郝章峰

（上海康恒環(huán)境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，截至2019年12月底，我國垃圾焚燒處理規(guī)模已達49萬t/d，占全國垃圾無害化處理總量的50%以上，垃圾焚燒已成為城市生活垃圾處理的主要方式[1]。在能源回收利用方面，配套余熱鍋爐和汽輪機發(fā)電機組是垃圾焚燒能源轉(zhuǎn)換的重要方式，但余熱鍋爐的蒸汽參數(shù)是卻是制約垃圾焚燒能源轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一。從垃圾焚燒行業(yè)發(fā)展的歷程來看，余熱鍋爐的設(shè)計主蒸汽參數(shù)從日本、歐洲最早期的0.8～1.6 MPa，200～300℃，歷經(jīng)4.0 MPa，400/450℃等中溫中壓參數(shù)，逐步發(fā)展到6.4 MPa，450/485℃的高溫次高壓參數(shù)；焚燒廠發(fā)電效率也從早期的14%左右提高到19%～26%，個別超高壓再熱參數(shù)機組甚至達到30%以上[2]。在此類高參數(shù)技術(shù)不斷進步發(fā)展的進程中，制約余熱鍋爐高參數(shù)的最大瓶頸，就是換熱面高溫腐蝕問題。

雖然提高余熱鍋爐參數(shù)可大幅度提高垃圾焚燒發(fā)電效率，但是余熱鍋爐的安全穩(wěn)定運行也受到了挑戰(zhàn)，特別是高溫、中溫過熱器的高溫腐蝕問題尤為突出，頻繁造成爆管事故，危害鍋爐安全運行，嚴重影響電廠的穩(wěn)定運行。

目前減弱過熱器高溫腐蝕的主要措施有兩點[3]：一是通過嚴格控制過熱器的進口煙溫來降低過熱器的金屬壁面溫度，讓過熱器在低腐蝕溫度區(qū)域運行；二是采用抗腐蝕性更好的換熱管材質(zhì)來應(yīng)對，特別是近兩年堆焊技術(shù)、火焰噴涂技術(shù)、激光熔覆等防腐技術(shù)的應(yīng)用，使鍋爐參數(shù)的提升提供了保障。通過跟蹤國內(nèi)次高溫次高壓的垃圾焚燒余熱爐的運行情況，對運行數(shù)據(jù)分析整理來推導(dǎo)出過熱器（以高溫過熱器、中溫過熱器為研究對象）的高溫煙氣環(huán)境，分析過熱器的換熱面溫度隨運行時間的推移而發(fā)生的影響，與之對應(yīng)的減溫噴水量的變化趨勢，及與過熱器煙溫的關(guān)聯(lián)性；分析不同運行負荷下，過熱器進口煙溫和減溫水量的變化幅度的差異與關(guān)聯(lián)性。這些研究成果對垃圾焚燒發(fā)電廠余熱鍋爐的安全穩(wěn)定高效運行、提高發(fā)電效率和焚燒行業(yè)技術(shù)提升都具有積極的意義。

1 研究對象及研究方法

1.1 研究對象和樣本數(shù)據(jù)的選擇

本文選取了山東某地典型城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠余熱鍋爐（2號余熱鍋爐）為研究對象。該垃圾焚燒發(fā)電廠處理規(guī)模為2 250 t/d，配備3×750 t/d三條焚燒線和2臺30 MW凝汽式汽輪發(fā)電機組。單臺焚燒爐垃圾處理量為750 t/d，配套余熱鍋爐設(shè)計主蒸汽參數(shù)為壓力6.4 MPa、主蒸汽溫度485℃、蒸發(fā)量68.6 t/h。

該焚燒廠投產(chǎn)時間為2019年6月，運行至今。其中2020年2月受疫情影響，入廠垃圾減少，2號爐進行停爐維護，不列入研究樣本；2019年6月—7月初為試運行期，考慮測量儀表的數(shù)據(jù)有效性和準確性，此期間的數(shù)據(jù)也未做收集；以2號爐在2019年8月—2020年4月，除去2020年2月，共7個月內(nèi)的運行數(shù)據(jù)作為研究樣本。

2號爐運行的煙氣側(cè)、汽水側(cè)典型數(shù)據(jù)如表1～2所示。

表1 余熱鍋爐運行的煙氣側(cè)典型參數(shù)

表2 余熱鍋爐運行的汽水側(cè)典型參數(shù)

