高參數(shù)蒸汽鍋爐在垃圾焚燒發(fā)電廠的應用分析

石凱軍，郝曉明

(中國城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120)

1 引言

自20世紀90年代，垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)引入國內(nèi)垃圾終端處理工程中以來，鍋爐作為焚燒爐的重要配套設(shè)備，實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)換，其蒸汽參數(shù)的選取一直備受關(guān)注。尤其是近年來，隨著垃圾收運、分類體系的建立、垃圾熱值的逐步提高、垃圾焚燒發(fā)電工程技術(shù)、運行的日益成熟，對于提高垃圾焚燒發(fā)電廠熱效率的要求日益迫切。

目前國內(nèi)外垃圾焚燒發(fā)電廠鍋爐蒸汽參數(shù)多采用中溫中壓(4.0 MPa(g)、400 ℃)，其壓力基本與國內(nèi)15 MW及以下規(guī)格的小型汽輪發(fā)電機組的標準壓力匹配，但溫度低于標準機組，常規(guī)電廠標準中溫機組溫度為450 ℃，因此垃圾焚燒電廠的全廠發(fā)電熱效率普遍低于常規(guī)燃料電廠。目前提高垃圾焚燒發(fā)電熱效率主要通過提高蒸汽參數(shù)、增加中間再熱方式，其中以提高蒸汽參數(shù)為最理想最有效技術(shù)手段。

2 高參數(shù)蒸汽的類型與可靠性

目前，國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠鍋爐蒸汽參數(shù)主要以中溫中壓與中溫次高壓為主，典型的中溫中壓蒸汽參數(shù)一般選取4.0 MPa(g)、400 ℃。按照電力系統(tǒng)鍋爐壓力等級，主蒸汽壓力大于等于5.3 MPa、小于9.8 MPa之內(nèi)均為次高壓鍋爐，中溫次高壓蒸汽參數(shù)又因壓力、溫度不用主要分為以下3種類型(表1)。

表1 國內(nèi)目前主要采用的3種高參數(shù)蒸汽類型

近年也有垃圾焚燒發(fā)電廠為提高熱效率，熱力系統(tǒng)增加再熱系統(tǒng)，鍋爐選用中溫高壓(13.8 MPa(g)，450 ℃)參數(shù)蒸汽，該使用僅是個列，需要從經(jīng)濟方面做具體分析。

中溫中壓和中溫次高壓蒸汽技術(shù)均是成熟技術(shù)，在國內(nèi)進行制造、設(shè)計、建設(shè)、運行均不存在問題。在實際的焚燒發(fā)電廠設(shè)計中，既要盡量提高鍋爐蒸汽參數(shù)以增加發(fā)電量，也要綜合考慮管材的腐蝕問題。腐蝕機理主要是所焚燒的垃圾中含有Cl、 S 以及堿金屬等元素，造成Cl、S化合氣體腐蝕和低熔點堿金屬鹽熔融腐蝕，主要是鍋爐受熱面的高溫腐蝕，腐蝕使承壓部件的管壁變薄，嚴重時會導致受熱面管子在短時間內(nèi)泄漏和爆破事故，甚至被迫停爐處理。高溫腐蝕導致的爆漏事故頻率占全廠汽水系統(tǒng)故障頻發(fā)率第一位[1](圖1、2)。

圖1 煙氣溫度、管壁溫度與腐蝕速度關(guān)系

圖2 余熱鍋爐管壁溫度與腐蝕速度關(guān)系

對于高參數(shù)蒸汽鍋爐，為延長過熱器的使用壽命，主要措施如下。

(1)提高高溫過熱器材料等級。430 ℃是鍋爐過熱器材質(zhì)提高的分界線，當過熱器管壁溫度小于430 ℃時，腐蝕比較輕微，可采用碳鋼。430 ℃以上的就必須采用合金鋼，當過熱器管壁溫度大于480 ℃時，腐蝕速度急劇加快。在高參數(shù)蒸汽鍋爐高溫過熱器的材料使用上，一般選用 Cr-Mo 低合金鋼或 Mo 合金鋼(如15CrMoG、12Cr1MoVG )，實踐證明使用合金鋼后，運行情況基本良好，受熱面整體使用壽命均在4年以上。

