中国能建山西省电力勘测设计院有限公司 太原 030001
Study of the Arrangement of Two Layers Heat Exchangers and the Tower Shape for 660MW Two Units using one Indirect Dry Cooling Tower
Zhang Xin-hai Zhang Shu-sheng
Taiyuan City，Shanxi Province
摘要：当2×660MW机组采用两机一座间冷塔时，为了减少占地，节省循环水泵电耗，提高防冻能力，提出一种散热器新型双层布置方案。同时，为了满足这种布置的间冷塔底部直径要求，在双曲线塔型无法实现的情况下，又提出三次样条曲线间冷塔塔型方案。通过给出新方案的技术经济数据，表明：两种技术方案结合可形成一种具有减少占地、经济、节能、防冻等特点的新型间冷塔设计技术。该技术在场地狭小地区布置间冷塔变为可能，在投资基本相当的情况下，比常规布置每年可节省数百万元电费，且具有无水扇段百叶窗主动开启的防冻措施。
关键词：660MW两机一塔，散热器双层布置，塔型，减少占地，节能，防冻。
Summary：When cooling systems of two sets of 660MW units is built with one indirect Dry cooling tower（IDCT），two layers arrangement solution of heat exchangers（HE）will be Proposed for decreasing construction land，saving circulating pump energe，and avoiding freeze of HE. Based on this solution of smaller bottom diameter of IDCT，hyperbola tower shape do not meet this requirement，thus gather，the solution of cubic spline fuction tower shape is proposed for IDCT，and here give technical and economic Data of new solutions，stating that two solutions will be made up of one new desigen technology of IDCT. Using this technology，it is possible to build IDCT in samller field，millions of electric cost will be saved in nearly the same investment in comparison with conventional IDCT，and forwardly opening louvers of no water sectors will be used for a new antifreezing measures in winter.
Abstract：660MW Two Units One IDCT，HE Double-layer Arrangement，Tower Shape，Saving Construction Land，Saving Electricity Consumpution， Antifreezing Measures.
0.引言
近几年，国内火电空冷机组大量采用间接空冷系统，特别是600MW级及以上项目逐渐增多，如何创新设计大型间冷塔引起了重视。以前，在2台350MW机组上已经提出[1]并相继采用了散热器塔外垂直布置的两机一塔方式；现在，2台660MW机组在场地较为宽松的地区采用一机一塔的方式，在场地较为紧张的地区也开始采用“两机一塔”的方式。虽然比一机一塔已经节省了占地，但是由于其规模相当于1320MW的间冷塔，其占地还很大。尽管可以采用高而少的散热器来减少占地，但却带来散热器水侧阻力增加的弊端和百叶窗难以同步控制的不足。能否进一步减少占地，能否进一步节约电耗，能否进一步提高防冻性能，这些都是特大型间冷塔设计中重点考虑和解决的问题，甚至成为在电厂选址、机组容量确定、烟塔合一等电厂建设过程中的制约因素。
1.散热器现有布置介绍
1.1散热器采用常规单层布置的缺点
