垃圾焚燒發電廠冷卻水系統一鍵啟動及現場總線應用

摘 要：循環冷卻水系統是發電廠中最重要的輔助系統之一，其啟動流程復雜且人工操作會時常導致啟動故障；在運行時，處于非經濟狀態下的循環冷卻水系統電耗占整個發電機組的15%～25%。為解決上述2個問題，該文依據循環冷卻水系統運行原理以及APS分層分級的設計原則，設計一套APS自啟動控制系統，大大簡化機組啟動流程，避免由運行人員操作不當引起的工作失誤。而后系統基于最佳真空的循環水系統優化方法，根據熱力學計算和數據分析，構建經濟真空模型，找到最佳經濟真空值并確定單臺循環水泵運行時系統經濟性最高。經實驗證明，在工況相近的條件下，單泵比雙泵運行時循環水泵電耗減少51%，冷卻塔風機電耗減少6.4%，節水69.33 t，達到了較好的節能效果。

關鍵詞：生活垃圾焚燒電廠；循環冷卻水系統；一鍵啟動；系統優化；自啟動

中圖分類號：TM621 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0110-06

Abstract： The circulating cooling water system is one of the most important auxiliary systems in the power plant， and its start-up process is complex and manual operation will often lead to start-up failures; during operation， the power consumption of the circulating cooling water system in a non-economic state accounts for 15% and 25% of the whole generator set. In order to solve the above two problems， according to the operation principle of circulating cooling water system and the design principle of APS hierarchical classification， a set of APS self-starting control system is designed， which greatly simplifies the unit start-up process and avoids the work errors caused by improper operation. Then the system is based on the optimization method of the circulating water system with the optimal vacuum. According to the thermodynamic calculation and data analysis， the economic vacuum model is constructed， the best economic vacuum value is found and the highest economy of the system is determined when a single ci5DHIjims6OSOQka1OmDllA==rculating pump is running. It is proved by experiments that under similar working conditions， the power consumption of single pump is 51% less than that of double pumps， the power consumption of cooling tower fan is reduced by 6.4%， and water saving is 69.33 t， which achieves a better energy saving effect.

Keywords： municipal solid waste incineration power plant; circulating cooling water system; one-button start; system optimization; self-start

隨著火電機組控制系統自動化、智能化發展的要求，機組一鍵啟停控制系統（Automation Plant Start up and Shut down System，APS）已被廣泛應用到燃煤電站、燃氣輪機機組控制系統中，從而全面提高電廠自動化水平，以確保機組安全可靠、經濟高效運行，避免由運行人員操作不當引起的工作失誤，大大簡化了機組啟停流程[1]，甚至APS還能促進電廠電能質量的提升[2]。目前，國內已有華能海門電廠2×1 000 MW機組、珠海電廠4號600 MW機組、湛江奧里油電廠2×600 MW機組及廣西北海電廠2×300 MW等機組將APS已成功投入運行[3]。APS在火力發電廠中的應用已很成熟，將APS控制系統應用到垃圾焚燒電廠中勢必能有效提高垃圾焚燒廠的啟停效率，降低機組啟停成本及故障率。

APS在組織架構上可分為4層，即機組控制級、功能組控制級、功能子組控制級和設備驅動控制級，整體結構呈金字塔形狀，而機組控制級則處于控制層的頂端。但在算法程序設計時，由于機組啟停過程較為復雜，且啟停過程可能是有多個并行實現的或啟停前后順序是根據工藝條件進行調整的，為了簡化程序，APS采用模塊化架構設計，其設計思想原則為分層分級：①第一層為操作管理邏輯程序；②第二層為步進程序，是APS的核心；③第三層為控制[4]。目前一些新型的垃圾焚燒電廠或新型機組，已能夠實現一鍵啟停垃圾焚燒機組及子系統，實現垃圾焚燒的可視化和可控化，但相比于火電廠，垃圾焚燒電廠中對APS的應用還不夠全面。張敬爭[5]闡述了垃圾電廠焚燒主體工藝系統技術和輔助工藝系統技術的特點，為垃圾焚燒電廠實現一鍵啟停技術提供了理論指導，而朱靜等[6]則進一步對生活垃圾焚燒發電廠啟停爐的判定依據進行了深入探討，為APS的邏輯程序設計提供了思路。文獻[7]是現有所有有關垃圾發電廠順控自啟停的設計中研究最為詳細的，以高安屯垃圾焚燒發電廠為例，依據分級控制的原則，研究了焚燒部分自啟停的順控系統，提出了自啟停的流程及方案，并設計出了焚燒線的自啟停程序。然后利用Petri網對順控系統部分進行圖形化描述及分析。通過仿真和實際運行結果得出：所設計的自啟停程序能使焚燒線的啟停高效安全，減少了人工干預，提高了控制水平。

