通辽发电厂三期空冷系统优化专题报告ok.docx
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通辽发电厂三期空冷系统优化专题报告ok
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
东北电力设计院
设计证书070001-sj
勘察证书070001-kj
环评证书甲字1605
质量管理体系证书0602Q10010R2L
2004年2月长春
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
批准:
审核:
校核:
编写:
2004年2月10日长春
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
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
1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994.1hPa
f）多年平均降雨量394.7mm
g）多年平均蒸发量1195.7mm
h）最大冻土深度1.79m
i）最大积雪深度0.14m
j）多年平均风速3.7m/s
k）主导风向冬季WNW、夏季SSW、全年SSW
l）10分钟平均最大风速33m/s
m）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hPa
22.7
25.6
79%
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）
1003.5
1002.2
998.1
991.4
987.0
983.8
982.3
986.6
992.1
997.8
1001.4
1002.7
994.1
气温（℃）
平均气温
-14.1
-10.5
-2.0
8.2
16.2
21.1
23.8
22.4
15.7
7.4
-3.1
-11.4
6.2
平均最高气温
-7.4
-3.3
4.7
14.7
23.0
27.0
29.2
28.1
22.6
14.5
3.7
-5.0
12.7
平均最低气温
-20.1
-16.7
-8.6
1.1
9.0
15.2
19.1
17.7
9.8
1.9
-8.5
-16.2
0.33
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
1.1
1.3
2.4
4.3
7.8
14.9
21.2
19.4
11.7
6.0
2.8
1.5
7.8
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
1.4
3.5
6.2
14.3
31.9
72.1
118.6
81.6
38.1
20.4
4.5
2.1
394.7
一日最大降水量
5.6
42.0
22.4
55.0
42.0
58.7
108.4
98.4
48.5
46.0
15.1
23.3
108.4
蒸发量（mm）
平均蒸发量
28.6
44.8
106.6
223.5
314.9
269.2
224.1
193.5
165.9
127.6
60.8
32.6
1795.7
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
3.5
3.7
4.4
5.2
4.6
3.7
3.1
2.7
3.1
3.5
3.8
3.4
3.7
最大风速
17.3
20.2
23.8
33.0
21.0
23.0
29.0
18.0
27.6
17.0
21.3
16.3
33.0
风向
WSW
SSW
SSW
SSW
S
SWS
WNW
SSW
NW
WNW
NW
NW
SSW
天气日数（天）
大风日数
1.1
1.4
4.3
8.1
7.0
3.0
1.6
0.8
1.0
2.1
2.1
1.2
33.8
沙尘暴日数
0.6
0.6
1.3
2.3
1.6
0.6
0.2
0.2
0.1
0.1
0.2
0.4
7.5
1.3.3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
<=-30
0
0
8760
100.00
0
0
0
0
0
-28
-27.0~-28.9
1
1
8760
100.00
0
1
0
1
1
-26
-25.0~-26.9
3
4
8759
99.99
0
3
0
3
2
-24
-23.0~-24.9
7
11
8756
99.95
0
6
0
6
5
-22
-21.0~-22.9
29
40
8749
99.87
3
21
0
24
19
-20
-19.0~-20.9
57
97
8720
99.54
16
27
3
46
38
-18
-17.0~-18.9
114
211
8663
98.89
45
37
14
96
78
-16
-15.0~-16.9
187
398
8549
97.59
54
64
40
158
120
-14
-13.0~-14.9
248
646
8362
95.46
56
82
68
206
149
-12
-11.0~-12.9
366
1012
8114
92.63
75
118
110
303
215
-10
-9.0~-10.9
382
1394
7748
88.45
104
114
101
319
236
-8
-7.0~-8.9
404
1798
7366
84.09
111
119
106
336
249
-6
-5.0~-6.9
417
2215
6962
79.47
122
123
101
346
260
-4
-3.0~-4.9
450
2665
6545
74.71
127
135
112
374
280
-2
-1.0~-2.9
357
3022
6095
69.58
128
107
60
295
234
0
-0.9~0.9
251
3273
5738
65.50
138
130
71
339
267
2
1.0~2.9
307
3580
5487
62.64
83
116
57
256
196
4
3.0~4.9
313
3893
5180
59.13
96
103
62
261
200
6
5.0~6.9
322
4215
4867
55.56
93
118
47
258
201
8
7.0~8.9
334
4549
4545
51.88
77
143
50
270
206
10
9.0~10.9
313
4862
4211
48.07
85
146
54
285
218
12
11.0~12.9
329
5191
3898
44.50
56
134
61
251
184
14
14.0~14.9
288
5479
3569
40.74
78
143
78
299
221
16
15.0~16.9
386
5865
3281
37.45
119
118
99
336
253
18
17.0~18.9
484
6349
2895
33.05
138
107
175
420
301
20
19.0~20.9
429
6778
2411
27.52
114
89
141
344
247
22
21.0~22.9
465
7243
1982
22.63
91
182
148
421
296
24
23.0~24.9
514
7757
1517
17.32
71
172
148
391
269
26
25.0~26.9
369
8126
1003
11.45
36
100
114
250
165
28
28.0~28.9
280
8406
634
7.24
30
84
85
199
133
30
29.0~30.9
168
8574
354
4.04
23
62
19
104
78
32
31.0~32.9
127
8701
186
2.12
20
45
14
79
60
34
33.0~34.9
50
8751
59
0.67
6
12
2
20
16
36
35.0~36.9
8
8759
9
0.10
0
3
0
3
2
37
37.0~37.9
1
8760
1
0.01
0
1
0
1
1
38
>=38
0
8760
0
0.00
0
0
0
0
0
合计（h）
2195
2965
2140
7300
5400
1.3.4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。
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
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