发电厂三期工程可行性研究空冷方案调整空冷系统优化专题研究报告

F113IIIK3-通辽发电厂三期工程可行性研究空冷方案调整空冷系统优化专题研究报告通辽发电厂三期工程可行性研究空冷方案调整空冷系统优化专题研究报告目录1概述1.1工程概况1.2设计主要原则1.3区域自然条件1.4采用空冷系统的必要性2空冷系统简介2.1直接空冷系统2.2带混合式凝汽器的间接空冷系统2.3带表面式凝汽器的问接空冷系统2.4直接空冷技术的优越性2.5国内外空冷系统的发展与展望3直接空冷系统优化设计3.1优化目的3.2优化方法3.3亚临界机组优化过程及结果3.4设备选择与布置3.5超临界机组的空冷系统优化4结论及建议PAGE301概述1.1工程概况通辽发电厂位于内蒙古通辽市西北郊，是东北电网中部一座大型区域性发电厂，现有机组容量为800MW，分两期建设建成，每期工程各装设两台国产200MW燃煤发电机组，已分别于1985年和1990年相继建成投产。通辽发电厂是适应霍林河露天煤矿开发而建设的电厂。随着霍林河煤矿的开发利用和通霍铁路的建成投运，为了充分发挥国家“六五”、“七五”期间在该地区大量投资的经济效益和少数民族地区的发展与稳定，国家计委、电力、铁路、煤炭、水利等部门从八十年代末期开始为其倾注了很大的精力，以推动通辽发电厂三期扩建工程尽早实施，实现该地区煤炭、运输、电力同步协调发展，达到资源合理配置和投入产出综合平衡的目的。随着国家“十五”计划的落实和西部开发战略的实施，恢复通辽发电厂三期工程建设，尽快实现通辽地区煤炭、运输、地下水资源开发与电力建设协调发展，充分发挥国有资产的效益，对于少数民族地区的发展和稳定都具有重要意义。为此，2001年8月，通辽发电厂再次委托我院，依据现在的工程外部条件对1994年国家原已批准过的2×300MW亚临界机组方案的《三期工程可行性研究报告》进行方案调整，针对扩建1×600MW超临界机组方案或扩建2×300MW机组方案进行论证，编制《通辽发电厂三期工程可行性研究调整方案》，提出调整方案的装机推荐意见。2003年12月，为执行国家在富煤缺水地区规划火电厂的产业政策，把节水作为一个首要的考虑因素，积极推广应用空冷技术，业主要求我院进行“通辽发电厂三期工程可研空冷方案调整”工作。1.2设计主要原则1.2.1本设计执行《火力发电厂设计技术规程》DL/T-5000-2000版的有关规定。1.2.2本期建设规模为安装1×600MW凝汽式汽轮机组，预留四期再扩建2×600MW机组的条件。1.2.3汽轮机排汽冷却采用机械通风直接空气冷却系统。辅机冷却采用带湿式冷却塔的二次循环供水系统。空冷凝汽器面积通过初步优化确定。1.2.4本期生活用水从老厂生活水系统上引接，其它用水均来自经过轴承冷却用后的二期循环水排污水，不再扩建水源地。1.2.4机组设计年运行7300小时，年利用5400小时。1.3区域自然条件1.3.1自然地理条件通辽发电厂所在地区属于内蒙古通辽市管辖。该厂坐落于通辽市西北11km的双泡子境内，距长春约300km。电厂位于西辽河平原中部，喀尔沁草原的南缘，地貌形态比较简单，地势广阔平缓，由西向东逐渐倾斜。扩建区域内原为风成地貌，稍有起伏，现已被一、二期工程杂填土覆盖。地面标高在180.68m～183.71m之间。扩建区内无永久性建构筑物，仅有一、二期工程遗留下的部分施工临建及一条220kV线路需拆迁。1.3.2水文气象条件通辽电厂位于西辽河冲积平原中部，为内蒙古草原区。属温带冷草原夏雨气候区。该区四季分明，春季干旱多风沙，夏季短暂炎热而多雨，秋季凉爽、温差较大；冬季受西伯利亚高压冷气流影响，气温低，冬天冷且漫长，达6个月之久。本区全年各季降水量分配极不均匀，多年降水量为338.1mm。每年从6月份起进入雨季，7月份降雨最多，其多年平均值为116.4mm，6～8月份降水量约占全年降水量的69%。冬季降水量最少，冬季（12-2月）降水量仅占全年的2%。由于受西伯利亚冷气流影响，全年盛行西风、西北风，夏季多南风。年大风日数达33.8天，沙暴日数在8.2天。厂址处在西辽河流域，其百年一遇洪水位标高为181.80m。厂区地面标高为180.68-183.71m，主厂房等主要建（构）筑物的零米标高均为182.50m。通辽地区的气象特征值如下。a）极端最低气温 -30.9℃b）极端最高气温 39.1℃c）多年平均气温 6.1℃d）多年平均相对湿度 56％e）多年平均气压 994.1hPaf）多年平均降雨量 394.7mmg）多年平均蒸发量 1195.7mmh）最大冻土深度 1.79mi）最大积雪深度 0.14mj）多年平均风速 3.7m/sk）主导风向 冬季WNW、夏季SSW、全年SSWl）10分钟平均最大风速 33m/sm）30年一遇10m高10分钟平均最大风速 U10＝30.8m/s夏季频率P＝10%的气象参数见表1-1。频率P＝10%的气象参数表1-1湿球温度℃干球温度℃相对湿度大气压力hPa22.725.679%1004.6通辽地区各月气象条件详见表1-2。