光熱發(fā)電空冷系統(tǒng)選擇與優(yōu)化配置

孫玉慶，張新海

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原 030001)

0 引言

太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)火力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理基本相同，兩種系統(tǒng)的汽輪機(jī)發(fā)電部分則基本一樣，都是利用過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

光熱發(fā)電不同于火電機(jī)組，由于單機(jī)容量比較小，最大發(fā)電功率為80 MW，其冷端空冷系統(tǒng)配置規(guī)模比較小，不同的空冷系統(tǒng)（直冷、間冷、機(jī)械通風(fēng)等）對(duì)光熱發(fā)電量的影響均不一樣，需要對(duì)比及優(yōu)化，從中選擇適宜光熱發(fā)電的空冷系統(tǒng)配置。

空冷系統(tǒng)的運(yùn)行背壓直接影響著光熱系統(tǒng)的發(fā)電量，主機(jī)背壓越低，光熱機(jī)組的發(fā)電量就越高，但空冷規(guī)模配置需要增大，如何找到一個(gè)最佳經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，即以最低的空冷系統(tǒng)運(yùn)行背壓（比較后最合理的），來(lái)獲得最大的機(jī)組發(fā)電量，需要對(duì)機(jī)組的運(yùn)行背壓進(jìn)行優(yōu)化。若場(chǎng)地允許一定量的空冷系統(tǒng)耗水量，可對(duì)空冷系統(tǒng)+濕冷進(jìn)行組合配置優(yōu)化，例如直冷+蒸汽式直冷等，有利于提高光熱發(fā)電的效率，降低初投資。對(duì)光熱發(fā)電空冷系統(tǒng)選擇和優(yōu)化配置的研究具有重要意義。

1 光熱發(fā)電概述

目前，太陽(yáng)能光熱發(fā)電在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行的有太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電、太陽(yáng)能碟式熱發(fā)電、太陽(yáng)能拋物槽式熱發(fā)電、太陽(yáng)能線(xiàn)性菲涅爾式熱發(fā)電幾種方式。

在上述幾種技術(shù)中，拋物面槽式領(lǐng)先一步。截至2010年，全球已投入運(yùn)行的光熱裝機(jī)容量達(dá)988.65 MW，其中，槽式占94.57%，塔式次之，占4.37%。據(jù)我國(guó)電力規(guī)劃，2020年要實(shí)現(xiàn)3000 MW光熱發(fā)電裝機(jī)的最低目標(biāo)，市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)千億元。

2 空冷系統(tǒng)的型式

電站空冷技術(shù)是一種節(jié)水型發(fā)電技術(shù)，它采用翅片管式的空冷散熱器，用環(huán)境空氣來(lái)冷凝汽輪機(jī)的排汽?？绽浼夹g(shù)不但可以大大增加選址的靈活性，避免水資源的大量消耗等環(huán)境方面的諸多負(fù)面影響，而且可以避免采用水冷系統(tǒng)時(shí)冷卻塔水霧氣團(tuán)使空氣能見(jiàn)度下降所帶來(lái)的反射鏡光學(xué)效率下降問(wèn)題。

2.1 空冷系統(tǒng)概述

目前，在火電中采用的空冷系統(tǒng)分為兩種系統(tǒng)，即直接空冷系統(tǒng)和間接空冷系統(tǒng)。間冷系統(tǒng)和直冷系統(tǒng)在技術(shù)上都是成熟的，在國(guó)內(nèi)外電站都得到廣泛的應(yīng)用[1]。

2.2 空冷系統(tǒng)的選擇

2.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)確定

設(shè)計(jì)參數(shù)確定如表1、2、3所示。

2.2.2 空冷系統(tǒng)配置

不同空冷系統(tǒng)最佳配置結(jié)果如表4所示。

2.2.3 空冷系統(tǒng)方案經(jīng)濟(jì)性比較

不同空冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性結(jié)果如表5所示。

表1 汽機(jī)基礎(chǔ)參數(shù)

表2 空冷系統(tǒng)優(yōu)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表3 典型年氣溫小時(shí)數(shù)

