垃圾焚烧发电厂冷却水系统一键启动及现场总线应用

摘 要：循环冷却水系统是发电厂中最重要的辅助系统之一，其启动流程复杂且人工操作会时常导致启动故障；在运行时，处于非经济状态下的循环冷却水系统电耗占整个发电机组的15%～25%。为解决上述2个问题，该文依据循环冷却水系统运行原理以及APS分层分级的设计原则，设计一套APS自启动控制系统，大大简化机组启动流程，避免由运行人员操作不当引起的工作失误。而后系统基于最佳真空的循环水系统优化方法，根据热力学计算和数据分析，构建经济真空模型，找到最佳经济真空值并确定单台循环水泵运行时系统经济性最高。经实验证明，在工况相近的条件下，单泵比双泵运行时循环水泵电耗减少51%，冷却塔风机电耗减少6.4%，节水69.33 t，达到了较好的节能效果。

关键词：生活垃圾焚烧电厂；循环冷却水系统；一键启动；系统优化；自启动

中图分类号：TM621 文献标志码：A 文章编号：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

随着火电机组控制系统自动化、智能化发展的要求，机组一键启停控制系统（Automation Plant Start up and Shut down System，APS）已被广泛应用到燃煤电站、燃气轮机机组控制系统中，从而全面提高电厂自动化水平，以确保机组安全可靠、经济高效运行，避免由运行人员操作不当引起的工作失误，大大简化了机组启停流程[1]，甚至APS还能促进电厂电能质量的提升[2]。目前，国内已有华能海门电厂2×1 000 MW机组、珠海电厂4号600 MW机组、湛江奥里油电厂2×600 MW机组及广西北海电厂2×300 MW等机组将APS已成功投入运行[3]。APS在火力发电厂中的应用已很成熟，将APS控制系统应用到垃圾焚烧电厂中势必能有效提高垃圾焚烧厂的启停效率，降低机组启停成本及故障率。

APS在组织架构上可分为4层，即机组控制级、功能组控制级、功能子组控制级和设备驱动控制级，整体结构呈金字塔形状，而机组控制级则处于控制层的顶端。但在算法程序设计时，由于机组启停过程较为复杂，且启停过程可能是有多个并行实现的或启停前后顺序是根据工艺条件进行调整的，为了简化程序，APS采用模块化架构设计，其设计思想原则为分层分级：①第一层为操作管理逻辑程序；②第二层为步进程序，是APS的核心；③第三层为控制[4]。目前一些新型的垃圾焚烧电厂或新型机组，已能够实现一键启停垃圾焚烧机组及子系统，实现垃圾焚烧的可视化和可控化，但相比于火电厂，垃圾焚烧电厂中对APS的应用还不够全面。张敬争[5]阐述了垃圾电厂焚烧主体工艺系统技术和辅助工艺系统技术的特点，为垃圾焚烧电厂实现一键启停技术提供了理论指导，而朱静等[6]则进一步对生活垃圾焚烧发电厂启停炉的判定依据进行了深入探讨，为APS的逻辑程序设计提供了思路。文献[7]是现有所有有关垃圾发电厂顺控自启停的设计中研究最为详细的，以高安屯垃圾焚烧发电厂为例，依据分级控制的原则，研究了焚烧部分自启停的顺控系统，提出了自启停的流程及方案，并设计出了焚烧线的自启停程序。然后利用Petri网对顺控系统部分进行图形化描述及分析。通过仿真和实际运行结果得出：所设计的自启停程序能使焚烧线的启停高效安全，减少了人工干预，提高了控制水平。

垃圾焚烧电厂的一键启停研究多是关于焚烧部分的，有关循环冷却水系统的研究少之又少，但循环冷却水作为发电环节的核心组成部分之一，其一键启停水平直接影响了垃圾焚烧发电厂的整体效率，在投运过程中仍因人工调控的方式使得机组有一定概率出现故障问题，降低了发电机组APS自动化水平，而循环冷却水系统的运行方式又与能耗密切相关，因此对循环冷却水系统进行监测和控制是非常有必要的[8-9]。

本文以某生活垃圾焚烧电厂的工程项目为例。该项目配有垃圾处理量为850 t/d机械式炉排焚烧炉和25 MW的凝汽式汽轮发电机组。基于现场总线，对该发电机组的循环冷却水系统设计了一套APS自启动控制系统，并基于最佳真空的循环水系统优化方法对该循环冷却水系统进行了优化，从而降低了电耗和水耗，减少了启动过程中的人工干预，确保系统安全、高效、经济地运行。

