陈泽华，郁永红

（国电大武口热电有限公司，宁夏石嘴山753000）

火力发电厂冷端系统设计优化

陈泽华，郁永红

（国电大武口热电有限公司，宁夏石嘴山753000）

针对某火力发电厂扩建工程汽轮机组冷端系统设计中存在的问题，根据扩建工程技术要求、现场总平面布置情况及工程概算，对冷端系统进行现状分析后提出了冷端系统优化方案。结果表明：优化方案有效降低了基建初始投资及运行费用，优化了机组运行方式，保证了机组安全、稳定运行。

冷端系统；间冷塔；闭式循环水系统；设计优化

汽轮机冷端系统是电厂重要的辅助系统，主要作用是冷却在汽轮机中做完功的乏汽，它关系到火力发电厂汽轮机安全、稳定、经济运行。目前，国内外机组冷端系统所存在的日益突显的问题［1］是冷端系统运行性能达不到设计值，严重影响了机组出力和厂用电［2］。某火力发电厂扩建工程初步设计审查中发现冷端系统设计存在初始投资大、运行费用高、厂用电率高等问题，从国家的节能减排政策和节约用水两方面考虑［3］，对冷端系统进行优化迫在眉睫。

1 现状分析及需要解决的问题

发电厂冷端系统是由汽轮机低压缸的末级组、凝汽器、冷却塔、循环水泵、循环供水系统及空气抽出系统等组成。根据介质的换热过程，冷端系统可划分为2台换热设备和2个子系统，它们是凝汽器设备和冷却塔设备，凝结水系统和循环水系统［4］。这些设备和系统对经济性的影响可归结为2类，一类是影响排汽压力进而影响机组的内功；另一类是耗能设备如循环水泵、真空泵、凝结水泵等耗功影响厂用电［5］。

本次扩建工程规模为2×350 MW热电联产机组，汽轮机采用超临界参数、单轴、一次中间再热、两缸两排汽、间接空冷抽汽凝汽式汽轮机。为了找到冷端系统的设计优化目标，主要从间冷塔配置、空冷散热器类型、间接空冷系统设计参数、间冷循环水泵配置、闭式循环水系统运行方式进行现状分析。

1.1 现状分析

扩建工程2×350 MW热电联产机组冷端系统原设计方案为：

（1）间接空冷系统间冷塔配置为每台机组配置1座间冷塔（即1机1塔方案）。

（2）空冷散热器类型未进行优选。

（3）间接空冷系统设计参数：间接空冷系统设计背压为10 kPa/28 kPa，设计分别留有0.4 kPa/3.0 kPa裕量，设计塔高185 m，塔底直径157 m，冷却面积186.85万m2。额定（TRL）工况下，进塔循环水量2×37 500 t/h、进塔水温62℃，在环境温度32.2℃时，间冷塔出水水温≤51.4℃。TMCR工况下，进塔循环水量2×37 500 t/h、进塔水温41.8℃，在环境温度14.5℃时，间冷塔出水水温≤31.5℃。

（4）间冷循环水泵的配置方式为1台机组3台50%的定速循环水泵，循环水泵房位于间冷塔外。

（5）闭式循环水系统设计运行方式为机房内闭式冷却水通过辅机冷却水系统冷却，辅机冷却水系统的换热过程主要在机力通风冷却塔内完成。2台机组配3段机力通风冷却塔，开式辅机冷却水泵配置为2台机组共3台（2运1备），每台泵轴功率为315 kW。

1.2 需要解决的问题

汽轮机冷端系统［6］作为火力发电系统不可或缺的重要组成部分，其规模大小的选择对工程效益影响较大，冷端系统设计优化的目的是通过对汽轮机冷端设备各组合方案的经济比较，确定经济合理的设备型式和配置等设计参数。结合扩建工程技术要求、现场总平面布置情况及工程概算，经过对冷端系统的现状分析，发现了设计中存在的需要解决的问题如下：

（1）1机1塔方案有年耗电量较小、冬季不易结冻等优点，但也存在占地面积较大、初期总投资费用高、年总费用高等问题，需与2机1塔方案进行综合比较。

（2）从常用的3种间接空冷散热器管型中优选散热器管型。间接空冷机组［7］是通过翅片管散热器冷却受热后的循环水，将冷却汽轮机排汽热量的中间介质——循环冷却水送入由翅片管束组成的冷却器内，由横掠翅片管外侧的空气进行对流冷却。空冷散热器作为主要元件在整个传热过程中起到至关重要的作用，并且其造价也在间冷系统总造价中占据相当比重，需对空冷散热器类型进行优选。