垃圾焚燒電廠的一鍵啟停研究多是關于焚燒部分的，有關循環冷卻水系統的研究少之又少，但循環冷卻水作為發電環節的核心組成部分之一，其一鍵啟停水平直接影響了垃圾焚燒發電廠的整體效率，在投運過程中仍因人工調控的方式使得機組有一定概率出現故障問題，降低了發電機組APS自動化水平，而循環冷卻水系統的運行方式又與能耗密切相關，因此對循環冷卻水系統進行監測和控制是非常有必要的[8-9]。

本文以某生活垃圾焚燒電廠的工程項目為例。該項目配有垃圾處理量為850 t/d機械式爐排焚燒爐和25 MW的凝汽式汽輪發電機組。基于現場總線，對該發電機組的循環冷卻水系統設計了一套APS自啟動控制系統，并基于最佳真空的循環水系統優化方法對該循環冷卻水系統進行了優化，從而降低了電耗和水耗，減少了啟動過程中的人工干預，確保系統安全、高效、經濟地運行。

1 循環冷卻水系統的一鍵啟動

該電廠的循環冷卻水系統為敞開式循環冷卻水。該循環冷卻水系統由3臺循環水泵、2座冷卻塔、2臺風機、1臺凝汽器、若干條循環水壓力管道、回水管道和其他小型設備組成。其中3臺循環水泵的配置分別為1臺變頻泵和2臺定頻泵；冷卻塔則為機械通風逆流濕式冷卻塔，其配備的風機皆為變頻風機。循環冷卻水的作用是將冷卻水送至凝汽器中，將凝汽器中的汽輪機所排入乏氣的余熱帶走，進行熱量的交換，同時也能維持凝汽器的真空度，使得汽水循環得以延續。系統運行時，循環冷卻水分為2個部分在系統中流動。主路部分負責把各個單元的回水送至冷卻塔，在冷卻塔內，循環水以噴淋的方式與風機所驅動的自下而上流動的空氣充分接觸進行熱交換，循環水溫度降低，降溫后的循環水進入循環水泵吸水池，最終通過循環水泵將冷卻后的循環水泵送至各個用水單元。旁路部分為循環水在進入冷卻塔前，將其中一部分的循環水通過過濾器，去除水中污泥等雜質后返回至循環水池，系統原理圖如圖1所示。由于該循環冷卻水系統為開放式循環水系統，冷卻塔會產生蒸發損失，排污產生排除損失，導致水系統水量不平衡，因此需要定期補充新鮮水，另外循環冷卻水系統長期使用而產生的污水還需定期排放到污水系統中。在工業生產中，為了達到抑制管內腐蝕結垢和殺菌除藻的效果，還會向循環冷卻水管道添加阻垢劑、緩蝕劑和殺菌劑。系統的能量交換包括電能與熱能，電能輸入包括水泵轉化電能為動能輸送冷卻水，以及冷卻塔風機將電能轉化為熱能冷卻循環水；熱能則通過凝汽器進入系統再由冷卻塔排至大氣中。

循環冷卻水APS設計構架如圖2所示，其功能組級啟動程控包含“啟動”“復位”“暫停”“跳步”4個手動選項。無人為干涉時，總程控滿足啟動條件后，循環冷卻水功能組級程控接收機組級主控單元的信號啟動，并向功能子組（設備子組）發送控制信號。循環冷卻水功能組級的程控也采用順控邏輯，能自動判定啟動條件、核查設備運行情況、依次啟動步序并確認完成情況。當設備子組中某一設備出現故障時，程控會自動在循環冷卻水操作界面對該故障進行報警，自動切換至已聯鎖的備用設備并自動開啟，故障設備停止運轉。當循環水系統的功能子組需要在某個條件下的特殊工況跳過時，操作人員選擇“跳步”即可。循環冷卻水功能組級程控都能獨立于整個順控邏輯而單獨執行，選擇該程控“啟動”即可。

循環冷卻水系統的啟動邏輯流程設計分為以下3部分，如圖3和圖4所示。

首先，循環冷卻水功能組級接收來自機組級的指令，滿足啟動條件后啟動程控。循環冷卻水在一鍵啟動前， 循環水系統的冷卻塔集水池向主控單元反饋所監測到的液位高度，應確保集水池液位大于0.5 m，若冷卻塔集水池的最低液位低于該設定值，則由主控單元發送信號進行補水，同時由控制單元發送信號關閉工業廢水處理電動閥。此外還需要在3個循環水泵中先預選運行的水泵，并將另外2臺水泵與其聯鎖，接入控制系統，當預選循環水泵出現故障時，由主控單元發送信號迅速切換至備用循環水泵，從而保障循環冷卻水系統順利啟動。

