种冷却构筑物的适用性，按照机力塔风机为定速电机，最大限度降低循环水温度的方法来进行考虑。关于机力塔的电机采用变频对经济性的影响，笔者将专文论述。

不同容量机组，在年利用5000h、煤价为1000元/t条件下，两种类型冷却塔在四个地区的年运行费用的差值，如图2所示。

图2仅是从运行费用的角度比较机力塔与自然塔的适用性，“柱高”越高，说明本文所述淋水面积的自然塔，对于该机组而言，配置在该地区比其他地区更合理；“柱高”低的比“柱高”高的，从运行角度来看是机力塔更合适些，但是还需要综合考虑初投资的情况，即最终两种塔型的适应性要看年费用值。

从图2可以看出：对于135MW机组，淋水面积4000m2的自然塔更适合配置在A区；对于350MW机组，淋水面积5000m2的自然塔更适合配置在C区；对于660MW机组，淋水面积9000m2的自然塔更适合配置在C区；对于1000MW机组，淋水面积12500m2的自然塔更适合配置在C区。

值得说明的是，当自然塔的淋水面积及机力塔的格数发生变化时，上图反映的情况也会发生变化。

四种机组在D区的“柱高”有比其他三个区域低的趋势，反映出自然塔在高温地区的适应性变差。

660MW机组及1000MW机组的运行费用差值低于135MW及350MW机组，但是不能说，大型机组比小型机组更适宜采用机力塔，因为大机组的效率高，单位MW电量的初投资及运行成本均低于小机组。

图3　不同冷却塔方案年费用值对比（单位功率）

不同冷却塔方案的年费用值的对比

年费用值是评价方案优劣的最佳判据，它是对电厂全生命周期的经济性评价。综合反映了投资与运行成本的高低。

由于本文重点比较自然塔与机力塔的适用性，所以采取“相对年费用值”的概念进行论述，即“（机力塔年费用值-自然塔年费用值）/装机容量”。不同容量机组，在年利用5000h、煤价为1000元/t条件下，两种类型冷却塔在四个地区的相对年费用差值，如图3所示。

从上图可以看出，在上述年利用时间及煤价的条件下，135MW机组采用机力塔方案的优势明显，相对年费用差值约为-0.8～-1.2（万元/年/MW），说明机力塔最适合用于该容量的机组；600MW及1000MW机组采用机力塔方案也是有经济优势，只是适用性比135MW机组稍差；350MW机组采用自然塔方案的优势明显，说明自然塔最适合用于该容量的机组。

结语

（1）自然塔对350MW容量等级机组的适应性最好，即使在温度较高地区，煤炭价格1000元/t时，自然塔的经济性仍优于机力塔；机力塔对135MW容量等级机组的适应性最好，即使在寒冷地区，煤炭价格1000元/t时，机力塔的经济性仍优于自然塔。

（2）350MW等级的机组尽量选择自然塔；135MW等级的机组尽量选择机力塔。

（3）660MW及以上容量的大型火力发电机组在湿热地区、煤价较低、年利用时间较短的工程，采用机力塔经济性更为有利。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.036