垃圾焚燒發(fā)電廠冷卻水系統(tǒng)一鍵啟動及現(xiàn)場總線應(yīng)用

摘 要：循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是發(fā)電廠中最重要的輔助系統(tǒng)之一，其啟動流程復(fù)雜且人工操作會時常導(dǎo)致啟動故障；在運行時，處于非經(jīng)濟狀態(tài)下的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)電耗占整個發(fā)電機組的15%～25%。為解決上述2個問題，該文依據(jù)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行原理以及APS分層分級的設(shè)計原則，設(shè)計一套APS自啟動控制系統(tǒng)，大大簡化機組啟動流程，避免由運行人員操作不當(dāng)引起的工作失誤。而后系統(tǒng)基于最佳真空的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化方法，根據(jù)熱力學(xué)計算和數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建經(jīng)濟真空模型，找到最佳經(jīng)濟真空值并確定單臺循環(huán)水泵運行時系統(tǒng)經(jīng)濟性最高。經(jīng)實驗證明，在工況相近的條件下，單泵比雙泵運行時循環(huán)水泵電耗減少51%，冷卻塔風(fēng)機電耗減少6.4%，節(jié)水69.33 t，達到了較好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：生活垃圾焚燒電廠；循環(huán)冷卻水系統(tǒng)；一鍵啟動；系統(tǒng)優(yōu)化；自啟動

中圖分類號：TM621 文獻標(biāo)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(tǒng)自動化、智能化發(fā)展的要求，機組一鍵啟停控制系統(tǒng)（Automation Plant Start up and Shut down System，APS）已被廣泛應(yīng)用到燃煤電站、燃氣輪機機組控制系統(tǒng)中，從而全面提高電廠自動化水平，以確保機組安全可靠、經(jīng)濟高效運行，避免由運行人員操作不當(dāng)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(zhì)量的提升[2]。目前，國內(nèi)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(fā)電廠中的應(yīng)用已很成熟，將APS控制系統(tǒng)應(yīng)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(gòu)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(shè)備驅(qū)動控制級，整體結(jié)構(gòu)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(shè)計時，由于機組啟停過程較為復(fù)雜，且啟停過程可能是有多個并行實現(xiàn)的或啟停前后順序是根據(jù)工藝條件進行調(diào)整的，為了簡化程序，APS采用模塊化架構(gòu)設(shè)計，其設(shè)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?qū)崿F(xiàn)一鍵啟停垃圾焚燒機組及子系統(tǒng)，實現(xiàn)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(yīng)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(tǒng)技術(shù)和輔助工藝系統(tǒng)技術(shù)的特點，為垃圾焚燒電廠實現(xiàn)一鍵啟停技術(shù)提供了理論指導(dǎo)，而朱靜等[6]則進一步對生活垃圾焚燒發(fā)電廠啟停爐的判定依據(jù)進行了深入探討，為APS的邏輯程序設(shè)計提供了思路。文獻[7]是現(xiàn)有所有有關(guān)垃圾發(fā)電廠順控自啟停的設(shè)計中研究最為詳細的，以高安屯垃圾焚燒發(fā)電廠為例，依據(jù)分級控制的原則，研究了焚燒部分自啟停的順控系統(tǒng)，提出了自啟停的流程及方案，并設(shè)計出了焚燒線的自啟停程序。然后利用Petri網(wǎng)對順控系統(tǒng)部分進行圖形化描述及分析。通過仿真和實際運行結(jié)果得出：所設(shè)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(yù)，提高了控制水平。

垃圾焚燒電廠的一鍵啟停研究多是關(guān)于焚燒部分的，有關(guān)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的研究少之又少，但循環(huán)冷卻水作為發(fā)電環(huán)節(jié)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(fā)電廠的整體效率，在投運過程中仍因人工調(diào)控的方式使得機組有一定概率出現(xiàn)故障問題，降低了發(fā)電機組APS自動化水平，而循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運行方式又與能耗密切相關(guān)，因此對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進行監(jiān)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(fā)電機組?；诂F(xiàn)場總線，對該發(fā)電機組的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計了一套APS自啟動控制系統(tǒng)，并基于最佳真空的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化方法對該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進行了優(yōu)化，從而降低了電耗和水耗，減少了啟動過程中的人工干預(yù)，確保系統(tǒng)安全、高效、經(jīng)濟地運行。

