1000MW超超临界机组空冷系统选型设计探讨

第30卷第6期

·622009年6月

电力建设电力建设Construction Electric Power

Vol.30No.6

第200卷Jun, 309

1000MW 超超临界机组空冷系统选型设计探讨

柴靖宇

(中国电力工程顾问集团公司,北京市,100011)

[摘要]文章以山西某工程为例,针对1000MW 超超临界空冷机组的特点,介绍了直接空冷和间接空冷

方案,并对2种设计方案的特点、经济性等进行了分析,供1000MW 机组空冷系统选型设计参考。[关键词]

1000MW 机组;超超临界机组;直接空冷;间接空冷;选型设计

文献标志码:B

文章编号:1000-7229(2009)06-0062-04

中图分类号:TM621

0引言

国家“建设环境友好型、资源节约型社会”的战略目标,要求空冷机组向大型化、更节能和环保等方面发展。我国三北地区有一批1000MW 超超临界空冷机组正在规划建设中,如山西古城电厂、河津电厂和沁源电厂等。本文以山西某工程为例,探讨

关于1000MW 超超临界空冷机组辅机配置方面,锅炉给水泵若采用电动泵,电动机容量过大,目前调速装置配套受到限制,设定每台机组配4~5台电动泵,又会带来主厂房布置困难,运行调节方式复杂等不利影响。目前已投运的1000MW 湿冷机组或正在建设的1000MW 空冷机组,锅炉给水泵均采用2台50%容量汽动给水泵配置。根据国家节水产业政策,空冷机组配置的汽动给水泵冷却方式也应采用空冷。针对超临界空冷机组,有关科研单位将汽动给水泵排汽接入主机直接空冷系统进行了仿真研究,结果表明在高背压工况下,当环境气象条件不利时维持汽动给水泵的流量有一定风险,机组降负荷运行则趋于安全。因此,建议1000MW 超超临界空冷机组汽动给水泵配置采用受大风影响相对较小的间接空冷系统。

1000MW 超超临界机组空冷系统的选型设计。

11000MW 空冷机组特点

与湿冷机组相比,空冷机组具有设计背压高、受环境气象条件影响变化幅度大的特点。为充分发挥空冷机组在全年多数气象条件下的出力潜能,降低机组的年平均煤耗率,同时有利于机组的安全经济运行,空冷机组工况可参照IEC60045-1标准的相关规定定义,即空冷机组铭牌功率采用设计背压对应的出力(TMCR 工况),这一建议已被《大中型火力发电厂设计规范》(征求意见稿)采纳。

对于1000MW 级空冷机组,采用成熟的1000

21000MW 机组直接空冷方案

2.1

主机直接空冷系统

直接空冷系统是指汽轮机的排汽直接用空气来

MW 湿冷汽轮机高、中压缸模块,高、中压缸结构和

通流能力不做调整,低压缸模块结合工程情况优化设计[1]。目前600MW 级两排汽空冷机组正在建设,如上汽910mm 叶片,哈汽940mm 叶片,东汽762

冷凝,空气与蒸汽进行热交换。冷却空气通过机械通风方式供应,空冷凝汽器由钢基管钎接铝翅片的单排管组成。1000MW 机组直接空冷系统优化设计参数如表1。

mm 叶片等,这种叶片已通过成型设计和强度、振

动等计算,理论上没有问题,在600MW 双排汽机组上验证后可以应用到1000MW 空冷机组[2]。成熟的1000MW 湿冷汽轮机高、中压缸模块配置

1000MW 空冷汽轮机采用四缸四排汽方案,从

低压缸下部2个排汽装置接出的乏汽通过2根

600MW 两缸两排汽空冷机组末级和次末级叶片的低压缸模块,可形成四缸四排汽的1000MW 超超

临界空冷汽轮机。

收稿日期:2008-12-24

DN7800的管道引到主厂房外,空冷凝汽器总体布置有2个方案可供选择。方案1:布置型式与传统的600MW 级机组相同,每根排汽管沿横向分5根DN3400的蒸汽分配管向空冷凝汽器管束分配乏汽。每台机组空冷凝汽器由10列组成,每列8个冷

