循环水系统优化改造研究报告.doc

盘县电厂循环水系统配水优化设计项目

(50-F02942C8/E8S)

设计方案论证报告
(征求意见稿)

二O一五年十二月 成都

盘县电厂循环水系统配水优化设计项目

(50-F02942C8/E8S)
设计方案论证报告

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盘县电厂循环水系统配水优化设计项目

(50-F02942C8/E8S)
设计方案论证报告

目 录

1．前言
2．新1#机组循环水系统及设备情况
3．冬季气象条件的选择
4．停运3段机力塔对循泵工作点的影响
5．设计方案的拟定
6．改造方案对机组运行的影响
7．不同方案技术经济比较
8、 结论

1 前言
盘县电厂始建于上个世纪九十年代前期，原有装机5×200MW超高压燃煤机组。新1#机组系拆除原1#、2#（2×200MW）机组的基础上，新建一台660MW超临界燃煤机组。新1#机组循环系统利用老厂1#、2#机组二座3500m2自然通风冷却塔，同时新建3段Ф9.14m的机械通风冷却塔，配二台循环水泵。新1#机组已于2013年建成投产。
由于老厂1#、2#机组二座3500m2自然通风冷却塔采用槽式配水系统，新1#机组改建时，仍沿用了槽式配水系统，即自然塔进水量当超过最大设计流量时，冷却塔会出现溢流。
根据业主2015年11月5日委托书及11月27日传真要求，本次循环水系统配水优化任务为：“在冬季气温较低，机组满负荷情况下，停运3段机械通风冷却塔，使循环水全部经过两座自然通风冷却塔均匀冷却，且配水槽不溢水。夏季气温较高时，根据实际情况调整机力塔运行”。设计工况按机组纯凝工况考虑。

2、新1#机组循环水系统及设备情况
2.1 主机凝汽量参数
THA工况凝汽量1180.001t/h(含小汽机);
TMCR工况凝汽量1262.185t/h(含小汽机)；
TRL工况凝汽量1271.921t/h(含小汽机)。
2.2 循环水系统
新1#机组1×660MW配2台循环水泵，2座3500m2自然通风冷却塔，3段Ф9.14m的机械通风冷却塔，凝汽器面积39400m2，冷却倍数为THA工况55倍，循环水干管管径DN3000，到1#自然塔循环水管管径为DN2000，至2#自然塔及机力塔循环水总管管径为DN2600，至3段Ф9.14m的机械通风冷却塔循环水主管管径为DN1600。循环水系统图如下图所示：

15

2.3循环水量
循环冷却水需水量按设计工况凝汽量（含小汽机）1180.001t/h，冷却倍率按m=55倍计，1×660MW机组冷却水量见下表 2.3－1：
表2.3－1 机组循环水量表
机组容量
1×660MW
备 注
循环水量（m3/h）
64900
Dk=1180.001t/h
m=55
辅机水量（m3/h）
2390

总水量（m3/h）
67290

其中上塔循环水量为67100m3/h（18.64m3/s），其中供至2座3500m2自然塔的水量按原塔的水量计算，即2×26640 m3/h（2×7.4 m3/s），3座Ф9.14m的机械通风冷却塔，总进塔水量为13820 m3/h，每段塔的流量为4606 m3/h（1.28m3/s）。
2.4循环水泵
新1#机组配2台荏原博泵生产的循环水泵，循泵型号2200VZNM型 ，设计工作点：Q=9.4m3/s H=20m，n=370rpm ，配电机YKSL2400-16/1660 N=2400kw V=6000v。该循泵工作曲线如下图示：

2.5 凝汽器参数
序号
项 目
单位
数据
1
凝汽器的总有效面积
m2
39400
2
抽空气区的有效面积
m2
2364
3
流程数/壳体数

1/2
4
TMCR工况循环水带走的净热
kJ/s
760767.4
5
传热系数
W/m2.℃
3103.1/3204.6
6
循环水流量
m3/s
18.055
7
管束内循环水最高流速
m/s
≤2.3
8
冷却管内设计流速
m/s
2.2
9
清洁系数

0.85
10
TMCR工况循环水温升
℃
10.06
11
凝结水过冷度
℃
≤0.5
12
凝汽器设计端差
℃
4.50/4.30
13
管子总水阻
kPa
75
14
凝汽器汽阻
kPa
0.1
15
循环倍率(TMCR工况)

