李飛，梁清鶴，劉然，李瑞坤

(1.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750400；2.國(guó)能浙能寧東發(fā)電有限公司，寧夏 靈武 751400；3.國(guó)能平羅發(fā)電有限公司，寧夏 石嘴山 753406)

核電以其安全、高效的優(yōu)勢(shì)在世界范圍內(nèi)得到大力發(fā)展，以滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)能源的巨大需求。核電廠通常具有較長(zhǎng)的生命周期，因此降低核電廠的運(yùn)行費(fèi)用可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。由于從汽輪機(jī)排出的所有蒸汽均在凝汽器管束中凝結(jié)[5-6]，凝汽器的設(shè)計(jì)[7]和布局優(yōu)化[8-9]對(duì)提高電廠效率起著重要作用[10-12]，有必要研究凝汽器局部下沉的影響機(jī)制，以提高電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

核電站廠區(qū)地坪標(biāo)高對(duì)電站的安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的影響，因此必須確保與核安全有關(guān)的設(shè)施地面標(biāo)高高于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位[13-15]。目前常規(guī)島主廠房有2種布置方式，分別為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為半地下布置和局部下沉布置[16]。

目前國(guó)內(nèi)很多核電站采用了半地下布置方式[17]。鑒于主廠房半地下布置具有開(kāi)挖量大、初投資高的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[18-20]對(duì)核電常規(guī)島廠房局部下沉布置方案與常規(guī)布置方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較，主要對(duì)比循環(huán)水泵(以下簡(jiǎn)稱“循泵”)運(yùn)行費(fèi)用、主廠房建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)備價(jià)格及管道的布置等，研究表明，常規(guī)島主廠房局部下沉布置方案的經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)可觀。

參考核電廠局部下沉布置方式，本研究首先分析冷端參數(shù)、年固定分?jǐn)偮始俺蔽蛔兓瘜?duì)常規(guī)機(jī)組一次直流冷端系統(tǒng)局部下沉優(yōu)化結(jié)果的影響；然后，根據(jù)確定的冷端參數(shù)，對(duì)比不同凝汽器局部下沉優(yōu)化方案，就凝汽器標(biāo)高及對(duì)應(yīng)的循泵揚(yáng)程、土建方案及設(shè)備價(jià)格幾個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析，以年總費(fèi)用最小作為判定指標(biāo)，確定合理、經(jīng)濟(jì)的凝汽器局部下沉深度。

1 汽輪機(jī)房凝汽器局部下沉優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

汽輪機(jī)房凝汽器局部下沉優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟：首先根據(jù)電廠總平面布置、廠址區(qū)域水文氣象條件及主機(jī)設(shè)備等確定的條件，初步確定下沉深度參數(shù)范圍；接著，在下沉深度取值范圍內(nèi)，結(jié)合凝汽器基礎(chǔ)下沉土建工程，分項(xiàng)分析循泵工程造價(jià)、循泵運(yùn)行費(fèi)用、凝汽器設(shè)備制造能力和造價(jià)，采用年費(fèi)用最小法進(jìn)行排序，推薦合理經(jīng)濟(jì)的凝汽器下沉深度。

汽輪機(jī)房凝汽器局部下沉優(yōu)化的方案設(shè)計(jì)如圖1所示。汽輪機(jī)房凝汽器局部下沉優(yōu)化的具體計(jì)算結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其中：hmin為下沉最小值，可取0；hmax為下沉最大值，根據(jù)不同電站的設(shè)備輔機(jī)廠提供的凝汽器布置資料確定；h為下沉深度，其初始值可取0。

圖1 凝汽器局部下沉優(yōu)化的方案設(shè)計(jì)Fig.1 Condenser local sinking optimization scheme design

圖2 下沉優(yōu)化結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Condenser local sinking optimization structure block diagram

1.2 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

采用年總費(fèi)用最小作為下沉優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，結(jié)合時(shí)間因素計(jì)算投資和生產(chǎn)成本，對(duì)于各方案的建造和設(shè)備投資，均考慮復(fù)利因素，換算成經(jīng)濟(jì)使用年限內(nèi)每年年末的等額償付成本，加上每年的運(yùn)行成本，構(gòu)成各方案年費(fèi)用[21-22]。

F=NRAFC+Fn.