1.2 研究方法

1.2.1 模型建立

首先建立焚燒爐-余熱鍋爐模型煙氣流程和汽水流程，通過給定計算的邊界條件，如鍋爐效率、入爐垃圾組分和熱值、入爐空氣量和溫度、鍋爐運行負荷等，經(jīng)質(zhì)能平衡原理，通過軟件迭代計算來模擬余熱鍋爐的運行工況，得到各工況下的模型數(shù)據(jù)（以下稱為模型數(shù)據(jù)），再與對應(yīng)的DCS記錄的實際運行數(shù)據(jù)（以下稱為運行數(shù)據(jù)）分析，以期推導(dǎo)這兩者之間的差異和關(guān)聯(lián)性，為修正兩者的不一致性，和優(yōu)化余熱鍋爐方案提供更有用的參考。

鍋爐結(jié)構(gòu)及受熱面布置方式如圖1所示，煙氣流程依次為：焚燒爐、余熱鍋爐一、二、三煙道，水平煙道，省煤器煙道，鍋爐出口。汽水流程根據(jù)工質(zhì)流向依次為：給水管，省煤器，汽包，低溫、中溫和高溫過熱器，中間設(shè)置二級噴水減溫器，最后至主汽集箱結(jié)束；煙氣流程和汽水流程是耦合相通的。

圖1 垃圾焚燒爐-余熱鍋爐結(jié)構(gòu)

1.2.2 計算參數(shù)選取

煙氣側(cè)部分測點由于設(shè)備原因及安裝位置限制，存在較大的測量誤差[4]，同時鍋爐本身運行會產(chǎn)生局部流場與溫度場偏差。從表1可以看出煙氣側(cè)溫度爐左測點和爐右測點有10℃左右的偏差，高溫、中溫過熱器左右側(cè)的溫度參數(shù)，也和運行經(jīng)驗參數(shù)有較大差距；對比鍋爐運行的汽水側(cè)參數(shù)，特別是過熱器的噴水減溫量，誤差更是明顯，因此將煙氣測數(shù)值作為趨勢考慮，不作為定量考慮基準。相較煙氣側(cè)參數(shù)，表2中鍋爐汽水側(cè)各參數(shù)的測量條件、儀表準確性、可靠性、精度都更優(yōu)，實際測量參數(shù)也跟運行經(jīng)驗，理論設(shè)計參數(shù)匹配度更高，因此選用更多汽水側(cè)參數(shù)作為定量分析的基準，通過汽水側(cè)參數(shù)反算煙氣側(cè)參數(shù)來校核實際運行工況[5]。

2 余熱鍋爐過熱器運行參數(shù)變化的規(guī)律

2.1 運行數(shù)據(jù)中過熱器煙溫隨運行時間變化的趨勢

圖2所示為該余熱鍋爐自2019年8月—2020年4月，DCS實測高過和中過入口煙溫的變化情況。由圖可知，2019年8月—2020年4月，各級過熱器的入口煙溫雖有較大波動，但總體呈現(xiàn)上升趨勢，尤其是2019年12月，各級過熱器的入口煙溫有顯著上升，這與焚燒爐-余熱鍋爐的負荷提升有關(guān)。自2019年12月以來，入廠垃圾量充足，入爐垃圾量顯著增加，平均入爐垃圾量達到800 t/d以上，如圖3所示，隨著入爐垃圾量的增加，過熱器入口煙溫顯著提升，高過入口熱電偶實測溫度達到600℃左右。過熱器煙溫隨運行時間增長和入爐垃圾量變化關(guān)聯(lián)性明顯，呈正相關(guān)特性。

圖2 過熱器煙氣溫度變化情況（運行數(shù)據(jù)）

圖3 分析周期內(nèi)鍋爐日平均入爐垃圾量（不含2020年2月）

圖4 模型數(shù)據(jù)的高溫、中溫過熱器入口煙溫變化情況（MCR點工況）

2.2 模型數(shù)據(jù)中過熱器煙溫隨運行時間變化的趨勢并與運行數(shù)據(jù)對比分析

本節(jié)將對收集到的工況數(shù)據(jù)通過軟件模型進行計算復(fù)核，通過擬合汽水側(cè)各級過熱器進出口蒸汽溫度來反算各級過熱器進出口煙氣溫度，并與DCS實測煙氣溫度數(shù)據(jù)形成對比。

