張東文 ,張宇陽(yáng)
(1. 國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100095;2. 冀北電力有限公司檢修分公司,北京 102400)
德國(guó)林根核電站1300 MWe機(jī)組采用二次循環(huán)供水系統(tǒng),其冷卻塔的輸入條件和規(guī)模如下:
熱負(fù)荷:2430 MW
循環(huán)水量:158000 t/h
進(jìn)塔水溫:36.3℃
出塔水溫:23.1℃
在此條件下,本工程配置的冷卻塔淋水面積:13050 m2;高度:152 m。
而中國(guó)石島灣核電站1400 MWe機(jī)組,在熱負(fù)荷(2545 MW)相當(dāng)?shù)臈l件下,針對(duì)該廠址的條件,通過(guò)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化確定的冷卻塔淋水面積為18000 m2,高度213.5 m。
中國(guó)石島灣核電站較德國(guó)林根核電站的冷卻塔淋水面積大約為5000 m2,高度相差達(dá)62 m,而冷卻塔淋水面積和高度的增加均會(huì)提高冷卻塔冷效的同時(shí),也提高了冷卻塔的投資,也影響電站的運(yùn)行年費(fèi)用,分析其影響因素意義重大。
作為電站的冷端重要設(shè)備之一的冷卻塔,影響其規(guī)模大小的因素很多,如汽輪發(fā)電機(jī)組的排汽焓、冷卻塔的單位面積造價(jià)、冷卻塔所在地氣象條件、冷卻塔型式、循環(huán)冷卻倍率、淋水填料類(lèi)型、循環(huán)水水質(zhì)狀況等。
本文主要針對(duì)德國(guó)林根核電站、中國(guó)石島灣核電站兩個(gè)廠址地域特點(diǎn),重點(diǎn)從氣象條件和冷卻塔綜合造價(jià)兩個(gè)方面,依次展開(kāi)論述,計(jì)算、分析影響冷卻塔淋水面積以及塔高的主要因素。而對(duì)于影響冷卻塔淋水面積的常規(guī)因素,如冷卻塔型式、循環(huán)冷卻倍率、淋水填料類(lèi)型、循環(huán)水水質(zhì)狀況,筆者不再贅述。
在濕式冷卻塔中,熱水的溫度高,流過(guò)水表面的空氣的溫度低,水將熱量傳給空氣,由空氣帶走,散到大氣中去。濕冷塔散熱有兩種形式:①接觸散熱、②蒸發(fā)散熱。因此冷卻塔所在地的氣溫對(duì)冷卻塔選型有極其重要的影響,在相同的熱負(fù)荷、出塔水溫要求下,冷卻塔淋水面積會(huì)因所在地氣溫不同而差異迥然。德國(guó)林根廠址、中國(guó)石島灣廠址和中國(guó)彭澤廠址的氣象條件見(jiàn)表1。
表1 各廠址的氣象條件
在相同的熱負(fù)荷(2430 MW)和出塔水溫(23.1℃)條件下,計(jì)算所需的濕式海水冷卻塔大小,即淋水面積。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 氣象條件對(duì)冷卻塔選型的影響
由以上計(jì)算結(jié)果可知,氣象條件對(duì)冷卻塔淋水面積的大小有較大影響,濕球溫度由8.0℃到9.7℃,冷卻塔淋水面積增大了9%,到14.5℃淋水面積增大了42%。
在一定的冷端規(guī)模下,當(dāng)冷卻塔單位造價(jià)較高時(shí),從冷端的角度上講,應(yīng)當(dāng)通過(guò)增大凝汽器面積或提高機(jī)組設(shè)計(jì)背壓等方式,以減小冷卻塔在冷端中所起的作用,提高整個(gè)冷端系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。
在歐洲,冷卻塔建設(shè)的人工成本及混凝土價(jià)格等因素,使得歐洲的冷卻塔單位造價(jià)比國(guó)內(nèi)高出很多,如歐洲海水冷卻塔的單位面積造價(jià)約為4.53萬(wàn)元/m2,中國(guó)海水冷卻塔的單位面積造價(jià)約為1.7萬(wàn)元/m2,因此與國(guó)內(nèi)機(jī)組容量相同的電站相比,德國(guó)林根核電站適宜采用淋水面積比較小的冷卻塔。
在歐洲,各國(guó)政府基于對(duì)石油危機(jī)等因素的考慮,政策上鼓勵(lì)冬季的采暖及采光等更多地使用電能,而夏季不需空調(diào)制冷,使得冬季電站負(fù)荷較高。根據(jù)這一用電需求特點(diǎn),需要采用較高設(shè)計(jì)背壓以有利于冬季多發(fā)電,提高冬季的微增收益,進(jìn)而提高電廠的收益。
因此,德國(guó)林根核電站采用了8.95 kPa的設(shè)計(jì)背壓,采用如此高的背壓值,則對(duì)冷端要求較低,出塔水溫就可以提高很多,冷卻塔也就相應(yīng)可以做得小很多。
