凝汽器下沉对机组经济性的影响及其优化机制

李飞，梁清鹤，刘然，李瑞坤

(1.国家能源集团宁夏电力有限公司，宁夏 银川 750400；2.国能浙能宁东发电有限公司，宁夏 灵武 751400；3.国能平罗发电有限公司，宁夏 石嘴山 753406)

核电以其安全、高效的优势在世界范围内得到大力发展，以满足经济社会发展对能源的巨大需求。核电厂通常具有较长的生命周期，因此降低核电厂的运行费用可产生巨大的经济效益[1-4]。由于从汽轮机排出的所有蒸汽均在凝汽器管束中凝结[5-6]，凝汽器的设计[7]和布局优化[8-9]对提高电厂效率起着重要作用[10-12]，有必要研究凝汽器局部下沉的影响机制，以提高电厂运行经济性。

核电站厂区地坪标高对电站的安全运行具有至关重要的影响，因此必须确保与核安全有关的设施地面标高高于设计基准洪水位[13-15]。目前常规岛主厂房有2种布置方式，分别为地上布置方式和下沉式布置方式，其中下沉式布置方式又可以分为半地下布置和局部下沉布置[16]。

目前国内很多核电站采用了半地下布置方式[17]。鉴于主厂房半地下布置具有开挖量大、初投资高的缺点，文献[18-20]对核电常规岛厂房局部下沉布置方案与常规布置方案进行了经济性比较，主要对比循环水泵(以下简称“循泵”)运行费用、主厂房建筑结构、设备价格及管道的布置等，研究表明，常规岛主厂房局部下沉布置方案的经济性相当可观。

参考核电厂局部下沉布置方式，本研究首先分析冷端参数、年固定分摊率及潮位变化对常规机组一次直流冷端系统局部下沉优化结果的影响；然后，根据确定的冷端参数，对比不同凝汽器局部下沉优化方案，就凝汽器标高及对应的循泵扬程、土建方案及设备价格几个方面进行技术经济综合分析，以年总费用最小作为判定指标，确定合理、经济的凝汽器局部下沉深度。

1 汽轮机房凝汽器局部下沉优化设计

1.1 优化设计流程

汽轮机房凝汽器局部下沉优化设计步骤：首先根据电厂总平面布置、厂址区域水文气象条件及主机设备等确定的条件，初步确定下沉深度参数范围；接着，在下沉深度取值范围内，结合凝汽器基础下沉土建工程，分项分析循泵工程造价、循泵运行费用、凝汽器设备制造能力和造价，采用年费用最小法进行排序，推荐合理经济的凝汽器下沉深度。

汽轮机房凝汽器局部下沉优化的方案设计如图1所示。汽轮机房凝汽器局部下沉优化的具体计算结构框图如图2所示，其中：hmin为下沉最小值，可取0；hmax为下沉最大值，根据不同电站的设备辅机厂提供的凝汽器布置资料确定；h为下沉深度，其初始值可取0。

图1 凝汽器局部下沉优化的方案设计Fig.1 Condenser local sinking optimization scheme design

图2 下沉优化结构框图Fig.2 Condenser local sinking optimization structure block diagram

1.2 优化数学模型

采用年总费用最小作为下沉优化数学模型，结合时间因素计算投资和生产成本，对于各方案的建造和设备投资，均考虑复利因素，换算成经济使用年限内每年年末的等额偿付成本，加上每年的运行成本，构成各方案年费用[21-22]。

F=NRAFC+Fn.

(1)

式中：F为年总费用值；N为总投资现值；Fn为年运行费用，包括水泵的耗电量及其他辅机产生的运行费用；RAFC为年固定分摊费率。

RAFC=RC+RD+RM+RG.

(2)

式中：RC为资金回收系数；RD为基本折旧费率，按规定取4.8%；RM为大修费率，按规定取1.4%；RG为其他费率，若无其他费用可取0。

(3)

式中：i为投资收益率，取8%～10%；n为工程的经济使用年限。

2 局部下沉布置方案分析

汽轮机房凝汽器局部下沉布置是相对汽轮机房整体下沉布置而言，该布置的汽轮机房底层标高和地上布置相同，仅下沉凝汽器及相关部分，即仅增加凝汽器坑、凝结水泵坑和循环水管坑的深度。

在局部下沉布置方案中，凝汽器设备的尺寸改变是核心。在本方案中维持运转层标高不变，凝汽器顶排管束标高降低，导致凝汽器被拉长，采用对布置影响最小的扩散角减小方案，该方案不会导致中间层凝汽器接口的变化。

汽轮机房凝汽器局部下沉的根本目的是充分利用虹吸高度，降低循泵的几何扬程，达到节约厂用电的要求。选取下沉深度时应根据工程的具体情况(如厂址地质水文条件、下沉工程量)，结合循泵运行费用及凝汽器设备的制造能力等因素，确定合理的下沉深度范围。

