100 MW亚临界发电机组循环水系统补水方式综合分析.pdf

2024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER100 MW亚临界发电机组循环水系统补水方式综合分析周良旭，刘国永，王亚美（河钢集团唐钢公司，河北唐山063000）【摘要】100 MW亚临界参数机组已经成为近年来钢铁行业自备电厂的主力机型，为钢铁企业提高自发电比例、降低能源消耗发挥着巨大作用。发电机组循环水系统补水要实现水质稳、成本少和发电水耗低三方面的最优选择，需从技术、经济和水耗指标多方全面统筹考量。通过对现场实际工作中机组的不同补水方式进行分析和比较，有助于合理选择循环水系统补水方式。【关键词】亚临界机组；补水方式；成本；发电水耗【中图分类号】TM31 【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2024）02-0040-04 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Comprehensive Analysis of Water Replenishment Methods for Circulating Water System of 100 MW Subcritical Generating UnitsZHOU Liangxu,LIU Guoyong,WANG Yamei（Tangshan Iron and Steel Co.Ltd.of Hebei Iron and Steel Group,Tangshan,Hebei 063000,China)【Abstract】100 MW subcritical parameter units have become the main model of self-provided power plant in the iron and steel industry in recent years,which plays a great role in increasing the proportion of self-power generation and reducing energy consumption for iron and steel enterprises.To realize the optimal choice of stable water quality,low cost and low water consumption in power generation,the water replenishment of circulating water system of generator sets needs to be considered comprehensively from the aspects of technical,economic and water consumption indexes.By analyzing and comparing the different water replenishment methods of the units in the actual field work,it helps to reasonably select the water replenishment method of the circulating water system.【Keywords】subcritical unit;water replenishment method;cost;power generation water consumption前言随着钢铁行业对煤气综合利用水平的不断提高，亚临界参数锅炉和汽轮发电机组已经成为钢铁企业自备电厂的主力机型，对钢铁行业提高自发电能力起到巨大作用。但发电机组也是一个用水大户，用水量直接影响着钢铁企业吨钢新水用量。通过对某公司100 MW亚临界参数机组循环水系统不同补水方式的分析和比较，从水质、成本和发电水耗多角度讨论了经济合理的补水方式。1 机组情况介绍某公司100 MW亚临界汽轮发电机组循环冷却水系统由 1座逆流式自然通风冷却塔、4台循环水泵、1台卧式双流程凝汽器及相应进出循环水管道组成，循环冷却水系统如图1所示。夏季最大循环水量为 14 400 m/h，其他季节最大循环水量为 10 000 m/h。2 循环水系统水量损失构成冷却塔水量损失包括蒸发损失、排污损失、风吹损失和其他损失。其中，蒸发损失占冷却塔耗水量的71.4%，这是循环水系统损失最大的一项。排污损失和风吹损失分别占冷却塔耗水量的21.3%和6.7%，其他损失占0.6%1，损失构成见图2。因此循环水系统每天都需要及时补充新水，保证循环水量满足发电机组冷却需求，同时也要保证循环水系统水质符合要求，避免凝汽器冷却管束结垢、腐蚀。2.1 各项损失的计算公式火力发电厂循环水系统运行过程中，维持系统正常稳定运行的关键是两个平衡，即水量平衡和盐量平衡。二者相互联系，如果其中一个平衡发生变化，那么另一个平衡也会随之发生相应变化1。