(1)

式中：F為年總費(fèi)用值；N為總投資現(xiàn)值；Fn為年運(yùn)行費(fèi)用，包括水泵的耗電量及其他輔機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)行費(fèi)用；RAFC為年固定分?jǐn)傎M(fèi)率。

RAFC=RC+RD+RM+RG.

(2)

式中：RC為資金回收系數(shù)；RD為基本折舊費(fèi)率，按規(guī)定取4.8%；RM為大修費(fèi)率，按規(guī)定取1.4%；RG為其他費(fèi)率，若無(wú)其他費(fèi)用可取0。

(3)

式中：i為投資收益率，取8%～10%；n為工程的經(jīng)濟(jì)使用年限。

2 局部下沉布置方案分析

汽輪機(jī)房凝汽器局部下沉布置是相對(duì)汽輪機(jī)房整體下沉布置而言，該布置的汽輪機(jī)房底層標(biāo)高和地上布置相同，僅下沉凝汽器及相關(guān)部分，即僅增加凝汽器坑、凝結(jié)水泵坑和循環(huán)水管坑的深度。

在局部下沉布置方案中，凝汽器設(shè)備的尺寸改變是核心。在本方案中維持運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高不變，凝汽器頂排管束標(biāo)高降低，導(dǎo)致凝汽器被拉長(zhǎng)，采用對(duì)布置影響最小的擴(kuò)散角減小方案，該方案不會(huì)導(dǎo)致中間層凝汽器接口的變化。

汽輪機(jī)房凝汽器局部下沉的根本目的是充分利用虹吸高度，降低循泵的幾何揚(yáng)程，達(dá)到節(jié)約廠用電的要求。選取下沉深度時(shí)應(yīng)根據(jù)工程的具體情況(如廠址地質(zhì)水文條件、下沉工程量)，結(jié)合循泵運(yùn)行費(fèi)用及凝汽器設(shè)備的制造能力等因素，確定合理的下沉深度范圍。

3 工程概述

某1 000 MW機(jī)組采用海水直流供水系統(tǒng)，配置3臺(tái)循泵(2用1備)，取水量約為32.80 m3/s，取水頭部與循泵房之間采用鋼筋混凝土暗溝連接。主廠房外場(chǎng)地絕對(duì)標(biāo)高(平均海平面)為13.0 m(主廠房地面相對(duì)標(biāo)高0 m對(duì)應(yīng)絕對(duì)標(biāo)高13.3 m)。常規(guī)布置時(shí)，凝汽器頂排管束相對(duì)標(biāo)高為7.2 m(對(duì)應(yīng)絕對(duì)標(biāo)高為20.5 m)；下沉布置時(shí)，凝汽器頂排管束相對(duì)標(biāo)高最低為2.24 m(對(duì)應(yīng)絕對(duì)標(biāo)高為15.54 m)，是凝汽器布置所能達(dá)到的極限低位。循泵揚(yáng)程按大潮最低潮位1.34 m確定?；谠O(shè)備允許的最低下沉深度4.96 m，汽輪機(jī)房凝汽器局部下沉深度取值范圍為[0 m，5.0 m]。

4 局部下沉優(yōu)化結(jié)果影響因素

4.1 冷端優(yōu)化參數(shù)對(duì)下沉優(yōu)化的影響

分析冷端優(yōu)化參數(shù)[23-25]對(duì)下沉優(yōu)化結(jié)果的影響，根據(jù)常規(guī)布置時(shí)冷端優(yōu)化計(jì)算結(jié)果得到，凝汽器冷卻面積為75 000 m2，循環(huán)水冷卻倍率為60，循環(huán)水管徑為4.3 m。局部下沉深度計(jì)算間隔h0取值為0.01 m。利用下沉優(yōu)化結(jié)果繪制下沉深度h與年總費(fèi)用F的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 年總費(fèi)用值隨下沉深度的變化曲線Fig.3 Variation curve of annual cost with local sinking height

由圖3可知，隨著h的增加，F(xiàn)先減小后增加，h=2.31 m時(shí)F最小，約為3 233萬(wàn)元。其原因?yàn)椋寒?dāng)h≤2.31 m時(shí)，節(jié)省的設(shè)備費(fèi)用與增加的土建費(fèi)用的差值隨h的增大而增大，F(xiàn)逐漸減?。籬=2.31 m時(shí)，差值達(dá)到最大，F(xiàn)達(dá)到最小值；當(dāng)h>2.31 m時(shí)，節(jié)省的設(shè)備費(fèi)用與增加的土建費(fèi)用的差值隨h的增大而減小，F(xiàn)逐漸增大。由此可以判斷h=2.31 m時(shí)，已無(wú)必要繼續(xù)下沉，即最佳下沉深度hbest=2.31 m。