间接空冷系统散热器有多种布置型式，文章[2]已经给出了从135MW～1000MW机组的间接空冷散热器各种布置方式的比较。其中，针对1000MW级机组间冷塔，给出了采用大基管（?25）铝制四排管塔外垂直布置方式占地没有优势的结论。现在，已经开发了大基管铝制六排管，而且散热器冷却三角高度可达到28m。用这种散热器，特大型间冷塔散热器采用塔外垂直布置方式可以进一步缩小占地。但是，同时也牺牲了原来的铝制四排管较好的热力性能和水侧阻力性能，即：热力性能降低、水侧阻力增加；引起散热面积增加和循环水泵功耗增加。另外，冷却三角增高，相应的百叶窗增高，同步操控更困难，空气漏点增多，防冻问题更为严峻。
1.2散热器早期双层布置的不足
早期国内有些项目采用钢制散热器，受加工制造的限制，单片管束长度最长不超过15m。显然，大型间冷塔无法采用这种单层塔外垂直布置的散热器，因此，需要双层布置。理论上双层合计可高达30m，但在实际工程中散热器仅采用了25m，与铝制六排管散热器高度基本相当。这种双层布置仅仅是散热器本体在水侧进行了上下分层[3]，各层并没有独立的冷却扇段进出水管。同时，空气侧也没有分层，即上下两层冷却三角仍采用同一个百叶窗。该布置仅可节省电耗，并不具有进一步减少占地和提升防冻能力的功能。由于钢制散热器价格较高，目前已经退出了国内空冷市场。
2.散热器新型双层[4]布置的优点
目前电厂大型间冷塔主要采用大基管的铝制四排管和铝制六排管散热器。2台660MW机组两机一塔，按仍然采用热力和水力性能较优且有成熟运行经验的铝制四排管散热器，进行双层布置。上下两层完全独立，有独立的冷却扇段进出水管、有独立的百叶窗。为了便于下层散热器吊装检修，上层散热器可以采用向塔中心收缩的错位布置方式。1000MW级机组一机一塔时也可以采用这种方式。另外，对于660MW机组一机一塔或者2台350MW机组两机一塔时，可以采用小基管（?18）的铝制六排管进行类似双层布置。此布置方式的主要优点如下：
2.1减少占地
考虑到间冷塔X支柱土建造价因素，每层散热器高度不宜超过18m，则两层散热器总高度可达到36m。与常规的单层28m高度相比，在管束宽度一致、冷却三角夹角相同的条件下，散热器双层布置的外圈周长可进一步减少25%。即：散热器采用大基管铝制四排管新型双层布置与采用大基管铝制六排管常规单层布置相比，理论上可再减少25%的塔底散热器外缘直径。减少散热器外缘直径，也对塔周围建筑物影响圈缩小，因此可以节省占地。
2.2节约电耗
新型双层布置不仅具有常规单层布置每个散热器水侧是并联系统的特点，同时上下两层水侧循环水也是并联系统。无论是新型双层布置还是常规单层布置，水侧均采用双流程。设2×660MW机组循环水量为2×60000m3/h，如采用双层布置，需要18m高冷却三角上下层共2×192个，散热器水侧有122880根18m长?25的基管；如采用单层布置，需要28m高冷却三角206个，散热器水侧有98880根28m长?25的基管。两种布置，散热器基管直径相同，但是水流程长分别为36m和56m；流量相同，基管数量不同，基管内流速不同，分别为1.24m/s和1.54m/s。从散热器进口到出口水阻分别为4.12m和7.77m，前者比后者可节省水泵轴功率约1350kW，按年利用小时数5000小时、电价0.3元/kWh计算，每年可节省约203万元电费。
2.3可提高防冻能力
间冷塔通常的防冻措施是：根据散热器冷却扇段出口水温，通过调节百叶窗开度来控制通过散热器的空气量。从实际运行电厂调研了解到：由于百叶窗较长（一般大于24m）且为单拉杆，加之设备制造误差以及磨损等原因，往往经过一段运行时间后，很难保证扇段各百叶窗以及各百叶窗叶片开度一致性，特别是无法保证百叶窗全关时的严密性，导致百叶窗冬季出现“漏风”问题。由于运行的间冷塔有较强的自然抽力，虽然百叶窗显示是全“关闭”状态，但通过缝隙所漏的空气量，对于散热器而言，仍然属于“过量”，所以容易造成处于运行状态的散热器冻结。
新型双层布置，在冬季寒冷时段运行时，采用疏而不堵的方式，即：停运并排空上层或下层某些冷却扇段散热器内的循环水，对排空的扇段的百叶窗采取主动打开一定开度，形成冷空气通风旁路。该冷空气与流经运行散热器的热空气在塔内混合后，混合空气的温度低于热空气温度，且与塔出口环境空气温度差值减小，使得间冷塔抽力减小。间冷塔抽力减少，又进一步减少了正处于运行且百叶窗在“关闭”状态扇段的冷空气的漏风量。冷源减少，有效缓解了散热器冻结的危险性，提升了间冷塔的防冻性能。该技术也可用于已投运的散热器常规布置的电厂改造。
