垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)蒸汽參數(shù)選擇

劉 浩，楊春琳，劉蘇蒙

（1.江蘇省環(huán)境工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000；2.光大生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000；3.江聯(lián)重工集團(tuán)股份有限公司，江西 南昌 330030）

垃圾焚燒發(fā)電廠的作用是將生活垃圾的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并將垃圾焚燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)居民使用的電能［1］。采用焚燒方式處理生活垃圾時(shí)，垃圾容積可以減少90%以上，質(zhì)量可以減少70% ～ 75%。生活垃圾焚燒處置量占垃圾總處置量的比例逐年增加，以焚燒為主的垃圾處置格局初步形成［2］?！笆濉逼陂g全國共建成生活垃圾焚燒發(fā)電廠254座，累計(jì)在運(yùn)行的生活垃圾焚燒發(fā)電廠超過500座，焚燒設(shè)施處理能力為58萬t·d-1［3］。國家有關(guān)部門為了引導(dǎo)和促進(jìn)垃圾發(fā)電行業(yè)健康、有序發(fā)展，出臺(tái)了《生活垃圾焚燒發(fā)電建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境準(zhǔn)入條件（試行）》《關(guān)于開展“百個(gè)城鎮(zhèn)”生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)縣域清潔供熱示范項(xiàng)目建設(shè)的通知》等政策，鼓勵(lì)生活垃圾發(fā)電項(xiàng)目兼顧供熱，有條件的生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目?jī)?yōu)先選擇熱電聯(lián)產(chǎn)模式，并配套建設(shè)供熱管網(wǎng)。鼓勵(lì)依托當(dāng)?shù)責(zé)嶝?fù)荷，因地制宜推進(jìn)新建垃圾發(fā)電項(xiàng)目熱電聯(lián)產(chǎn)，以作為清潔供熱方式的補(bǔ)充。

國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠余熱鍋爐主蒸汽主流參數(shù)可分為中溫中壓和中溫次高壓參數(shù)。中溫中壓蒸汽參數(shù)為4.0 MPa/400 ℃，中溫次高壓蒸汽參數(shù)為6.4 MPa/450 ℃［4］。張宇飛等［5］研究了中溫次高壓參數(shù)下垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，研究表明，隨著蒸汽供熱量的增加，全廠經(jīng)濟(jì)效益呈上升趨勢(shì)。岳興月［6］對(duì)垃圾焚燒發(fā)電廠蒸汽初參數(shù)的選擇進(jìn)行分析，研究表明，蒸汽初參數(shù)的提升會(huì)提高汽輪機(jī)的循環(huán)熱效率，中溫次高壓機(jī)組比中溫中壓機(jī)組熱效率提高6%以上。但鮮有學(xué)者對(duì)垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)蒸汽參數(shù)的選擇進(jìn)行研究。本文旨在研究熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)余熱鍋爐中溫中壓及中溫次高壓蒸汽參數(shù)對(duì)垃圾焚燒發(fā)電廠全廠熱效率及經(jīng)濟(jì)性的影響，以確定垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)的蒸汽初參數(shù)。

1 研究對(duì)象

《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》［3］中提出全國焚燒設(shè)施處理能力將提升至80萬t·d-1，并重點(diǎn)推進(jìn)中西部及東北部分區(qū)域地級(jí)市及縣級(jí)市焚燒設(shè)施的建設(shè)。中西部及東北部分區(qū)域地級(jí)市及縣級(jí)市的特點(diǎn)是人口少、垃圾熱值低，垃圾日處理規(guī)模在400 ～ 800 t·d-1。本文以日處理600 t規(guī)模的生活垃圾焚燒設(shè)施作為研究對(duì)象，焚燒設(shè)施設(shè)置為2 × 300 t·d-1爐排爐 + 1臺(tái)12 MW抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組，生活垃圾設(shè)計(jì)熱值為6 700 kJ·kg-1。熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱介質(zhì)為熱水，抽汽加熱熱水，供回水溫度為70/130 ℃。

2 垃圾熱電聯(lián)產(chǎn)投資及經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 主機(jī)設(shè)備參數(shù)