將hbest=2.31 m對(duì)應(yīng)工況，再次進(jìn)行冷端優(yōu)化，此時(shí)對(duì)應(yīng)的冷端優(yōu)化結(jié)果為凝汽器面積75 000 m2、冷卻倍率60、循環(huán)水管徑4.2 m。

為分析冷端優(yōu)化結(jié)果對(duì)局部下沉產(chǎn)生的影響，利用上述冷端優(yōu)化結(jié)果再次進(jìn)行下沉優(yōu)化，2次下沉優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 下沉優(yōu)化計(jì)算結(jié)果比較Tab.1 Comparisons of sinking optimization results

由表1可知，冷端優(yōu)化不影響下沉優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，hbest均為2.31 m。由2次冷端優(yōu)化計(jì)算結(jié)果看出：循環(huán)水量不變前提下，循環(huán)水管徑由4.3 m變化為4.2 m，將導(dǎo)致循環(huán)水管內(nèi)流速增加；但循泵揚(yáng)程增加變化量較小，僅增加了0.2 m，對(duì)應(yīng)選擇的循泵單價(jià)并沒(méi)有變化，不影響年總費(fèi)用值。

4.2 年固定分?jǐn)偮蕦?duì)下沉優(yōu)化的影響

由于在計(jì)算年固定分?jǐn)偮蕰r(shí)，資金回收系數(shù)取值范圍為10.18%～11.75%，導(dǎo)致年固定分?jǐn)偮手党霈F(xiàn)比較大的偏差。以10%、12%、14%、16%、18%共5個(gè)年固定分?jǐn)偮蔬M(jìn)行下沉優(yōu)化計(jì)算，最佳下沉深度hbest優(yōu)化方案見(jiàn)表2，以分析年固定分?jǐn)偮蕦?duì)優(yōu)化結(jié)果的影響。

表2 最佳下沉深度優(yōu)化方案Tab.2 Optimal sinking depth optimization scheme

由表2可知，不同的年固定分?jǐn)偮嗜≈挡挥绊憙?yōu)化計(jì)算結(jié)果，hbest均為2.31 m。按不同年固定分?jǐn)偮视?jì)算的年總費(fèi)用有一定的偏差，隨著年固定分?jǐn)偮嗜≈翟龃螅昕傎M(fèi)用值呈正相關(guān)變化。

4.3 潮位對(duì)下沉優(yōu)化的影響

潮位不同將影響循泵揚(yáng)程的選擇，對(duì)循泵單價(jià)及循泵運(yùn)行費(fèi)用產(chǎn)生影響；因此，選取了6組不同的潮位進(jìn)行分析，分別是1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m。其對(duì)下沉優(yōu)化結(jié)果的影響如圖4所示。

圖4 下沉優(yōu)化結(jié)果隨潮位的變化曲線Fig.4 Variation curve of local sinking optimization result with tide level

由圖4可知，隨著潮位的增加，hbest由2.65 m減小至1.65 m，潮位每增加0.2 m，hbest相應(yīng)減小0.2 m。由于排水阻力不變，潮位增加，則堰后水位增加，相應(yīng)的堰上水頭增加，虹吸井利用高度減小，循環(huán)水管路阻力不變，將導(dǎo)致循泵揚(yáng)程增加，循泵設(shè)備單價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)一步增大；因此，潮位增加將導(dǎo)致hbest減小。

5 局部下沉布置經(jīng)濟(jì)性分析

針對(duì)凝汽器標(biāo)高及對(duì)應(yīng)的循泵揚(yáng)程、土建方案及設(shè)備價(jià)格幾個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析。

5.1 循泵揚(yáng)程經(jīng)濟(jì)性分析

局部下沉布置導(dǎo)致凝汽器頂排管束標(biāo)高降低，充分利用虹吸高度，使循泵的幾何揚(yáng)程達(dá)到最優(yōu)，最終降低電廠的運(yùn)行費(fèi)用。

循泵的揚(yáng)程為循泵的幾何揚(yáng)程與循環(huán)水系統(tǒng)總的水頭損失之和。循環(huán)水系統(tǒng)總水頭損失與系統(tǒng)的布置有關(guān)，若循環(huán)水系統(tǒng)的布置相同，循環(huán)水系統(tǒng)總的水頭損失相同，則循泵揚(yáng)程主要受循泵幾何揚(yáng)程的影響[26]。

循泵的幾何揚(yáng)程

HJ=HY-HD.