(2)布置合理的蒸發(fā)器。鍋爐設(shè)計時，嚴格控制高溫過熱器的進口煙溫，即通過布置三通道垂直水冷壁煙道，以及增加一級蒸發(fā)器受熱面積，以控制高過進口煙溫目的，減少腐蝕，提高過熱器的使用時間。

(3)布置合理的過熱器結(jié)構(gòu)，采用多級噴水減溫，及逆流、順流相結(jié)合的形式。過熱器蒸汽流向為：一級過熱器(逆流)——二級過熱器(順流)——三級過熱器(逆流)。

通常垃圾焚燒鍋爐爐膛的水冷壁管向火側(cè)的正面腐蝕、減薄最多，若發(fā)生爆管都在管子的正面爆開，管子側(cè)面減薄較少，背火側(cè)幾乎不減薄。中溫中壓參數(shù)蒸汽鍋爐，一般會在第一煙道內(nèi)敷設(shè)耐火料，主要是為保證環(huán)保溫度的要求，其它水冷壁不會作防護要求，實踐證明此參數(shù)下水冷壁腐蝕問題不大，這主要原因是鍋爐蒸氣參數(shù)不高，管子壁溫相對偏低，依據(jù)經(jīng)驗腐蝕曲線圖，管子受煙氣腐蝕不明顯。當鍋爐蒸汽壓力參數(shù)提高后，鍋爐飽和溫度相應提高，如蒸汽壓力提升到5.3 MPa(g)至6.4 MPa(g)時，水冷壁內(nèi)飽和水溫度也相應提升，綜合考慮水冷壁管子的壁溫在300～320 ℃以上，在這個溫度下碳鋼的水冷壁管容易被腐蝕。易發(fā)生腐蝕的部位為第一煙道水冷壁上部、第二煙道水冷壁中上部，因此為保證鍋爐的連續(xù)、穩(wěn)定運行，水冷壁必須考慮防護措施，目前多采用敷設(shè)耐火料或采用鎳基或鈦基堆焊。實踐證明，通過堆焊處理能有效降低水冷壁的腐蝕速度，滿足垃圾焚燒發(fā)電廠的運行要求。

3 高參數(shù)蒸汽應用情況

通過調(diào)研，目前北京、上海、廣州、深圳等一線大城市2015年前建設(shè)的項目均采用中溫中壓(4.0 MPa(g)，400 ℃)參數(shù)余熱鍋爐，2015年后建設(shè)的項目均采用高參數(shù)蒸汽鍋爐。如老港二期鍋爐蒸汽參數(shù)為5.3 MPa(g)，450 ℃，深圳東部鍋爐蒸汽參數(shù)為6.4 MPa(g)，450 ℃(表2)。

表2 國內(nèi)目前主要采用的高參數(shù)蒸汽的部分焚燒廠統(tǒng)計

上述統(tǒng)計中，李坑一期項目建設(shè)比較早，蒸汽參數(shù)采用中溫次高壓(6.4 MPa(g)，450 ℃)。該項目運行期間曾發(fā)生過爆管，但發(fā)生爆管的位置在余熱鍋爐1、2通道轉(zhuǎn)折處，而不是發(fā)生在高溫過熱器位置。李坑二期變更蒸汽參數(shù)為中溫中壓(4.0 MPa(g)，400 ℃)，但仍出現(xiàn)了爆管現(xiàn)象。因此可以得出，提高蒸汽參數(shù)不是產(chǎn)生爆管的主要原因，分析其原因可能為：① 鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，該位置沖刷嚴重或應力集中；② 煙氣溫度高或者結(jié)焦影響產(chǎn)生該部分；③ SNCR運行不當。

除李坑一期項目外，其他已投運的采用中溫次高壓蒸汽參數(shù)的項目目前運行狀況良好，年運行時數(shù)滿足8000 h，除計劃維修外沒有出現(xiàn)過爆管停爐事故。已運行滿兩年的項目，經(jīng)檢測過熱器管壁也沒有明顯減薄。目前各投資商、設(shè)備廠家均在新項目中進行了高參數(shù)蒸汽鍋爐的應用和研發(fā)，實踐說明，采取有效措施可以解決因鍋爐蒸汽參數(shù)提高引起的可靠性問題。

