文_劉建超 龍凈能源發(fā)展有限公司

近幾年高參數(shù)蒸汽機(jī)組在垃圾焚燒發(fā)電廠應(yīng)用量逐漸增多，通過提高蒸汽溫度、壓力來提高電廠循環(huán)熱效率，增加發(fā)電量。

1 蒸汽參數(shù)與循環(huán)熱效率

理想狀態(tài)下單位質(zhì)量的水在鍋爐中吸熱，汽化為飽和蒸汽，飽和蒸汽在鍋爐過熱器中繼續(xù)吸熱成為過熱蒸汽，過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，膨脹做功后的乏汽進(jìn)入凝結(jié)器凝結(jié)成水，釋放出汽化潛熱，給水泵將凝結(jié)水加壓后重新送入鍋爐完成一個(gè)循環(huán)，即朗肯循環(huán)。

吸熱量q1=h1-h4，是指給水在鍋爐內(nèi)吸收的熱量。

放熱量q2=h2-h3，是指汽機(jī)排汽在凝汽器內(nèi)凝結(jié)成水釋放出的汽化潛熱。

要提高循環(huán)熱效率，主要是提高吸熱平均溫度T1ˉ，降低放熱平均溫度Tˉ2=。

提高循環(huán)熱效率的主要方式有：提高蒸汽初參數(shù)（提高汽輪機(jī)入口蒸汽溫度及壓力）、降低排汽參數(shù)（汽輪機(jī)排汽壓力及溫度等）、采用蒸汽再熱。

1.1 提高汽輪機(jī)入口蒸汽溫度

當(dāng)汽輪機(jī)入口蒸汽壓力和排汽壓力不變時(shí)，提高入口蒸汽溫度。蒸汽溫度提高，平均吸熱溫度隨之提高，放熱過程平均溫度不變，循環(huán)熱效率提高。

汽輪機(jī)入口蒸汽溫度提高主要受設(shè)備材料耐熱性能限制。焚燒鍋爐受熱面管壁溫度與金屬腐蝕速度的關(guān)系曲線見圖1。垃圾焚燒鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求高溫過熱器進(jìn)口煙氣溫度不高于600℃，正常運(yùn)行在580℃左右。為了減輕高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組主蒸汽溫度主要有400℃和450℃兩種，少數(shù)采用485℃。

圖1 腐蝕速度與管壁溫度的關(guān)系

1.2 提高汽輪機(jī)入口蒸汽壓力

當(dāng)汽輪機(jī)入口蒸汽溫度和排汽壓力（排汽溫度隨之確定）不變時(shí)，入口蒸汽壓力提高。當(dāng)汽輪機(jī)入口蒸汽壓力升高，氣化溫度隨之升高，平均吸熱溫度升高，循環(huán)熱效率提高。隨著壓力升高，給水飽和溫度提升變緩，循環(huán)熱效率提升幅度下降。

汽輪機(jī)入口蒸汽壓力的提高主要受汽輪機(jī)排汽濕度和水冷壁防腐性能的限制。隨著汽輪機(jī)入口蒸汽壓力的提高，蒸汽膨脹至排汽壓力時(shí)的蒸汽濕度加大，會浸蝕末級葉片，影響安全運(yùn)行。為了克服濕度的限制，發(fā)電廠可以采用蒸汽再熱來降低汽輪機(jī)排汽濕度。

提高汽輪機(jī)入口蒸汽壓力，給水飽和溫度升高，水冷壁腐蝕風(fēng)險(xiǎn)加大。4.0MPa提升到6.4MPa給水飽和溫度升高30℃，水冷壁需要采取防腐措施。目前高參數(shù)壓力大多數(shù)不超過6.4MPa，僅光大蘇州四期、廣環(huán)投從化和康恒三河項(xiàng)目采用了超高壓（約13MPa）參數(shù)。

1.3 降低蒸汽排汽參數(shù)

當(dāng)汽輪機(jī)入口蒸汽溫度和壓力不變時(shí)，降低排汽壓力。當(dāng)排汽壓力降低時(shí)，平均放熱溫度隨之降低，循環(huán)熱效率提高。

排汽壓力的降低主要受冷卻水溫度限制。工質(zhì)飽和溫度與飽和壓力是一一對應(yīng)的，降低排汽壓力勢必會導(dǎo)致冷凝器中的飽和溫度降低，而飽和溫度需要高于冷卻水溫度，才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，所以，排汽壓力實(shí)際運(yùn)行中很難降低。

1.4 蒸汽再熱

蒸汽再熱就是將汽輪機(jī)做過部分功的蒸汽抽出來，送到再熱器中加熱，提高溫度后再引回汽輪機(jī)中再繼續(xù)做功的過程。在其他條件不變時(shí)，采用蒸汽再熱，可以提高吸熱過程平均溫度，從而提高循環(huán)熱效率。