作者简介:柴靖宇(1973—),男,高级工程师,从事火力发电厂设计、研发、咨询和评审工作。

第6期1000MW 超超临界机组空冷系统选型设计探讨

1000MW 机组直接空冷系统优化设计参数

数值

项目设计气温/℃设计背压/kPa夏季背压/kPa

小汽轮机排汽量/(t ·h -1)空冷塔设计散热量/MW空冷散热器总面积/m2

·63·

表1

项目

表2汽动泵间接空冷系统优化设计参数

数值

年平均气温/℃设计气温/℃设计背压/kPa夏季气温/℃夏季背压/kPa汽轮机排汽量/(t ·h )

-1

101613.53026.81738.21088.52.2(220~230)×10

8050

4

2

169202×90.5122(32~34)×104

空冷系统设计散热量/MW空冷凝汽器迎面风速/(m ·s -1)空冷凝汽器总散热面积/m冷却单元数/个空冷平台高度/m

配2台立式循环水泵。空冷塔底部直径82m ,进风口高12m ,空冷塔高125m 。如果冷却三角水平布置,空冷塔底部直径为95m 。

2.3

却单元,包括顺流和逆流空冷凝汽器。每个冷却单元两侧约有400根空冷凝汽器单排管,每根DN3400蒸汽分配管向3200根空冷凝汽器单排管配汽,所有顺流管束并联运行,15%左右的逆流管束与顺流管束串联运行。方案2:布置型式为每根DN7800排汽管道沿纵向分8根DN2800蒸汽分配管向空冷凝汽器管束分配乏汽。每台机组空冷凝汽器由16列组成,每列5个冷却单元,包括顺流和逆流空冷凝汽器。每根DN2800蒸汽分配管向2000根空冷凝汽器单排管配汽。

空冷凝汽器外部流场均匀性是影响其冷却能力的重要因素,国内开展了很多外流场的数模和物模研究工作,但对空冷凝汽器内流场均匀性的研究很少,已运行的空冷机组不同冷却单元凝结水温度差异反应出内流场的不均匀。方案2提出的空冷凝汽器布置方案汽侧分配更均匀,初步数模计算表明:布置方式从传统5×8改为8×5,减少每列分配管上冷却单元数量,从而减少了蒸汽的流程和压降,使每列支管内的流动状态得到改善,促使整个系统排汽流量分配更均匀,充分发挥每个冷却单元的冷却能力。

对1000MW 超超临界直接空冷机组,建议开展空冷凝汽器内、外流场同时影响空冷系统性能的试验研究,使试验结果和实际运行工况更接近,以便合理确定1000MW 机组空冷凝汽器的总体布置。

辅机冷却水系统

辅机冷却水采用湿冷系统,主要为冷油器、氢冷

器和空压机等设备提供冷却水,2×1000MW 机组辅机冷却水量约7400m 3/h,2台机组共配置3个机械通风湿式冷却塔,3台冷却水泵,2用1备。

3

3.1

1000MW 间接空冷方案

间接空冷系统选择

间接空冷系统根据凝汽器类型的不同,有表面

式凝汽器间接空冷系统和混合式凝汽器间接空冷系统。混合式间接空冷系统具有传热效率高、端差小等优点,但循环水和凝结水混合在一起,对循环水水质要求高,循环水泵要具有大型凝泵的性能,其设计、制造、运行及维护较困难,循环水泵和水轮机组需进口或依赖国外技术制造。表面式间接空冷系统虽然端差稍高于混合式间接空冷系统,但循环水和凝结水分为2个独立系统,各自构成独立回路,2种水质按不同要求进行处理,水处理系统简单、水质易控制,可采用常规的循环水泵。该系统具有扬程低、节省厂用电的优点。

1000MW 超超临界机组对水质要求较高,采用

表面式间接空冷系统具有系统简单、运行维护方便等优点。表面式间接空冷系统根据散热器布置型式的不同,有水平布置在空冷塔内和垂直布置在空冷塔外进风口处2种。根据600MW 机组工程经验和

2.2

汽动给水泵间接空冷系统

汽动泵间接空冷系统采用表面式凝汽器和垂直

汽动泵间接空冷系统需设置独立的表面式凝汽

1000MW 机组的空冷塔布置设计,散热器安装在空

冷塔外进风口处具有空冷塔体型小、占地面积小等优点。

本文探讨的间接空冷方案采用表面式凝汽器和垂直布置空冷散热器组成的SCAL (Surface

布置的空冷散热器系统,优化设计参数如表2。器、凝结水系统和抽真空系统。

每台机配置1座自然通风空冷塔,冷却三角垂直布置在空冷塔四周,共88个10m 高冷却三角分别安装在4个冷却段,每台机循环水量9200m 3/h,

Condenser Aluminium exchangers )间接空冷系统,主

机和汽动给水泵排汽合并接入同一个间接空冷系统[3]。

·64·

电力建设

3.3.5

第30卷

3.2SCAL 间接空冷系统优化的设计参数(表3)

