大型火力发电厂尾水发电方案设计与经济分析

张青民，张国罡，毛卫兵

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 510663)

火力发电厂因其工艺特点致使系统必须具备冷端冷却，而水的良好冷却能力则使其成为火电厂冷端工艺的主要选择。冷却水采用直流供水系统的尾水通常具有流量大、蕴含富余水能、温度高等特点，且流量随机组容量增大显著提升。

采用直流冷却系统的火电厂普遍为直接取水加压后供汽轮机组冷却使用，随之由于水升温丧失使用功能而排回水体。因电厂工艺需求(凝汽器安装具备相应高程)与防洪要求(场坪满足防洪标高)，使直流冷却尾水蕴含可观余能，且往往需设置相应排水措施消除影响。因此，高效利用火力发电厂直流冷却尾水余能可成为其促进节能减排、环境保护与发展循环经济的措施[1]。

随火电行业的持续发展，采用直流冷却方式的部分电厂已有建造起尾水发电站，表明火力发电厂直流冷却尾水余能利用在提倡节能减排、加强环境保护的今天愈加凸显出其优势性[2]。此外，小型水轮机组发电站作为火电厂直流冷却尾水余能回收方案，其应具备经济性[3]。因此，尾水电站建设如何从技术可行走向经济合理，本文结合某滨海电厂为例分析典型大型火力发电厂尾水发电的方案设计与经济分析。

1 冷却水系统布置与尾水余能分析

1.1 冷却水系统总体设计方案

本电厂规划容量为2×660 MW+2×1 000 MW超超临界燃煤机组，一期工程建设2×660 MW超超临界燃煤机组。冷却水采用单元制直流供水系统，每台机组配2台双速循环水泵。

本工程直流冷却水系统供水流程为：

西侧取水口→引水箱涵→进水前池→循环水泵房→压力供水管→凝汽器/水水交换器→排水管→虹吸井→排水箱涵→尾水电站→检修闸门井→排水箱涵→厂址东侧排水口。

尾水发电系统主要流程如图1所示。

图1 尾水发电系统主要流程示意图(单位：m)Fig.1 Schematic diagram of tail water power generation system

冷却水水源为海水，冷却水采用单元制直流供水系统。每台机组配置2台双速循环水泵，根据季节不同，采用不同的运行方式。冷却系统循环水泵配置情况及冷却水量见表1。

表1 循环水泵配置及冷却水量Tab.1 Circulating water pump configuration and cooling water volume

1.2 直流冷却尾水余能分析

直流冷却尾水可利用水头为堰上水位与排水口处水位之间的差值减去各种水头损失。

H=H1-H2-h

(1)

式中：H为可利用水头，m；H1为虹吸井溢流堰上水位，m；H2为排水口处多年平均潮位，m；h为水头损失，m。

1机2泵配置方案时，堰上水位为4.9 m，排水口处多年平均潮位为0.1 m，从虹吸井至排水口水头损失约为0.4 m，则尾水电站可利用水头H为4.4 m。

1机1泵配置方案时，堰上水位为4.5 m，排水口处多年平均潮位为0.1 m，从虹吸井至排水口水头损失约为0.15 m，则尾水电站可利用水头H为4.25 m。

尾水水头具体计算分析结果详见表2。

表2 尾水水头计算 mTab.2 Tail water head loss calculation

水电站的出力N计算公式：

N=9.81ηQH

(2)

式中:N为水电站的出力，kW；Q为通过水电站水轮机的流量，m3/s；H为水电站可利用水头，m；η为水电站效率。

本尾水电站属于小型水电站，电站效率约为0.85。具体发电量详见表3。

表3 尾水电站发电分析Tab.3 Power generation analysis of tail water power station

2 直流冷却尾水电站方案设计

2.1 尾水电站水轮机型式选择

直流冷却尾水电站的方案设计主要是根据尾水流量、可利用水头及汽轮机组运行方式，选取适合的水轮机组设备。水轮机组设备选取不合理可导致机组效率低下、振动大、气蚀严重，更甚致使停机弃水，造成水量巨大浪费[4]。因而选取适合装机容量与单机容量的水轮机设备，保障机组设备处于高效率区间运行，保证发电效率和保护机组设备。由此可见，尾水电站方案设计之初需充分分析电厂冷却水系统特点，提供准确可靠的排水流量及可利用水头参数。

此项目直流冷却尾水具有流量大、水头低等特点，与小水头、大流量水电站相似。适用的水轮机型式主要有轴流定桨式和轴伸贯流式两种[5]。

轴流定桨式水轮机广泛应用于低水头、大流量水电站。轴流定浆式水轮机转轮叶片固定不变，结构简单造价较低，一般用于水头较低、出力较小以及水头变化幅度较小的水电站。

轴伸贯流式水轮机是一种流道近似为直筒状的卧轴式水轮机，是低水头、大流量水电站的一种专用机型，其卧轴式布置及流道形式简单，土建工程量少，施工简单。其中半贯流式水轮机有分为轴伸式、竖井式和灯泡式等装置形式。轴伸式和竖井式结构简单、维护方便，但效率较低，一般只用于小型水电站。灯泡贯流式水轮机，结构紧凑、稳定性好、效率高，应用较为广泛，但结构复杂，造价稍高。以上两种机组形式均可满足本工程布置需求，因此，综合考虑水资源利用效率与设备造价成本，轴伸贯流式水轮机的综合性能稍优于轴流式水轮，此项目推荐选用轴伸贯流式水轮机[6]。