3 工程概述

某1 000 MW机组采用海水直流供水系统，配置3台循泵(2用1备)，取水量约为32.80 m3/s，取水头部与循泵房之间采用钢筋混凝土暗沟连接。主厂房外场地绝对标高(平均海平面)为13.0 m(主厂房地面相对标高0 m对应绝对标高13.3 m)。常规布置时，凝汽器顶排管束相对标高为7.2 m(对应绝对标高为20.5 m)；下沉布置时，凝汽器顶排管束相对标高最低为2.24 m(对应绝对标高为15.54 m)，是凝汽器布置所能达到的极限低位。循泵扬程按大潮最低潮位1.34 m确定。基于设备允许的最低下沉深度4.96 m，汽轮机房凝汽器局部下沉深度取值范围为[0 m，5.0 m]。

4 局部下沉优化结果影响因素

4.1 冷端优化参数对下沉优化的影响

分析冷端优化参数[23-25]对下沉优化结果的影响，根据常规布置时冷端优化计算结果得到，凝汽器冷却面积为75 000 m2，循环水冷却倍率为60，循环水管径为4.3 m。局部下沉深度计算间隔h0取值为0.01 m。利用下沉优化结果绘制下沉深度h与年总费用F的关系曲线，如图3所示。

图3 年总费用值随下沉深度的变化曲线Fig.3 Variation curve of annual cost with local sinking height

由图3可知，随着h的增加，F先减小后增加，h=2.31 m时F最小，约为3 233万元。其原因为：当h≤2.31 m时，节省的设备费用与增加的土建费用的差值随h的增大而增大，F逐渐减小；h=2.31 m时，差值达到最大，F达到最小值；当h>2.31 m时，节省的设备费用与增加的土建费用的差值随h的增大而减小，F逐渐增大。由此可以判断h=2.31 m时，已无必要继续下沉，即最佳下沉深度hbest=2.31 m。

将hbest=2.31 m对应工况，再次进行冷端优化，此时对应的冷端优化结果为凝汽器面积75 000 m2、冷却倍率60、循环水管径4.2 m。

为分析冷端优化结果对局部下沉产生的影响，利用上述冷端优化结果再次进行下沉优化，2次下沉优化计算结果见表1。

表1 下沉优化计算结果比较Tab.1 Comparisons of sinking optimization results

由表1可知，冷端优化不影响下沉优化计算结果，hbest均为2.31 m。由2次冷端优化计算结果看出：循环水量不变前提下，循环水管径由4.3 m变化为4.2 m，将导致循环水管内流速增加；但循泵扬程增加变化量较小，仅增加了0.2 m，对应选择的循泵单价并没有变化，不影响年总费用值。

4.2 年固定分摊率对下沉优化的影响

由于在计算年固定分摊率时，资金回收系数取值范围为10.18%～11.75%，导致年固定分摊率值出现比较大的偏差。以10%、12%、14%、16%、18%共5个年固定分摊率进行下沉优化计算，最佳下沉深度hbest优化方案见表2，以分析年固定分摊率对优化结果的影响。

表2 最佳下沉深度优化方案Tab.2 Optimal sinking depth optimization scheme

由表2可知，不同的年固定分摊率取值不影响优化计算结果，hbest均为2.31 m。按不同年固定分摊率计算的年总费用有一定的偏差，随着年固定分摊率取值增大，年总费用值呈正相关变化。

4.3 潮位对下沉优化的影响

潮位不同将影响循泵扬程的选择，对循泵单价及循泵运行费用产生影响；因此，选取了6组不同的潮位进行分析，分别是1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m。其对下沉优化结果的影响如图4所示。

图4 下沉优化结果随潮位的变化曲线Fig.4 Variation curve of local sinking optimization result with tide level

由图4可知，随着潮位的增加，hbest由2.65 m减小至1.65 m，潮位每增加0.2 m，hbest相应减小0.2 m。由于排水阻力不变，潮位增加，则堰后水位增加，相应的堰上水头增加，虹吸井利用高度减小，循环水管路阻力不变，将导致循泵扬程增加，循泵设备单价及运行费用进一步增大；因此，潮位增加将导致hbest减小。

5 局部下沉布置经济性分析

针对凝汽器标高及对应的循泵扬程、土建方案及设备价格几个方面进行技术经济综合分析。

5.1 循泵扬程经济性分析

局部下沉布置导致凝汽器顶排管束标高降低，充分利用虹吸高度，使循泵的几何扬程达到最优，最终降低电厂的运行费用。

循泵的扬程为循泵的几何扬程与循环水系统总的水头损失之和。循环水系统总水头损失与系统的布置有关，若循环水系统的布置相同，循环水系统总的水头损失相同，则循泵扬程主要受循泵几何扬程的影响[26]。

循泵的几何扬程

HJ=HY-HD.

(4)

式中：HY为虹吸井堰上水位；HD为大潮最低潮位。循泵总扬程

H=HZ+HJ.