蒸汽再熱會改變汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)、布置及運(yùn)行方式，設(shè)備投資及維護(hù)費(fèi)用增加。因此，只有高參數(shù)大容量機(jī)組考慮蒸汽再熱才是經(jīng)濟(jì)的。在垃圾焚燒發(fā)電中很少采用蒸汽再熱。目前只有光大江陰三期（6.4MPa、450℃/420℃）、廣環(huán)投從化（12.6MPa、450/420℃）、光大蘇州四期（13.7MPa、450℃/420℃）和康恒三河（13.5MPa、450℃/199℃）等少數(shù)項(xiàng)目采用了再熱循環(huán)技術(shù)。

2 不同蒸汽參數(shù)的應(yīng)用

目前垃圾焚燒行業(yè)余熱鍋爐的主蒸汽參數(shù)主要分為兩類：一類是中參數(shù)，即中溫中壓參數(shù)（4.0MPa、400℃或4.0MPa、450℃）；另一類是高參數(shù)，即中溫次高壓（5.3MPa、450℃或6.4 MPa、450℃和次高溫次高壓參數(shù)6.4MPa、485℃）和中溫超高壓參數(shù)（13MPa、450℃）。

中溫中壓（4.0MPa、400℃）仍然是目前在用最多的蒸汽參數(shù)。河北某項(xiàng)目600t/d的焚燒爐配套4.0MPa，400℃的中溫中壓余熱鍋爐，配置12MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。設(shè)計(jì)入爐垃圾熱值7100kJ/kg，焚燒爐垃圾處理量25t/h。鍋爐額定蒸發(fā)量為59.55t/h，汽輪機(jī)發(fā)電功率為10.73MW，全廠熱效率為21.8%，入爐噸垃圾發(fā)電量為429kWh。

浙江某項(xiàng)目2×500t/d的焚燒爐配套4.0MPa，450℃的中溫中壓余熱鍋爐，配置25MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。設(shè)計(jì)入爐垃圾熱值7535kJ/kg，焚燒爐垃圾處理量41.66t/h。鍋爐額定蒸發(fā)量為96.82t/h，汽輪機(jī)發(fā)電功率為19.54MW，全廠熱效率為22.4%，入爐噸垃圾發(fā)電量為469kWh。

廣州李坑電廠是國內(nèi)首家采用中溫次高壓蒸汽機(jī)組的垃圾焚燒發(fā)電廠。隨后深能、光大、康恒等企業(yè)都開始在部分項(xiàng)目上采用高參數(shù)機(jī)組，特別是近幾年隨著垃圾熱值提升、焚燒規(guī)模增大，高參數(shù)機(jī)組得到更多的采用。光大環(huán)保采用中溫次高壓（6.4MPa、450℃），中溫次高壓和蒸汽再熱（6.4MPa、450/420℃），中溫超高壓和蒸汽再熱（13.7MPa、450/420℃）技術(shù)后，隨著蒸汽參數(shù)升高和蒸汽再熱技術(shù)應(yīng)用，熱效率得到提升，噸垃圾發(fā)電量隨之增加。

隨著蒸汽參數(shù)升高，全廠熱效率隨之提高，發(fā)電量增加。當(dāng)入爐垃圾低位熱值為1900kcal/kg，余熱鍋爐效率為82%時(shí)，采用不同主蒸汽參數(shù)全廠發(fā)電效率和入爐垃圾噸發(fā)電量如表1。

表1 蒸汽參數(shù)和全廠效率

3 典型高參數(shù)項(xiàng)目分析

3.1 項(xiàng)目一

項(xiàng)目一設(shè)計(jì)處理規(guī)模為3000t/d，采用4×750t/d爐排爐，配置2臺凝汽式汽輪機(jī)，采用中溫超高壓（13.7MPa、450℃）、高給水溫度、蒸汽再熱和高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)技術(shù)，全廠循環(huán)熱效率預(yù)計(jì)達(dá)到31%，其系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目一熱力系統(tǒng)圖

13.7MPa、450℃的主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸做功，蒸汽參數(shù)下降到2.52MPa、235℃時(shí)全部從高壓缸排出，進(jìn)入爐內(nèi)再熱器將235℃、2.52MPa的蒸汽加熱到2.33MPa、420℃后，再進(jìn)入汽輪機(jī)低壓缸做功。

項(xiàng)目一蒸汽再熱采用爐內(nèi)再熱的方式，增加了高溫腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。此外，汽機(jī)系統(tǒng)采用三級低加、一級除氧和兩級高加共六級回?zé)?，將給水溫度升高到240℃，減少了熱量損耗，但給水溫度高于省煤器出口煙氣溫度無法直接進(jìn)入省煤器，又采用給水對一、二次風(fēng)進(jìn)行加熱，使給水溫度降到130℃再進(jìn)入省煤器，增加了設(shè)備投資。