2.4可满足烟塔合一运行要求
当间冷塔内设置烟囱或脱硫装置，即采用“烟塔合一”或“三塔合一”时，在冬季某些时段，常规布置方式是将所有百叶窗关闭。关闭后，对于散热器而言，漏风量“过量”；但对于间冷塔出口而言，整塔的空气量又显“不足”。根据德国VDI 3784-1990冷却塔排放评估的启准条件，“烟塔合一”塔出口处的密度弗洛德数需大于0.35。根据其计算公式，该数值与间冷塔出口空气流速相关性最大。如果采用新型双层布置，按照本文2.3节所述，冬季主动开启非运行扇段的百叶窗，一方面，提升了散热器防冻能力，另一方面，总的空气流量增加，能够满足塔出口处的最小弗洛德数的要求。
3.采用新型双层布置的间冷塔型变化
3.1间冷塔几何形状特点及减少塔底直径的方法
散热器双层布置优点之一是散热器最外圈直径可以减少，相应地，就要求间冷塔塔体结构零米处塔底部直径也要缩小。
现行《水规》[5]规定了自然通风冷却塔的一些几何参数取值范围。如：壳底子午线倾角为16°～20°，塔高与底径的比为1.2～1.6，并规定自然通风冷却塔一般宜采用双曲线型，在具体工程中，经分析论证可以采用其他几何形状型式。
自然通风间冷塔与湿冷塔有所不同，其空气流量约是湿冷塔的4倍。因此，不仅要求有较高的进风口，同时也要求有较大的出口直径。文章[6]通过对间冷塔几何尺寸取值的研究，给出间冷塔塔出口直径的合理计算方法以及塔高与底部直径最优比值在1.0～1.2之间的范围。按此比例，间冷塔塔型属于“矮胖”型。
当2×660MW采用两机一塔时，为了充分发挥散热器效率（需要较大的抽力），同时也为了减少占地，在技术条件许可范围内，应尽可能采用较高的塔。即使如此，按照《水规》规定和间冷塔出口直径要求，如采用双曲线塔筒形状，塔高与底部直径的比值也还是位于1.2附近，塔仍属于 “矮胖”型。与本文想要达到的塔出口直径和塔高保持不变、底部直径尽可能缩小的“直筒”型塔型有较大差距。
缩小塔底直径的方法之一是：采用小子午线倾角的间冷塔，已经进行过1000MW级间冷塔研究表明，壳底子午倾角可达到11°～12°[7]。另一种缩小塔底直径的方法是：在符合现行规范精神及参数条件下，采用三次样条曲线型塔筒，下文将进行详细介绍。
3.2三次样条曲线函数构建及间冷塔的应用
3.2.1 三次样条函数的特点
a）在节点处有对应的函数值：
Sxi=yi， i=0，1，2，…，n （1）
b）节点处具有连续的一阶、二阶导数：
S'xi-0=S'xi+0，i=1，2，…，n （2）
S''xi-0=S''xi+0， i=1，2，…，n （3）
c）适合的样条函数Si（x）在各区间?i：（xi-1，xi）存在：
Six=aix3+bix2+cix+di （4）
i=1，2，…，n
按此可以构建函数，但是需要求解4n阶的线性方程组确定函数系数，如用于三个节点的间冷塔就需要求解八元一次方程组，计算较复杂，不是理想的方法。
3.2.2利用弯矩法[8]构建三次样条曲线函数
即利用各节点的二阶导数Mi作为未知量来构建函数S（x），因Mi解释为细梁在xi截面处的弯矩，故有弯矩法之称。
a）用Mi表示节点处xi的二阶导数值：
Mi=S"xi， i=0，1，2，…，n （5）
则在分段?i：（xi-1，xi） 上：
Sxi-1=yi-1， Sxi=yi （6）
S"xi-1=Mi-1， S"xi=Mi （7）
b）S"xi在?i是适合（7）式一次函数，其表达式为：
S"x=xi-xhiMi-1+x-xi-1hiMi （8）
其中hi=xi-xi-1
c）对（8）式两边积分两次并用（6）式确定两个积分常数，得到S（x）在?i：（xi-1，xi）一般表达式：
Sx=（xi-x）36hiMi-1+（x-xi-1）36hiMi
+yi-1-hi26Mi-1xi-xhi+yi-hi26Mix-xi-1hi （9）
d）对（9）式求导一次，并利用节点处连接条件，即S'xi-0=S'（xi+0），由此整理得出：
（1-αi）Mi-1+2Mi+αiMi+1=βi （10）
i=1，2，…，n-1
其中：
αi=hi+1hi+hi+1 βi=6yi+1-yihi+1-yi-yi-1hihi+hi+1
即：所构建的三次样条函数有式（9）的表达式，且其二阶导数Mi满足式（10）方程组。只要求解Mi即可得到函数各项系数。
3.2.3 三次样条函数在间冷塔上的应用
a）间冷塔塔筒上各节点分别为塔筒底部、喉部、塔出口共三处，即节点i=0，1，2。方程组式（10）的左边界条件[8]给定为：