從2019年8月—2020年4月的采集數(shù)據(jù)中選取蒸發(fā)量接近設(shè)計MCR工況進行模型計算校核，高溫、中溫過熱器入口煙溫隨時間變化的情況如圖4所示。其中2019年10月運行負荷較低，無MCR工況點；2020年2月2號爐停爐，故圖4不包含上述2個月的數(shù)據(jù)。由圖可知，對運行工況進行模型計算，結(jié)果表明高過入口煙溫都在650℃以上，并且隨著運行時間的增加，煙溫也呈逐漸上升的趨勢，從2019年8月的656℃上升到2020年1月的690℃，增幅將近35℃。中過入口煙溫有類似的變化趨勢，隨著運行時間的增加，入口煙氣溫度也逐漸上升，中過入口煙溫從2019年8月的603℃上升到2020年1月的628℃，上升幅度約25℃。2020年2月停爐進行了清灰工作，3月和4月的煙氣溫度與1月相比略有下降，但與3月煙氣溫度相比，4月的高中過入口煙溫繼續(xù)上升。

高、中過熱器入口煙溫的模型數(shù)據(jù)與運行數(shù)據(jù)的對比如圖5所示，由圖可知，模型推算出的高溫、中溫過熱器進口煙溫（模型數(shù)據(jù)）都高于運行數(shù)據(jù)。如圖5（a）所示，高溫過熱器進口煙溫的模型值都在650℃以上，最高推算值為681℃，而運行數(shù)據(jù)均在600℃以下，兩者的差值范圍在90～115℃，平均差值為102.5℃。如圖5（b）所示，中溫過熱器進口煙溫的模型數(shù)據(jù)在600℃左右，與運行數(shù)據(jù)的差值范圍在57～96℃，平均差值為76.5℃。據(jù)此，建議在設(shè)計余熱鍋爐時，宜充分考慮鍋爐受熱面在嚴重沾污狀況下的換熱能力，優(yōu)化蒸發(fā)受熱面和過熱面的配比和布置，以對抗超溫運行時的高溫腐蝕問題。由圖5的運行數(shù)據(jù)的趨勢線可以發(fā)現(xiàn)，分析周期內(nèi)的各月的運行數(shù)據(jù)無顯著變化，推測其原因與運行煙氣溫度測點存在測量誤差有關(guān)[6]。建議對實測值附加修正系數(shù)來消除誤差。另外合理布置煙氣溫度測點方案，可提升運行中實測數(shù)據(jù)的可靠性和精確性。如采用雙層溫度測點的布置方式，充分考慮煙氣的偏流特性影響；盡可能地將測量管伸入爐內(nèi)，保證測量深度；以及定期清除儀表測量裝置表面覆蓋的積灰殼，保持熱電偶的清潔等。

圖5 高、中過熱器入口煙溫的模型數(shù)據(jù)與運行數(shù)據(jù)的對比

2.3 MCR點工況附近余熱鍋爐各級減溫噴水量對比

各級減溫噴水量的模型數(shù)據(jù)與運行數(shù)據(jù)的對比如表3所示。

表3 減溫噴水量模型數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)的對比

余熱鍋爐設(shè)計的一級減溫噴水量（低溫段）和二級減溫噴水量（高溫段）的最大量程分別為6 t/h和2 t/h。2019年12月和2020年1月負荷為70 t/h左右時，運行一級和二級噴水量達到最大量程，噴水計量值達到最大，約為8 t/h。但是模型計算結(jié)果顯示，實際的總噴水量大于計量值，多出噴水量基本在1 t/h以上。另根據(jù)模型數(shù)據(jù)可以看出，隨著運行時間的增加，減溫噴水量也呈上升趨勢，這和前文中所述煙氣溫度隨著運行時間有所增加的趨勢一致。這也佐證了垃圾焚燒余熱鍋爐的設(shè)計與傳統(tǒng)燃料鍋爐的差異，因為垃圾組分不均，以及鍋爐受熱面的積灰嚴重，易造成鍋爐運行超溫，與設(shè)計時不符。一旦鍋爐超溫運行，特別是高溫過熱器進口煙溫超設(shè)計值，達600～650℃及以上時，對高溫過熱器的安全將是嚴重威脅。然而用減溫水來調(diào)節(jié)余熱鍋爐汽溫、煙溫的作用非常有限，所以建議在運行中，把減溫水量作為余熱鍋爐安全穩(wěn)定運行的評價指標之一；當減溫水超設(shè)計負荷且達到一定運行時間后，應(yīng)當及時停爐，對余熱鍋爐進行清灰、檢修與維護。

2.4 不同負荷下的煙溫變化趨勢

根據(jù)收集到的運行數(shù)據(jù)，以設(shè)計MCR工況為基準，選取同期11月份70%～110%不同負荷變化下的蒸汽側(cè)和煙氣側(cè)數(shù)據(jù)，對各負荷下的工況進行模型計算分析，并與運行數(shù)據(jù)對比，具體分析情況如圖6所示。