表1為中溫中壓及中溫次高壓余熱鍋爐、汽輪機(jī)性能參數(shù)。從表中可知，中溫中壓及中溫次高壓余熱鍋爐熱效率均為81%，對(duì)流受熱面積分別3 070、3 845 m2，中溫次高壓余熱鍋爐對(duì)流受熱面積約為中溫中壓的1.25倍。中溫次高壓余熱鍋爐對(duì)流受熱面增加主要是由于兩方面的原因：隨著主蒸汽溫度提高，需增加過熱器面積來提高過熱器吸熱量；考慮到過熱器的高溫腐蝕問題，需通過增加過熱器前水冷壁或蒸發(fā)器受熱面積來降低過熱器前進(jìn)口煙氣溫度。同時(shí)，隨著壓力參數(shù)提升，需通過在水冷壁敷設(shè)澆注料或堆焊等措施以避免水冷壁發(fā)生高溫腐蝕，這使得中溫次高壓余熱鍋爐整體重量及材料使用等級(jí)均會(huì)高于中溫中壓余熱鍋爐。中溫中壓及中溫次高壓汽輪機(jī)汽耗分別為4.73、4.22 kg·（kW·h）-1。中溫次高壓汽輪機(jī)汽耗與中溫中壓的相比降低了10.78%。單獨(dú)提高蒸汽壓力雖然可以提高汽輪機(jī)的熱效率，但是會(huì)導(dǎo)致排汽干度下降，從而影響汽輪機(jī)葉片的使用壽命。在提高蒸汽壓力的同時(shí)提高蒸汽溫度，不僅可以提高汽輪機(jī)的熱效率，而且可以避免排汽干度的下降。張曉斌等［7］研究也發(fā)現(xiàn)中溫次高壓汽輪機(jī)汽耗與中溫中壓汽輪機(jī)的相比更低。

表1 中溫中壓及中溫次高壓余熱鍋爐、汽輪機(jī)性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of heat recovery steam generator and steam turbine with medium temperature and medium pressure and medium temperature and sub-high pressure

2.2 主機(jī)設(shè)備投資額

表2為中溫中壓及中溫次高壓余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組投資額對(duì)比。從表中可知，中溫中壓余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組投資額分別為1 680、600 萬元，中溫次高壓余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組投資額分別為2 493、950 萬元。中溫次高壓主機(jī)設(shè)備投資額比中溫中壓的約提高51%，差價(jià)為1 163 萬元。

表2 中溫中壓及中溫次高壓余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組投資額對(duì)比Tab.2 Investment comparison of the heat recovery steam generator and steam turbine unit between medium temperature and medium pressure and medium temperature and subhigh pressure

2.3 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表3為中溫中壓及中溫次高壓垃圾焚燒發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比。供熱時(shí)間按供熱周期10月15日至3月15日計(jì)算，共3 624 h。采暖季總上網(wǎng)電量為供熱時(shí)發(fā)電功率與供熱時(shí)間的乘積；非采暖季總上網(wǎng)電量為無供熱時(shí)發(fā)電功率與無供熱時(shí)間的乘積；全年總上網(wǎng)電量為非采暖季總上網(wǎng)電量與采暖季總上網(wǎng)電量之和；全年總供熱量為抽汽供熱功率與供熱時(shí)間的乘積。

表3 中溫中壓及中溫次高壓參數(shù)垃圾焚燒發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比Tab.3 Comparison of the economic indicators in a waste incineration power plant between medium temperature and medium pressure waste and medium temperature and sub-high pressure

無供熱條件下，發(fā)電功率GP為汽輪機(jī)進(jìn)汽量（鍋爐蒸發(fā)量）BS與汽輪機(jī)汽耗CS的比值，即

由表3可知，中溫中壓及中溫次高壓機(jī)組鍋爐蒸發(fā)量分別為51.69、50.35 t·h-1，無供熱時(shí)汽輪機(jī)汽耗分別為4.73、4.22 kg·（kW·h）-1。由式(1)計(jì)算可得，中溫中壓及中溫次高壓機(jī)組發(fā)電功率分別為10.93、11.93 MW?？梢?，中溫次高壓機(jī)組發(fā)電功率比中溫中壓的提高了9%。

供熱條件下，發(fā)電功率GP1為汽輪機(jī)進(jìn)汽量BS1與汽輪機(jī)汽耗CS1的比值，即

由表3可知，供熱時(shí)中溫中壓及中溫次高壓機(jī)組汽輪機(jī)汽耗分別為8.58、7.12 kg·（kW·h）-1。由式（2）計(jì)算可得，中溫中壓及中溫次高壓機(jī)組發(fā)電功率分別為6.02、7.07 MW，根據(jù)汽輪機(jī)相關(guān)資料可知，相應(yīng)的供熱功率分別為18.43、17.80 MW。

式中：TE為全廠熱效率；GT為抽汽供熱功率。

由表3可知，中溫中壓機(jī)組發(fā)電功率和供熱功率分別為6.02、18.43 MW，中溫次高壓機(jī)組發(fā)電功率和供熱功率分別為7.07、17.80 MW。由式（3）計(jì)算可得，中溫次高壓機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)全廠熱效率為53.45%，相較于中溫中壓的提高了1.7%。