3.2 項(xiàng)目二

項(xiàng)目二設(shè)計(jì)處理規(guī)模為2000t/d，采用2×1000t/d爐排爐，配置1臺凝汽式汽輪機(jī)，采用中溫超高壓（13.5MPa、450℃）、蒸汽再熱和高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)技術(shù)，全廠循環(huán)熱效率約32%，其系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 項(xiàng)目二爐外除濕再熱技術(shù)

13.5MPa、450℃的主蒸汽飽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸內(nèi)做功，蒸汽參數(shù)降到1.65MPa、203℃時(shí)進(jìn)入飽和狀態(tài)，后面的葉片全部是帶水運(yùn)行的，當(dāng)蒸汽參數(shù)降到0.35MPa、139℃時(shí)，已經(jīng)是10%的帶水運(yùn)行，汽機(jī)葉片所能承受的極限了。此時(shí)將蒸汽全部排出，進(jìn)行除濕，同時(shí)進(jìn)行少量加熱。采用1.65MPa、203℃的飽和蒸汽將0.35MPa、139℃的飽和蒸汽加熱到0.35MPa、199℃的過熱蒸汽，然后進(jìn)入汽輪機(jī)低壓缸進(jìn)行做功。汽機(jī)系統(tǒng)采用兩級低加和一級除氧回?zé)幔瑢⒔o水溫度加熱至150℃，降低了熱量損耗。

項(xiàng)目二采用汽水分離再熱器（MSR）對高壓缸排汽進(jìn)行除濕并再熱。MSR除濕段采用雙鉤分離結(jié)構(gòu)，慣性撞擊實(shí)現(xiàn)汽水分離，除濕效率≥95%；采用汽機(jī)排汽對再熱器進(jìn)行加熱，再熱器位于爐外，無高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

4 不同蒸汽參數(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

以某項(xiàng)目500t/d焚燒爐為例，滲濾液15%，入爐垃圾熱值按7500kJ/kg計(jì)算，廠用電率15%。二、三煙道受熱面面積合計(jì)573m2，合金堆焊和感應(yīng)熔焊涂層按照9000元/m2，運(yùn)營期按28a，電價(jià)按0.65元/kWh，在汽輪機(jī)變化不大的條件下，對目前采用較多的幾種蒸汽參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，見表2。

從表2可以看出，蒸汽參數(shù)從4.0MPa、400℃到6.4MPa、450℃，運(yùn)營期內(nèi)增加收益高于投資成本。6.4MPa、450℃的蒸汽參數(shù)繼續(xù)升高溫度到485℃時(shí)，設(shè)備投資和運(yùn)營成本大幅上升，運(yùn)營期內(nèi)收入反而減少。

表2 蒸汽參數(shù)運(yùn)行期經(jīng)濟(jì)性比較

主蒸汽壓力為4.0MPa時(shí)，溫度從400℃升高到450℃，設(shè)備投資增加10%，發(fā)電效率可以提高約1%，水冷壁壽命不變，主要是過熱器更換成本增加95%，但增加發(fā)電收入高于溫度升高引起的投資運(yùn)營成本，運(yùn)營期內(nèi)可增加收入2625萬元。

主蒸汽溫度為450℃時(shí)，壓力從4.0MPa升高到6.4MPa，水冷壁需要進(jìn)行防腐處理，設(shè)備投資增加約150%，發(fā)電效率提高2.5%左右，過熱器更換成本增加23%，水冷壁更換成本多3500萬元，但增加發(fā)電收入遠(yuǎn)高于壓力升高引起的投資運(yùn)營成本，運(yùn)營期內(nèi)可增加收入8473萬元，比4.0MPa、400℃蒸汽參數(shù)機(jī)組增加收入11098萬元。

主蒸汽壓力為6.4MPa時(shí)，溫度從450℃升高到485℃，過熱器需要采用更高性能的合金鋼，設(shè)備投資增加24%，發(fā)電效率可以提高約0.5%，水冷壁更換成本不變，主要是過熱器更換成本增加125%，增加發(fā)電收入低于溫度升高引起的投資運(yùn)營成本，運(yùn)營期內(nèi)收入減少1700萬元，比4.0MPa、400℃蒸汽參數(shù)機(jī)組增加收入9398萬元。

5 結(jié)語

隨著蒸汽參數(shù)提高，全廠熱效率提高，發(fā)電量增加。在主蒸汽溫度選擇上，建議采用450℃，主蒸汽溫度高于450℃時(shí)高溫過熱器腐蝕速率大大提升，需要采用更高級的材質(zhì)，增加了投資成本和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。建議主蒸汽壓力不超過6.4MPa，壓力增加將引起換熱管壁厚增加，水冷壁防腐投資增加，而且循環(huán)熱效率提升幅度隨著壓力提升逐步放緩。