通辽地区各月气象条件表1-2月份项目1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年值气压（hPa）平均气压（hPa）1003.51002.2998.1991.4987.0983.8982.3986.6992.1997.81001.41002.7994.1气温（℃）平均气温-14.1-10.5-2.023.822.415.77.4-3.1-11.46.2平均最高气温-7.4-3.34.714.723.027.014.53.7-5.012.7平均最低气温-20.1-16.7-9.81.9-8.5-16.20.33极端最高气温39.1极端最低气温-30.9水汽压（hPa）平均水汽压4.37.814.921.219.411.76.0最大水汽压36.3最小水汽压0.1相对湿度平均相对湿度55%48%44%42%45%61%73%73%65%57%55%55%56%最小相对湿度5%1%0%0%00%2%12%15%12%0%0%0%0%降水量（mm）平均降水量14.331.972.1118.681.62.1394.7一日最大降水量5.642.022.455.042.058.7108.498.448.546.015.123.3108.4蒸发量（mm）平均蒸发量28.644.8106.6223.5314.9269.2224.1193.5165.9127.660.832.61795.7最大蒸发量2172.4积雪深（cm）最大积雪深14风速（m/s）平均风速3.7最大风速17.320.223.833.021.023.029.018.027.617.021.316.333.0风向WSWSSWSSWSSWSSWSWNWSSWNWWNWNWNWSSW天气日数（天）大风日数8.17.03.033.8沙尘暴日数典型年气温－小时及运行小时分布由于空冷汽轮机组通过空冷凝汽器等设备直接与空气进行热交换，故环境气温的变化对机组背压的影响很大，使得汽轮机的背压处于变幅大、变化频繁的运行状态中，直接影响机组热耗、发电量。因此，在空冷机组设计过程中，必须根据有代表性的典型年的气象数据，通过优化计算和分析合理确定设计气温并选择空冷系统设备规模。通常需要厂址最近气象站至少近5年全年小时气温资料，从中确定具有代表性的典型年，并以典型年的小时气温统计作为设计的依据，同时将机组年发电量按照典型年气温对应的机组负荷分布进行统计，并以此作为经济比较的依据。通辽电厂三期工程典型年气温一小时及运行小时分布见表1-3。典型年气温－小时及运行小时分布表1-3温度（℃）全年（h）递增累积（h）递减累积（h）频率（%）运行工况（h）运行小时（h）利用小时（h）100％75％50％-30<=-30008760100.0000000-28-27.0~-28.9118760100.0001011-26-25.0~-26.934875999.9903032-24-23.0~-24.9711875699.9506065-22-21.0~-22.92940874999.8732102419-20-19.0~-20.95797872099.54162734638-18-17.0~-18.9114211866398.894537149678-16-15.0~-16.9187398854997.59546440158120-14-13.0~-14.9248646836295.46568268206149-12-11.0~-12.93661012811492.6375118110303215-10-9.0~-10.93821394774888.45104114101319236-8-7.0~-8.94041798736684.09111119106336249-6-5.0~-6.94172215696279.47122123101346260-4-3.0~-4.94502665654574.71127135112374280-2-1.0~-2.93573022609569.58128107602952340-0.9~0.92513273573865.501381307133926721.0~2.93073580548762.64831165725619643.0~4.93133893518059.13961036226120065.0~6.93224215486755.56931184725820187.0~8.93344549454551.887714350270206109.0~10.93134862421148.0785146542852181211.0~12.93295191389844.5056134612511841414.0~14.92885479356940.7478143782992211615.0~16.93865865328137.45119118993362531817.0~18.94846349289533.051381071754203012019.0~20.94296778241127.52114891413442472221.0~22.94657243198222.63911821484212962423.0~24.95147757151717.32711721483912692625.0~26.93698126100311.45361001142501652828.0~28.928084066347.243084851991333029.0~30.916885743544.04236219104783231.0~32.912787011862.1220451479603433.0~34.9508751590.67612220163635.0~36.98875990.10030323737.0~37.91876010.010101138>=380876000.0000000合计（h）219529652140730054001.3.4厂区工程地质本期工程扩建场地在二期工程主厂房的西侧，扩建场地属风成地貌，地面稍有起伏，场地的地层分为全新统风积冲积层Q4eol+al、上更新统冲湖积层Q3al+l和中更新统冲湖积层Q2al+l。