蘇翔峰（中國能源建設(shè)集團安徽省電力設(shè)計院有限公司，安徽　合肥　230601）

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“上大壓小”被替代機組循環(huán)水系統(tǒng)的利用研究

蘇翔峰（中國能源建設(shè)集團安徽省電力設(shè)計院有限公司，安徽合肥230601）

受國家政策扶持，電源點、熱源點建設(shè)中“上大壓小”熱電聯(lián)產(chǎn)項目比較普遍，部分被替代機組循環(huán)水系統(tǒng)運行狀況良好，從節(jié)能、節(jié)約原材料、節(jié)約投資的角度考慮，如何在新上項目中將被替代機組循環(huán)水系統(tǒng)巧妙利用起來，使其“起死回生”是擺在水工專業(yè)面前的一個課題。本文結(jié)合工程實例談了一些這方面的做法和體會。

機組；循環(huán)水系統(tǒng)；數(shù)值仿真模型

1　概述

某電廠現(xiàn)有四臺機組，總裝機容量300MW（1×15MW+1× 25MW+1×125MW+1×135MW），根據(jù)水源條件，所有機組均采用帶冷卻塔的二次循環(huán)供水系統(tǒng)。項目公司計劃拆除#1、#2、#3機組，原址建設(shè)2臺350MW超臨界燃煤供熱機組。

電廠#1、#2機組 （15MW、25MW）循環(huán)水系統(tǒng)采用母管制，建成于80年代末，停運多年，已無利用價值。#3機組（135MW）1997年投產(chǎn)，循環(huán)水系統(tǒng)采用單元制，系統(tǒng)配置如下：

循環(huán)水泵：48Sh-22X，2臺

配套電動機：Y6304-12，2臺

循環(huán)水母管：DN1800焊接鋼管

冷卻塔：3500m2逆流式自然通風(fēng)冷卻塔

該系統(tǒng)運行至今狀況良好，其間冷卻塔填料換過一次、循環(huán)水泵電機由單速改造為雙速。

2　循環(huán)水系統(tǒng)方案選擇

根據(jù)現(xiàn)場踏勘了解的情況，結(jié)合廠區(qū)總平面布置，本次新建的二臺350MW機組循環(huán)水系統(tǒng)可供選擇的布置方案有3個：

方案一：不考慮#3機組循環(huán)水系統(tǒng)的利用，單元制或擴大單元制布置，新建2座自然通風(fēng)冷卻塔，配套相應(yīng)的循環(huán)水泵房和循環(huán)水管，系統(tǒng)圖見圖1。

圖1　

方案二：考慮#3機組循環(huán)水系統(tǒng)的利用，#5機組單元制布置，新建1座自然通風(fēng)冷卻塔，配套相應(yīng)的循環(huán)水泵房和循環(huán)水管；#6機利用老廠#3機的3500m2自然通風(fēng)冷卻塔和循環(huán)水泵房，新建1座自然通風(fēng)冷卻塔和循環(huán)水泵房，聯(lián)合供水，系統(tǒng)圖見圖2。

圖2　

方案三：將本工程2×350MW機組看成一個整體，在#3機3500m2自然通風(fēng)冷卻塔和循環(huán)水泵房的基礎(chǔ)上，新建1座自然通風(fēng)冷卻塔和相應(yīng)的循環(huán)水泵房、循環(huán)水管，聯(lián)合供水，系統(tǒng)圖見圖3。

圖3　

上述三個方案中，方案二、三由于利用了#3機循環(huán)水系統(tǒng)，節(jié)約投資是顯而易見的，但方案二較方案三占地面積大，且受場地條件限制，布置起來很不合理。從運行角度考慮，方案三由于采用母管制，避免了檢修一座塔必須停一臺機組情況的出現(xiàn)；冬季循環(huán)水量較小時，還可以單獨運行#3機循環(huán)水系統(tǒng)，即解決了冷卻塔的冰凍問題，又降低了運行費用，對于供熱機組而言，方案三運行更加靈活。

雖然方案三的優(yōu)點很多，但由于兩座冷卻塔形成的循環(huán)水系統(tǒng)的配水高度和系統(tǒng)阻力不一樣，兩座塔進出水量不相等，若不加調(diào)控，很容易出現(xiàn)冷卻塔集水池溢流或抽空的情況，也很容易發(fā)生水擊、氣蝕等安全事故，并嚴重影響電廠機組正常運行，無法保證機組安全；同時配水不當(dāng)也會影響機組和冷卻塔的運行效率。如何簡單有效解決兩座冷卻塔之間的配水難題是該方案成立與否的關(guān)鍵，為此我們對該方案進行了重點研究，工作思路如下：