51.5
16
管束顶部外围部分材料

TP304
17
管束顶部外围部分数量

2182
18
管束顶部外围部分直径、壁厚
mm
φ25×0.7
19
管束主凝汽器区材料

TP304
20
管束主凝汽器区数量

32764
21
管束主凝汽器直径、壁厚
mm
φ25×0.5
22
管束空气抽出区材料

TP304
23
管束空气抽出区数量

1454
24
管束空气抽出区直径、壁厚
mm
φ25×0.7
25
管束有效长度、总长
m
13.77/13.88

3 冬季气象条件的选择
盘县电厂多年逐月气象特征值见表3-1。
盘县气象站多年逐月气象特征值表
表3-1
月份
项目
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
平均气压(hpa)
849.4
847.8
846.5
845.6
845.0
843.3
842.9
844.7
848.3
851.3
851.8
851.1
平均气温(0C)
6.4
8.3
13.0
17.1
19.6
20.9
21.8
21.2
19.0
15.6
11.7
7.9
平均相对湿度(%)
78
74
67
67
72
79
81
82
81
82
80
79
根据以上气象条件，本次优化以1~3月及11~12月共5个月作为冬季考虑。
4、停运3段机力塔对循泵工作点的影响
原设计二台循泵工作，二座自然塔及3段机力塔同时投运时，循泵设计工作点Q=9.4m3/s H=20m。 当3段机力塔全部停运后，循环水量全部进入二座自然塔，水力阻力增大，水泵出力有所减少。由于机力塔与2#自然塔进水共用一根DN2600循环水管，机力塔停运后，原设计进入机力塔的水大部分进入2#自然塔，使二座自然塔进水量出现严重的不均衡，1#自然塔进水量增加约12%，2#自然塔进水增加38.2%。因此，为保证二座自然塔配水的均衡，应通过减小2#塔进水阀门的开度，来减少2#自然塔的进水量，使二座自然塔的进水量基本相当。此时，管道阻力进一步增加，水泵扬程增加约0.71m，二台循环水泵出水量总计约17.83m3/s，比原设计出水量减少约5.16%，冷却倍率由THA工况55倍变为52.07倍，水泵效率降低约1%，此时，每座自然塔的进水量约8.915m3/s。此流量已超过自然塔设计进水量7.4m3/s的20.5%，因此，必然出现溢流。
5、设计方案的拟定
为实现优化任务，有二条基本思路，第一条是通过对冷却塔配水系统的改造，增大自然冷却塔设计进水量。第二条路线是通过循环水泵改造，如采用双速电机或变频等，在冬季气温较低时，通过造当减少循环水量，实现停运机力塔情况下的满发要求。
5.1 增大自然塔进水量的改造
对于增大自然塔设计进水量的思路，初步考虑二种方案：
第一是将槽式配水系统改为管式配水系统，通过提高竖井水位来增大喷头出水量，从而实现增大进水量的目的，这种方式需对整个配水系统进行改造，工程量及投资较大，施工工期较长。
第二个方案是配水方式及配水槽均不变，通过增大喷头口径来增加出水量，这种方式工程量最小，投资也最低，但需考虑夏季在机力塔启用进水量减少时是否存在配水不均问题。
计算结果表面，按进水量8.915m3/s增大喷咀直径后，当夏季水量减少至原设计水量7.4m3/时，配水槽内水深不满足6倍喷咀直径的规范要求，塔内配水出现不均匀配水，影响冷却效果。
5.2 循泵双速电机改造
新1#机组（1×660MW）配2台荏原博泵生产的循环水泵，循泵型号2200VZNM型 ，配电机YKSL2400-16/1660 N=2400kw n=370rpm V=6000v。双速电机改造即将原电机转速370rpm改为双速370/330rpm。
根据水泵工作曲线，改为双速后，当二台循泵低速运行时，循泵扬程约17m，总循环水量约53550m3/h，其中上塔总水量约52960m3/h，平均分配到每座自然塔的水量约26480m3/h(7.356m3/s)，进入凝汽器冷却水量约51160m3/h，冷却倍率约43.36（THA工况）。
当二台循泵一台高速一台低速运行时，循泵扬程约18.5m，总循环水量约58050m3/h(其中高速泵出水量约36000 m3/h，低速泵出水量约22050 m3/h)，其中上塔总水量约57460m3/h，平均分配到每座自然塔的水量约28730m3/h(7.98m3/s)，进入凝汽器冷却水量约55660m3/h，冷却倍率约47.17（THA工况）。
由于二台循泵一台高速一台低速运行时，平均分配到每座自然塔的水量约7.98m3/s仍然大于原设计流量7.4m3/s，因此，应对二台循泵都进行双速改造。
6 改造方案对机组运行的影响
对于自然通风冷却塔设计，淋水密度通常在7~8m3/h.m2，本工程二座自然塔原设计淋水密度约为7.61 m3/h.m2，如采用增大自然塔进水量的方案，二泵循泵高速运行，每座自然塔进水量达8.915m3/s，淋水密度达9.17 m3/h.m2。淋水密度增大，风阻增大，在冷却塔塔型不变的情况下，冷却塔进风量会有所减少，导致冷效降低，也就是说，在塔面积一定的情况下，增加水量所带来的机组微增收益是有限的，同时，增加水量还带来循泵电耗的增加。
通过循泵双速改造后，采用2台循泵低速运行时，循环水量与2座自然塔的设计进水量相当，冷却塔处于正常设计状态，冷却效果好，同时循泵因低速运行而降低了功率。
计算结果表明，循泵双速电机改造后，2台循泵不管是一高一低运行还是2台低速运行，机组背压均低于设计背压5.7kpa。采用2台循泵低速运行时，冬季1~3月及11~12月5个月平均背压约5.25kpa，仅比2台循泵高速运行（采用增大自然塔进水量的方案）平均背压5.10高约0.15kpa，机组微增功率从2713kw减少至2017kw，减少约696kw，但循泵耗电却从工作出发4138kw减少至2833kw，减少了1305kw。综合比较，2台低速运行比2台高速运行节省运行电耗约609kw，冬季5个月运行小时数按2300h，成本电价按0.19元/度计算，一个冬季节省运行费用约26.6万元/冬季。因此，从运行来看，2台循泵低速运行更经济。不同方案对机组运行的影响分析见表6-1。