主要由粉细沙，中砂和粉土及粉质粘土与少量淤泥质土组成。由于受前几期工程施工的影响，扩建场地覆盖了一层厚约0.30～2.00m的杂填土。①全新统风积冲积层（Q4eol+al）：该层广泛分布于本地区地层顶部，地表为风积层。主要由细砂，局部夹有粉土和粉质粘土组成。砂土松散且不均匀，粉土和粉质粘土软弱呈不连续分布，本层厚度一般为2.6m～9.4m，地基承载力特征值分别为：粉细中砂：fak＝140kPa；粉土（含粉质粘土）：fak＝120kPa。②上更新统冲湖积层（Q3al+l）：该层主要分布在中部，主要由粉砂、细砂、中砂、粉土和粉质黏土组成。砂类土一般呈饱和状态。以稍密～中密为主。此外在该层中有较多的粉土和粉质粘土透镜体和粉细砂互层存在。粘性土一般呈软塑～可塑状态，常含有机质及腐烂动物残骸。本层土在垂直及水平方向变化均较大。地基承载力特征值分别为：粉细砂层：fak＝160kPa；中砂层：fak＝220kPa；粉土（含粉质粘土）：fak＝105kPa。③中更新统冲湖积层（Q2al+l）：该层主要分布于（Q3al+l）层之下，以细砂和中砂为主，此外还有粉砂，粉土及粉质粘土等，本层土虽然其成分和成因同上一层土基本一致，但由于其沉积年代较久，呈超压密状态，固结程度高，所以其性质明显优于上部地层。本层层底深度达140m。地基承载力特征值分别为：粉细砂层：fak＝230kPa；中砂层：fak＝340kPa；粉土、粉质粘土：fak＝200kPa。厂区地下水为第四系孔隙潜水类型。工程水文资料表明，埋藏较浅，一般在2.03～5.8m之间。水分析结果表明，厂区地下水对各类混凝土基础均无侵蚀性。1.3.5地震烈度根据“中国地震烈度区划图”和中国国家地震局对“内蒙古通辽电厂三期扩建工程地震基本烈度复核报告”的批复（震发烈[1993]006号），地震基本烈度为中国烈度的6度，地震峰值加速度为0.05g。1.4采用空冷系统的必要性1.4.1节水势在必行水是人类赖以生存、国民经济建设中不可缺少的自然资源。有关统计数据表明，我国人均占有水量只是世界上人均占有量的1/5，被联合国列为13个贫水国家之一，而且全国水资源的时空分布极不均匀。随着工农业生产的发展，许多城市及地区相继出现生产与生活用水日益紧张的局面，水已成为制约国民经济发展的主要因素之一。特别是我国的“三北”（华北、东北、西北）地区，煤炭资源丰富，但水资源极其贫乏，内蒙古自治区水资源总量仅占全国的1.86％，多年平均年降水总量为271mm比全国平均年降水量少375mm，单位土地面积产水量为全国平均值的15％，列第28位，且水资源在地域和时空分布上又极不平衡，海、滦、黄河流域人均水资源占有量，仅为全国的43％。所以必须把节水目标放在首要位置。内蒙古自治区是我国能源基地之一，蕴藏着丰富的煤炭资源，可为大型火电厂提供充足的燃料。原国家电力公司印发的关于《火力发电厂节约用水的若干意见》一文，曾明确指示“计划部门在煤炭丰富且缺水地区规划火电厂时，要把节水作为一个首要的考虑因素，积极推广应用空冷技术”。鉴于国家要求在规划火电厂的同时必须把节水作为首要条件，表明节水已经势在必行，而采用空冷技术，建设节水型电厂则是现实可行、非常有效的节水途径。1.4.2空冷的效益一般来说，采用空冷系统可使电厂全厂总耗水量降低70～80％左右，耗水指标可由0.8m3/s.GW降低到0.2m3/s.GW以下，即用1座湿冷机组电厂的水量可以建设3～5个相同容量的空冷电厂。建设空冷火电厂，电厂的总投资大约要增加5～10％左右，电厂建成后的运行费用与采用湿冷（按目前水价）大体持平，但其最大的效益是大量节约了电厂用水。通辽发电厂一、二期工程已安装4×200MW机组，采用带自然通风冷却塔的循环供水系统，其补给水为地下水，全年补给水量为2046.5×104m3。由于本期安装1×600MW空冷机组，耗水量将大大减少，全年补给水量仅为320.4×104m3，其中319.7×104m3来自二期循环水排污回收水量。通过节水方案优化，通辽电厂三期工程空冷与湿冷机组相比，节水率达71％。本期除生活用水从老厂生活水系统上引接，其它生产用水均来自经过轴承冷却用后的二期循环水排污水，不需再扩建水源地及打深井，使取水工程量大为减少，降低了工程的投资。电厂是用水大户，大量节约用水对缓解水资源短缺，合理利用水资源，充分发挥有限水资源具有重要意义。同时，电厂采用空冷后，减少了循环水的排污水量，使电厂的废水利率大大提高，排放量进一步减少，对保护当地的水体环境是也是益处良多。总之，电厂采用空冷技术后可大量节水，其经济效益、社会效益和环境效益将是十分显著的。2空冷技术简介空冷系统也称为干式冷却系统，它与常规湿式冷却方式（简称湿冷系统）的主要区别是，汽轮机排汽（直冷方式）或受热后的冷却水（间冷方式）通过散热器与空气进行热交换，避免了循环冷却水在湿冷塔中直接与空气接触所带来的蒸发、风吹损失以及开式循环的排污损失，消除了蒸发热、水雾及排污水等对环境造成的污染。目前国际、国内得到实际应用的电站空冷系统共有三种：（1）直接空冷系统（又称GEA系统或ACC）；（2）采用混合式凝汽器的间接空冷系统（又称海勒系统）；（3）采用表面式凝汽器的间接空冷系统（又称哈蒙系统）。上述（2）、（3）项又称间接空冷系统。2.1直接空冷系统直接空冷系统，又称空气冷凝系统。直接空冷是指汽轮机的排汽直接用空气来冷凝，空气与蒸汽间进行热交换。所需冷却空气，通常由机械通风方式供给。直接空冷的凝汽设备称为空冷凝汽器。它是由外表面镀锌的椭圆形钢管外套矩形钢翅片的若干个管束组成的，这些管束亦称散热器。直接空冷系统的流程如图2-1所示。