其次，設備子組（單元級）按一定的順控邏輯完成相應步序，設備層執行相應動作指令。在上述步驟中的條件確認后主控單元發出信號，打開相關閥門并啟動循環水泵。

最后，完成循環冷卻水啟動程控并反饋信號。當循環水泵出口壓力大于0.15 MPa的同時左右側凝汽器循環冷卻水出口壓力大于0.1 MPa，視為循環水系統啟動完成。此時主控單元向凝結水系統發送信號，關閉相關氣動閥及電動閥并啟動凝結水泵，凝結水系統開始工作。停機時的APS設計與啟動類似。通過APS的設計，以此實現系統高效穩定的啟動。

2 循環冷卻水系統的優化

實際運行中，循環冷卻水系統的電耗占整個發電機組的15%～25%，循環水泵的耗電量占機組發電總量的1.5%～2%，僅次于給水泵[10]，因此循環水系統的運行亟需優化。在電廠中，用于循環水系統優化的判定準則有3種：基于最佳真空的循環水系統優化方法、考慮冷卻水價格后的最大收益法和綜合成本煤耗率法[11]，基于本發電機組循環冷卻水系統設備配置及實際運行情況，本文選擇基于最佳真空的循環水系統優化方法作為循環水系統優化運行的判定準則。優化思路為：以凝汽器經濟真空所需的最佳供水量為目標。基于熱力學計算和數據分析，構建經濟真空模型，動態計算當前工況下的最佳真空值，優化汽輪機、凝汽器、循環水泵3個設備的運行，在不同負荷和不同環境溫度下求得最佳真空值、最小能耗以及最大凈上網電量，并根據最佳真空值獲得最佳循環水泵調節策略。

圖5表示最佳真空與循環水流量之間的關系。隨著不斷增加循環水流量，排汽壓力會逐漸降低，汽輪機組發電功率增加了ΔP，循環水泵的電動機耗功增加了ΔPp，機組凈出力的增加量ΔPnet表示為

ΔPnet=ΔP-ΔPp 。 （1）

由于a點對應的機組凈出力達到最大，因此稱a點的凝汽器真空為最佳真空，此時電廠經濟性達到最高。

2.1 汽輪機的變工況特性

基于回熱系統熱平衡法，汽輪機變工況計算模塊以主蒸汽流量、主蒸汽壓力、主蒸汽溫度實時工況數據為輸入參數，計算不同真空值下的汽輪機總發電功率，確定真空值對汽輪機總發電功率的影響關系[12]。

汽輪機組電功率P為

P= ， （2）

式中：P為汽輪機組電功率，單位為kW；wi為1 kg新蒸汽所做的實際比內功，單位為kJ/kg。

結合汽輪機回熱系統各抽汽系數以及焓值可得

wi=h0+αrhqrh-

αjhj+αchc+

αsgjhsgj ， （3）

式中：qrh為單位質量蒸汽在再熱器中的吸熱量，單位為kJ/kg；αj為各級的回熱抽汽系數；hj為各級的回熱抽汽比焓，單位為kJ/kg；αc為排汽系數；hc為排汽比焓，單位為kJ/kg；αsgj為軸封漏汽系數，hsgj為軸封漏汽比焓，單位為kJ/kg。

利用弗留格爾公式從最末級按順序倒推可以得到各抽汽口處的壓力，反復迭代直到各抽汽口處的壓力誤差滿足相應精度即可停止[13]。

2.2 凝汽器的變工況特性

以換熱器原理為基礎，計算循環冷卻水的溫升與端差之和（Δt+δt）。通過迭代循環水流量，使得2種計算方法所得的（Δt+δt）滿足相應精度，從而確定該工況下的循環冷卻水量。

根據經驗公式[14]可得

Pc=9.81×

， （4）

式中：Pc為凝汽器背壓，單位為Pa；ts為凝汽器飽和蒸汽溫度，單位為℃。

而凝汽器飽和蒸汽溫度ts可為[15]

ts=tw1+Δt+δt ， （5）

式中：ts為凝汽器蒸汽飽和溫度，單位為℃；tw1為循環水進口溫度，單位為℃；Δt為循環水溫升，單位為℃；δt為凝汽器端差，單位為℃。

凝汽器中循環水的吸熱量等于蒸汽的放熱量，遵循能量守恒定理，因此

Q=cpDwΔt=Dc（hc-hc′）+Dqt（hqt-hc′），（6）

式中：Dc為汽輪機排汽量，單位為t/h；Dw為循環水量，單位為t/h；Dqt為其他進入凝汽器蒸汽量，單位為t/h；hc為汽輪機排汽焓，單位為kJ/kg；hqt為其他進入凝汽器蒸汽量汽水焓，單位為kJ/kg；hc′為凝結水焓，單位為kJ/kg；cp為循環水比熱，一般取4.187 kJ/kg·K。