表6-1 不同方案对机组运行的影响分析表
改造方案
月份
冷却
倍率
冬季平均背压(kpa)
微增功率(kw)
循泵耗电(kw)
合计(kw)
二台高速运行(增大自然塔进水方案)
1
52.07
5.10
2713
-4138
-1425
2
52.07
3
52.07
11
52.07
12
52.07
一高一低运行（双速改造方案）
1
47.17
5.17
2441
-3342
-901
2
47.17
3
47.17
11
47.17
12
47.17
二台低速运行(双速改造方案)
1
43.36
5.25
2017
-2833
-816
2
43.36
3
43.36
11
43.36
12
43.36
7、不同方案技术经济比较
7.1　方案比较原则
（1）经济比较以1×660MW机组为冬季年费用比较，冬季年费用包括年固定费用及年运行费用二部分。
（2）冬季按1~3月及11~12月考虑，冬季利用小时数按年利用小时5500h平均分摊计算，约2300h。
7.2　基本技术经济参数
·投资回收率：8％
·经济使用年限：20年
·成本电价：0.19元/kW·h
·年固定费用率Sn：0.1019
7.3　技术经济比较结果
循泵耗电按成本电价计算，微增收益按成本电价的80%计算，比较结果见表表7-1。
表7-1 不同改造方案技术经济比较结果表
项　　目
增大自然塔进水量改造
双速电机改造
管式配水
增大喷咀
1高1低运行
2台低速运行
土建投资（万元）
500
0
0
0
设备及材料投资（万元）
550
30
30
60
固定投资（万元）
1050
30
30
60
固定年费用（万元/年）
107
3.06
3.06
6.12
微增功率(kw)
2713
2713
2441
2017
微增收益(万元/冬季)
-94.85
-94.85
-85.34
-70.71
循泵电耗（kw）
4138
4138
3342
2833
循泵运行费用等（万元/冬季）
180.83
180.83
146.05
123.80
运行费用等（万元/冬季）
85.98
85.98
60.71
53.09
总年费用合计（万元/冬季）
202.98
99.04
63.77
59.21
注：表中投资估算仅用于方案比较。
从表7-1可以看出：
双速电机改造方案经济性明显优于增大自然塔进水的改造方案。由于双速电机改造方案中，2台循泵1高1低运行方式其出水量仍然超过原自然塔设计进水量，而2台低速运行循环水量与自然塔设计水量基本相当，因此，推荐采用2台循泵双速改造方案。
8 结论
8.1原设计二台循泵工作，二座自然塔及3段机力塔同时投运时，循泵设计工作点Q=9.4m3/s H=20m。 当3段机力塔全部停运后，循环水量全部进入二座自然塔，水力阻力增大，水泵出力有所减少。由于机力塔与2#自然塔进水共用一根DN2600循环水管，机力塔停运后，原设计进入机力塔的水大部分进入2#自然塔，使二座自然塔进水量出现严重的不均衡，1#自然塔进水量增加约12%，2#自然塔进水增加38.2%。因此，为保证二座自然塔配水的均衡，应通过减小2#塔进水阀门的开度，来减少2#自然塔的进水量，使二座自然塔的进水量基本相当。此时，管道阻力进一步增加，水泵扬程增加约0.71m，二台循环水泵出水量总计约17.83m3/s，比原设计出水量减少约5.16%，冷却倍率由THA工况55倍变为52.07倍，水泵效率降低约1%，此时，每座自然塔的进水量约8.915m3/s。此流量已超过自然塔设计进水量7.4m3/s的20.5%，因此，必然出现溢流。
8.2 采用增大自然塔进水量的方案，增加了淋水密度，风阻增大，在冷却塔塔型不变的情况下，冷却塔进风量会有所减少，冷效减弱，机组背压并未明显降低，循泵电耗大，得不偿失。
循泵双速改造方案，采用2台循泵低速运行，循环水量与2座自然塔的设计进水量相当，冷却塔处于正常设计状态，冷却效果好，同时循泵因低速运行而明显降低了电耗。
8.3槽式配水改为管式配水方案，工程量及投资较大，施工工期较长，冷却塔冷效降低，循泵电耗高。双速电机改造方案投资低，易于实施，循泵电耗降低显著。
综上所述，推荐采用2台循泵双速改造方案。即将原电机转速370rpm改为双速370/330rpm。