1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的一鍵啟動

該電廠的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為敞開式循環(huán)冷卻水。該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)由3臺循環(huán)水泵、2座冷卻塔、2臺風(fēng)機、1臺凝汽器、若干條循環(huán)水壓力管道、回水管道和其他小型設(shè)備組成。其中3臺循環(huán)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(fēng)逆流濕式冷卻塔，其配備的風(fēng)機皆為變頻風(fēng)機。循環(huán)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(huán)得以延續(xù)。系統(tǒng)運行時，循環(huán)冷卻水分為2個部分在系統(tǒng)中流動。主路部分負責(zé)把各個單元的回水送至冷卻塔，在冷卻塔內(nèi)，循環(huán)水以噴淋的方式與風(fēng)機所驅(qū)動的自下而上流動的空氣充分接觸進行熱交換，循環(huán)水溫度降低，降溫后的循環(huán)水進入循環(huán)水泵吸水池，最終通過循環(huán)水泵將冷卻后的循環(huán)水泵送至各個用水單元。旁路部分為循環(huán)水在進入冷卻塔前，將其中一部分的循環(huán)水通過過濾器，去除水中污泥等雜質(zhì)后返回至循環(huán)水池，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。由于該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為開放式循環(huán)水系統(tǒng)，冷卻塔會產(chǎn)生蒸發(fā)損失，排污產(chǎn)生排除損失，導(dǎo)致水系統(tǒng)水量不平衡，因此需要定期補充新鮮水，另外循環(huán)冷卻水系統(tǒng)長期使用而產(chǎn)生的污水還需定期排放到污水系統(tǒng)中。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了達到抑制管內(nèi)腐蝕結(jié)垢和殺菌除藻的效果，還會向循環(huán)冷卻水管道添加阻垢劑、緩蝕劑和殺菌劑。系統(tǒng)的能量交換包括電能與熱能，電能輸入包括水泵轉(zhuǎn)化電能為動能輸送冷卻水，以及冷卻塔風(fēng)機將電能轉(zhuǎn)化為熱能冷卻循環(huán)水；熱能則通過凝汽器進入系統(tǒng)再由冷卻塔排至大氣中。

循環(huán)冷卻水APS設(shè)計構(gòu)架如圖2所示，其功能組級啟動程控包含“啟動”“復(fù)位”“暫?！薄疤健?個手動選項。無人為干涉時，總程控滿足啟動條件后，循環(huán)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(shè)備子組）發(fā)送控制信號。循環(huán)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(shè)備運行情況、依次啟動步序并確認完成情況。當(dāng)設(shè)備子組中某一設(shè)備出現(xiàn)故障時，程控會自動在循環(huán)冷卻水操作界面對該故障進行報警，自動切換至已聯(lián)鎖的備用設(shè)備并自動開啟，故障設(shè)備停止運轉(zhuǎn)。當(dāng)循環(huán)水系統(tǒng)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(huán)冷卻水功能組級程控都能獨立于整個順控邏輯而單獨執(zhí)行，選擇該程控“啟動”即可。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的啟動邏輯流程設(shè)計分為以下3部分，如圖3和圖4所示。

首先，循環(huán)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(huán)冷卻水在一鍵啟動前， 循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻塔集水池向主控單元反饋所監(jiān)測到的液位高度，應(yīng)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(shè)定值，則由主控單元發(fā)送信號進行補水，同時由控制單元發(fā)送信號關(guān)閉工業(yè)廢水處理電動閥。此外還需要在3個循環(huán)水泵中先預(yù)選運行的水泵，并將另外2臺水泵與其聯(lián)鎖，接入控制系統(tǒng)，當(dāng)預(yù)選循環(huán)水泵出現(xiàn)故障時，由主控單元發(fā)送信號迅速切換至備用循環(huán)水泵，從而保障循環(huán)冷卻水系統(tǒng)順利啟動。