圖6 11月份同期不同負荷條件下各階段煙氣溫度變化情況

圖6（a）所示為模型數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可以看出各級受熱面的煙氣溫度隨著負荷的上升同步升高。當負荷由70%提高到100%時，高過入口煙溫提高了約70℃，中過入口煙溫也提高了將近50℃。圖6（b）所示為運行數(shù)據(jù)不同負荷下各級受熱面的煙氣溫度變化情況，運行數(shù)據(jù)顯示當負荷由70%提高到100%時高過入口煙溫提高了38℃，中過入口煙溫提高了26℃；分析整段負荷變化，80%～100%區(qū)間相較70%～80%及100%～110%區(qū)間，高過入口和中過入口煙氣溫度上升梯度較平緩，表明余熱鍋爐在80%～100%負荷區(qū)間的運行較平穩(wěn)，波動幅度小，可以把該區(qū)間作為運行控制的理想?yún)^(qū)間指導(dǎo)實際設(shè)備運行。

2.5 不同負荷下的噴水減溫量變化趨勢

圖7所示為一級、二級減溫噴水量以及總噴水量的隨負荷變化而變化情況。由圖可知，隨著負荷增加，一二級噴水量也在增大。負荷由70%提高到110%，無論是模型計算還是運行數(shù)據(jù)，總噴水量都增加了約1倍。90%負荷時，二級噴水量運行數(shù)據(jù)已經(jīng)達到了流量計的最大量程，即2.03 t/h，二級噴水量的計量值不再隨負荷的變化而變化，而根據(jù)模型計算結(jié)果表明，二級噴水量在持續(xù)增加，110%負荷時達到了3.38 t/h，較大地超過了運行數(shù)據(jù)的2.03 t/h。

圖7 不同負荷下的減溫噴水量變化情況

3 結(jié)束語

（1）根據(jù)模型的計算結(jié)果，在焚燒爐運行初期，過熱器入口煙氣溫度便超過605℃的設(shè)計值；運行數(shù)據(jù)也在運行一段時間后達到600℃。過熱器前端蒸發(fā)受熱面設(shè)計可能偏小，不能滿足在實際運行工況下長期保證過熱器換熱面處于合理的設(shè)計煙溫區(qū)間的性能要求。因此，在類似的爐型設(shè)計中，需要考慮布置充分的前端受熱面。

（2）在運行半年后，過熱器前入口煙氣溫度增加了近40℃，運行工況的穩(wěn)定性較差。盡管該鍋爐在二、三煙道內(nèi)設(shè)置了蒸汽吹灰器，但實際運行后因吹灰器材質(zhì)問題，吹灰器卡澀，無法正常運行，導(dǎo)致積灰無有效清除手段，換熱效果差，后端煙氣超溫。因此，在鍋爐設(shè)計中，需注意選擇輻射受熱面的清灰措施，以提高運行工況的穩(wěn)定性。

（3）模型反算煙氣溫度與運行數(shù)據(jù)存在較大偏差，且模型計算煙溫大于現(xiàn)場數(shù)據(jù)。高過入口煙溫差值在90～115℃之間，中過入口煙溫差值在57～96℃之間。偏差來源為熱電偶的溫度測量數(shù)值存在誤差、模型計算數(shù)據(jù)對汽水測點的依賴。因此，運行項目需考慮煙氣的偏流特性和測點布置的合理性，布置雙層溫度測點的同時考慮合理的伸入鍋爐深度來保證實測數(shù)據(jù)的可靠精確。除此之外，在運行一定周期后，應(yīng)對儀表進行維護或清灰，以校正溫度測點。

（4）模型計算表明，減溫噴水量大于現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)值。90%的負荷時，實際噴水總量已達儀表最大量程，實際噴水量可能比現(xiàn)場數(shù)據(jù)多噴至少1 t/h以上。因此，針對運行項目，應(yīng)對實際的減溫水量做過熱器煙溫的關(guān)聯(lián)性分析，并作為鍋爐安全穩(wěn)定運行的評價指標之一，而不應(yīng)該把減溫水作為垃圾焚燒余熱鍋爐的主要調(diào)節(jié)手段。減溫水超量基本意味著過熱器超過設(shè)計溫度區(qū)間，有高溫腐蝕風險加大的趨勢，當減溫水超設(shè)計負荷過大時，應(yīng)當對鍋爐進行清灰維護，延長鍋爐設(shè)備的使用壽命。