（1）首先根據(jù)新建冷卻塔面積試算二套循環(huán)水系統(tǒng)的流量分配比例。

（2）根據(jù)流量分配比例，對新建循環(huán)水系統(tǒng)進行優(yōu)化。

（3）根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，進行新老二套循環(huán)水系統(tǒng)聯(lián)合運行的水力分析，研究實現(xiàn)冷卻塔和機組之間循環(huán)水量分配的工程措施。

（4）結(jié)合冷卻塔水量優(yōu)化分配的計算結(jié)果，建立循環(huán)水管網(wǎng)恒定流數(shù)學(xué)模型，計算不同運行工況下，循環(huán)水系統(tǒng)各管段的水頭損失，研究確定不同的流量工況下的水泵工作點。

（5）研究確定不同循環(huán)水流量工況下控制閥門的開度。

3　循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化

方案三夏季工況2×350MW機組全部滿負荷純凝運行時，新老二座冷卻塔需并聯(lián)運行。即新建冷卻塔對應(yīng)的系統(tǒng)除了向一臺機組供水外，還有部分水量與3500m2冷卻塔對應(yīng)的系統(tǒng)一起向另一臺機組供水。

本工程新建冷卻塔按6500m2、7000m2、7500m2、8000m2四種不同淋水面積和夏季50、55、60、65四種不同冷卻倍率分別計算其與3500m2冷卻塔的流量分配比例。根據(jù)計算確定的流量分配比例對新建循環(huán)水系統(tǒng)進行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明以下方案為新建循環(huán)水系統(tǒng)的最優(yōu)方案：

冷卻塔淋水面積：7500m2

循環(huán)水母管管徑：DN3000

冷卻倍率：60/51/36

該方案新老二套循環(huán)水系統(tǒng)聯(lián)合運行時的系統(tǒng)流量分配比例為0.76：0.24。

4　循環(huán)水系統(tǒng)水力分析

新老二套循環(huán)水系統(tǒng)的管道連接如下：從二座循環(huán)水泵房來的二根供水母管在汽機房外并聯(lián)后向凝汽器供水，凝汽器出水管在汽機房外分成二根回水母管分別回到二座冷卻塔。二套系統(tǒng)聯(lián)合運行時需要考慮以下兩個問題：

（1）從二座循環(huán)水泵房到汽機房外的并聯(lián)點，四臺循泵為并聯(lián)運行，在并聯(lián)點壓力應(yīng)相等，否則壓力低的一邊就會存在憋泵現(xiàn)象，使水泵出流量低于設(shè)計值；

（2）從汽機房外回水管并聯(lián)點到冷卻塔，二座冷卻塔也是并聯(lián)運行，兩邊系統(tǒng)阻力也應(yīng)相等，否則阻力大的一邊將會流量減少，導(dǎo)致循泵的出水量和對應(yīng)的冷卻塔回水量不一樣，如不及時調(diào)整，回水少的冷卻塔水位會不斷降低，最終致使系統(tǒng)不能運行。

計算結(jié)果表明，7500m2冷卻塔系統(tǒng)各段水頭損失較3500m2冷卻塔都高。冷卻塔水池至A外并聯(lián)點段管道水頭損失差值較小，為0.20m，對循環(huán)水泵出力的影響只有1.5%左右，可以不考慮調(diào)整；A外并聯(lián)點至各冷卻塔段管道水頭損失差值較大，為5.40m，必須采取調(diào)節(jié)措施。

我們首先想到將此段管道上裝上閥門，用閥門的開度來調(diào)節(jié)管道損失。經(jīng)計算，若閥門阻力要達到5.40m，閥門處的水流速度必須在5m/s以上，已經(jīng)超出了閥門的承受范圍。我們又想到加高#3機配水豎井及配水槽，用自然高差來增加系統(tǒng)阻力。這個方案對老塔改動較大，費用增加，且減小了淋水面積，降低了冷卻效果。此外，我們還想到在此段管道上增加減壓孔板來增加系統(tǒng)阻力，此方法簡單，易操作，但當(dāng)3500m2冷卻塔要單獨運行時，不可能將減壓孔板取出，人為增加了運行成本。