2.4 營業(yè)收入

表4為中溫中壓及中溫次高壓垃圾焚燒發(fā)電廠營業(yè)收入對(duì)比，營業(yè)收入計(jì)算基礎(chǔ)條件：焚燒設(shè)施全年運(yùn)行時(shí)間8 000 h，城鎮(zhèn)供熱時(shí)間3 624 h（約5個(gè)月）。表中按12 MW汽輪發(fā)電機(jī)組最大供熱能力，廠內(nèi)供熱首站投資額暫估300萬元計(jì)算。

表4 中溫中壓及中溫次高壓垃圾焚燒發(fā)電廠營業(yè)收入對(duì)比Tab.4 Comparison of the annual revenue in a waste incineration power plant between medium temperature and medium pressure and medium temperature and sub-high pressure

無供熱條件下，有

式中：IE為全年發(fā)電收入；E為補(bǔ)貼電量，值為55 944 000 kW·h；PB為補(bǔ)貼電價(jià)，NE為非補(bǔ)貼電量；PN為非補(bǔ)貼電價(jià)。

由式（4）計(jì)算可得，無供熱條件下時(shí)中溫中壓及中溫次高壓機(jī)組全年發(fā)電收入分別為4 219.33、4 516.27萬元，中溫次高壓機(jī)組因具備更高的熱效率，上網(wǎng)售電收入提高6.9%。供熱條件下中溫中壓及中溫次高壓機(jī)組全年發(fā)電收入分別為3 505.40、4 037.31萬元。

供熱條件下，有

式中：IH為全年供熱收入；AT為全年總供熱量；PH為售熱價(jià)格，值為36 元·GJ-1。

由式（5）計(jì)算可得，供熱條件下，中溫中壓及中溫次高壓機(jī)組全年供熱收入分別為865.60、836.01萬元，全年總收入分別為4 371 、4 873.43萬元。計(jì)算結(jié)果表明，中溫中壓機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)全年總收入比無供熱時(shí)的提高了3.6% ，中溫次高壓機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)全年總收入比無供熱時(shí)的提高了7.9% 。熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)中溫次高壓機(jī)組的全年總收入比中溫中壓機(jī)組的提高了11.5%?？梢?，采用熱電聯(lián)方式不僅可以提高垃圾焚燒設(shè)施全廠熱效率，同時(shí)可以提高垃圾焚燒設(shè)施運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。

2.5 投資回收期

投資回收期采用靜態(tài)投資回收期計(jì)算，將中溫次高壓參數(shù)熱電聯(lián)產(chǎn)與中溫中壓參數(shù)非熱電聯(lián)產(chǎn)的主機(jī)設(shè)備投資增加額和廠內(nèi)供熱首站投資額作為投資成本，現(xiàn)金流入為中溫次高壓參數(shù)熱電聯(lián)產(chǎn)與中溫中壓參數(shù)熱電聯(lián)產(chǎn)全年總收入增加值減去中溫次高壓參數(shù)熱電聯(lián)產(chǎn)年生產(chǎn)成本，建設(shè)期按1 年考慮。

表5為靜態(tài)投資現(xiàn)金流量表。計(jì)算結(jié)果表明，投資成本為1 463萬元，即現(xiàn)金流出。中溫次高壓參數(shù)熱電聯(lián)產(chǎn)與中溫中壓參數(shù)熱電聯(lián)產(chǎn)全年收入增加值為502.43萬元（見表4）。中溫次高壓參數(shù)熱電聯(lián)產(chǎn)年生產(chǎn)成本為54.75萬元，因此現(xiàn)金流入為兩者之差447.68萬元。

表5 靜態(tài)投資現(xiàn)金流量表Tab.5 Cash flow statement of the static investment

靜態(tài)回收期的計(jì)算式［8］為

式中：Pt為靜態(tài)回收期；C為累計(jì)凈現(xiàn)金流量開始出現(xiàn)正值的年份數(shù)；Py為上一年累計(jì)凈現(xiàn)金流量的絕對(duì)值；Pa為當(dāng)年凈現(xiàn)金流量。

經(jīng)計(jì)算，中溫次高壓參數(shù)熱電聯(lián)產(chǎn)靜態(tài)投資回收期約為4.73年。

3 結(jié) 論

針對(duì)垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)，采用中溫中壓及中溫次高壓蒸汽參數(shù)對(duì)全廠投資及經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，采用中溫次高壓參數(shù)時(shí)，焚燒設(shè)施主機(jī)投資額增加，但垃圾焚燒設(shè)施熱電聯(lián)產(chǎn)全廠熱效率較中溫中壓參數(shù)的提高1.7%。熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)中溫次高壓機(jī)組的全年總收入比中溫中壓機(jī)組的提高了11.5%。中溫次高壓參數(shù)機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)靜態(tài)回收期約為4.73年，可見垃圾熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)采用中溫次高壓參數(shù)時(shí)經(jīng)濟(jì)性更好。