(4)

式中：HY為虹吸井堰上水位；HD為大潮最低潮位。循泵總揚(yáng)程

H=HZ+HJ.

(5)

式中HZ為循環(huán)水系統(tǒng)總水頭損失，包含沿程阻力損失與局部阻力損失。循泵揚(yáng)程與耗電量的關(guān)系為

(6)

式中：P為循泵電動(dòng)機(jī)耗電功率；ρ為水的密度；g為重力加速度；qV為循環(huán)水量；η1、η2、η3分別為水泵、電動(dòng)機(jī)、軸傳動(dòng)效率，分別取0.91、0.97、0.98。

本研究汽輪機(jī)房凝汽器局部下沉深度范圍為[0 m，5.0 m]，下沉深度計(jì)算間隔取0.01 m。通過(guò)下沉優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件得到不同下沉深度h下循泵揚(yáng)程H的變化曲線，如圖5所示。

圖5 循泵揚(yáng)程隨下沉深度的變化曲線Fig.5 Variation curve of pump head with sinking height height

由圖5可見(jiàn)：在h由0 m增加至2.0 m范圍內(nèi)，h每增加0.5 m，H相應(yīng)降低約0.5 m；h由2.0 m增加至3.0 m時(shí)，H相應(yīng)降低了0.693 m；h由3.0 m增加至3.5 m時(shí)，H降低了0.17 m；隨著h的繼續(xù)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時(shí)，h每增加0.5 m，H相應(yīng)平均降低了0.041 m。

隨著汽輪機(jī)房凝汽器局部下沉深度的增加，循泵揚(yáng)程降低得越來(lái)越小，即循泵設(shè)備節(jié)省的費(fèi)用越來(lái)越小。

由局部下沉優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件計(jì)算得到，h=2.31 m時(shí)年總費(fèi)用最小為3 233.218萬(wàn)元。常規(guī)布置(即h=0 )時(shí)，循泵價(jià)格為1 210萬(wàn)元；h=2.31 m時(shí)，循泵價(jià)格為1 160萬(wàn)元：由此可見(jiàn)，對(duì)于該工程6臺(tái)機(jī)組共計(jì)18臺(tái)循泵，可節(jié)省約900萬(wàn)元。常規(guī)布置時(shí)2臺(tái)循泵年運(yùn)行費(fèi)用為1 608.579萬(wàn)元，h=2.31 m下2臺(tái)循泵年運(yùn)行費(fèi)用為1 370.523萬(wàn)元，單臺(tái)機(jī)組可節(jié)省年運(yùn)行費(fèi)用為119.028萬(wàn)元。

5.2 局部下沉經(jīng)濟(jì)性分析

汽輪機(jī)房凝汽器局部下沉除影響循泵揚(yáng)程，導(dǎo)致循泵價(jià)格及循泵運(yùn)行費(fèi)用發(fā)生變化外，還對(duì)土建設(shè)施、施工工程量及凝汽器設(shè)備造價(jià)產(chǎn)生影響。其中土建施工部分包含基座基坑、循環(huán)水管坑、虹吸井和排水暗溝，而基座基坑又包含了凝汽器、凝結(jié)水泵和附加部分(用以凝汽器管束的運(yùn)維)。

a)常規(guī)方案與汽輪機(jī)房凝汽器局部下沉(深度2.31 m)布置方案的土建設(shè)施及施工工程量比較見(jiàn)表3，其中工程增加量為相比常規(guī)方案(即以其為基準(zhǔn))，局部下沉布置方案工程量的增加量。

表3 單臺(tái)機(jī)組土建工程量對(duì)比Tab.3 Comparison of civil engineering quantity of single unit