水量平衡的数学表达式为：M=E+B+D+F（1）式中：M补充水量，t/h；E蒸发损失量，t/h；B风吹损失量，t/h；D排污损失量，t/h；F其他损失量，t/h。其他损失F主要是指渗漏损失，由于本系统无渗漏，F可忽略不计，式（1）可以简化为：M=E+B+D（2）补水百分率表达式为：P=P1+P2+P3（3）式中：P补充水量占循环水量的百分率；P1蒸发损失水量占循环水量的百分率；P2风吹损失占循环水量的百分率；P3排污损失占循环水量的百分率。在以上平衡中通常P1所占的份额较大，其大小主要取决于凝汽器的热负荷以及气候条件；P2的值通常取0.1%2（机组冷却塔中装有除水器时）；P3的值主要取决于循环水系统所能达到的浓缩倍率。循环水的盐量平衡表达式：K=（P1+P2+P3）/（P2+P3）（4）式中：K循环水系统的浓缩倍数。发电行业在比较经济节水的情况下，一般保持K的值在34为宜。2.2 各项损失的举例计算蒸发损失计算表达式为：E=t Qm（5）式中：与环境大气温度有关的系数，1/，取值见表13；t循环冷却水温升，；Qm循环水量，t/h。以100 MW亚临界发电机组为例，当环境温度为 20 时，=0.001 4、循环水温升 8、循环水量 12 000 t/h，计算蒸发损失量 E、风吹损失 B、排污损失D：E=0.001 4 8 12 000=134.4 t/hP1=E/Qm=134.4/12 000100%=1.12%图1 循环冷却水系统示意图图2 循环水系统水量损失构成表1 系数的取值表402024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER环水系统每天都需要及时补充新水，保证循环水量满足发电机组冷却需求，同时也要保证循环水系统水质符合要求，避免凝汽器冷却管束结垢、腐蚀。2.1 各项损失的计算公式火力发电厂循环水系统运行过程中，维持系统正常稳定运行的关键是两个平衡，即水量平衡和盐量平衡。二者相互联系，如果其中一个平衡发生变化，那么另一个平衡也会随之发生相应变化1。水量平衡的数学表达式为：M=E+B+D+F（1）式中：M补充水量，t/h；E蒸发损失量，t/h；B风吹损失量，t/h；D排污损失量，t/h；F其他损失量，t/h。其他损失F主要是指渗漏损失，由于本系统无渗漏，F可忽略不计，式（1）可以简化为：M=E+B+D（2）补水百分率表达式为：P=P1+P2+P3（3）式中：P补充水量占循环水量的百分率；P1蒸发损失水量占循环水量的百分率；P2风吹损失占循环水量的百分率；P3排污损失占循环水量的百分率。在以上平衡中通常P1所占的份额较大，其大小主要取决于凝汽器的热负荷以及气候条件；P2的值通常取0.1%2（机组冷却塔中装有除水器时）；P3的值主要取决于循环水系统所能达到的浓缩倍率。循环水的盐量平衡表达式：K=（P1+P2+P3）/（P2+P3）（4）式中：K循环水系统的浓缩倍数。发电行业在比较经济节水的情况下，一般保持K的值在34为宜。2.2 各项损失的举例计算蒸发损失计算表达式为：E=t Qm（5）式中：与环境大气温度有关的系数，1/，取值见表13；t循环冷却水温升，；Qm循环水量，t/h。以100 MW亚临界发电机组为例，当环境温度为 20 时，=0.001 4、循环水温升 8、循环水量 12 000 t/h，计算蒸发损失量 E、风吹损失 B、排污损失D：E=0.001 4 8 12 000=134.4 t/hP1=E/Qm=134.4/12 000100%=1.12%图1 循环冷却水系统示意图图2 循环水系统水量损失构成表1 系数的取值表气温/系数/（1/）-100.000 800.001 0100.001 2200.001 4300.001 5400.001 6412024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWERB=QmP2=12 0000.1%=12 t/hD=QmP3由式（3）可推导出：P3=P1+P2（1-K）（K-1）取K=3.5则P3=1.12%+0.1%（1-3.5）（3.5-1）=0.348%D=12 0000.348%=41.76 t/h计算补充水量：M=E+B+D=134.4+12+41.76=188.16 t/h单位换算后，蒸发损失总量为3 226 t/d，风吹损失总量为288 t/d，排污损失总量为1 002 t/d，补水总量为4 516 t/d。3 补水方式的分析与选择3.1 补水方式的分析发电循环水系统补充水有两种水源，一种是生产新水，单价6.43元/t，另一种是一级除盐水，单价9.42元/t，发电量按照全天240万kWh计算。按补水水源选择，可以有三种补水方式：方式一为全补充生产新水，方式二为全补充一级除盐水，方式三为同时补充生产新水和一级除盐水。3.1.1 方式一因为蒸发的水是纯水，水中盐分不会带走，因此要保持水中盐分浓度不变，就需要补充相应数量的纯水才能保持水质稳定。方式一采用的是生产新水，含有一定盐份，因此补充生产新水量要按照循环水的浓缩倍数K来计算，取K=3.5，补充的生产新水量为3 2263.5=11 291 t/d。