葉 菲，趙洪生，林昊宇

(中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021)

目前我國正在大力發(fā)展可再生能源，國家發(fā)改委可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃中提出的指標(biāo)是：到2020年，全部可再生能源發(fā)電裝機6.8×108kW，發(fā)電量1.9×1012kW·h，占全部發(fā)電量的27%。其中生物質(zhì)資源是可再生能源的重要組成部分，利用生物質(zhì)發(fā)電可以實現(xiàn)CO2的零排放，同時可減少田間地頭散燒所帶來的環(huán)境和空氣質(zhì)量問題。

國家在鼓勵生物質(zhì)直燃發(fā)電的同時，也大力支持燃煤機組與生物質(zhì)耦合發(fā)電的新型生產(chǎn)模法。充分利用我國現(xiàn)有清潔高效煤電機組技術(shù)優(yōu)勢，依托現(xiàn)役煤電高效發(fā)電系統(tǒng)和污染物集中治理設(shè)施，實現(xiàn)生物質(zhì)的高效清潔利用。為此國家能源局和環(huán)保部于2017年11月聯(lián)合下發(fā)了國能發(fā)電力(2017)75號文《關(guān)于開展燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點工作的通知》。下面結(jié)合 8 t/h生物質(zhì)消耗量的氣化爐與350 MW燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組耦合的案例，分析其耦合后的經(jīng)濟性。

1 生物質(zhì)氣化與燃煤機組耦合發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)氣化與大型燃煤機組耦合發(fā)電技術(shù)是指生物質(zhì)在循環(huán)流化床氣化爐中完成高效氣化，產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)饨?jīng)過除塵后，以熱燃?xì)獾姆椒ㄖ苯铀腿氪笮腿济弘娬惧仩t，與煤粉進(jìn)行混燒，利用燃煤機組現(xiàn)有的發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)高效發(fā)電。該技術(shù)充分利用大型燃煤機組，將生物質(zhì)能高效轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)生物質(zhì)的高效利用。

生物質(zhì)氣化技術(shù)目前在工業(yè)應(yīng)用中采用較多的是微負(fù)壓循環(huán)流化床氣化技術(shù)。生物質(zhì)在床料的輔助流化作用下，在爐內(nèi)經(jīng)歷聚集、沉降、吹散、上升再聚集的物理衍變過程；循環(huán)床中氣體、生物質(zhì)、床料發(fā)生劇烈的傳熱傳質(zhì)和接觸反應(yīng)，形成爐內(nèi)循環(huán)。同時氣體對生物質(zhì)和床料的微小顆粒實現(xiàn)快速夾帶，經(jīng)過旋風(fēng)分離器分離出殘留可燃組分和床料，由回料裝置送回反應(yīng)區(qū)，形成爐外的物料循環(huán)。氣化爐內(nèi)外兩種循環(huán)平衡的建立，保證反應(yīng)進(jìn)程穩(wěn)定，是循環(huán)流化床氣化技術(shù)的核心。

生物質(zhì)氣化與燃煤機組耦合發(fā)電的原則性系統(tǒng)圖見圖1 。生物質(zhì)燃?xì)廨斔偷藉仩t的熱量通過生物質(zhì)燃?xì)獾臀话l(fā)熱量和生物質(zhì)燃?xì)饬髁繑?shù)值進(jìn)行監(jiān)測。

圖1 生物質(zhì)氣化與燃煤機組耦合發(fā)電的原則性系統(tǒng)圖

2 生物質(zhì)氣化與燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組耦合案例

2.1 熱電聯(lián)產(chǎn)機組燃煤參數(shù)