(5)

式中HZ为循环水系统总水头损失，包含沿程阻力损失与局部阻力损失。循泵扬程与耗电量的关系为

(6)

式中：P为循泵电动机耗电功率；ρ为水的密度；g为重力加速度；qV为循环水量；η1、η2、η3分别为水泵、电动机、轴传动效率，分别取0.91、0.97、0.98。

本研究汽轮机房凝汽器局部下沉深度范围为[0 m，5.0 m]，下沉深度计算间隔取0.01 m。通过下沉优化设计软件得到不同下沉深度h下循泵扬程H的变化曲线，如图5所示。

图5 循泵扬程随下沉深度的变化曲线Fig.5 Variation curve of pump head with sinking height height

由图5可见：在h由0 m增加至2.0 m范围内，h每增加0.5 m，H相应降低约0.5 m；h由2.0 m增加至3.0 m时，H相应降低了0.693 m；h由3.0 m增加至3.5 m时，H降低了0.17 m；随着h的继续增大，由3.5 m增加至4.0 m，H降低了0.081 m；h由4.0 m增加至5.0 m时，h每增加0.5 m，H相应平均降低了0.041 m。

随着汽轮机房凝汽器局部下沉深度的增加，循泵扬程降低得越来越小，即循泵设备节省的费用越来越小。

由局部下沉优化设计软件计算得到，h=2.31 m时年总费用最小为3 233.218万元。常规布置(即h=0 )时，循泵价格为1 210万元；h=2.31 m时，循泵价格为1 160万元：由此可见，对于该工程6台机组共计18台循泵，可节省约900万元。常规布置时2台循泵年运行费用为1 608.579万元，h=2.31 m下2台循泵年运行费用为1 370.523万元，单台机组可节省年运行费用为119.028万元。

5.2 局部下沉经济性分析

汽轮机房凝汽器局部下沉除影响循泵扬程，导致循泵价格及循泵运行费用发生变化外，还对土建设施、施工工程量及凝汽器设备造价产生影响。其中土建施工部分包含基座基坑、循环水管坑、虹吸井和排水暗沟，而基座基坑又包含了凝汽器、凝结水泵和附加部分(用以凝汽器管束的运维)。

a)常规方案与汽轮机房凝汽器局部下沉(深度2.31 m)布置方案的土建设施及施工工程量比较见表3，其中工程增加量为相比常规方案(即以其为基准)，局部下沉布置方案工程量的增加量。

表3 单台机组土建工程量对比Tab.3 Comparison of civil engineering quantity of single unit

由表3可知，较常规布置方案，汽轮机房局部最佳方案土建工程量增加了324.58万元。

b)以常规布置方案为基准，下沉布置方案单台机组各项设备设施费用的变化量如下：循泵设备费用减少150万元，废水处理设备费用增加40万元，凝汽器喉部改造费用增加3.28万元，土建施工费用增加324.58万元。合计总费用增加217.86万元。

c)考虑电厂运行20年，厂用电价格取0.243元/kWh，年利用小时数取7 000，20年折现系数取12.57。以常规布置方案为基准，下沉布置方案单台机组循泵运行各项经济指标的变化量如下：循泵电耗减少753.579 kW，循泵每年电费减少119.028万元。运行20年合计电费减少2 380.56万元。

d)比较2个方案的综合经济性，以常规布置方案为基准，下沉布置方案单台机组项目投资费用增加217.86万元，20年运行费用减少2 380.56万元。合计单台机组可节省2 162.70万元，本工程共6台机组，可节省约12 976万元。采用汽轮机房凝汽器局部下沉布置方案具有可观的经济性。

6 结论

利用建立的滨海电厂凝汽器下沉优化模型，分析了影响下沉优化的相关因素，并对某1 000 MW机组进行优化计算，综合凝汽器基础下沉土建工程费用、循泵工程造价、循泵运行费用、凝汽器设备造价进行全面分析，得出结论如下：

a)冷端优化参数(凝汽器面积、冷却倍率及循环水管径)及年固定分摊率对下沉优化结果无影响。潮位对下沉优化结果影响较大，潮位每增加0.2 m，最佳下沉深度值相应减小0.2 m；因此，在进行下沉优化计算时，需根据项目实际情况选择潮位。

b)随着下沉深度的增加，循泵扬程降低值越来越小，下沉深度继续增加对循泵扬程降低的作用将越来越小。下沉深度由0 m增加至2.0 m时，下沉深度每增加0.5 m，则循泵扬程相应降低约0.5 m；而下沉深度由4.0 m增加至5.0 m时，下沉深度每增加0.5 m，循泵扬程相应平均降低了0.041 m。

c)与常规方案相比，汽轮机房凝汽器局部下沉(深度2.31 m)布置方案的单台机组土建工程施工费用增加了324.58万元，循泵设备费用减少了150万元，循泵年运行费用减少了119.028万元。凝汽器喉部改造费用增加了3.28万元，凝汽器喉部加长造成末级叶片背压升高，同时提高了扩压效果，影响可以相互抵消。

d)与常规方案相比，汽轮机房凝汽器局部下沉(深度2.31m)布置方案的单台机组在项目运行20年期间节约费用2 380.56万元，单台机组项目全生命周期可以节省2 162.70万元，6台机组总计可节约12 976万元。

综上所述：潮位对下沉优化计算的结果影响较大；从项目全生命周期看，采用凝汽器下沉布置方案的综合收益要优于常规方案。本研究建立的下沉优化模型可为直流冷却机组的凝汽器下沉优化决策提供参考。