表3

项目设计气温/℃设计背压/kPa 夏季背压/kPa 汽轮机排汽量/(t ·h -1)小汽轮机排汽量/(t ·h -1)空冷塔设计散热量/MW 表面式凝汽器面积/m2循环水量/(m 3·h -1)空冷散热器面积/m2冷却三角数/个

若采用混合式间接空冷系统,其端差比表面

SCAL 间接空冷系统优化设计参数

数值

式凝汽器小2℃左右,相同的冷却效果条件下,混合式间接空冷系统空冷散热器面积可减少8%左右,空冷塔直径可减少至170m 。但1000MW 机组配置的喷射式凝汽器设计制造经验少,每台机需配4~5台大型类似凝泵性能的循环水泵和水轮机,循环水泵组需进口或依靠国外技术制造。

1612241728.22×90.51192.[1**********](245~255)×104

236~240

3.4

空冷塔结构设计可行性分析

1000MW 超超临界机组,每台机配1座空冷塔,底部直径和高度约180m 。大型间接空冷塔设计

研究表明:经过风洞试验和数模计算分析,采取相应

措施建造大型间接空冷塔是可行的。国内外大型冷却塔概况见表4。

针对本文的依托工程,参照《电力工程项目建设用地指标》(国标报批稿),2座间接空冷塔占地约13

3.3间接空冷系统设计特点

3.3.1表面式凝汽器采用不锈钢管,冷却面积为60000m 2,比1000MW 湿冷机组凝汽器面积略大。3.3.2空冷散热器采用铝管、铝片散热器,具有传热

效率高、加工制造简单、重量轻、运输方便、防腐效果好等优点。该散热器为圆型铝基管、铝板翅片,基管管径为18mm ,铝管壁厚0.75mm ,板翅片尺寸为

hm 2,比直接空冷方案多占地8hm 2左右,比二次循环湿冷方案多占地5hm 2。

4直接空冷和间接空冷技术经济比较

4.1

外界大风的影响

直接空冷系统对大风的敏感性远大于间接空冷

600mm ×150mm ,翅片间距2.88mm ,翅片厚度0.33mm ,6排管。冷却三角高27m ,由2个6m 长冷却段

和3个5m 长冷却段组成,冷却三角进风口一侧安装垂直轴调节的百叶窗,控制进风量。

系统。国外研究资料表明:在风速为5~8m/s时,直接空冷系统冷却能力下降20%~30%,间接空冷系统冷却能力下降10%以内。国内既有直接空冷系统、又有间接空冷系统的电厂运行经验表明:在较高风速条件下,间接空冷机组背压升高值仅为直接空冷机组升高值的1/5~1/3。

3.3.3每台机配1座空冷塔,底部直径约180m ,散

热器外缘直径188m ,塔高约180m ,进风口高28

m 。若采用钢管钢片散热器水平布置在空冷塔内,冷却塔底部直径将达到200m 以上。

3.3.4单元制供水系统。每台机配3~4台立式蜗壳

泵,夏季循环水泵同时运行,其他季节根据需要调节运行台数。

表4

电厂南非K 厂阳城电厂宝鸡电厂

装机容量/MW

冷却塔面积/m2

4.2

最低运行背压

在真空泵最低极限压力下,直接空冷系统从逆

流凝汽器出口抽真空,间接空冷系统从表面式凝汽器处抽真空,由于系统型式和管道压降的不同,直接空冷系统设计最低运行背压8~9kPa ,间接空冷系

国内外大型冷却塔概况

冷却塔高度/m

出口直径/m

进风口高度/m

投产时间

备注

冷却塔底部直径/m

6×6862×6002×6001×10001×13502×10002×10002×10002×1000

14520~[***********]00

163

137/144(散热器外)145/153(散热器外)