2.1.1 鍋爐

鍋爐為2臺亞臨界參數(shù), 一次中間再熱，單爐膛,平衡通風(fēng),自然循環(huán)汽包鍋爐。三分倉容克法空氣預(yù)熱器。鍋爐采用全鋼構(gòu)架，懸吊結(jié)構(gòu)，鍋爐運轉(zhuǎn)層以上緊身封閉。單臺鍋爐的參數(shù)為：最大連續(xù)蒸發(fā)量1 165 t/h；過熱蒸汽出口壓力17.5 MPa；過熱蒸汽出口溫度540 ℃；再熱蒸汽流量 969.3 t/h；再熱蒸汽進(jìn)口壓力3.86 MPa； 再熱蒸汽進(jìn)口溫度328.4 ℃；再熱蒸汽出口壓力 3.68 MPa；再熱蒸汽出口溫度 540 ℃；省煤器入口給水壓力(包括靜壓頭)19.265 MPa；省煤器入口給水溫度 279.4 ℃；空氣預(yù)熱器型法三分倉回轉(zhuǎn)法空氣預(yù)熱器。

2.1.2 汽輪機

汽輪機為2臺額定功率為350 MW的亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、單軸雙排汽、抽汽凝汽法采暖供熱機組。單臺汽輪機的參數(shù)為：額定純凝工況主蒸汽流量 1 106.03 t/h；純凝工況額定功率350 MW時最大出力382.455 MW；平均熱負(fù)荷工況出力 276.545 MW；主汽門進(jìn)口蒸汽壓力16.67 MPa；主汽門進(jìn)口蒸汽溫度537 ℃；再熱蒸汽流量919.75 t/h；再熱蒸汽進(jìn)口蒸汽溫度537 ℃；再熱蒸汽進(jìn)口蒸汽壓力3.769 MPa；平均工況采暖抽汽壓力0.49 MPa；平均工況采暖抽汽溫度267.6 ℃；最大負(fù)荷工況采暖抽汽流量：500 t/h；額定冷卻水溫度20 ℃；額定背壓4.9 kPa；額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

2.2 生物質(zhì)氣化爐

生物質(zhì)氣化爐為1臺生物質(zhì)消耗量為8 t/h玉米秸稈氣化爐，為微負(fù)壓循環(huán)流化床型式。日運行時間按22 h計算，日燃秸稈量176 t；生物質(zhì)氣化爐年運行時間與350 MW燃煤機組年運行時間一致，按7 300 h計算，年秸稈耗量58 400 t。

2.3 生物質(zhì)氣化爐輸送至燃煤鍋爐的熱量

生物質(zhì)氣化爐的輸入燃料為玉米秸稈，產(chǎn)生生物質(zhì)燃?xì)猓镔|(zhì)燃?xì)庵苯舆M(jìn)入燃煤機組鍋爐中燃燒。生物質(zhì)燃?xì)馑腿肴济哄仩t的熱量包括兩部分，一是生物質(zhì)燃?xì)獾娘@熱，生物質(zhì)氣化爐出口燃?xì)鉁囟纫话銥?50 ℃左右，具有很高的物理顯熱；二是生物質(zhì)燃?xì)馊紵懦龅幕瘜W(xué)熱，即燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量。單臺8 t/h生物質(zhì)氣化爐熱量：燃?xì)猱a(chǎn)量17 000 m3/h；生物質(zhì)燃?xì)怙@熱9.87×106kJ/h；生物質(zhì)燃?xì)馊紵艧崃?.59×107kJ/h；生物質(zhì)燃?xì)廨斎肴济哄仩t總熱量7.577×107kJ/h。生物質(zhì)氣化爐年運行時間按7 300 h計算，生物質(zhì)燃?xì)饽戤a(chǎn)量1 241×105m3,全年輸入燃煤鍋爐總熱量553 121 GJ。

2.4 運行方法

1臺8 t/h生物質(zhì)消耗量的氣化爐布置于熱電廠廠區(qū)內(nèi)，盡量靠近2臺350 MW機組鍋爐房附近，以便于生物質(zhì)燃?xì)獾妮斔汀?/p>