其次，設(shè)備子組（單元級）按一定的順控邏輯完成相應(yīng)步序，設(shè)備層執(zhí)行相應(yīng)動作指令。在上述步驟中的條件確認后主控單元發(fā)出信號，打開相關(guān)閥門并啟動循環(huán)水泵。

最后，完成循環(huán)冷卻水啟動程控并反饋信號。當(dāng)循環(huán)水泵出口壓力大于0.15 MPa的同時左右側(cè)凝汽器循環(huán)冷卻水出口壓力大于0.1 MPa，視為循環(huán)水系統(tǒng)啟動完成。此時主控單元向凝結(jié)水系統(tǒng)發(fā)送信號，關(guān)閉相關(guān)氣動閥及電動閥并啟動凝結(jié)水泵，凝結(jié)水系統(tǒng)開始工作。停機時的APS設(shè)計與啟動類似。通過APS的設(shè)計，以此實現(xiàn)系統(tǒng)高效穩(wěn)定的啟動。

2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的優(yōu)化

實際運行中，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的電耗占整個發(fā)電機組的15%～25%，循環(huán)水泵的耗電量占機組發(fā)電總量的1.5%～2%，僅次于給水泵[10]，因此循環(huán)水系統(tǒng)的運行亟需優(yōu)化。在電廠中，用于循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的判定準(zhǔn)則有3種：基于最佳真空的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)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(fā)電機組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)備配置及實際運行情況，本文選擇基于最佳真空的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化方法作為循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化運行的判定準(zhǔn)則。優(yōu)化思路為：以凝汽器經(jīng)濟真空所需的最佳供水量為目標(biāo)。基于熱力學(xué)計算和數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建經(jīng)濟真空模型，動態(tài)計算當(dāng)前工況下的最佳真空值，優(yōu)化汽輪機、凝汽器、循環(huán)水泵3個設(shè)備的運行，在不同負荷和不同環(huán)境溫度下求得最佳真空值、最小能耗以及最大凈上網(wǎng)電量，并根據(jù)最佳真空值獲得最佳循環(huán)水泵調(diào)節(jié)策略。

圖5表示最佳真空與循環(huán)水流量之間的關(guān)系。隨著不斷增加循環(huán)水流量，排汽壓力會逐漸降低，汽輪機組發(fā)電功率增加了ΔP，循環(huán)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(yīng)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(jīng)濟性達到最高。

2.1 汽輪機的變工況特性

基于回?zé)嵯到y(tǒng)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(shù)據(jù)為輸入?yún)?shù)，計算不同真空值下的汽輪機總發(fā)電功率，確定真空值對汽輪機總發(fā)電功率的影響關(guān)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(nèi)功，單位為kJ/kg。

結(jié)合汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)各抽汽系數(shù)以及焓值可得

wi=h0+αrhqrh-

αjhj+αchc+

αsgjhsgj ， （3）

式中：qrh為單位質(zhì)量蒸汽在再熱器中的吸熱量，單位為kJ/kg；αj為各級的回?zé)岢槠禂?shù)；hj為各級的回?zé)岢槠褥?，單位為kJ/kg；αc為排汽系數(shù)；hc為排汽比焓，單位為kJ/kg；αsgj為軸封漏汽系數(shù)，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(fù)迭代直到各抽汽口處的壓力誤差滿足相應(yīng)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(chǔ)，計算循環(huán)冷卻水的溫升與端差之和（Δt+δt）。通過迭代循環(huán)水流量，使得2種計算方法所得的（Δt+δt）滿足相應(yīng)精度，從而確定該工況下的循環(huán)冷卻水量。

根據(jù)經(jīng)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(huán)水進口溫度，單位為℃；Δt為循環(huán)水溫升，單位為℃；δt為凝汽器端差，單位為℃。