2M0+α0M1=β0 （11）
已知间冷塔的壳底子午倾角要求，即已知y0'。因此，对（9）式求导并按（11）式整理得系数：
α0=1，β0=6h1（y1-y0h1-y0'）
b）方程组式（10）的右边界条件[8]类似地给定为：
αnMn-1+2Mn=βn （12）
已知间冷塔的塔顶扩散角要求，即已知yn'。因此，同理可推导出系数：
αn=1，βn=-6hn（yn-yn-1hn-yn'）
c）代入间冷塔几何塔筒上下两部分高度、三个节点值、以及左右边界条件，由此可构成以Mi为变量的三元一次方程组：
2M0+M1=β0（1-α1）M0+2M1+α1M2=β1 M1+2M2=β2 （13）
d）采用消元法解方程组，得到三个未知量的解：
M0=4-α1β0-2β1+α1β26 M1=-1-α1β0+2β1-α1β23 M2=1-α1β0-2β1+3+α1β26 （14）
e）要使函数在喉部处有最小值，则函数一阶导数在喉部y1'=0
经整理得出喉部半径公式：
r0=3r2h12-3r1h22-h1h2（y2'h1+y0'h2）3（h12-h22） （15）
为保证曲线在塔筒范围内有且仅有喉部一处最小值，则函数一阶导数在全部区间内应单调增加且仅有一处等于零，因而函数的二阶导数在全部区间内均应大于零。即：对（9）式进行两次求导后，要使S"x>0则须：
Mi>0 （16）
符合（14）、（15）、（16）式，即可得到满意的间冷塔三次样条函数。
4.经济性分析
以某2×660MW工程的间接空冷系统为例。汽轮机设计背压10.5kPa，每台机组循环水量60000m3/h，设计气温15℃，大气压力93hPa，50年一遇基本风压0.4kPa，地震动峰值加速度为0.10g，对应的地震基本烈度为Ⅶ度，地震动反应谱特征周期0.40s，场地土类别Ⅱ类。间冷塔采用两机一塔，按常规布置和新型布置比较如下：
注：1.常规间冷塔塔筒母线方程如下（塔高变量为x，坐标原点在喉部中心）：
S（x）=（b2+ax2）0.5+S
式中：a=0.271141427；b=104.4936308；
S=-45.8704279。
2.新型间冷塔塔筒母线方程如下（塔高变量为x，坐标原点在喉部中心）：
S（x）下段=a1（0-x）3 +b1（x+（0.75H-ΔH））3
+c1（0-x）+d1（x+（0.75H-ΔH））；
S（x）上段=a2（0.25H-x）3 +b2（x-0）3
+c2（0.25H-x）+d2（x-0）；
式中：a1=5.98275E-06；b1=6.17384E-08；
c1=4.78199E-01；d1=4.75270E-01；
a2=1.40518E-07；b2=1.52062E-05；
c2=1.083516896；d2=1.084803714。
5.结论
通过上述技术经济比较与分析，新型双层布置散热器技术和间冷塔采用三次样条曲线型式有以下优点：
a）可以减少占地。2×660MW机组采用两机一塔，可减少塔区占地约0.3公顷，减少10%以上。机组所需要的塔越大，节省土地越明显。该指标在土地资源紧缺地区尤为重要。特在电厂选址阶段有一定指导意义。
b）可节省循环水泵电耗。2×660MW机组采用两机一塔，可减少循环水泵轴功率约1350kW，每年可节省电费约203万元。符合节能减排政策。
c）可有效提高间冷塔防冻能力。通过对无水扇段百叶窗的主动开启防御方式，增加间冷塔冬季运行安全可靠性。
d）满足烟塔合一塔出口弗洛德数要求。在采用主动开启百叶窗防冻方式的同时，也满足“烟塔合一”时空气流量需求，可达到烟气抬升、扩散的目的。
e）塔体零米直径可以配套缩小。采用三次样条曲线函数可以作出满意的塔筒曲线，可以满足缩小塔底直径的需要，且在曲线光滑连续性及塔底倾角、喉部高度、塔顶扩散角等尺寸方面均符合规范要求。
f）经济性优势明显。以2×660MW为例，新型布置的散热器等工艺设备及安装比常规布置约省360万元，而新型间冷塔塔体比常规间冷塔塔体投资约高397万元。两项抵消后，新型布置的间冷塔总造价比常规间冷塔高约37万元，即投资基本相当。但是新型布置一年节省的电费非常可观。
参考文献
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论文作者:张新海,张树生
论文发表刊物:《电力技术》2016年第11期
论文发表时间:2017/3/1
标签：散热器论文; 百叶窗论文; 直径论文; 函数论文; 机组论文; 喉部论文; 常规论文; 《电力技术》2016年第11期论文;