王志廣

（福建永福工程顧問有限公司）

1000MW發(fā)電機組循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化設計分析

王志廣

（福建永福工程顧問有限公司）

循環(huán)水系統(tǒng)是保證電廠能夠安全經(jīng)濟運行的一個重要輔機系統(tǒng)，本專題報告依托長樂電廠工程對循環(huán)水直流供水系統(tǒng)的冷卻倍率、凝汽器面積、循環(huán)水管配置方案，采用對各個可變參數(shù)的不同組合，通過水力、熱力和經(jīng)濟計算，進行多方案的綜合比較和優(yōu)化計算，并針對近些年來凝汽器綜合造價及標煤價變化對優(yōu)化計算影響進行敏感性分析，以選取滿足技術、經(jīng)濟條件的合理的綜合方案，確定系統(tǒng)內(nèi)主要設備、建（構）筑物的合理配置。

系統(tǒng)優(yōu)化；凝汽器面積；背壓；冷卻倍率；年費用

1　概述

目前作為潔凈煤發(fā)電技術之一的超超臨界技術是國際上成熟、先進的發(fā)電技術，在機組的可靠性、可用率、熱機動性、機組壽命等方面已經(jīng)可以和超臨界、亞臨界機組媲美，并有了較多的國際商業(yè)運行經(jīng)驗。

本文結合福州長樂電廠4×1000MW機組工程可研設計工作，通過研究1000MW級發(fā)電技術特點，進一步優(yōu)化1000MW級機組布置方案和系統(tǒng)設置，在滿足安全、運行等條件下，盡一切可能降低工程造價，提高項目經(jīng)濟效益。

1.1工程概況

1.1.1建設（設計）規(guī)模

本工程廠址位于長樂市最南端的松下港區(qū)范圍，北距長樂市約35km，距福州約70km，南距福清市約33km。遠期規(guī)劃容量為4×1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機組，并留有擴建條件。本期工程建設2×1000MW超超臨界機組，同步建設尾部煙氣脫硫、脫硝裝置，全廠一次規(guī)劃分期建設。

1.1.2循環(huán)水供水系統(tǒng)概述

本期工程循環(huán)水系統(tǒng)采用單元制直流供水系統(tǒng)，其系統(tǒng)流程概況如下：循環(huán)水取水采用挖入式明渠從碼頭港池后方深水水域取水，通過引水明渠將海水引至汽機房前沿循泵房前池，經(jīng)攔污柵、旋轉濾網(wǎng)進入泵房吸水池，每臺機組經(jīng)循環(huán)水泵升壓后，通過循環(huán)水壓力管輸送至主廠房，再經(jīng)凝汽器及排水管進入虹吸井，然后通過自流至排水溝排入排水連接井，最后排入廠址海域。

1.1.3循環(huán)水供水系統(tǒng)優(yōu)化概述

根據(jù)工程條件電廠循環(huán)水采用海水直流供水，本文結合廠址的水文氣象及供水條件，對循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻倍率、凝汽器面積、循環(huán)水管配置方案，采用對各個可變參數(shù)的不同組合，通過水力、熱力和經(jīng)濟計算，進行多方案的綜合比較和優(yōu)化計算，并針對凝汽器綜合造價及標煤價變化對優(yōu)化計算影響進行敏感性分析，以選取滿足技術、經(jīng)濟條件的合理的綜合方案，確定系統(tǒng)內(nèi)主要設備、建（構）筑物的合理配置。

2　基礎資料及設備參數(shù)

本工程的優(yōu)化計算根據(jù)以下各項基礎資料進行：

2.1取水海域自然水溫（見表1）

2.2汽輪機參數(shù)

表1　多年逐月平均、最高、最低水溫表（單位：℃）

（1）本期2×1000MW機組為超超臨界燃煤機組，采用超超臨界、雙背壓、單軸、四缸四排汽、中間再熱凝汽式式汽輪機。

（2）單臺機組循環(huán)水系統(tǒng)額定工況凝汽量為1679t/h，設計背壓Pk=0.0049MPa，機組出力1000MW；校核工況凝汽量為1759t/h，校核背壓Pk=0.0091MPa。

2.3凝汽器資料

根據(jù)工程實際條件及對國內(nèi)已建的百萬機組凝汽器相關配置的調(diào)研，本工程凝汽器擬采用雙背壓、單流程、表面式、鈦管凝汽器，本次優(yōu)化計算按此進行。

本設計凝汽器冷卻水管外徑×壁厚=φ25×0.5mm，臟污系數(shù)取0.85。

3　循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化

3.1參選方案的各項技術經(jīng)濟參數(shù)

3.1.1基本技術經(jīng)濟參數(shù)

計算各參選方案采取的基本技術經(jīng)濟參數(shù)見表2。

表2　

3.1.2冷卻倍率參數(shù)

本計算對循環(huán)水泵運行工況按一年三季（春秋季、夏季、冬季）變倍率運行方式進行比較分析，即采用62/46.5/24.8、64/48/ 25.6、66/49.5/26.4三種倍率，夏季為一臺機組配三臺循環(huán)水泵，春秋季為一臺機組配二臺循泵，冬季為一臺機組配一臺循泵，根據(jù)熱力計算成果進行經(jīng)濟比較計算。

3.2系統(tǒng)水力計算

根據(jù)廠區(qū)總布置情況及系統(tǒng)布置方式，選取循環(huán)水管徑DN3600和DN3800兩種配置進行水力計算，系統(tǒng)阻力計算公式如下：局部阻力：△h=ξν2/2g沿程阻力損失：△h=i×L