而在中國(guó)的中、南部地區(qū),夏季比較炎熱、需要空調(diào)、風(fēng)扇等電器降溫,使得夏季用電負(fù)荷最高;同時(shí)又因我國(guó)火電裝機(jī)容量相對(duì)過(guò)剩,年發(fā)電小時(shí)數(shù)在4000~5000 h之間。根據(jù)這一用電需求特點(diǎn),需要根據(jù)具體廠址的氣象條件、主要冷端設(shè)備的綜合造價(jià)、年發(fā)電小時(shí)數(shù)、發(fā)電成本價(jià)或上網(wǎng)電價(jià)等,通過(guò)冷端優(yōu)化,合理確定適合具體廠址的冷端規(guī)模,進(jìn)而確定機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓。
以國(guó)內(nèi)核電廠址——石島灣核電站1400 MWe級(jí)機(jī)組為基礎(chǔ)條件,分析冷卻塔的單位面積造價(jià)對(duì)冷卻塔選型的影響。
目前中國(guó)國(guó)內(nèi)海水冷卻塔的單位面積造價(jià)約為1.7萬(wàn)元/ m2;上網(wǎng)電價(jià)為0.35元/(kWh)。
采用三背壓機(jī)型,經(jīng)冷端優(yōu)化計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表3,工程適宜的冷卻塔面積為18000 m2、塔高213.50 m、4.37 kPa。
表3 國(guó)內(nèi)冷卻塔造價(jià)、三背壓機(jī)型冷端方案排序
如果僅改變冷卻塔單位造價(jià)為4.53萬(wàn)元/ m2經(jīng)冷端優(yōu)化計(jì)算,結(jié)果如表4,工程適宜的冷卻塔面積為14000 m2、塔高188.90 m、5.0 kPa。
表4 歐洲冷卻塔造價(jià)、三背壓機(jī)型冷端方案排序
以上優(yōu)化計(jì)算結(jié)果說(shuō)明:由于歐洲冷卻塔的單位面積造價(jià)比國(guó)內(nèi)高出許多,工程中建設(shè)淋水面積較小的冷卻塔更為經(jīng)濟(jì)合理。
綜合氣象條件和冷卻塔的單位面積造價(jià)等因素的影響,使中國(guó)石島灣核電站較德國(guó)林根核電站的冷卻塔淋水面積大約為5000 m2、高度相差約62 m的配置方案,針對(duì)各廠址條件而言均是經(jīng)濟(jì)合理的。
(1)以德國(guó)林根核電站1300 MWe級(jí)機(jī)組為例,歐洲林根核電站廠址的年平均濕球溫度為8.0℃,石島灣核電站廠址的年平均濕球溫度為9.7℃,在保證相同的熱負(fù)荷和出塔水溫條件下,相應(yīng)配置的濕式常規(guī)海水冷卻塔淋水面積分別為13050 m2、14200 m2,表明冷卻塔所在地氣溫條件直接影響冷卻塔的淋水面積。
(2)以石島灣核電站1400 MWe級(jí)機(jī)組為例,在相同的廠址、三背壓機(jī)型條件下,分別采用歐洲冷卻塔單位面積造價(jià)4.53萬(wàn)元/ m2、國(guó)內(nèi)冷卻塔造價(jià)約為1.7萬(wàn)元/m2,經(jīng)冷端優(yōu)化計(jì)算,所配置的濕式高位集水冷卻塔淋水面積和塔高分別為14000 m2、塔高188.90 m和18000 m2、塔高213.5 m,表明冷卻塔的單位面積造價(jià)也會(huì)直接影響其淋水面積的大小。
(3)作為電站的冷端重要組成之一的冷卻塔,其規(guī)模大小與其廠址條件密切相關(guān),脫離廠址條件空談冷卻塔的規(guī)模是沒(méi)有實(shí)質(zhì)意義的。
德國(guó)林根核電站由于冷卻塔單位面積造價(jià)高、冬季用電負(fù)荷大等客觀原因,決定了其冷端適宜采用較小淋水面積的冷卻塔、高排汽壓力的配置。
相比之下,由于我國(guó)人工和混凝土成本相對(duì)較低使冷卻塔的單位造價(jià)較低,使得冷卻塔的淋水面積傾向大的趨勢(shì);但在南方氣溫較高、濕度較高,使得冷卻塔的冷卻難度增加,使機(jī)組趨向高排汽壓力運(yùn)行。這就意味著必須針對(duì)具體的廠址條件,通過(guò)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件,對(duì)冷端進(jìn)行全面、綜合優(yōu)化,合理確定冷端的規(guī)模,以期達(dá)到電站安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。
相反不能片面追求年平均工況的發(fā)電容量,導(dǎo)致冷端配置高、工程投資大、平均排汽壓力與阻塞排汽壓力的差值較小,冬季氣溫低時(shí)受阻塞背壓的限制,不能充分利用自然條件實(shí)現(xiàn)多發(fā)電。