汽轮机排气通过粗大的排气管道送到室外的空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过散热器外表面，将排汽冷凝成水，凝结水再经泵送回汽轮机的回热系统。171731213141551667891011124图2-1直接空冷机组原则性汽水系统1、锅炉；2、过热器；3、汽轮机；4、空冷凝汽器；5、凝结水泵；6、凝结水精处理装置；7、凝结水升压泵；8、低压加热器；9、除氧器；10、给水泵；11、高压加热器；12、汽轮机排汽管道；13、轴流冷却风机；14、立式电动机；15、凝结水箱；16、除铁器；17、发电机。大型机组的空冷凝汽器通常在紧靠汽机房A排柱外侧，与主厂房平行的纵向平台上布置若干单元组，其总长度与主厂房长度基本一致。每个单元组由按一定比例的主凝器或辅凝器组成“A”字形排列结构，并在其下部配置大直径轴流风机。直接空冷系统的优点是设备少，系统简单，防冻性能好，占地少，通过对风机转速调节或调整风机叶片角度可灵活调节空气量，基建投资低于间接空冷系统。不足之处是风机群噪声较大，厂用电略高，启动时造成凝汽系统内真空的时间长。2.2海勒式间接空冷系统（又称混合式凝汽器间接空冷系统）海勒式间接空冷系统如图2-2所示，主要由喷射式凝汽器和空冷塔构成。汽轮机的排汽，排入喷射式凝汽器，冷却水直接与汽轮机的排汽混合将其冷凝。受热后的凝结水，除一部分（约2%）经精处理送往锅炉外，大部分热水用循环水泵送回空冷塔散热器中进行冷却，经与空气对流换热冷却后通过调压水轮机将冷却水再送至喷射式凝汽器进入下一个循环。图2-2海勒空冷机组原则性汽水系统1、锅炉；2、过热器；3、汽轮机；4、喷射式凝汽器；5、凝结水泵；6、凝结水精处理装置；7、凝结水升压泵；8、低压加热器；9、除氧器；10、给水泵；11、高压加热器；12、冷却水循环泵；13、调压水轮机；14、全铝制散热器；15、空冷塔；16、旁路截流阀；17、发电机。这种系统的优点是以微正压的低压水系统运行，易于掌控。缺点是系统复杂，设备多，需建造较大的空冷塔，全铝制散热器的防冻性能差，凝结水精处理设备比其它空冷系统规模大，自动控制系统也比其它空冷系统复杂，基建投资高。2.3带表面式凝汽器的间接空冷系统（简称哈蒙系统）带表面式凝汽器的间接空冷系统如图2-3所示。该系统由表面式凝汽器与空冷塔构成，与常规的湿式系统基本相仿，不同之处是空冷塔代替湿冷塔，将散热器装在自然通风冷却塔中，用不锈钢管凝汽器代替铜管凝汽器，用除盐水代替循环水，用密闭式循环冷却水代替开敞式循环冷却水系统。17173121314151678910111245干热空气冷空气冷气空图2-3哈蒙式空冷机组原则性汽水系统1、锅炉；2、过热器；3、汽轮机；4、表面式凝汽器；5、凝结水泵；6、凝结水精处理装置；7、凝结水升压泵；8、低压加热器；9、除氧器；10、给水泵；11、高压加热器；12、循环水泵；13、膨胀水箱；14、全钢制散热器；15、空冷塔；16、除铁器；17、发电机。这种系统的优点是设备少，循环水与汽水系统分开，两者水质可按各自要求控制。缺点是空气冷却塔占地多，基建投资高，冷端经由两次表面式换热（汽—水，水—空气），全厂热效率低。2.4直接空冷技术的优越性水资源匮乏使电厂凝汽系统出现了革命性变化，传统的循环水冷却有些已被空气冷却所代替。如今已有1000余台不同容量的空冷发电机组在世界各地运行。在发展的过程中，派生出直接空冷和间接空冷两大流派，它们各有所长。目前，南非拥有世界上最大单机容量的空冷机组15台，其中直接空冷9台，即单机容量665MW6台，657MW3台；间接空冷6台，单机容量为686MW。在严寒地区，由于结冰的威胁，直接空冷凝汽器具有较大优势。总体而言，直接空冷具有以下几方面的优越性：——直接空冷基建投资少。在同等容量燃煤机组条件下，当直冷为100％时，表凝间冷为126％，混凝间冷为120％；各占全厂总投资约10.5％、13.07％和12.22％。——占地面积少。当直冷为100％时，表凝间冷为180％，混凝间冷为120％。——防冻手段多，灵活可靠。可适应各种环境条件，特别是高寒地区更为有利。——火电直接空冷可为干湿并列联合冷却发展提供条件。——直接空冷系统的空冷凝汽器较在相同气温、风量下的间接空冷系统的空冷散热器的对数平均温差可高出1.35倍。——直接空冷系统的设备较为简单，布置容易。综上所述，直接空冷具有投资省、占地面积小、防冻性能好等诸多优越性。特别是在寒冷地区，由于间接空冷冷却元件中经常充满水，防冻问题比较复杂，对于运行人员的要求比较高。在这方面直接空冷具有明显的优越性，国外电厂的成功经验充分说明了这一点。我国目前在建或筹建的600MW空冷机组绝大多数采用直接空冷技术。考虑到通辽地区的建厂条件，本设计阶段采用直接空冷系统作为工程主要方案进行优化论证。2.5国内外直接空冷技术的发展与展望在火电厂三种空冷系统中，以直接空冷装置为优越。因为直接空冷装置性能好、投资省、占地面积少而被广泛应用。早在30年代末，德国首先在鲁尔矿区的1.5MW汽轮机组开创了直接空冷。1978年美国怀俄明州Wyodak电厂的一台365MW直接空冷机组投入运行，并经过了-40℃严冬和+45℃高温的考验。今天，火电直接空冷仍然在三种类型空冷系统里占据主导地位，并以崭新面貌呈现在大型600MW级燃煤机组上。目前，投运的600MW等级的做直接空冷汽轮机组多数在南非，例如：Matimba电厂6×665MW直接空冷机组，Majuba电厂3×657MW直接空冷机组。