表4 不同空冷系統(tǒng)最佳配置結(jié)果列表（1臺(tái)機(jī)組）

表5 不同空冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)比較表 萬(wàn)元

從表5看出，若汽機(jī)排汽單獨(dú)設(shè)置空冷系統(tǒng)，采用混凝式間冷系統(tǒng)較優(yōu)，年總費(fèi)用較小，次之為表面式間冷系統(tǒng)，再次之為直冷系統(tǒng)方案，其中總投資最小方案為直接空冷系統(tǒng)方案。

對(duì)于塔式光熱發(fā)電，間冷系統(tǒng)十分適合，尤其是混凝式間冷系統(tǒng)?？衫眉療崴骖櫩绽渌墓δ?，不用再單獨(dú)設(shè)空冷塔。此塔結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)塔型，便于施工和安裝，不但減小了初投資，而且節(jié)省了大量耗電，使機(jī)組多發(fā)電。散熱器垂直布置于集熱塔（空冷塔） 四周；對(duì)于槽式、蝶式和菲涅爾式光熱發(fā)電，采用間冷系統(tǒng)，往往受廠(chǎng)址邊界和全廠(chǎng)總體布置的限制，例如場(chǎng)地為狹長(zhǎng)型，無(wú)論空冷塔（采用混凝式塔高為160 m，采用表面式塔高175 m） 布置于聚光集熱子系統(tǒng)的東側(cè)或西側(cè)，均存在光線(xiàn)遮擋，影響光照時(shí)間，且塔越高，遮擋越多，同時(shí)不利于全廠(chǎng)的總體靈活布置。間冷系統(tǒng)散熱器管束的最佳流速為1.0～1.5 m/s，而采用常規(guī)間冷系統(tǒng)散熱器管束流速比較低僅為0.4～0.7 m/s，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行背壓比較低時(shí)，需要的間冷系統(tǒng)配置規(guī)模比較大，極易造成散熱器在冬季運(yùn)行時(shí)發(fā)生凍裂事故。因此不建議采用間冷系統(tǒng)，宜采用直接空冷系統(tǒng)。其中直接空冷系統(tǒng)不存在爐后風(fēng)的影響，且布置更靈活，而機(jī)力通風(fēng)+表面式間冷系統(tǒng)耗電量比直冷系統(tǒng)多。

3 直接空冷系統(tǒng)運(yùn)行背壓的優(yōu)化

光熱發(fā)電不同于火電機(jī)組，1 d中溫度最高時(shí)段為12:00—16:00點(diǎn)之間，如圖1所示，機(jī)組負(fù)荷相應(yīng)時(shí)段發(fā)電量最高，如圖2所示。在環(huán)境溫度高溫時(shí)段，機(jī)組想要發(fā)更多的電，一種措施為直冷空冷系統(tǒng)風(fēng)機(jī)110%轉(zhuǎn)速運(yùn)行，另一種措施為增加散熱面積及風(fēng)機(jī)風(fēng)量，最終都將導(dǎo)致耗電量增多。如何確定合理的夏季環(huán)境溫度和設(shè)計(jì)背壓，既能滿(mǎn)足業(yè)主多發(fā)電的需求，又不至于多發(fā)出的電量與風(fēng)機(jī)額外增加的功耗相抵消，白白做無(wú)用功，甚至多發(fā)出的電量還不夠風(fēng)機(jī)額外增加的功耗，將得不償失。

圖1 夏季7月某1 d中氣溫變化趨勢(shì)示意圖

圖2 夏季7月某1 d中機(jī)組負(fù)荷變化趨勢(shì)示意圖

表6 直接空冷系統(tǒng)配置優(yōu)化比較表

從表6可以看出，夏季環(huán)境溫度為26℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的直接空冷系統(tǒng)配置為最優(yōu)。利用環(huán)境溫度26℃的直冷系統(tǒng)規(guī)模反算機(jī)組滿(mǎn)發(fā)時(shí)（環(huán)境溫度32℃）設(shè)計(jì)背壓為10 kPa，這時(shí)的直接空冷系統(tǒng)配置是最合理的。不是機(jī)組設(shè)計(jì)背壓越低，對(duì)機(jī)組運(yùn)行越有利，而是空冷配置規(guī)模和機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓存在一個(gè)最佳經(jīng)濟(jì)點(diǎn)。