1 循环冷却水系统的一键启动

该电厂的循环冷却水系统为敞开式循环冷却水。该循环冷却水系统由3台循环水泵、2座冷却塔、2台风机、1台凝汽器、若干条循环水压力管道、回水管道和其他小型设备组成。其中3台循环水泵的配置分别为1台变频泵和2台定频泵；冷却塔则为机械通风逆流湿式冷却塔，其配备的风机皆为变频风机。循环冷却水的作用是将冷却水送至凝汽器中，将凝汽器中的汽轮机所排入乏气的余热带走，进行热量的交换，同时也能维持凝汽器的真空度，使得汽水循环得以延续。系统运行时，循环冷却水分为2个部分在系统中流动。主路部分负责把各个单元的回水送至冷却塔，在冷却塔内，循环水以喷淋的方式与风机所驱动的自下而上流动的空气充分接触进行热交换，循环水温度降低，降温后的循环水进入循环水泵吸水池，最终通过循环水泵将冷却后的循环水泵送至各个用水单元。旁路部分为循环水在进入冷却塔前，将其中一部分的循环水通过过滤器，去除水中污泥等杂质后返回至循环水池，系统原理图如图1所示。由于该循环冷却水系统为开放式循环水系统，冷却塔会产生蒸发损失，排污产生排除损失，导致水系统水量不平衡，因此需要定期补充新鲜水，另外循环冷却水系统长期使用而产生的污水还需定期排放到污水系统中。在工业生产中，为了达到抑制管内腐蚀结垢和杀菌除藻的效果，还会向循环冷却水管道添加阻垢剂、缓蚀剂和杀菌剂。系统的能量交换包括电能与热能，电能输入包括水泵转化电能为动能输送冷却水，以及冷却塔风机将电能转化为热能冷却循环水；热能则通过凝汽器进入系统再由冷却塔排至大气中。

循环冷却水APS设计构架如图2所示，其功能组级启动程控包含“启动”“复位”“暂停”“跳步”4个手动选项。无人为干涉时，总程控满足启动条件后，循环冷却水功能组级程控接收机组级主控单元的信号启动，并向功能子组（设备子组）发送控制信号。循环冷却水功能组级的程控也采用顺控逻辑，能自动判定启动条件、核查设备运行情况、依次启动步序并确认完成情况。当设备子组中某一设备出现故障时，程控会自动在循环冷却水操作界面对该故障进行报警，自动切换至已联锁的备用设备并自动开启，故障设备停止运转。当循环水系统的功能子组需要在某个条件下的特殊工况跳过时，操作人员选择“跳步”即可。循环冷却水功能组级程控都能独立于整个顺控逻辑而单独执行，选择该程控“启动”即可。

循环冷却水系统的启动逻辑流程设计分为以下3部分，如图3和图4所示。

首先，循环冷却水功能组级接收来自机组级的指令，满足启动条件后启动程控。循环冷却水在一键启动前， 循环水系统的冷却塔集水池向主控单元反馈所监测到的液位高度，应确保集水池液位大于0.5 m，若冷却塔集水池的最低液位低于该设定值，则由主控单元发送信号进行补水，同时由控制单元发送信号关闭工业废水处理电动阀。此外还需要在3个循环水泵中先预选运行的水泵，并将另外2台水泵与其联锁，接入控制系统，当预选循环水泵出现故障时，由主控单元发送信号迅速切换至备用循环水泵，从而保障循环冷却水系统顺利启动。

GG7KeqcNRsZi98Ykj/ozvg==

其次，设备子组（单元级）按一定的顺控逻辑完成相应步序，设备层执行相应动作指令。在上述步骤中的条件确认后主控单元发出信号，打开相关阀门并启动循环水泵。

最后，完成循环冷却水启动程控并反馈信号。当循环水泵出口压力大于0.15 MPa的同时左右侧凝汽器循环冷却水出口压力大于0.1 MPa，视为循环水系统启动完成。此时主控单元向凝结水系统发送信号，关闭相关气动阀及电动阀并启动凝结水泵，凝结水系统开始工作。停机时的APS设计与启动类似。通过APS的设计，以此实现系统高效稳定的启动。

2 循环冷却水系统的优化

实际运行中，循环冷却水系统的电耗占整个发电机组的15%～25%，循环水泵的耗电量占机组发电总量的1.5%～2%，仅次于给水泵[10]，因此循环水系统的运行亟需优化。在电厂中，用于循环水系统优化的判定准则有3种：基于最佳真空的循环水系统优化方法、考虑冷却水价格后的最大收益法和综合成本煤耗率法[11]，基于本发电机组循环冷却水系统设备配置及实际运行情况，本文选择基于最佳真空的循环水系统优化方法作为循环水系统优化运行的判定准则。优化思路为：以凝汽器经济真空所需的最佳供水量为目标。基于热力学计算和数据分析，构建经济真空模型，动态计算当前工况下的最佳真空值，优化汽轮机、凝汽器、循环水泵3个设备的运行，在不同负荷和不同环境温度下求得最佳真空值、最小能耗以及最大净上网电量，并根据最佳真空值获得最佳循环水泵调节策略。