凝汽器傳熱端差δt可表示為蒸汽飽和溫度與循環水出口溫度tw2之差，又由凝汽器中基本傳熱公式可得對數平均溫差為

Δtm== 。 （7）

聯立后可得到凝汽器傳熱端差δt

δt= ， （8）

式中：K為凝汽器總體傳熱系數；A為凝汽器傳熱面積，單位為m2。

最終得到經濟真空模型邏輯如圖6所示。

模型具體運算流程如圖7所示。

2.3 循環水泵的耗功特性

循環水流量與循泵功率之間的關系

Pp= ， （9）

式中：Pp為泵功率，單位為kW；H為循泵揚程，單位為m；Dw為冷卻塔循環水實際處理量，單位為kg/h；η為循泵總效率；g取9.8 m/s2。

3 優化后能效分析

根據上述經濟真空計算模型，為了得到最佳循環水泵調節策略，機組將1臺泵運行和2臺泵并聯運行的狀況分別進行了6 d的運行實驗，設定循環水溫為29.5 ℃，冷卻塔風機頻率自動運行。12 d的運行真空值如圖8所示。

根據循環水泵的運行泵數以及運行時的真空值不同，對這12 d的數據進行了處理，7月1日—7月6日為第一組數據命名為A，7月7日—7月14日第二組數據命名為B，得到的數據為均值結果，將處理后2組數據的汽機進氣量、發電量、上網電量、循泵用電量、循環水用量、循環水進出口溫度作對比，得到表1和圖 9。

啟動2臺循泵較單臺循泵相比，汽機進氣量相近，但日均循泵用電量多5 382.50 kWh，冷卻塔風機耗電量多361.52 kWh，共計多耗電5 744.02 kWh。機組在單泵運行時，入爐噸發均值為633.76 kWh/t，垃圾入爐量為913.72 t；雙泵運行時，入爐噸發均值為637.55 kWh/t，增值3.78 kWh/t，垃圾入爐量為918.10 t；2臺循泵較單臺循泵運行時發電量僅增加3 500 kWh。

2臺循泵運行循環水進水溫度升高1.43 ℃，是因為循環水進入冷卻塔水溫38.83 ℃的換熱量低于41.91 ℃，循環水量增加后同冷卻塔風量下換熱效率降低了。

通過比較上述單臺泵和雙臺泵的運行數據得出：在冷卻塔風機頻率自動運行，循環水溫設定為29.5 ℃的條件下，2臺循泵工頻運行期間，循泵及冷卻塔風機耗電量增加5 744.02 kWh，但用噸發計算發電量僅增加3 500 kWh，而發電量和上網電量并無明顯增量，說明單臺循泵運行時的經濟性優于2臺循泵運行，因此選擇1臺變頻泵運行即可。

4 結論

本文通過對循環冷卻水系統運行原理和運行節能研究的深入分析，針對該系統設計了APS一鍵啟動，同時監測了循環水系統中的壓力、溫度、液位等相關參數，簡化了啟動時的操作流程，減少因人工操作帶來的系統故障。而后根據最佳真空的循環水系統優化準則，基于熱力學計算和數據分析，構建了經濟真空模型，動態計算當前工況下的最佳真空值，并根據最佳真空值得到單臺變頻泵運行時，電廠經濟性最佳，其具體結論如下。

1）采用機組級、功能組級、單元級3層控制結構，在有效壓縮啟動時間的同時提升了控制的精確度，提升了循環冷卻水系統啟動的效率。將備用泵、風機等設備納入了控制范圍，在預選設備出現故障時可以立即切換為備用設備，避免因設備故障導致啟動中止的情況發生。

2）經濟真空模型包括汽輪機變工況計算模塊、凝汽器變工況計算模塊以及泵計算模塊，基于回熱系統熱平衡法，汽輪機變工況計算模塊以主蒸汽流量、主蒸汽壓力、主蒸汽溫度實時工況數據為輸入參數，計算不同真空值下的汽輪機總發電功率，確定了真空值對汽輪機總發電功率的影響關系。凝汽器變工況計算模塊以換熱器原理為基礎，從2個角度分別計算循環冷卻水的溫升與端差之和（Δt+δt）。通過迭代循環水流量，使得兩種計算方法所得的（Δt+δt）滿足相應精度，從而確定該工況下的循環冷卻水量。

3）根據經濟真空模型得到的最佳真空值確定了最佳循環水泵運行策略為單臺循泵運行時經濟性最好。

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第一作者簡介：劉喜（1975-），男，工程師。研究方向為垃圾焚燒發電廠建設運營管理。