350 MW燃煤機組鍋爐配置專用的生物質(zhì)燃?xì)馊紵?。原則上生物質(zhì)氣化爐產(chǎn)生的燃?xì)庵慌c1臺350 MW燃煤鍋爐耦合運行，當(dāng)耦合運行的350 MW燃煤機組鍋爐故障時可以切換到另外1臺350 MW機組鍋爐運行。由于8 t/h生物質(zhì)消耗量的氣化爐單位時間內(nèi)輸入350 MW燃煤鍋爐的熱量約為燃煤鍋爐額定負(fù)荷下熱量輸入的2.5%左右，生物燃?xì)鉄崃克急壤苄?，因此只要燃煤機組運行，則8 t/h生物質(zhì)氣化爐均處于滿負(fù)荷運行狀態(tài)，且忽略摻燒生物質(zhì)燃?xì)鈱θ济哄仩t運行的影響，即燃煤鍋爐效率保持不變。

3 經(jīng)濟性分析

3.1 經(jīng)濟性分析的基本原則和邊界條件

1臺8 t/h氣化爐,生物質(zhì)氣化與燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組耦合后，其經(jīng)濟性指標(biāo)分析計算按如下原則及邊界條件進(jìn)行。

a.耦合后350 MW燃煤機組的鍋爐效率、汽機效率不變。

b.生物質(zhì)與350 MW燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組耦合后的機組年發(fā)電量(設(shè)備利用時間)不變，供熱量不變。每臺350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組的年供熱量404×104GJ，年發(fā)電量147 500×104kW·h，廠綜合用電率7.6%，年平均發(fā)電標(biāo)煤耗248 g/(kW·h)，年平均供熱標(biāo)煤耗42.5 kg/GJ。

c.生物質(zhì)價格按300 元/t；生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電上網(wǎng)電價按0.75 元/(kW·h)；采暖供熱價格按27.5 元/GJ。

d.標(biāo)煤價格按550 元/t，當(dāng)?shù)厝济簷C組含稅上網(wǎng)電價按0.375 元/(kW·h)。

e.生物質(zhì)氣化爐的年運行時間按7 300 h(自然年時間扣除350 MW機組大小修和機組非停時間)。

f.年節(jié)省標(biāo)煤的燃料費1 038×104元，生物質(zhì)燃料年費用1 752×104元，生物質(zhì)燃?xì)饽晏娲鷺?biāo)煤量18 873 t.

3.2 3種經(jīng)濟性指標(biāo)測算方法

3.2.1 方法1

以生物質(zhì)燃?xì)馑腿?50 MW燃煤機組中的熱量僅按生產(chǎn)電能計量，且按350 MW機組純凝工況下發(fā)電標(biāo)煤耗計算年發(fā)電量(同時考慮機組年負(fù)荷分配后對煤耗的影響)。經(jīng)濟性指標(biāo)見表1。

3.2.2 方法2

以生物質(zhì)燃?xì)馑腿?50 MW燃煤機組中的熱量僅按生產(chǎn)電能計量，且按燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組年平均發(fā)電標(biāo)煤耗計算年發(fā)電量，經(jīng)濟性指標(biāo)見表2。

3.2.3 方法3

方法3以生物質(zhì)燃?xì)馑腿?50 MW燃煤機組中的熱量按同時生產(chǎn)電能和熱能計量，且按機組年平均熱電比分配生物質(zhì)燃?xì)鉄崃?，耦合后?jīng)濟性指標(biāo)見表3。

表1 方法1的經(jīng)濟性指標(biāo)

表2 方法2的經(jīng)濟性指標(biāo)

表3 方法3 的經(jīng)濟性指標(biāo)