152.[1**********]32.5~180

[***********]177.2165~180

104.2878488.4

252426

1989年2007年在建

Niederau βe 电厂ISAR 核电厂邹县电厂宁海电厂北疆电厂依托工程电厂

2002年1982年

排烟冷却塔

808280~98

11.641211.628

2007年已建成在建设计中

淡水冷却塔海水冷却塔海水冷却塔间接空冷塔

第6期1000MW 超超临界机组空冷系统选型设计探讨

·65·

统设计最低运行背压6~7kPa 。冷却单元模块多、风机群数量多,空冷凝汽器管内蒸汽侧和管外空气侧流场不均匀,开展空冷凝汽器内、外流场影响系统性能的试验研究工作十分必要,以便合理确定1000MW 机组空冷凝汽器总体布置。1000MW 超超临界机组主机采用直接空冷,汽动给水泵采用间接空冷,辅机冷却水采用湿冷系统,全厂采用3种冷却系统,运行维护管理复杂。

4.3

系统可靠性和检修维护

间接空冷系统只有循环水泵为转动机械,系统

阀门动作几率低。直接空冷系统有160台轴流风机、齿轮箱和电动机,故障率稍高,检修维护工作量大。

4.4

防冻能力

直接空冷系统采用机械通风形式,防冻手段灵

活,防冻能力强。间接空冷系统采用自然通风形式,虽然有百叶窗调节开度控制通风量,但循环水热容量小,防冻能力稍差,需更多的防冻措施实现安全运行。防冻措施有:调节百叶窗的开度、退出部分冷却段、设置紧急排水阀等。

5.21000MW 超超临界机组配置汽动给水泵,其

乏汽排入主机直接空冷系统有风险的情况下,主机和小机采用间接空冷系统合并设置,可简化系统,场地条件合适时可采用间接空冷方案。该系统同时具有受环境风影响较小,运行背压低的特点,具有较好的社会效益和经济效益。

4.5

噪音和占地

间接空冷系统采用自然通风型式,厂区占地大,

5.3

无噪音污染。直接空冷系统采用机械通风型式,厂区占地小,噪音大,有些电厂需要设置噪音防护带。

间接空冷系统在我国大同、丰镇有近20年的运行业绩,通过经验积累和系统的不断完善,可以有效控制循环水冻结。对于最低气温高于大同的地区,

4.6

经济性分析

直接空冷和间接空冷系统经济性分析见表5。

表5

间接空冷系统的防冻问题应重视而不必担心。

5.4SCAL 间接空冷系统,为脱硫装置内置空冷塔

2×1000MW 机组空冷系统经济性分析

主机直接空冷,小汽机间接空冷

主机小机合并采用间接空冷

提供了可能,采用烟塔合一方案可以取消烟囱,节省投资,减少占地,使电厂整体建筑美观,也是1000

项目

主机冷却系统/万元小机间冷系统/万元投资费用合计/万元年加权平均煤耗/[g··(kWh) -1]耗煤量/(万t ·年-1)年耗煤费用差值/万元

MW 超超临界间接空冷电厂的重要研究课题。

[***********]327.80

81640与大机合并

5.5大容量电动给水泵研发成功后,在风环境好、

煤价较低的地区1000MW 超超临界机组采用直接空冷系统也是一种理想的选择。

81640294.3323.73-2035

致谢

感谢电力规划设计总院原院长汤蕴琳先生的指点!

注:(1)年利用小时为5500h ;(2)依托工程煤价500元/t。

从表5可以看出,间接空冷方案比直接空冷方案投资增加11440万元,但年运行费用可减少

6

[1]

参考文献

李润森,张昌斌.1000MW 级空冷机组设计技术及经济性研究

2035万元,静态回收期5.6年。由此可见,采用间接

空冷系统具有一定的优势。

[2]

[J].电力建设,2008,29(12):63-66.

汤蕴琳. 探索我国火力发电技术进一步升级之路[J].电力建设,

5

5.1

结论

1000MW 超超临界机组采用直接空冷系统,

2008,29(3):1-5.[3]

柴靖宇, 詹扬, 刘全壮. 间接空冷技术在600MW 机组的应用实践

[J].电力工程技术,2007,(9):29-33.

Inquisition into 1000MW USC Unit Air-cooling System Model Selection Design

CHAI Jing-yu

(ChinaPower Engineering Consulting (Groups)Corporation, Beijing 100011, China)

[Abstract ][Keywords ]

Relying on a certain project in Shanxi and according to 1000MW USC air-cooled unit features the paper introduces direct and indirect 1000MW unit; ultra supercritical (USC)unit; direct-air-cooling; indirect-air-cooling; model selection design

air-cooling schemes, analyzes their properties and economy for a reference of 1000MW air-cooling system design.

(责任编辑:何鹏)


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