直接空冷系統(tǒng)控制靈活，防凍性能較好，度夏措施較多，通過(guò)采用各種措施，噪音控制能夠滿(mǎn)足要求；在夏季運(yùn)行時(shí)可以滿(mǎn)足排汽冷卻需要（夏季環(huán)境溫度26℃及以下時(shí)段，不滿(mǎn)小時(shí)數(shù)為367 h，可使機(jī)組運(yùn)行背壓達(dá)到8 kPa，等同于夏季環(huán)境溫度32℃及以下時(shí)段，不滿(mǎn)小時(shí)數(shù)為0 h，可使機(jī)組運(yùn)行背壓達(dá)到10 kPa）；在冬季運(yùn)行時(shí)，為防止散熱器發(fā)生凍裂，機(jī)組運(yùn)行最低背壓宜維持在8 kPa左右；同時(shí)，采用鋼筋混凝土框架支撐，與采用傳統(tǒng)的鋼桁架+空冷支柱支撐相比，可減少投資費(fèi)用，由于空冷平臺(tái)高度不高約20 m，若今后為縮短施工進(jìn)度，空冷散熱器支撐平臺(tái)可采用鋼支撐結(jié)構(gòu)（國(guó)內(nèi)和國(guó)外均有投運(yùn)工程）。本工程在冬季運(yùn)行時(shí)，排汽流量將減少，通過(guò)閥門(mén)隔離、變頻控制風(fēng)機(jī)組等措施，可以靈活控制冷卻能力，以滿(mǎn)足不同的蒸汽流量及背壓控制要求；在冬季運(yùn)行時(shí)，可滿(mǎn)足機(jī)組頻繁啟停的防凍需要（直冷可按需提供風(fēng)機(jī)投運(yùn)數(shù)量及轉(zhuǎn)速）。

4 結(jié)論

直冷系統(tǒng)、常規(guī)間冷系統(tǒng)（表凝式、混凝式）、機(jī)力通風(fēng)間接空冷方案比較得出，采用混凝式間冷系統(tǒng)年總費(fèi)用最小，次之為表面式間冷系統(tǒng)，再次之為直冷系統(tǒng)方案，其中總投資最小方案為直接空冷系統(tǒng)方案。

對(duì)于塔式光熱發(fā)電，間冷系統(tǒng)十分適合，尤其是混凝式間冷系統(tǒng)?？衫眉療崴骖櫩绽渌墓δ?，不用再單獨(dú)設(shè)空冷塔；對(duì)于槽式、蝶式和菲涅爾式光熱發(fā)電，采用間冷系統(tǒng)，受廠(chǎng)址邊界和塔高（混凝式塔高為160 m，表面式塔高175 m）的限制，不利于全廠(chǎng)的總體靈活布置。采用常規(guī)間冷系統(tǒng)散熱器管束流速比較低僅為0.4～0.7 m/s，由于機(jī)組背壓比較低，需要的間冷系統(tǒng)配置規(guī)模比較大，極易造成散熱器在冬季運(yùn)行時(shí)發(fā)生凍裂事故。因此，若機(jī)組背壓比較低，不建議采用常規(guī)間冷系統(tǒng)，宜采用直接空冷系統(tǒng)。

光熱發(fā)電不同于常規(guī)火電機(jī)組，1 d中溫度最高時(shí)段為12點(diǎn)到16點(diǎn)之間，光熱機(jī)組負(fù)荷相應(yīng)時(shí)段發(fā)電量最高，因此，直接空冷配置規(guī)模和機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓存在一個(gè)最佳經(jīng)濟(jì)點(diǎn)。建議直接空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背壓取值在10 kPa為宜，夏季環(huán)境溫度取值典型年的最高溫度，可滿(mǎn)足機(jī)組滿(mǎn)發(fā)出力的需求。