图5表示最佳真空与循环水流量之间的关系。随着不断增加循环水流量，排汽压力会逐渐降低，汽轮机组发电功率增加了ΔP，循环水泵的电动机耗功增加了ΔPp，机组净出力的增加量ΔPnet表示为

ΔPnet=ΔP-ΔPp 。 （1）

由于a点对应的机组净出力达到最大，因此称a点的凝汽器真空为最佳真空，此时电厂经济性达到最高。

2.1 汽轮机的变工况特性

基于回热系统热平衡法，汽轮机变工况计算模块以主蒸汽流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度实时工况数据为输入参数，计算不同真空值下的汽轮机总发电功率，确定真空值对汽轮机总发电功率的影响关系[12]。

汽轮机组电功率P为

P= ， （2）

式中：P为汽轮机组电功率，单位为kW；wi为1 kg新蒸汽所做的实际比内功，单位为kJ/kg。

结合汽轮机回热系统各抽汽系数以及焓值可得

wi=h0+αrhqrh-

αjhj+αchc+

αsgjhsgj ， （3）

式中：qrh为单位质量蒸汽在再热器中的吸热量，单位为kJ/kg；αj为各级的回热抽汽系数；hj为各级的回热抽汽比焓，单位为kJ/kg；αc为排汽系数；hc为排汽比焓，单位为kJ/kg；αsgj为轴封漏汽系数，hsgj为轴封漏汽比焓，单位为kJ/kg。

利用弗留格尔公式从最末级按顺序倒推可以得到各抽汽口处的压力，反复迭代直到各抽汽口处的压力误差满足相应精度即可停止[13]。

2.2 凝汽器的变工况特性

以换热器原理为基础，计算循环冷却水的温升与端差之和（Δt+δt）。通过迭代循环水流量，使得2种计算方法所得的（Δt+δt）满足相应精度，从而确定该工况下的循环冷却水量。

根据经验公式[14]可得

Pc=9.81×

， （4）

式中：Pc为凝汽器背压，单位为Pa；ts为凝汽器饱和蒸汽温度，单位为℃。

而凝汽器饱和蒸汽温度ts可为[15]

ts=tw1+Δt+δt ， （5）

式中：ts为凝汽器蒸汽饱和温度，单位为℃；tw1为循环水进口温度，单位为℃；Δt为循环水温升，单位为℃；δt为凝汽器端差，单位为℃。

凝汽器中循环水的吸热量等于蒸汽的放热量，遵循能量守恒定理，因此

Q=cpDwΔt=Dc（hc-hc′）+Dqt（hqt-hc′），（6）

式中：Dc为汽轮机排汽量，单位为t/h；Dw为循环水量，单位为t/h；Dqt为其他进入凝汽器蒸汽量，单位为t/h；hc为汽轮机排汽焓，单位为kJ/kg；hqt为其他进入凝汽器蒸汽量汽水焓，单位为kJ/kg；hc′为凝结水焓，单位为kJ/kg；cp为循环水比热，一般取4.187 kJ/kg·K。

凝汽器传热端差δt可表示为蒸汽饱和温度与循环水出口温度tw2之差，又由凝汽器中基本传热公式可得对数平均温差为

Δtm== 。 （7）

联立后可得到凝汽器传热端差δt

δt= ， （8）

式中：K为凝汽器总体传热系数；A为凝汽器传热面积，单位为m2。

最终得到经济真空模型逻辑如图6所示。

模型具体运算流程如图7所示。

2.3 循环水泵的耗功特性

循环水流量与循泵功率之间的关系

Pp= ， （9）

式中：Pp为泵功率，单位为kW；H为循泵扬程，单位为m；Dw为冷却塔循环水实际处理量，单位为kg/h；η为循泵总效率；g取9.8 m/s2。

3 优化后能效分析

根据上述经济真空计算模型，为了得到最佳循环水泵调节策略，机组将1台泵运行和2台泵并联运行的状况分别进行了6 d的运行实验，设定循环水温为29.5 ℃，冷却塔风机频率自动运行。12 d的运行真空值如图8所示。

根据循环水泵的运行泵数以及运行时的真空值不同，对这12 d的数据进行了处理，7月1日—7月6日为第一组数据命名为A，7月7日—7月14日第二组数据命名为B，得到的数据为均值结果，将处理后2组数据的汽机进气量、发电量、上网电量、循泵用电量、循环水用量、循环水进出口温度作对比，得到表1和图 9。