表4 水轮机参数Tab.4 Turbine parameters

2.2 尾水电站工艺方案布置

根据工程总体布置及综合考虑机组安全运行等因素，尾水电站布置于虹吸井(冷却水系统)后排水口处，自排水箱涵内引水。

为保证任何工况下火电厂冷却水系统均能安全运行，水轮机组旁设有溢流堰，且在尾水电站进出水流道中均设有检修闸门。尾水电站水轮机厂房占地面积约为35 m×19 m。主要包含以下工艺部分：

(1)进水水池。为使进入水轮机水流流态平顺而于水轮机组前设置进水水池。进水水池几何尺寸：38 m×22.5 m×8.0 m(深)，钢筋混凝土结构，水池底部标高-1.8 m，水池平面面积约为855 m2。水池内根据水流流态设置导流墩等整流设施。

(2)水轮机厂房。水轮机厂房内设2台水轮机组，平面尺寸35 m×19 m，地上部分高13.8 m，地下部分深12.5 m。单台水轮机进水流道宽6 m，出水流道宽5.2 m。

(3)尾水池。与进水水池作用类似，此处于水轮机组后设出水水池。出水水池几何尺寸：20.0 m×18.0 m×11.2 m(深)，钢筋混凝土结构，水池底部标高-5.0 m，水池平面面积约为360 m2。

(4)溢流堰。为保障水轮机组发生特殊工况时不影响汽轮机冷却水系统的正常运行，水轮机厂房边设有溢流堰，堰宽20 m，堰顶高程4.6 m，采用实用堰，钢筋混凝土结构。

于溢流堰底部设有2个排水孔而使虹吸井溢流堰上水位长期运行时处于设计水位，排水孔尺寸为3.5 m×3.5 m。

(5) 溢流道。溢流堰后为溢流道，由于场地限制，溢流道采用平面三角形，两直角边为20 m和50 m，溢流道底标高为-1.80 m，占地面积约为500 m2。

3 尾水电站与冷却水系统协调运维

尾水电站作为火电厂附属的余能回收系统之一，其无论任何时候均不可影响火电厂机组原有运行工况。由此尾水电站设计与运维阶段须充分论证分析其全部工况下运行特点和突然情况下可能出现状况，于设计之初应考虑相应技术措施以规避或消除影响[1]。

尾水电站水轮机组运行工况包括：双机运行、单机运行、故障检修、水轮机启动、突然停机等。特定工况下尾水电站对汽轮机组冷却水系统影响的特点分析及应对措施详见表5。

表5 尾水电站工况分析及应对措施Tab.5 Analysis of working condition and countermeasures of tail water power station

尽管针对性设计措施与设备选型可避免尾水电站对汽轮机组正常运行的影响，然而实际运行中仍需强调任何时候均不可影响火电厂机组原有运行工况[7]。

4 经济分析

项目投资除技术可行外，更应能够经济效益合理，火电厂中建设尾水电站利用富余水能需综合考虑节能、环保、减排、经济等方面因素的关系。因此，准确经济分析为尾水电站建设论证提供强力的经济合理性支撑，其是已有项目增建尾水电站考量的重要因素[8，9]。

本工程静态投资为2 640 余万元，同时建设该工程，可减少建设65 m排水箱涵，可节省投资约208 万元。财务评价主要计算参数详见表6。

表6 尾水电站财务评价主要计算参数Tab.6 Main calculation parameters for financial evaluation of tail water power station

具体财务评级主要经济指标详见表7。

表7 尾水电站财务评级主要经济指标Tab.7 Main economic indicators for financial rating of tail water power station

在满足项目资本金内部收益率为8%时，测算该工程上网电价(不含税)为358.58 元/MWh；上网电价(含税)为405.20 元/MWh；在收益率为8%的情况下上网电价小于项目所在地上网标杆电价453 元/MWh。

5 结 论

此项目火电厂直流冷却尾水具有流量大、水头低等特点，经对比分析选取轴伸贯流式水轮机。在满足项目资本金内部收益率为8%时，所需上网电价应为426.65元/MWh，低于项目所在地上网标杆电价453元/MWh。方案设计与经济分析结果充分表明借助尾水电站利用直流冷却尾水余能发电，技术上可行，经济上合理。

利用冷却水排水余能进行发电技术是纯绿色环保技术、可实现低碳、环保、无污染及零排放。在环境保护与生态文明建设大力提倡的今天，冷却水尾水余能加以回收利用，可达到节能减排与兼顾部分经济效益的目的，其对大型火电厂具有较高的社会效益和示范作用。