国内空冷技术研究工作开始于60年代，1966年在哈尔滨工业大学试验电站的50kW机组上首次进行了直接空冷系统的试验，1967年在山西侯马电厂里1.5MW机组上进行了直接空冷系统的工业性试验，80年代庆阳石化总厂自备电站3MW机组的直接空冷系统投运。目前，正在开工建设的直接空冷电厂有山西大同一电厂2×200MW直接空冷机组、大同二电厂2×600MW直接空冷机组和托克托电厂三期2×600MW直接空冷机组等。1968年以来已建或在建单机容量100MW以上的直接空冷电站见表1-4。单机容量100MW以上的直接空冷电站装机情况表1-4序号电站所在国与名称容量(MW)投产年份厂商气温（℃）/背压（kPa）翅片管类型与材质最高设计最低1西班牙－Utrillas1601968GEA4030/25.5-20热浸镀锌全钢制椭圆管矩形片2美国－Wyodak3651978GEA4319/20.3-40热浸镀锌全钢制椭圆管矩形片3伊朗－Tous4×1501986/1987B-D4330/20.0-30热浸镀锌全钢制椭圆管矩形片4南非－Matimba6×6651987/1991GEA4018/17.9-4热浸镀锌全钢制椭圆管矩形片5巴林－ALba2×1001989/1991ABB-L32/26.0圆形钢管，铝片，外表面防腐处理6美国－Sayreville1201990GEA15/10.2热浸镀锌全钢制椭圆管矩形片7美国－Bellingham1201990GEA15/10.2热浸镀锌全钢制椭圆管矩形片8美国－Fru-Con1001990GEA32/26.0热浸镀锌全钢制椭圆管矩形片9美国－Linden2851990GEA12/8.3热浸镀锌全钢制椭圆管矩形片10南非－Majuba3×6651990/1992GEA14/15.6热浸镀锌全钢制椭圆管矩形片11马来西亚－ConnaughtBridge1001992ABB-L28/25.0圆形钢管，铝片，外表面防腐处理12英国－Pterborougb1201993GEA15/8.0热浸镀锌全钢制椭圆管矩形片13英国－Corby1201993GEA15/8.0热浸镀锌全钢制椭圆管矩形片14英国－Rye.House2001993B-D308/9.2-10热浸镀锌全钢制椭圆管矩形片15印度－Uran2×1201994GEA30/28.0热浸镀锌全钢制椭圆管矩形片16伊朗－Gilan3×1501995/1998GEA33/20.0热浸镀锌全钢制椭圆管矩形片17中国－大同一电厂2×200200318中国－大同二电厂2×600MWGEA19中国－托克托电厂三期2×600MW2006GEA14/13.8以上合计36台机组，11965MW。进入90年代以来，比利时哈蒙鲁姆斯公司首次提出单排管凝汽器是火电空冷的全新发展。其采用的大截面、扁平状基管、蛇形翅片的SRC新型单排翅片管具有良好的抗冻性能，若与自然通风优势的完美结合，所构成的自然通风单排管凝汽器（简称NDC）的直接空冷，为“高寒富煤缺水”地区提供最佳的空冷技术方案。目前已有许多国家订购单排管空冷凝汽器，如美国、希腊、德国、比利时、瑞士、荷兰及叙利亚等。由此展望SRC新型翅片管将是火电直接空冷的主要冷却元件。若干年后NDC将是火电直接空冷的主要型式，具体将体现在下述几方面：a）空冷机组容量增大，使直接空冷系统系列化。由于空冷机组单位容量增大，迫使直接空冷系统里的主要设备（空冷散热器与轴流冷却风扇）的数量激增。由此，直接空冷主设备空冷散热器将向“大而少”方向发展，空冷凝汽器的管排数减少，管长度增加。纵观80年代末及90年代中期，国外投运的直接空冷机组的空冷凝汽器有三排53×16mm椭圆基管、两排100×20mm椭圆基管、单排180×25mm椭圆基管（仅为试验性冷却元件，未见正式投运）和单排220×20扁平基管（如1996年投运的西南亚巴林的ALba的900MW联合循环电站）。空冷凝汽器的基管管长，过去控制在4.5～6.0m，80年代末已增加到9m。b）在通风方式上向“多样化”发展。——机械通风。机械通风所采用的轴流冷却风机向“大而少”方向发展：叶轮直径Φ5.6→Φ6.4m（含6.1m）→Φ9.144m，从而减少了风机使用数目，简化了结构型式。风机转速从单一固定转速双速（含三速）向变频调速发展。——自然通风。由于采用单排管空冷凝汽器致使在同样风速下的单位气流长度的压降有所减少（大约减少了1/3），使采用自然通风空冷塔的合理性增强，从而将大大改变直接空冷面貌。自然通风空冷凝汽器（NDC）的优点是：冷却系统没有厂用电消耗，也无机械检修，从而使发电成本稍有降低；无噪声公害，运行简便，因无风扇群体转动，也无启停操作；没有热风再循环，因有高大通风简；最大限度就地制作，自然通风采用钢筋混凝土结构，可利用当地建筑材料制作；但必须装设一道或两道百叶窗，以便调节进塔空气量。——风机辅助的自然通风。风机辅助的自然通风直接空冷凝汽器（简称FA－NDC）是综合了上述两种通风方式后提出来的。它的优点是：轴流冷却风机可采用引风型并布置在空冷塔塔内的出口附近，不受自然风的影响；在20％－100％电负荷范围内，投运引风机，由于该风机的辅助作用，使塔内空气流动较为稳定；可不设百叶窗；此风机的电机可采用变频调速装置，甚至反转以利于冬季防冻；没有热风再循环。由此可见，当代直接空冷系列有单排管、两排管和三种通风方式的结合，具有很明显的优势。因此采用SRC的空冷电厂近年来居多。目前世界上有40台机组采用SRC在运行，并经受-57℃严寒考验。3直接空冷系统优化设计空冷电厂的最大优点就是可以节省用水量，但导致电厂基建投资的增加，空冷散热器的投资几乎可以和锅炉、汽轮机、发电机的投资相比拟，成为电厂的四大设备之一。