风吹损失与排污损失水量合计为1 290 t/d，因为盐分随排污带走，完全可以用生产新水补充，不会恶化水质。因此对应的补水总量M1为：11 291+1 290=12 581 t/d补水总成本C1为：12 5816.43=80 896元/d发电水耗q1为：12 581 240=52.42 t/万kWh3.1.2 方式二这种方式下，蒸发损失的量完全可以用一级除盐水补充，风吹损失和排污损失量用一级除盐水补充，水质还会进一步优化。那么，补水总量M2为：3 226+1 290=4 516 t/d补水总成本C2为：4 5169.42=42 541元/d发电水耗q2为：4 516240=18.82 t/万kWh与方式一相比，方式二的补水总量减少了 8 065 t/d，补水成本降低了38 355元/d，发电水耗降低了33.6 t/万kWh。3.1.3 方式三这种方式的补水，需要确定生产新水和一级除盐水占总补水量的比例。从方式二的计算过程中可以知道，每日蒸发损失的水量，应当用一级除盐水进行补充才能有效控制补水总量，如果少于这个量，总补水量会大于4 516 t/d，发电水耗指标也会上升。如果全用一级除盐水补充风吹损失和排污损失的水量，浪费了高品质补水，因此这部分损失采用生产新水补充是最合适的。确定补水原则为：蒸发损失用一级除盐水补充，其他损失用生产新水补充。按照这一原则，补水量总 M3仍然维持在 4 516 t/d，且水质可以保持稳定。总成本C3为：3 2269.42+1 2906.43=38 684元/d发电水耗q3为：4 516240=18.82 t/万kWh一级除盐水量与生产新水量的比值为2.5。实际生产中因为发电负荷以及环境温度变化等因素影响，通常一级除盐水量与生产新水量的比值在1.952.55范围内。3.2 补水方式的选择综合分析上述 3 种补水方式可知，M1M2=M3、C1C2C3、q1q2=q3，综合考虑补水总量、成本和发电水耗，方式三是补水量最少、成本最低和水质最稳定的最优方案。4 实际情况检验表2是2023年110月间发电负荷率90%以上时机组实际补水数据。平均补水量为4 315 t/d，平均一级除盐水量与生产新水量的比值为2.18，平均浓缩倍数 3.34，平均发电水耗 18.33 t/万 kWh，平均补水成本36 254元/d，与理论计算基本一致。5 发电机组循环水系统的节水措施发电机组循环水系统是整个钢铁企业公辅系统生产过程中最大的水用户，发电系统应选择高效的节水策略。422024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER5.1 保持循环水系统浓缩倍数图 3是补水量与浓缩倍数的关系曲线，从图 3可以看出浓缩倍数并非越高越好，浓缩倍数大于4.5以后，补水量不再明显降低，而循环水中盐分的浓缩会使冷却设备管束的结垢倾向趋于提升。而浓缩倍数小于3时补水量偏大，通常保持浓缩倍数K在3.04.0范围内3。5.2 选择经济合理的运行参数应根据发电负荷、环境温度和机组真空度等因素，及时调整循环水泵运行台数，保持循环水温升810，凝汽器端差35，凝汽器真空度-95 kPa以上。图4和图5分别是补水量与循环水温升和循环水量的关系曲线，均为正比例关系，因此控制发电机组运行在额定设计参数，尤其是通过水泵运行数量控制好水量和温升都有助于降低补水量。6 结束语发电机组的补水量应充分考虑水质稳、成本低和水耗小等多方面因素，补水方式以一级除盐水和生产新水混补为宜。此外还应维护好冷却系统设备，特别是冷却水塔填料层要保持完好，无局部破损，布水均匀无短路，保证良好的换热效果。参 考 文 献 1 翟培强.火电厂循环冷却塔耗水量影响因素分析 J.电站辅机，2005（4）：27-28.2 刘汝青.自然通风逆流湿式冷却塔蒸发水损失研究 D.山东大学，2008：8-12.3 周本省.工业水处理技术 M.北京：化学工业出版社，2002.收稿日期：2023-12-29作者简介：周良旭（1970-），男，研究生学历，高级工程师，现从事动力设备技术管理工作。图3 补水量与浓缩倍数的关系图4 补水量与循环水温升的关系曲线图5 补水量与循环水量的关系表2 100 MW机组补水数据统计统计时间2023年1月2023年2月2023年3月2023年4月2023年5月2023年6月2023年7月2023年8月2023年9月2023年10月日均发电量/万kWh233240234217241246235239234234补水总量/(t/d)4 3994 6774 1854 0624 5024 7734 1914 3584 0643 937除盐水与生产新水量比值2.052.201.991.952.442.532.202.152.192.07发电水耗/(t/万kWh)18.919.517.918.718.719.417.818.217.416.8浓缩倍数3.213.523.063.172.993.453.363.683.653.26日补水成本/元37 12939 69135 24334 14538 49440 92335 56036 92234 47733 25643