基于EBSILON的垃圾焚燒電廠余熱利用方案研究

周民星，方 楊，楊宏偉，胡國榮，郭鎮(zhèn)寧

(光大環(huán)境科技(中國)有限公司，江蘇 南京 211100)

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快、人民生活水平日益提高，生活垃圾處理需求劇增，“垃圾圍城”現(xiàn)象日益嚴(yán)峻。垃圾焚燒處理是目前較為成熟且廣泛應(yīng)用的技術(shù)，據(jù)《2019城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》，截止2019年底，我國投入運(yùn)行的生活垃圾焚燒廠共390座，總處理能力達(dá)45.7萬t/d[1]。

我國城市生活垃圾組分復(fù)雜多樣，且含水率高、灰分高、熱值較低[2]，焚燒過程中極易在換熱面結(jié)焦、積灰[3-5]。這將導(dǎo)致傳熱熱阻增加，管內(nèi)介質(zhì)吸熱量減少，鍋爐排煙溫度升高。研究表明，鍋爐排煙溫度每升高15～20 ℃，鍋爐熱效率降低約1%[6]?！跺仩t節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程TSG G0002-2010》中明確要求“額定蒸發(fā)量大于或等于1 t/h的蒸汽鍋爐，排煙溫度不高于170 ℃”。戴國棟[7]對福建地區(qū)24臺生活垃圾焚燒爐的能效測試中發(fā)現(xiàn)，超四成鍋爐排煙溫度在220～240 ℃區(qū)間，排煙熱損失最高可達(dá)21.57%。此外，結(jié)焦積灰還易引起腐蝕和爆管停爐，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。

另一方面，大趨勢下垃圾處理費(fèi)愈來愈低，污染物排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格導(dǎo)致運(yùn)行成本愈來愈高這些都是目前垃圾焚燒企業(yè)面臨的嚴(yán)峻事實(新建項目同時面臨補(bǔ)貼取消的困境)。為響應(yīng)國家能源政策及企業(yè)長久發(fā)展，垃圾焚燒電廠進(jìn)行余熱回收利用、節(jié)能改造刻不容緩。吳窮[8]、滕葉[9]等均提出利用垃圾焚燒煙氣余熱加熱回水，使之蒸汽化后用來加熱一次風(fēng)的技術(shù)方案，取得一定節(jié)能效果；Abdulrahman A.Alrobaian[10]在垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中，利用煙氣換熱器將余熱回收到二級循環(huán)水中用來加熱凝結(jié)水，節(jié)省了汽機(jī)抽汽；鐘吳君[11]等人在垃圾焚燒電廠煙氣處理裝置末端加裝洗滌塔，將廢氣余熱回收至洗滌凝水中，并利用壓縮式熱泵與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱共同滿足熱用戶需求；張小華[12]闡述了風(fēng)機(jī)和水泵兩類廠耗電量高的設(shè)備的變頻方案設(shè)計思路；田崇雷[13]采用焊接板式熱交換器將煙氣中的熱量回收到水中，供居民冬季采暖使用。

總的來說，現(xiàn)階段關(guān)于垃圾焚燒電廠余熱利用等節(jié)能領(lǐng)域的相關(guān)研究十分有限。基于此，本文借鑒火電廠余熱利用經(jīng)驗[14-18]，以某垃圾焚燒發(fā)電廠為例，用EBSILON軟件搭建該電廠仿真模型，提出3種煙氣余熱利用技術(shù)方案，分析不同溫度的給水對機(jī)組做功的影響，并進(jìn)行全廠經(jīng)濟(jì)性分析。

1 垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組模型

1.1 研究對象

某生活垃圾日處理規(guī)模為3 000 t/d，配備4臺750 t/d的機(jī)械爐排焚燒爐，2臺35 MW汽輪發(fā)電機(jī)組。余熱鍋爐排煙溫度設(shè)計值為190.3 ℃，設(shè)計排煙熱損失為14.3%。在實際運(yùn)行過程中，受鍋爐負(fù)荷及受熱面積灰結(jié)渣的影響，排煙溫度往往維持在230 ℃左右，排煙熱損失達(dá)17.6%。