如何优化系统设计、提高空冷电站的投资效益，是我们面临的重要课题。3.1优化目的电厂采用空冷系统后，初投资一般增加5％～10％左右。主要是空冷系统采用了价格昂贵的散热器，要想降低空冷系统的投资，就要减少散热器的面积，这就意味着要提高汽轮机的背压，但背压增大必然导致汽轮机的煤耗增加，提高了运行费用，因此使系统投资的减少和运行费用的增加相平衡，以获得最经济的方案，是我们要进行优化设计的目的。本设计阶段将对通辽三期工程空冷系统进行初步优化，并以采用国产亚临界600MW汽轮机特性参数的优化作为基本方案。3.2优化方法本工程以空冷系统年总费用最小法作为工程项目经济评价法，即按照《火力发电厂水工设计技术规定》（NDGJ5—88）的规定，将工程多种可能实施的方案，按每一方案的一次投资与此方案实施后，在预测到的经济服务年限内，逐年的支付运行费用，然后按动态经济规律将投资与费用均换算到指定年，再在经济服务年限内等额均摊，最终比较各方案的年均摊值，取年费用最小的方案作为最佳方案。空冷系统年总费NF用可按下式计算：即是指将投资成本按规定的回收率分摊到每一年中，再加上年运行费以及折旧、大修费等为年费用，其值最小时，说明此方案最为经济。其中Z为折算到第m年的总投资：式中：t—从投资开工这一年起到计算年的年数；m—包括工程部分投产年度在内的施工年数；Zt—第t年的基建投资；i—投资利用率；u年运行费用：式中：n—工程经济使用年限。3.3亚临界机组优化过程及结果本设计阶段采用国产亚临界600MW汽轮机特性参数作为基本方案，对通辽三期工程空冷系统进行初步优化。3.3.1设计气温的选择空冷系统是通过与空气的热交换而将汽轮机排汽冷却为凝结水的，因此空冷机组受环境气温的影响比较大。由于环境气温不仅昼夜间有所变化，而且一年冬夏之间温差的变化是很剧烈的，可达60～70℃，故而导致空冷机组的背压高、变幅大。因此，设计气温的选择是进行空冷系统设计计算首先会遇到的首要问题。设计气温的选择主要考虑以下因素：第一，综合考虑建设投资、年运行费用、机组年发电量等因素；第二，要考虑季节的影响，不但要保证夏季炎热期机组能够尽量多发电，同时也要注意冬季严寒期凝结水在空冷散热器中的防冻问题。设计气温的选择方法，目前国内尚无规范、标准可以遵循。一般认为，在进行工程的初期技术方案论证中，设计气温可采用6000小时法、30％频率曲线法、年平均气温法（0℃等面积气温法）等。本工程对应上述三种方法的设计气温分别为17℃、19℃和17.4℃。考虑到通辽电厂在夏季高温季节机组负荷率相对较低的缘故，本设计阶段暂按6000小时法考虑，确定为17℃，即在典型年－小时气温分布表上6000小时（气温从低到高排列）所对应的气温。通辽电厂三期工程典型年气温一小时及运行小时分布参见表1-3。3.3.2初始温差ITD的优化空冷凝汽器入口饱和蒸汽温度与设计气温之差称为初始温差ITD（InitialTemperatureDifference）。ITD是空冷凝汽器的一个重要的设计参数，它直接影响汽机的背压、热耗、发电量和空冷系统设备规模。在环境气温和热负荷一定时，选用较高的ITD值，空冷系统的初投资少，但汽机排汽背压高，热耗增加，运行费用增加，发电量减少；反之采用较低的ITD值，可降低机组排汽背压和发电热耗，增加发电量，但空冷设备的规模大，初投资增加。因此，最佳ITD值的确定，需要经过详细的技术经济比较后才能确定。优化基础资料优化采用基础资料如下：厂址海拔高程： 182m；平均气压： 994.1hPa；设计气温： 17℃；平均相对湿度： 56％；汽轮机排量： 1308.2t/h汽轮机排汽焓值： 2437.8kJ/kg空冷器设计热负荷： 805.3MW标准煤价： 211元/t；发电成本： 0.17元/kW∙h；设备年利用小时数： 5400小时。优化方案根据典型年气温一小时及运行小时分布和以上基础资料，参照国内外同类直冷机组的设计经验，ITD取33.1℃、35.0℃、36.0℃、37.5℃、39.1℃、42.2℃共6个方案进行优化计算。分别计算出每个方案所对应的空冷凝汽器迎风面积、空冷系统投资、年发电量、辅机耗电量、年供电量、年维修费等，最终计算出年总费用，其最小的方案即为优选方案。3.3.3优化结果分析通辽三期亚临界机组直接空冷系统优化计算结果表，见表3-1。从优化计算结果表可以看出，对应ITD值为37.5℃、空冷凝汽器迎风面积为11140m2方案，年总费用最低，参见图3-1亚临界机组空冷器迎风面积与年总费用关系曲线。考虑到本阶段设计基础资料和环境影响的一些不确定因素，设计中拟留有一定裕量，初步选取空冷凝汽器面积为11610m2，对应ITD值为36℃、汽轮机背压14.29kPa、空冷器迎风面风速2.4m/s。空冷凝汽器系统在夏季环境气温32℃时，机组背压小于32kPa，能够达到满发600MW。按照典型年气温－小时累计统计，机组年不满发小时数为169小时。