（3）在火力发电厂中，空冷系统是与汽轮机、锅炉并列的造价较高的重要系统，投资较大，其设计参数的选取直接关系到电厂的安全满发和经济运行，影响工程获得的效益。间接空冷系统原参数设计裕量较大，在目前机组利用小时数日趋下降的形势下，有必要对其设计参数进行进一步优化选取。

（4）循环水泵存在的主要问题为定速循环水泵虽然初投资较少，但水泵运行轴功率较高，年运行费用高；由于扩建场地位置狭小，循环水泵房布置困难，需对循环水泵的配置数量、型式进行优化，减少运行费用。

（5）机力通风冷却塔［8］存在的主要问题为运行时水损失较大。冬季运行时，塔的某些部位会出现结冰现象，进风量减小，影响塔的冷却效果，增加结构的荷重，降低结构使用寿命，影响正常运行，需对冬季工况下闭式循环水系统运行方式进行优化，降低水耗和减少结冰。

2 优化方案

2.1 间冷塔配置方案优化

对2台机组配置1座间冷塔（即两机1塔方案）和每台机组配置1座间冷塔（即1机1塔方案）从技术、经济和间冷塔布置等方面进行比较、研究，在间冷塔出水温度相同情况下，即汽轮机排汽背压相同的情况下，采用2机1塔的土建初投资要高于1机1塔方案的初投资，但2机1塔散热器、水泵等设备及其管道系统的初投资要低于1机1塔方案。综合比较来看，两机一塔方案年总费用要小于1机1塔方案［9］。

为了降低工程初始投资，确定采用2台机组配置1座间冷塔方案，其中小机排汽排入对应的主机空冷系统统一冷却。

2.2 优选间接空冷散热器管型

对间接空冷机组的散热器采用铝制6排管、铝制4排管和钢制4排管3种间接空冷系统进行了管型优化比选。

不同管型配置的塔形一般比较接近，占地面积差距不大，但各种管型的总散热面积差异较大，达到同等冷却能力的条件下，采用钢制散热器（水平布置）总散热面积较高，铝制散热器6排管的总散热面积次之，铝制散热器4排管总散热面积最小。铝制散热器4排管总散热面较小，这是由于新型4排管散热器通过优化翅片间距，大大减小了气侧阻力，迎面风速大幅提高，换热能力大幅增加所致。另外，通过优化冷却管束直径和数目，铝制4排管的水侧阻力比6排管大大降低。

因此，结合工程实际情况和近年来国内间接空冷系统招标时投标方推荐的散热器管型情况，采用水侧阻力和气侧阻力均较小，换热性能优良，同时防冻性能较好的铝制4排管散热器。

2.3 间接空冷系统设计参数优化

考虑到电力市场以后的长期形势，机组利用小时数持续偏低，为了降低基建投资，对间接空冷系统设计参数进行了优化，并形成了2种可行性优化方案。

第1种方案：减少背压设计裕量，背压设计裕量按0.2 kPa/3.0 kPa考虑，进水温度为42.2℃，出水温度为32℃，塔高由185 m降至178 m，塔直径不变，冷却面积不变。经核算，工程造价降低约160万元。

第2种方案：设计背压不留任何裕量，进水温度为42.2℃，出水温度为32℃，塔高由185 m降至178 m，塔直径由157 m降至152 m，冷却面积由186.85万m2降至181万m2。经核算，塔体工程量减少1 100 m3，环基减少300 m3，土建造价降低约250万元～300万元；空冷散热器系统设备造价降低约145万元，总造价降低约395万元～445万元。

由于极端天气出现的可能性很低且机组投产后可能很少能满负荷运行，设计裕量可适当减少，基于机组运行的经济性以及设计规范要求，经过比较，最终采用方案1。方案2虽然节省费用较多，但取消了设计裕量，在常年平均环境温度14.5℃时，无法保证机组带满负荷。