1.2 機(jī)組模型搭建

本文通過電站仿真軟件EBSILON V13試用版對全廠熱力系統(tǒng)進(jìn)行建模，搭建該35 MW垃圾焚燒電廠VWO工況熱力系統(tǒng)模型。在該軟件環(huán)境下，建?；玖鞒虨椋簠⒄杖珡S熱力系統(tǒng)圖，選取所需組件，按照邏輯順序連接成設(shè)備單元；劃分鍋爐、汽輪機(jī)系統(tǒng)，形成所需結(jié)構(gòu)框架；設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)(如溫度、壓力、流量及部件邏輯控制函數(shù)等)，構(gòu)成完整的熱力系統(tǒng)；最后調(diào)試運(yùn)行，進(jìn)行仿真分析。

靜態(tài)模型如圖1所示，常規(guī)電廠部件如蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)、凝汽器、低壓加熱器和除氧器等分別由軟件中Comp 5、Comp 122、Comp 7、Comp 10和Comp 9等組件模擬實現(xiàn)。本文主要考察汽輪機(jī)模型，以方便研究不同煙氣余熱利用方案下鍋爐給水流量和參數(shù)變化導(dǎo)致的汽輪機(jī)各級抽汽量及做功的變化情況。

圖1 某垃圾焚燒電廠的EBSILON系統(tǒng)靜態(tài)仿真模型

1.3 模型結(jié)果可靠驗證

為驗證該軟件計算方法可靠性，VWO工況下模擬結(jié)果和設(shè)計值比較見表1所示，EBSILON模擬的發(fā)電功率為35.002 MW，其余各項參數(shù)的模擬結(jié)果與設(shè)計值基本保持一致，誤差均在5‰以內(nèi)，模型計算結(jié)果可靠。因此，該靜態(tài)仿真模型符合本次方案設(shè)計的工程實際要求。

表1 某垃圾焚燒電廠機(jī)組設(shè)計參數(shù)與EBSILON模擬參數(shù)對比

2 余熱利用方案

為解決垃圾焚燒電廠排煙超溫問題，實現(xiàn)排煙余熱回收利用，提高鍋爐熱效率，同時緩解后端煙氣凈化設(shè)備高溫運(yùn)行壓力，本文擬在余熱鍋爐尾部加裝煙水換熱器。

抽汽回?zé)嵫h(huán)，即利用在汽輪機(jī)內(nèi)做過功的蒸汽加熱給水，從而提高循環(huán)平均吸熱溫度，提高循環(huán)熱效率。凝結(jié)水經(jīng)煙水換熱器吸熱升溫后，在每級低壓加熱器中的吸熱量相對減少，相應(yīng)抽汽流減少，即排擠低加抽汽量或除氧器抽汽量，增加發(fā)電量，從而提高全廠經(jīng)濟(jì)效益?？紤]到換熱器傳熱溫差、換熱器面積限制[19-20]以及為保證后端煙氣凈化設(shè)備效率，擬定換熱器出水溫度上限為130 ℃，并將換熱器出水溫度按梯度納入變量考量；按初始排煙溫度233 ℃、換熱后煙溫設(shè)200 ℃進(jìn)行仿真模擬。

因此，結(jié)合EBSILON軟件提出3種余熱利用方案，根據(jù)給水進(jìn)出口位置不同，排擠不同品位汽輪機(jī)抽汽，同時設(shè)置不同的出水溫度，達(dá)到不同節(jié)能效果，具體如下圖2所示。

圖2 某垃圾焚燒電廠煙氣余熱利用方案

方案1：換熱器與②號低加并聯(lián)，水側(cè)出口布置在②號低加后，入口布置在②號低加前。此時換熱器出口水溫按65～130 ℃梯度設(shè)計；

方案2：換熱器與①號低加并聯(lián)，水側(cè)出口布置在①號低加后，入口布置在①號低加前。此時換熱器出口水溫按91.6～130 ℃梯度設(shè)計；

方案3：換熱器與①、②號低加并聯(lián)，水側(cè)出口布置在①號低加后，入口則布置在②號低加前。此時換熱器出口水溫按91.6～130 ℃梯度設(shè)計。