4 高參數(shù)蒸汽對發(fā)電效率的影響

在蒸汽溫度不變條件下提高蒸汽壓力會降低蒸汽的焓值，增加了蒸汽量，但這部分蒸汽量幅度變化相對較小。其提高發(fā)電熱效率則主要由于其提高了汽輪機組的理想焓降，在假定汽機內(nèi)效率不變條件下，則提高了實際焓降，具體表現(xiàn)為汽機排汽的濕度增加，降低發(fā)電汽耗率，相應減少了單位發(fā)電的汽機排汽量和熱損失。但是，排汽濕度增加到一定程度由于汽機尾部通流部分蒸汽帶水，會造成內(nèi)效率降低。另外由于汽機材質(zhì)的影響，蒸汽濕度過大會損傷葉片，降低汽機運行可靠性、降低使用壽命，因此所允許的汽機排汽濕度受限，國內(nèi)中小型機組排汽濕度通常在5～12%，先進國家汽機材質(zhì)較優(yōu)，且結(jié)構(gòu)先進，其排汽濕度可達到14%。因此，提高蒸汽壓力同時需要提高蒸汽溫度，否則汽機排汽濕度會超過允許值。提高蒸汽溫度增加了汽機的入口蒸汽焓，相應可提高汽機的內(nèi)效率，但由于受材質(zhì)影響，高壓等級以下鍋爐產(chǎn)生蒸汽溫度一般在485 ℃以下，中壓機組則一般在450 ℃以下。

經(jīng)調(diào)查于分析研究，與典型垃圾焚燒廠采用的中溫中壓(4.0 MPa(g)、400 ℃)參數(shù)相比，采用中溫次高壓參數(shù)，垃圾焚燒發(fā)電汽輪機組理論熱效率可提高約2.5%。對于理想朗肯循環(huán)，理論計算表明，主蒸汽溫度每提高10 ℃，循環(huán)效率提高約0.15%，蒸汽壓力每提高0.1 MPa，循環(huán)效率提高約0.07%[2](圖3)。

圖3 理論循環(huán)熱效率與蒸汽參數(shù)的關(guān)系

雖然分析表明，單純提高進汽溫度對循環(huán)熱效率影響效果明顯，但是，單純提高蒸汽溫度帶來的影響是：①蒸汽溫度提高后，密度降低、管道管徑增加、管道系統(tǒng)熱損失增加、管道系統(tǒng)投資增加。②對鍋爐受熱面的布置難度較大。造成水冷壁和過熱器分配困難。

因此，目前國內(nèi)大部分垃圾焚燒發(fā)電廠在蒸汽參數(shù)的選擇上，均采用溫度、壓力同時提高的方法，蒸汽參數(shù)的選擇主要以表1 的三種類型為主，這與表2 的調(diào)研統(tǒng)計一致。

5 高參數(shù)蒸汽對建設(shè)成本及運行費用的影響

使用中溫次高壓參數(shù)蒸汽與中溫中壓參數(shù)蒸汽相比，垃圾焚燒發(fā)電廠的建設(shè)成本及運行成本均會增加。成本的增加主要是以下幾個方面。

(1)鍋爐造價的增加。鍋爐的承壓部件設(shè)計壓力需提高，蒸發(fā)受熱面、汽包的運行溫度同時提高造成鋼材的許用應力降低，這樣就需要增加水冷壁、蒸發(fā)器、汽包的壁厚或更換材質(zhì)，鍋爐t蒸汽耗鋼量增加。

(2)管道系統(tǒng)造價的增加。雖然蒸汽壓力提高后，蒸汽密度增加，可減少蒸汽管道的管徑，但高至一定程度需要更換材質(zhì)或增加壁厚，閥門等管道附件需要提高等級。

經(jīng)過工程建設(shè)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，粗略估計采用中溫次高壓參數(shù)時鍋爐及管道系統(tǒng)的造價較采用中溫中壓參數(shù)時高出約30%左右(圖4)。