3.3 3種經(jīng)濟性指標(biāo)測算方法比較

上述3種生物質(zhì)耦合燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組的經(jīng)濟性測算方法中，按方法2測算的經(jīng)濟性最好，生物質(zhì)燃?xì)廨斎肴济哄仩t的熱量按熱電聯(lián)產(chǎn)年均發(fā)電標(biāo)煤耗率折算發(fā)電量，其折算的發(fā)電量最多，獲得的收益最大。按方法1測算的經(jīng)濟性居中，按方法3測算的經(jīng)濟性最差。方法3的分?jǐn)偡椒ㄊ菍⑸镔|(zhì)燃?xì)鉄崃堪茨昃鶡犭姳冗M(jìn)行分?jǐn)?，一部分熱量用于發(fā)電，一部分熱量用于供熱，用于發(fā)電的可以獲得0.75元/ (kW·h)的上網(wǎng)電價，而用于供熱的無額外收益，因為供熱量不變，供熱價格也沒提高。當(dāng)生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電的上網(wǎng)電價下降時，生物質(zhì)氣化與燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組耦合的經(jīng)濟性會隨之降低，燃?xì)馍暇W(wǎng)電價波動時收益測算結(jié)果見表4 。其中標(biāo)煤價格按550元/t不變，生物質(zhì)單價按300元/t不變，生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電上網(wǎng)電價由0.75元/(kW·h)按0.05元/(kW·h)遞減下降到0.55元/(kW·h)。

表4 燃?xì)馍暇W(wǎng)電價波動時收益測算

由表4可以看出，當(dāng)生物質(zhì)燃?xì)馍暇W(wǎng)電價下降至0.55 元/(kW·h)時，即便按方法2進(jìn)行測算，其每年的收益僅為517×104元。如果耦合1臺8 t/h生物質(zhì)氣化爐的總投資按6×107元計算，其回收年限在10年以上，經(jīng)濟性不佳。

4 結(jié)論

燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組既生產(chǎn)電能又生產(chǎn)熱能，上述3種測算方法中生物質(zhì)燃?xì)廨斎氲饺济哄仩t的熱量都是相同的，只是由于這部分熱量產(chǎn)生的產(chǎn)品不同和產(chǎn)品產(chǎn)量的計量方法不同，而導(dǎo)致測算的經(jīng)濟效益有所不同。方法1是生物質(zhì)燃?xì)廨斎虢o燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱量僅按生產(chǎn)電能計量，且按燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組純凝工況額定負(fù)荷時的發(fā)電煤耗率折算發(fā)電量(同時考慮機組年負(fù)荷分配對煤耗的影響)。此時生物質(zhì)耦合發(fā)電量沒有得到燃煤機組熱電聯(lián)產(chǎn)所帶來的好處，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電量相對方法2較少，發(fā)電收益小。

方法2是生物質(zhì)燃?xì)廨斎虢o燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱量僅按生產(chǎn)電能計量，且按燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組年平均發(fā)電標(biāo)煤耗數(shù)值折算發(fā)電量。生物質(zhì)耦合發(fā)電量享受了燃煤機組熱電聯(lián)產(chǎn)好處歸電的益處，機組年平均發(fā)電煤耗率僅為248 g/(kW·h)，遠(yuǎn)低于660 MW等級和1 000 MW等級的高效超超臨界純凝發(fā)電機組的年均發(fā)電標(biāo)煤耗數(shù)值。按此方法測算的生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電量大，發(fā)電收益好，耦合優(yōu)勢明顯。

方法3是生物質(zhì)燃?xì)廨斎虢o燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱量按同時生產(chǎn)電能和熱能計量，且按燃煤機組熱電聯(lián)產(chǎn)的全年平均熱電比例分配熱量并測算耦合的經(jīng)濟性，生物質(zhì)燃?xì)庥糜诎l(fā)電的那部分熱量按燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組年平均發(fā)電標(biāo)煤耗數(shù)值折算發(fā)電量。由于有部分生物質(zhì)燃?xì)鉄崃糠謹(jǐn)傆糜诠?，因此分?jǐn)偟陌l(fā)電量明顯少于方法2，且按方法3進(jìn)行測算的生物質(zhì)耦合發(fā)電的經(jīng)濟性最差。

按上述3種方法測算的經(jīng)濟性會隨著邊界條件的變化而變化，如生物質(zhì)燃料的單價、標(biāo)煤單價、生物質(zhì)耦合發(fā)電的上網(wǎng)電價、熱電聯(lián)產(chǎn)的熱電比等均有較大關(guān)系。