煙水換熱器邊界條件見表2所示。

表2 煙水換熱器邊界條件

3 方案計算結(jié)果與分析

3.1 仿真計算結(jié)果

利用EBSILON軟件對3種方案進(jìn)行模擬計算，各方案中汽機(jī)進(jìn)口工質(zhì)的參數(shù)和汽機(jī)各級抽汽參數(shù)保持不變，模擬計算結(jié)果見表3所示。

3.2 方案經(jīng)濟(jì)性分析

由表3可知，利用煙氣余熱加熱給水后機(jī)組發(fā)電功率增加，同時熱耗量增加。這是因為汽機(jī)各級回?zé)岢槠繙p少，排擠更多的抽汽繼續(xù)回到汽輪機(jī)內(nèi)做功，從而發(fā)電量增多；但排擠的回?zé)岢槠麉?shù)較低，做功能力低于汽機(jī)新汽做功能力，造成汽輪機(jī)組熱功轉(zhuǎn)化效率降低，從而機(jī)組整體熱耗增加[16,18]。

表3 各方案機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

首先對各方案對比可知，方案2中除氧器抽汽量變化率幅度最大，方案1幾乎沒有除氧器抽汽量的變化，方案3中三種抽汽量均有變化，這是因為方案2中換熱器與除氧器后的①號低加并聯(lián)，換熱器出水溫度變化直接影響除氧器抽汽量變化。3種方案的發(fā)電量均有增加，但方案2增發(fā)功率最大、經(jīng)濟(jì)效益最為顯著，方案3次之，方案1最小。這是因為方案1節(jié)約的是②號低加和①號低加抽汽，方案3節(jié)約的是②號低加、①號低加抽汽和除氧器抽汽，方案2只節(jié)約①號低加抽汽和除氧器抽汽；而在該三類抽汽中，除氧器抽汽蒸汽品質(zhì)最好，是較其余兩類抽汽最為接近新汽參數(shù)的抽汽，故被排擠回汽機(jī)的做功能力最強(qiáng)。

其次，根據(jù)圖3可知，換熱器出水溫度t增加，增發(fā)功率增大。這是因為隨著出水溫度增高，出水點(diǎn)后的上一級(即更高品位)汽輪機(jī)抽汽量逐漸減少，排擠回汽輪機(jī)繼續(xù)發(fā)電做功。以方案2為例分析，煙水換熱器分流了①號低加的凝結(jié)水，①號低加的抽汽熱負(fù)荷降低，從而節(jié)約了原①號低加抽汽。隨著出水溫度t的增加，在換熱器功率一定的情況下，被分流的凝結(jié)水的量減少，節(jié)約的①號低加抽汽減少；但t增加，有利于提高匯入除氧器入口給水的溫度，節(jié)約的除氧器抽汽增多，汽機(jī)增加發(fā)電量仍得到提高。由此可知，較高參數(shù)的抽汽對機(jī)組做功增加起主要作用。類似地，對比分析圖3中方案1和方案3，也可得出上述結(jié)論。

圖3 各方案汽機(jī)抽汽量變化及增發(fā)功率比較

4 總結(jié)

(1)本文提出3種垃圾焚燒電廠煙氣余熱利用方案，在垃圾焚燒爐輸入熱量不變的情況下，由于凝結(jié)水加熱后抽汽耗量減少，3種方案均能增加發(fā)電功率，提高全廠經(jīng)濟(jì)性。

(2)排擠抽汽品質(zhì)、換熱器后凝結(jié)水溫度、流量均影響增發(fā)功率。方案2在換熱器出水溫度為130 ℃時，發(fā)電功率增加0.64 MW，年收益達(dá)282.9萬元，節(jié)能效果最佳。

(3)目前垃圾焚燒電廠排煙溫度在設(shè)計和運(yùn)行工況下尚存一定偏差，可以預(yù)見的是，煙氣余熱利用將是未來技改方向之一。對于利用煙氣余熱加熱凝結(jié)水的改造項目，要結(jié)合投資成本、現(xiàn)場條件、防腐要求和節(jié)能效果等綜合考慮，選擇合適的凝結(jié)水入口位置及出水溫度。