由表3可知，較常規(guī)布置方案，汽輪機(jī)房局部最佳方案土建工程量增加了324.58萬(wàn)元。

b)以常規(guī)布置方案為基準(zhǔn)，下沉布置方案單臺(tái)機(jī)組各項(xiàng)設(shè)備設(shè)施費(fèi)用的變化量如下：循泵設(shè)備費(fèi)用減少150萬(wàn)元，廢水處理設(shè)備費(fèi)用增加40萬(wàn)元，凝汽器喉部改造費(fèi)用增加3.28萬(wàn)元，土建施工費(fèi)用增加324.58萬(wàn)元。合計(jì)總費(fèi)用增加217.86萬(wàn)元。

c)考慮電廠運(yùn)行20年，廠用電價(jià)格取0.243元/kWh，年利用小時(shí)數(shù)取7 000，20年折現(xiàn)系數(shù)取12.57。以常規(guī)布置方案為基準(zhǔn)，下沉布置方案單臺(tái)機(jī)組循泵運(yùn)行各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的變化量如下：循泵電耗減少753.579 kW，循泵每年電費(fèi)減少119.028萬(wàn)元。運(yùn)行20年合計(jì)電費(fèi)減少2 380.56萬(wàn)元。

d)比較2個(gè)方案的綜合經(jīng)濟(jì)性，以常規(guī)布置方案為基準(zhǔn)，下沉布置方案單臺(tái)機(jī)組項(xiàng)目投資費(fèi)用增加217.86萬(wàn)元，20年運(yùn)行費(fèi)用減少2 380.56萬(wàn)元。合計(jì)單臺(tái)機(jī)組可節(jié)省2 162.70萬(wàn)元，本工程共6臺(tái)機(jī)組，可節(jié)省約12 976萬(wàn)元。采用汽輪機(jī)房凝汽器局部下沉布置方案具有可觀的經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)論

利用建立的濱海電廠凝汽器下沉優(yōu)化模型，分析了影響下沉優(yōu)化的相關(guān)因素，并對(duì)某1 000 MW機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，綜合凝汽器基礎(chǔ)下沉土建工程費(fèi)用、循泵工程造價(jià)、循泵運(yùn)行費(fèi)用、凝汽器設(shè)備造價(jià)進(jìn)行全面分析，得出結(jié)論如下：

a)冷端優(yōu)化參數(shù)(凝汽器面積、冷卻倍率及循環(huán)水管徑)及年固定分?jǐn)偮蕦?duì)下沉優(yōu)化結(jié)果無(wú)影響。潮位對(duì)下沉優(yōu)化結(jié)果影響較大，潮位每增加0.2 m，最佳下沉深度值相應(yīng)減小0.2 m；因此，在進(jìn)行下沉優(yōu)化計(jì)算時(shí)，需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況選擇潮位。

b)隨著下沉深度的增加，循泵揚(yáng)程降低值越來(lái)越小，下沉深度繼續(xù)增加對(duì)循泵揚(yáng)程降低的作用將越來(lái)越小。下沉深度由0 m增加至2.0 m時(shí)，下沉深度每增加0.5 m，則循泵揚(yáng)程相應(yīng)降低約0.5 m；而下沉深度由4.0 m增加至5.0 m時(shí)，下沉深度每增加0.5 m，循泵揚(yáng)程相應(yīng)平均降低了0.041 m。

c)與常規(guī)方案相比，汽輪機(jī)房凝汽器局部下沉(深度2.31 m)布置方案的單臺(tái)機(jī)組土建工程施工費(fèi)用增加了324.58萬(wàn)元，循泵設(shè)備費(fèi)用減少了150萬(wàn)元，循泵年運(yùn)行費(fèi)用減少了119.028萬(wàn)元。凝汽器喉部改造費(fèi)用增加了3.28萬(wàn)元，凝汽器喉部加長(zhǎng)造成末級(jí)葉片背壓升高，同時(shí)提高了擴(kuò)壓效果，影響可以相互抵消。

d)與常規(guī)方案相比，汽輪機(jī)房凝汽器局部下沉(深度2.31m)布置方案的單臺(tái)機(jī)組在項(xiàng)目運(yùn)行20年期間節(jié)約費(fèi)用2 380.56萬(wàn)元，單臺(tái)機(jī)組項(xiàng)目全生命周期可以節(jié)省2 162.70萬(wàn)元，6臺(tái)機(jī)組總計(jì)可節(jié)約12 976萬(wàn)元。

綜上所述：潮位對(duì)下沉優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果影響較大；從項(xiàng)目全生命周期看，采用凝汽器下沉布置方案的綜合收益要優(yōu)于常規(guī)方案。本研究建立的下沉優(yōu)化模型可為直流冷卻機(jī)組的凝汽器下沉優(yōu)化決策提供參考。