(3)給水泵功率的增加。蒸汽壓力提高后，對給水泵造價影響不大，主要是給水泵揚程增加，相應功率增加(圖5)。

6 工程案例分析及結(jié)論

以某項目焚燒爐處理量500 t/d，垃圾低位設(shè)計熱值6900 kJ/kg為例，綜合比較分析以下蒸汽參數(shù)方案：①蒸汽參數(shù)：4.0 MPa(g)，400 ℃；汽機轉(zhuǎn)速：中速。② 蒸汽參數(shù)：5.3 MPa(g)，450 ℃；汽機轉(zhuǎn)速：高速。③ 蒸汽參數(shù)：6.4 MPa(g)，450 ℃；汽機轉(zhuǎn)速：高速。④ 蒸汽參數(shù)：6.4 MPa(g)，485 ℃；汽機轉(zhuǎn)速：高速。

為簡化對比方法，僅考慮不同蒸汽參數(shù)及汽機轉(zhuǎn)速

圖4 設(shè)備造價增加量與進汽參數(shù)的關(guān)系

圖5 給水泵功率增加量與進汽參數(shù)的關(guān)系

方案下影響較大的因素，納入對比范圍的因素有：①汽輪發(fā)電機組發(fā)電量及差異率;②)汽輪機價格差異;③鍋爐給水泵耗電量;④余熱鍋爐價格差異。

發(fā)電量計算以原則性熱力系統(tǒng)圖和鍋爐的熱平衡計算為準，汽輪機價格差異以咨詢汽輪機廠家提供的報價為準，鍋爐給水泵的耗電量按公式直接計算，余熱鍋爐的價格差異以咨詢鍋爐廠家提供的報價為準，報價條件按使用中溫中壓(4.0 MPa(g)，400 ℃)參數(shù)，水冷壁不采用堆焊處理工藝，過熱器材質(zhì)選用20 G。使用中溫次高壓參數(shù)時水冷壁采用堆焊處理工藝，當蒸汽參數(shù)為5.3 MPa(g)，450 ℃、6.4 MPa(g)，450時，過熱器材質(zhì)選用15CrMoG、當蒸汽參數(shù)為6.4 MPa(g)，485 ℃、時，過熱器材質(zhì)選用12Cr1MoVG(表3)。

通過以上分析，得出結(jié)論如下：

(1)從汽輪發(fā)電機組發(fā)電量及上網(wǎng)電量上看，參數(shù)越高，發(fā)電量及上網(wǎng)電量均越多，給水泵耗電量主要受壓力影響。

(2)主蒸汽壓力提高后，蒸發(fā)受熱面溫度上升，據(jù)之前對高參數(shù)垃圾焚燒鍋爐的分析結(jié)果，此時在第一煙道頂部或第二煙道入口(若第一煙道全部涂澆筑料)附近容易發(fā)生爆管。須在此處采用堆焊工藝，預計堆焊工藝能保證該部位5～8年安全運行(每次大修必須作專項檢查)。

(3)汽輪發(fā)電機組的價格主要受轉(zhuǎn)速的影響，蒸汽參數(shù)對價格影響較小。

(4)主蒸汽參數(shù)提高時，給水泵價格差異較小，投資主要差異體現(xiàn)在汽輪發(fā)電機組及余熱鍋爐價格變化，包括使用堆焊工藝。

(5)從汽輪機方面考慮，主蒸汽壓力提高至6.4 MPa(g)后，若溫度選用450 ℃不變，主蒸汽焓為三個方案中最低，主蒸汽流量為三個方案中最大，汽輪機內(nèi)效

表3 案例經(jīng)濟性對比

率為三個方案中最低，末級干度也為三個方案中最低。因此，分析認為6.4 MPa(g)對應的溫度應盡量選用470～490 ℃。

(6)按對比表計算結(jié)果，蒸汽參數(shù)采用6.4 MPa(g)，485 ℃時的投資回收期最短，約為1.68年。

(7)以上分析結(jié)論僅適用于焚燒爐處理量為440 t/d，垃圾低位設(shè)計熱值6900kJ/kg條件下，具體項目應根據(jù)垃圾的低位設(shè)計熱值及處理量綜合進行經(jīng)濟性分析。