3.3設計方案組合

（1）凝汽器方案：冷凝面積為FF=51000m2、52000m2、53000m2共三組。

（2）冷卻倍率方案：全年分春秋季、夏季、冬季三季運行方式，共有62/46.5/24.8、64/48/25.6、66/49.5/26.4三種倍率。

（3）循環(huán)水管（干管）方案：DN3600、DN3800共2組。

3.4參選方案約束限制條件

（1）在夏季最熱三個月P=10%日平均水溫28.5℃氣象條件下，加上一定的回水溫升后（t=29.7℃）的運行背壓應能滿足小于機組滿發(fā)的最高允許背壓9.1kPa要求。

（2）凝汽器端差δt不小于2.8℃，小于2.8℃時取2.8℃。

3.5優(yōu)化計算及結果分析比較

3.5.1優(yōu)化計算方法

方案經(jīng)濟分析比較采用年費用最小法（動態(tài)），即將建設項目多種可能實施的方案，以每一方案的一次投資，與此方案實施后在預測到的經(jīng)濟服務年限內(nèi)逐年支付的運行費用，按動態(tài)經(jīng)濟規(guī)律將投資與運行費用均換算到指定年（投產(chǎn)年），再在經(jīng)濟服務年限內(nèi)等額均攤，最終比較各方案的年均攤值，取年最小費用較優(yōu)的方案作為選擇方案。計算結果中年費用不是實際的年費用值，而是各方案比較的相對值。

本文所采用的年費用最小法之年費用的計算公式為：

NF=P×（AFCR）+U

式中：NF——使用期內(nèi)等額年費用（拉平到經(jīng)濟使用年限n年內(nèi)）；

3.5.2年費用計算

年費用的計算包括年固定費用及年運行費用。其中，年固定費用為參加優(yōu)化的所有項目的總投資減去工程殘值乘以年固定費用率的值，年運行費用為循環(huán)水泵年運行電費與年微增電費、大修理費的和。

（1）各方案汽輪機背壓限制條件校核

優(yōu)化得出的參數(shù)應按汽機校核工況（凝汽量Dk=1759t/h）在夏季最炎熱三個月P=10%的日平均水溫為28.5℃加上按電廠溫排水造成的海水增溫1.2℃，對不同循環(huán)水冷卻倍率、凝汽器端差、汽機背壓進行校核計算，以保證機組在該工況和組合下能滿發(fā)（PK<0.0091MPa）。

考慮一定裕度后（t=29.7℃），各種組合方案的背壓值均小于0.0091MPa，即均滿足汽輪機背壓限制條件。

（2）年費用計算結果

按上述原始數(shù)據(jù)和擬定的計算方案及其技術參數(shù)進行計算，對符合所有技術條件及約束條件的計算結果經(jīng)整理進行了列表。表3列出了各組合方案運行年費用優(yōu)劣順序排列的計算結果。

表3年費用表

3.5.3優(yōu)化計算結果分析

從年費用表中的年費用值可看出，對于各方案組合，冷卻倍率為64/48/25.6、年費用均較低，排序較靠前；凝汽器面積53000m2、循環(huán)水管DN3800、冷卻倍率64/48/25.6的組合年費用最低，凝汽器面積52000m2、循環(huán)水管DN3800、冷卻倍率64/48/ 25.6的組合年費用為其次。由于本優(yōu)化計算中未考慮因凝汽器占地面積因素引起的投資差異，鑒于在年費用排序第二位的組合方案與排在首位的組合方案年費用相差不大（僅相差1.48萬元），為節(jié)省工程初期投資費用，本階段推薦采用年費用排第二的組合方案。

4　敏感性分析

上述優(yōu)化計算是在凝汽器綜合造價為2000元/m2、發(fā)電單位成本為0.396元/kW·h條件下進行的，由于以上參數(shù)不同，對年費用排序也會有所不同，近些年來，由于金屬鈦材（凝汽器主要結構材料）及煤碳價格快速增長，針對目前市場的變化情況，本工程對采用不同凝汽器綜合造價及發(fā)電單位成本進行敏感性分析，得出以下結果：

在其它各參數(shù)不變的情況下，隨著凝汽器綜合造價的提高，其相對應的凝汽器面積相對較小、冷卻倍率相對大時的方案經(jīng)濟性較優(yōu)；若發(fā)電單位成本越高（即標準煤價越高），則其凝汽器面積較大者經(jīng)濟技術為優(yōu)。

5　推薦方案的確定

根據(jù)對上述的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化計算結果及綜合比較，考慮今后凝汽器材料價格的上漲和發(fā)電成本增加的可能性，本工程經(jīng)多種方案比較后本階段推薦采用循環(huán)供水系統(tǒng)配置為：

循環(huán)水管：DN3800；凝汽器冷卻面積：52000m2；冷卻倍率：m=64倍；冷卻管根數(shù)：55000根；冷卻管規(guī)格：φ25×0.5（mm）。

[1]《電力工程水務手冊》.中國電力出版社.

[2]《火力發(fā)電廠水工設計規(guī)范》（DL/T5339-2006）.中國計劃出版社，2006.

[3]《工業(yè)循環(huán)水冷卻設計規(guī)范》（GB/T50102-2003）.中國計劃出版社，2003.

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2015-9-6