图3-1亚临界机组空冷器迎风面积与年总费用关系曲线通辽三期亚临界机组直接空冷系统优化计算结果表表3-1序号设计温度（℃）ITD（℃）汽机背压（kPa）所需迎风面积（m2）空冷系统投资（百万元）年发电量（GW·h）辅机耗电量（GW·h）年供电量（GW·h）年电量差（GW·h）发电费用（元/kW·h）年投资费用（百万元）年损失电费（百万元）年维修费（百万元）年总费用（百万元）11733.112.4012630298.613483.1349.13134.00.00.1734.540.004.1838.7221734.813.4812010285.203476.4347.03732.990.783.9937.7731736.014.2911610276.793472.2346.23126.08.00.1732.021.363.8837.2541737.515.3711140268.203465.5344.73120.813.20.1731.022.243.7537.0251739.116.5910690258.763453.9342.83729.933.893.6237.4561742.219.199910242.243432.0338.53093.540.50.1728.026.893.3938.303.4设备选择与布置3.4.1空冷凝汽器目前可以应用于直接空冷系统的冷却元件主要有双排管凝汽器和单排管凝汽器，两种型式的凝汽器从散热特性和价格等各方面相比各具特点。双排管空冷凝汽器双排管空冷凝汽器每个单元由8个管束以接近60°角组成的等腰三角“A”型结构构成，“A”型两侧分别为4个管束，每个管束由两排翅片管组成，故此得名。每个管束宽2.775m，第一排翅片管共57根布置于迎风侧，翅片间距4mm，第二排56根，翅片间距2.5mm，两排错列布置。每根翅片管由钢制椭圆管和翅片构成，椭圆管规格为100×20mm，壁厚为1.5mm，翅片规格为119×45mm，厚度为0.35mm。翅片管外表面均热浸锌进行防腐处理。管束高度：顺流为9.9m，逆流为7.2m。单排管空冷凝汽器单排管空冷凝汽器的外观结构型式与双排管相近似，每个单元凝汽器由10个管束以接近60°角组成的等腰三角“A”型结构构成，“A”型两侧分别为5个管束，每个管束由单排翅片管组成。每个管束宽2.75m，顺流管束高度为11.0m，逆流为9.9m。单排管基管为钢管镀铝，规格为219×19mm，壁厚为15mm，铝翅片高19mm钎接在镀铝的钢基管上，厚度为0.3mm。以上尺寸因各厂家不同而略有差异。3.4.2风机空冷凝汽器每个单元配置一台轴流风机，变频调速、双速或单速。本工程1×600MW机组共配置56台风机，风机的调节方式将在下阶段根据设备投标情况确定。风机参数为：顺流凝汽器逆流凝汽器风机直径（m）：9.149.14风机转速：变频调速或双速变频调速或双速迎面风速（m/s）：2.42.4电机机功率（kW）132132台数：40163.4.3空冷凝汽器表面冲洗设备为保持空冷凝汽器良好的散热性能，每年应定期冲洗空冷凝汽器外表面，将沉积在空冷凝汽器翅片间的灰、泥垢清洗干净。本设计阶段考虑高压水冲洗，设移动式冲洗装置一套，清洗水压约为13.0MPa。3.4.4空冷系统设备布置从汽轮机低压缸底部排出的乏汽，通过两根DN6000mm的管道引到主厂房外，每根管道又分为4根DN2800mm的蒸汽分配管，向空冷凝汽器管束分配排汽。本设计阶段暂按双排管空冷凝汽器进行布置，下阶段通过招标确定具体型式。对双排管凝汽器，本工程1×600MW汽轮机组需配置56个冷却单元，分为8组，每组有7个单元，其中5个顺流单元，2个逆流单元。逆流凝汽器布置在顺流凝汽器的中间。每个空冷凝汽器单元下部安装一台Φ9140mm的轴流风机，连同驱动装置都悬挂在空冷平台的防振桥上，作为隔振装置，防振桥上装有减振节的钢弹簧。风机与电机是通过正齿轮联动机构来驱动的，所有风机均采用调速电机或双速电机，根据机组运行负荷和环境空气温度的变化进行最佳调节。本期56个空冷凝汽器单元均布置在汽机房A排外的空冷平台上，其平面尺寸约为：长185.1m、宽81.2m，高度45m（暂定）。为了防止热风再回流，在空冷平台的周围设有挡风板，高度从平台到蒸汽分配管顶部。空冷平台下放置主变压器和厂用变压器。直接空冷系统图见F113IIIK3－S01。3.4.5风对空冷系统布置的影响直接空冷系统是通过空冷凝汽器直接与空气热交换来冷凝的，对气温和风的变化十分敏感。气温变化比较缓慢，而风对空冷凝汽器的影响十分迅速。当风速达到一定数值时，就会把部分从空冷凝汽器排出的热空气带回到空冷凝汽器的入口，形成热回流，使汽轮机的背压骤然升高，而汽轮机的调节速度滞后于风和气温所引起背压的变化速度。国外已经运行的直接空冷机组曾经发生过当大气温度较高，在风向、风速和气温形成一定组合时，产生了热回流，使空冷凝汽器入口气温迅速升高，从而造成机组停机严重后果。根据国外已经运行机组的经验和在建的托克托三期空冷风洞试验结果来看，从锅炉间后来风最易在空冷凝汽器形成热回流，在高温季节对机组运行最为不利。有关研究结果表明，风正对着锅炉间方向吹向汽机间方向，当风形成一定的风速时，会（在空冷平台处）形成一个巨大的尾流区，在此尾流区气流非常紊乱，相当一部分是从上到下的倒流，这种倒流使空冷凝汽器己经排出的热空气重新又返回到空冷凝汽器的进风口，形成热回流。产生热回流的因素很多，风速和风向为主要因素，空冷平台的位置和高度不同，热回流也不同。本期工程是在一、二期工程已建4台200MW湿冷机组的基础上扩建，总平面规划布置格局与一、二期工程布置格局相同，即汽机房朝南，固定端朝东，扩建端朝西，主厂房A排与二期主厂房A排南北方向错开106.5m，主厂房煤仓间的最外（东）侧与二期主厂房扩建端脱开52.0m。本期主厂房纵向长度为90.00m，柱距为10m，从A排到烟囱中心线横向长度为214.07m。四期预留的2×600MW机组主厂房可沿三期1×600MW机组的主厂房扩建，主厂房A排与三期主厂房A排取齐。该布置满足了三、四期A排前出线的水平距离要求和四期空冷机组空冷器的布置要求。从气象统计资料来看，通辽地区夏季的主导风向为SSW（参见图3-2），基本面向汽机房吹来，因此空冷系统在夏季受炉后来风影响而产生严重热回流的可能性较小。