2.4 循环水泵配置优化

循环水泵是电厂的主要辅机之一，也是电厂的能耗大户，循环水泵配置［10］的合适与否对电厂的安全、经济运行起着十分重要的作用。

优化方案：每台机组配2台50%双速循环水泵，负荷较高时水泵可高速运行，负荷较低时水泵可低速运行，节能效果比定速循环水泵显著。正常情况下，每台机组的2台循环水泵并联运行，当冬季或汽机负荷低时，每台机只运行1台循环水泵，或2台机组运行3台水泵，循环水泵安装在间冷塔内，不设置循环水泵房。

2.5 闭式循环水系统运行方式优化

冬季间冷塔换热裕量较大，裕量能够满足机房内闭式水的冷却。经优化设计后，闭式循环冷却水系统冬季采用大闭式方式运行。

（1）闭式冷却水进、回水母管接入间冷循环水进、回水母管。

（2）闭式冷却水进、回水母管与间冷循环水进、回水母管中间分别加装隔离门。

（3）闭式冷却水接入间冷循环水系统后，在冬季可将辅机冷却水系统（机力通风冷却塔、辅机冷却水泵、闭式换热器）停运。

3 效果评价

（1）冷端系统的间冷塔、循环水泵配置方案得到优化后，间冷塔及间冷循环水泵占地面积减少，扩建工程总平面布置更加灵活。

（2）间接空冷散热器管型优选为性能更好的铝制4排管散热器。

（3）优化方案使冷端系统中的闭式循环水系统运行方式更加灵活、安全，且冬季节约大量水量及电量。

（4）优化方案有效减少了工程基建投资，节省运行费用，经济效益显著。经计算，设计优化后共减少工程基建投资3 178万元，每年节约运行费用约584万元。

①间冷塔2机1塔的配置方案较1机1塔可有效降低占地面积及工程初投资，间冷塔占地面积降低约7 498 m2，工程初投资减少约2 508万元，年总费用降低约288万元。

②间接空冷系统设计参数优化后间冷塔造价降低约160万元。

③循环水泵配置优化后减少了2台循环水泵（186万元）；循环水泵安装在间冷塔内，不设置循环水泵房，造价降低324万元。

④闭式循环水系统运行方式优化后冬季既节约水量，又节省电量。

3.1 冬季机力通风冷却塔停运节水效益明显

表1为冬季机力通风冷却塔优化前后各项损失水量统计。由表1可以看出，优化后冬季机力通风冷却塔停运（约100天）可减少水损失132 m3/h，1年节省水量=132×24×100=316 800（m3）；

工业水水价按照8.9元/t计算，1年节省费用约316 800×8.9=281.95（万元）。

表1 机力通风冷却塔水损失

3.2 冬季开式辅机冷却水泵停运节电效益明显

优化后，冬季闭式水系统采用大闭式方式运行，开式辅机冷却水泵将停运（约100天），可节省厂用电量315 kW×24 h×100天=756 000（kW·h），电价按照0.18元/（kW·h）（相当于成本电价）计算，节省费用约756 000×0.18=13.6（万元）。

4 结论

（1）冷端系统的设计优化，使机组基建期工程初始投资大幅度降低，机组投产后运行费用降低，对机组经济性能意义重大。

（2）冷端系统的设计优化，使系统运行方式更加灵活、安全，汽轮发电机组性能参数得到提高。

（3）此次冷端系统的设计优化效果显著，为同类型工程设计优化提供了参考。

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Optimization of cold-end system design for coal-fired power plant

CHEN Zehua,YU Yonghong
(Guodian Dawukou Thermal Power Co.,Ltd.,Shizuishan Ningxia 753000,China)

Aiming at the existent problems of steam turbine unit cold-end system design in extension project of a coal-fired power plant,according to the technique requirements of the extension project,site general layout and the project budget,analyzes the status quo of the cold-end system and puts forward the optimization scheme.The result shows that this optimization scheme can reduce effectively the basic construction initial investment and the operation cost,can optimize the operation mode of the units,can ensure the safe and stable operation of the units.

cold-end system;indirect cooling tower;closed circulating water system;design optimization

TK264.16

B

1672-3642（2017）04-0067-04

有效访问地址：http∶//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.013

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.013

2017-05-28

陈泽华（1973），男，工程师，主要从事火电厂工程计划管理工作。