启动2台循泵较单台循泵相比，汽机进气量相近，但日均循泵用电量多5 382.50 kWh，冷却塔风机耗电量多361.52 kWh，共计多耗电5 744.02 kWh。机组在单泵运行时，入炉吨发均值为633.76 kWh/t，垃圾入炉量为913.72 t；双泵运行时，入炉吨发均值为637.55 kWh/t，增值3.78 kWh/t，垃圾入炉量为918.10 t；2台循泵较单台循泵运行时发电量仅增加3 500 kWh。

2台循泵运行循环水进水温度升高1.43 ℃，是因为循环水进入冷却塔水温38.83 ℃的换热量低于41.91 ℃，循环水量增加后同冷却塔风量下换热效率降低了。

通过比较上述单台泵和双台泵的运行数据得出：在冷却塔风机频率自动运行，循环水温设定为29.5 ℃的条件下，2台循泵工频运行期间，循泵及冷却塔风机耗电量增加5 744.02 kWh，但用吨发计算发电量仅增加3 500 kWh，而发电量和上网电量并无明显增量，说明单台循泵运行时的经济性优于2台循泵运行，因此选择1台变频泵运行即可。

4 结论

本文通过对循环冷却水系统运行原理和运行节能研究的深入分析，针对该系统设计了APS一键启动，同时监测了循环水系统中的压力、温度、液位等相关参数，简化了启动时的操作流程，减少因人工操作带来的系统故障。而后根据最佳真空的循环水系统优化准则，基于热力学计算和数据分析，构建了经济真空模型，动态计算当前工况下的最佳真空值，并根据最佳真空值得到单台变频泵运行时，电厂经济性最佳，其具体结论如下。

1）采用机组级、功能组级、单元级3层控制结构，在有效压缩启动时间的同时提升了控制的精确度，提升了循环冷却水系统启动的效率。将备用泵、风机等设备纳入了控制范围，在预选设备出现故障时可以立即切换为备用设备，避免因设备故障导致启动中止的情况发生。

2）经济真空模型包括汽轮机变工况计算模块、凝汽器变工况计算模块以及泵计算模块，基于回热系统热平衡法，汽轮机变工况计算模块以主蒸汽流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度实时工况数据为输入参数，计算不同真空值下的汽轮机总发电功率，确定了真空值对汽轮机总发电功率的影响关系。凝汽器变工况计算模块以换热器原理为基础，从2个角度分别计算循环冷却水的温升与端差之和（Δt+δt）。通过迭代循环水流量，使得两种计算方法所得的（Δt+δt）满足相应精度，从而确定该工况下的循环冷却水量。

3）根据经济真空模型得到的最佳真空值确定了最佳循环水泵运行策略为单台循泵运行时经济性最好。

参考文献：

[1] 梁枭.电厂热控自动化系统运行的稳定性研究[J].中国设备工程，2022（20）：143-145.

[2] 王雁军.一键启停助力智慧电厂品质提升方法[J].微型电脑应用，2023，39（8）：169-172.

[3] 朱启勇，曹文浩.火力发电机组一键启停功能设计与实施[J].自动化博览，2023，40（3）：76-79.

[4] 郑锴.火力发电机组自启停（APS）系统架构设计方案[J].电子技术与软件工程，2019（12）：135-136.

[5] 张敬争.垃圾电厂焚烧系统技术特点分析[J].科技资讯，2023，21（3）：101-104.

[6] 朱静，乐俊超，夏嘉鋆.关于生活垃圾焚烧发电厂启停炉判定依据的探讨[J].上海建设科技，2019（4）：66-68.

[7] 陈凤.垃圾焚烧发电厂焚烧线顺控自启停的研究与设计[D].北京：华北电力大学（北京），2009.

[8] 郭永朝，忆张，静陈，等.冷却循环水系统自动化研究[J].Journalof Sensor Technology and Application， 2022（10）：491.

[9] 夏兵.基于网络的循环冷却水处理监控系统设计与实现[D].大连：大连海事大学，2020.

[10] 王宁.循环冷却水系统的优化设计[D].青岛：青岛科技大学，2014.

[11] 韦尚正，石生春.某垃圾焚烧发电厂循环水系统的优化运行方式[J].热力发电，2012，41（12）：8-11.

[12] 郑体宽.热力发电厂[M].北京：中国电力出版社，2008.

[13] 高江玲.600MW机组给水泵汽轮机排汽后加装冷却装置的优化研究[D].北京：华北电力大学，2013.

[14] 靳智平.电厂汽轮机原理及系统[M].北京：中国电力出版社，2004.

[15] 陈国年.发电厂冷端系统最优运行方式的研究[J].汽轮机技术，2004（1）：69-70，74.

第一作者简介：刘喜（1975-），男，工程师。研究方向为垃圾焚烧发电厂建设运营管理。