經(jīng)過反復(fù)思考，我們想到采用旁路的方法，系統(tǒng)見圖4。具體操作如下：在原有管道（圖中細線部分）的適當(dāng)位置并聯(lián)一根小口徑管道（圖中粗線部分），需要配水調(diào)節(jié)時，關(guān)閉閥門A，使水流從小口徑管道通過，從而提高系統(tǒng)阻力；當(dāng) 3500m2冷卻塔單獨運行時，打開閥門A，系統(tǒng)阻力又回到原來水平。此方法操作簡單，方便靈活。本次增加的小口徑管道直徑為DN1300，長14.0m，加上2只三通和3只（人為增加2只）90°彎頭，總阻力為5.40m。

圖4　

以上計算為理論值，與實際運行工況可能存在誤差，在運行過程中，還需實時對系統(tǒng)進行監(jiān)控，具體措施如下：在二座循泵房的二根供水管和二座冷卻塔的二根回水管上分別裝超聲波流量計；在運行時由流量計監(jiān)控每座循泵房的二臺循泵的供水量和對應(yīng)冷卻塔的回水量，如偏差較大，則微調(diào)閥門B，使得水量基本相等，保證冷卻塔和循環(huán)水泵的正常運行，避免造成一座冷卻塔水位持續(xù)降低，而另一座冷卻塔卻在溢水的情況發(fā)生。

5　循環(huán)水泵選擇

#3機循環(huán)水泵房內(nèi)設(shè)有二臺48sh-22x型單級雙吸水平中開式離心泵，根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)水力計算，二套系統(tǒng)聯(lián)合運行時，3500m2冷卻塔對應(yīng)的循環(huán)水泵調(diào)整后的工況點與水泵并聯(lián)曲線基本吻合，且在水泵高效區(qū)間內(nèi)。因此，#3機循環(huán)水泵可以滿足本工程要求。

根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)水力計算，考慮經(jīng)濟性，本工程新建循環(huán)水泵初步確定為二臺立式混流泵、每泵配雙速電機，具體參數(shù)為：

6　數(shù)值仿真模型驗證

根據(jù)以上的分析，我們初步認為對#3機循環(huán)水系統(tǒng)進行簡單改造后方案三是可行的。鑒于循環(huán)水系統(tǒng)流量、阻力計算的準確性關(guān)系到二座冷卻塔的正常運行，本工程委托相關(guān)科研單位對循環(huán)水系統(tǒng)進行了數(shù)值模型試驗研究。

根據(jù)設(shè)計提出的初步方案，研究單位采用鍵合圖理論建立了冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)的動態(tài)模型，通過計算一定時間段的動態(tài)過程，得到穩(wěn)態(tài)解。然后采用基于遺傳算法的參數(shù)優(yōu)化方法，對循環(huán)水系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化，給出其控制目標函數(shù)和必要的控制閥門分布，并對控制閥門的敏感性進行了分析。

研究表明：為控制兩個冷卻塔的豎井水位，保證每個冷卻塔的進排水流量相等，每個凝汽器分配的水量相等，在循環(huán)水供水管道上設(shè)置一個控制閥門，在循環(huán)水回水管道上設(shè)置兩個控制閥門，輔以流量計和微調(diào)閥門可以實現(xiàn)上述控制目標。

7　各方案投資、占地分析比較

本工程循環(huán)水系統(tǒng)方案一需新建二座6000m2冷卻塔及相應(yīng)的循環(huán)水泵房、循環(huán)水管溝；方案二需新建一座6000m2冷卻塔，一座 3000m2冷卻塔及相應(yīng)的循環(huán)水泵房、循環(huán)水管溝；方案三需新建一座7500m2冷卻塔及相應(yīng)的循環(huán)水泵房、循環(huán)水管溝。各方案的投資比較見表1。

表1　

各方案新增占地比較見表2。

表2　

由上述比較可以看出，方案三無論是投資和占地都遠優(yōu)于方案一和方案二，并且由于避免了#3機循環(huán)水系統(tǒng)的拆除，即縮短了施工工期、節(jié)約了資源又減少了大量的建筑垃圾，保護了環(huán)境。

8　結(jié)束語

“技術(shù)先進、安全可靠、造價合理、資源節(jié)約、環(huán)境友好、綠色和諧”是每一個電力建設(shè)者追求的目標。要實現(xiàn)這一目標就必須從大處著眼，小處著手，精細化設(shè)計。目前“上大壓小”項目中部分關(guān)停機組遠沒有達到經(jīng)濟使用年限，只是由于機組容量小、能耗高而遭淘汰；但輔助系統(tǒng)很多運行狀況良好，將其巧妙地融入新建項目中不但可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，而且還能產(chǎn)生巨大的環(huán)境效益，本文從循環(huán)水系統(tǒng)利用的一個側(cè)面論述了其可行性和經(jīng)濟性。

2016-5-1

TK267

A

2095-2066（2016）14-0020-02