但三期空冷机组是在一、二期已建4台200MW湿冷机组的基础上扩建的，虽然主厂房脱开52.0m，但与二期主厂房是错列布置的，原有主厂房等建筑物对三期空冷机组的影响有多大，目前尚难判断。为了弄清通辽电厂三期空冷机组在特定的气象和环境条件下，不利风向、风速对空冷凝汽器的影响程度，以确定三期工程主厂房的合理布置方位和最佳平台高度，建议下阶段委托权威科研机构进行空冷系统风洞模拟实验。3.5超临界机组的空冷系统优化前面所述是采用国产亚临界600MW汽轮机特性参数的基本优化方案。为配合热机专业进行亚临界和超临界机组的选型技术经济比较，本阶段还进行了超临界机组的空冷系统优化。3.5.1优化过程及结果超临界机组的优化方法与亚临界相同，不再赘述。对于空冷系统，主要的区别在于，空冷器设计热负荷由亚临界的805.3MW降低为超临界的760.5MW。同样，优化过程中ITD取33.1℃、35.0℃、36.0℃、37.5℃、39.1℃、42.2℃共6个方案进行优化计算。分别计算出每个方案所对应的空冷凝汽器迎风面积、空冷系统投资、年发电量、辅机耗电量、年供电量、年维修费等，最终计算出年总费用，其中年总费用最小的方案即为优选方案。通辽三期超临界机组直接空冷系统优化计算结果表详见表3-2。通辽三期超临界机组直接空冷系统优化计算结果表表3-2序号设计温度（℃）ITD（℃）汽机背压（kPa）所需迎风面积（m2）空冷系统投资（百万元）年发电量（GW·h）辅机耗电量（GW·h）年供电量（GW·h）年电量差（GW·h）发电费用（元/kW·h）年投资费用（百万元）年损失电费（百万元）年维修费（百万元）年总费用（百万元）11733.112.4011930285.623481.1390.93090.20.00.1733.040.004.0037.0421734.813.6111340272.843474.1387.630731.560.633.8236.0131736.014.2910970264.843470.9386.330730.640.953.7135.3041737.515.3710530256.733465.2385.43079.810.40.1729.701.773.5935.0651739.116.5910100247.763454.9383.830728.663.253.4735.3861742.219.199360232.043432.2378.53053.736.50.1726.846.213.2536.303.5.2优化结果分析从优化计算结果表可以看出，对应ITD值为37.5℃、空冷凝汽器迎风面积为10530m2方案，年总费用最低，参见图3-3超临界机组空冷器迎风面积与年总费用关系曲线。同样，考虑到本阶段设计基础资料和环境影响的一些不确定因素，设计中留有一定裕量，选取空冷凝汽器面积为10970m2，对应ITD值为36℃、汽轮机背压14.29kPa、空冷器迎风面风速2.4m/s。空冷凝汽器系统在夏季环境气温32℃时，机组背压小于32kPa，能够达到满发600MW。按照典型年气温－小时累计统计，机组年不满发小时数为169小时。图3-3超临界机组空冷器迎风面积与年总费用关系曲线3.5.3空冷系统设备布置超临界机组的空冷系统设备选择和布置与亚临界机组方案基本相同。主要区别是，对双排管凝汽器，1×600MW超临界汽轮机组配置53个冷却单元，比亚临界机组减少3个。同样，每个空冷凝汽器单元下部安装一台Φ9140mm的轴流风机，53个空冷凝汽器单元均布置在汽机房A排外的空冷平台上，其平面尺寸约为长185.1m、宽81.2m，高度为45m（暂定）。4结论及建议综上所述，直接空冷具有投资省、占地面积小、防冻性能好等诸多优越性，特别是在寒冷地区，其优越性更为明显，国外电厂的成功经验充分说明了这一点。我国目前在建或筹建的600MW空冷机组绝大多数采用直接空冷技术。考虑到通辽地区的建厂条件，本设计阶段采用直接空冷系统作为工程主要方案。对于亚临界机组，对应ITD值为37.5℃、空冷凝汽器迎风面积为11140m2方案，年总费用最低。考虑一定裕量后，选取空冷凝汽器面积为11610m2，对应ITD值为36℃、汽轮机背压14.29kPa、空冷器迎风面风速2.4m/s。可采用56个冷却单元进行布置。对于超临界机组，对应ITD值为37.5℃、空冷凝汽器迎风面积为10530m2方案，年总费用最低，考虑一定裕量后，选取空冷凝汽器面积为10970m2，对应ITD值为36℃、汽轮机背压14.29kPa、空冷器迎风面风速2.4m/s。可采用53个冷却单元进行布置。对于亚临界机组和超临界机组，空冷凝汽器系统在夏季环境气温32℃时，机组背压均小于32kPa，能够达到满发600MW。按照典型年气温－小时累计统计，机组年不满发小时数为169小时。1×600MW超临界汽轮机组配置53个冷却单元，比亚临界机组减少3个，可减少投资约一千万。由于通辽地区夏季的主导风向为SSW，基本面向汽机房吹来，因此空冷系统在夏季受炉后来风影响而产生严重热回流的可能性较小。但三期空冷机组是在一、二期已建4台200MW湿冷机组的基础上扩建的，虽然主厂房脱开52.0m，但与二期主厂房是错列布置的，原有主厂房等建筑物对三期空冷机组的影响有多大，目前尚难判断。为了弄清通辽电厂三期空冷机组在特定的气象和环境条件下，不利风向、风速对空冷凝汽器的影响程度，以确定三期工程主厂房的合理布置方位和最佳平台高度，建议下阶段委托权威科研机构进行空冷系统风洞模拟实验。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基