凝汽器中循環(huán)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(huán)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(jié)水焓，單位為kJ/kg；cp為循環(huán)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(huán)水出口溫度tw2之差，又由凝汽器中基本傳熱公式可得對數(shù)平均溫差為

Δtm== 。 （7）

聯(lián)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(shù)；A為凝汽器傳熱面積，單位為m2。

最終得到經(jīng)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(huán)水泵的耗功特性

循環(huán)水流量與循泵功率之間的關(guān)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(huán)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(yōu)化后能效分析

根據(jù)上述經(jīng)濟真空計算模型，為了得到最佳循環(huán)水泵調(diào)節(jié)策略，機組將1臺泵運行和2臺泵并聯(lián)運行的狀況分別進行了6 d的運行實驗，設(shè)定循環(huán)水溫為29.5 ℃，冷卻塔風(fēng)機頻率自動運行。12 d的運行真空值如圖8所示。

根據(jù)循環(huán)水泵的運行泵數(shù)以及運行時的真空值不同，對這12 d的數(shù)據(jù)進行了處理，7月1日—7月6日為第一組數(shù)據(jù)命名為A，7月7日—7月14日第二組數(shù)據(jù)命名為B，得到的數(shù)據(jù)為均值結(jié)果，將處理后2組數(shù)據(jù)的汽機進氣量、發(fā)電量、上網(wǎng)電量、循泵用電量、循環(huán)水用量、循環(huán)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(fēng)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(fā)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(fā)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(fā)電量僅增加3 500 kWh。

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

通過比較上述單臺泵和雙臺泵的運行數(shù)據(jù)得出：在冷卻塔風(fēng)機頻率自動運行，循環(huán)水溫設(shè)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(fēng)機耗電量增加5 744.02 kWh，但用噸發(fā)計算發(fā)電量僅增加3 500 kWh，而發(fā)電量和上網(wǎng)電量并無明顯增量，說明單臺循泵運行時的經(jīng)濟性優(yōu)于2臺循泵運行，因此選擇1臺變頻泵運行即可。

4 結(jié)論

本文通過對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行原理和運行節(jié)能研究的深入分析，針對該系統(tǒng)設(shè)計了APS一鍵啟動，同時監(jiān)測了循環(huán)水系統(tǒng)中的壓力、溫度、液位等相關(guān)參數(shù)，簡化了啟動時的操作流程，減少因人工操作帶來的系統(tǒng)故障。而后根據(jù)最佳真空的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化準(zhǔn)則，基于熱力學(xué)計算和數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建了經(jīng)濟真空模型，動態(tài)計算當(dāng)前工況下的最佳真空值，并根據(jù)最佳真空值得到單臺變頻泵運行時，電廠經(jīng)濟性最佳，其具體結(jié)論如下。

1）采用機組級、功能組級、單元級3層控制結(jié)構(gòu)，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(huán)冷卻水系統(tǒng)啟動的效率。將備用泵、風(fēng)機等設(shè)備納入了控制范圍，在預(yù)選設(shè)備出現(xiàn)故障時可以立即切換為備用設(shè)備，避免因設(shè)備故障導(dǎo)致啟動中止的情況發(fā)生。

2）經(jīng)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?zé)嵯到y(tǒng)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(shù)據(jù)為輸入?yún)?shù)，計算不同真空值下的汽輪機總發(fā)電功率，確定了真空值對汽輪機總發(fā)電功率的影響關(guān)系。凝汽器變工況計算模塊以換熱器原理為基礎(chǔ)，從2個角度分別計算循環(huán)冷卻水的溫升與端差之和（Δt+δt）。通過迭代循環(huán)水流量，使得兩種計算方法所得的（Δt+δt）滿足相應(yīng)精度，從而確定該工況下的循環(huán)冷卻水量。

3）根據(jù)經(jīng)濟真空模型得到的最佳真空值確定了最佳循環(huán)水泵運行策略為單臺循泵運行時經(jīng)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(fā)電廠建設(shè)運營管理。