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        燃煤發(fā)電與垃圾發(fā)電耦合供熱系統(tǒng)性能分析

        2022-11-07 07:53:48鄧庚庚薛小軍劉文毅
        潔凈煤技術(shù) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:案例系統(tǒng)

        鄧庚庚,薛小軍,徐 鋼,陳 衡,劉文毅

        (華北電力大學(xué) 熱電生產(chǎn)過程污染物監(jiān)測(cè)與控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)

        0 引 言

        隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展,為應(yīng)對(duì)環(huán)境污染和能源枯竭的雙重壓力,可再生能源的應(yīng)用被認(rèn)為是能源轉(zhuǎn)型的必由之路[1]。煤炭是我國(guó)能源安全的基石,未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),煤電仍將在我國(guó)電力安全供應(yīng)中占據(jù)主導(dǎo)地位[2]。未來我國(guó)可再生能源將作為主要電源,燃煤發(fā)電機(jī)組將作為調(diào)節(jié)性和保障性電源[3]。為響應(yīng)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo),加快煤炭高效清潔利用,同時(shí)發(fā)展可再生能源,將是加快能源清潔低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

        鑒于此,筆者提出了一種燃煤發(fā)電與垃圾發(fā)電耦合供熱系統(tǒng)。通過抽引器,采用燃煤機(jī)組較高溫度的供熱抽汽抽引垃圾發(fā)電機(jī)組較低溫度的乏汽,從而提高乏汽的溫度和壓力,采用混合蒸汽初步加熱熱網(wǎng)回水。然后通過尖峰加熱器,用燃煤機(jī)組供熱抽汽對(duì)熱網(wǎng)回水進(jìn)行二次加熱。通過系統(tǒng)集成,利用垃圾發(fā)電乏汽可以有效減少燃煤機(jī)組供熱抽汽量及垃圾發(fā)電機(jī)組的冷端損失,同時(shí)分級(jí)加熱供熱回水可以實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用,最終有效提高機(jī)組整體效率。此外,基于典型燃煤機(jī)組和垃圾發(fā)電機(jī)組,對(duì)提出的耦合系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析和經(jīng)濟(jì)性分析,從而評(píng)估耦合系統(tǒng)的各項(xiàng)性能,以期為我國(guó)燃煤機(jī)組與垃圾發(fā)電機(jī)組耦合集成用于發(fā)電及供熱提供參考。

        1 系統(tǒng)介紹

        1.1 案例機(jī)組

        1.1.1 燃煤發(fā)電機(jī)組

        選擇河北某660 MW超臨界濕冷機(jī)組作為參考案例,其機(jī)組系統(tǒng)如圖1所示,案例機(jī)組基本參數(shù)見表1。所選機(jī)組是超臨界、一次再熱、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。供熱機(jī)組從中低壓連通管抽汽用于對(duì)外供汽,抽汽進(jìn)入尖峰加熱器中冷凝并對(duì)熱網(wǎng)回水進(jìn)行加熱,達(dá)到熱網(wǎng)供水溫度后提供給熱用戶,其疏水排放至凝汽器中。尖峰加熱器采用管殼式汽液熱交換器,由于中壓缸排汽品質(zhì)較高,直接用于管殼式汽液熱交換器加熱熱網(wǎng)水,加熱過程中溫差較大,因此,該熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能改造空間巨大。

        圖1 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組示意Fig.1 Schematic diagram of the cogeneration unit

        表1 案例燃煤機(jī)組基本參數(shù)

        1.1.2 垃圾發(fā)電機(jī)組

        選擇某處理量500 t/a的垃圾發(fā)電機(jī)組進(jìn)行研究,基礎(chǔ)流程如圖2所示。垃圾燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)蒸發(fā)器、過熱器和省煤器,分別加熱給水和空氣,使其達(dá)到工作溫度。垃圾燃燒產(chǎn)生的煙氣需在850 ℃以上的高溫環(huán)境中保持2 s以上,以達(dá)到減少有毒物質(zhì)二噁英形成[12]的目的,省煤器出口的煙氣經(jīng)過除塵器等設(shè)備后排放至環(huán)境中。垃圾發(fā)電機(jī)組鍋爐出口的過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功。垃圾發(fā)電機(jī)組基本參數(shù)見表2。

        圖2 垃圾發(fā)電機(jī)組示意Fig.2 Schematic diagram of waste generator unit

        由于燃燒發(fā)電垃圾中含有一定量堿金屬,燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量污染物,為了避免高溫腐蝕,過熱器出口的主蒸汽參數(shù)相比燃煤發(fā)電機(jī)組低很多。為了防止鍋爐受熱面發(fā)生低溫腐蝕,其出口煙氣溫度要高于180 ℃,遠(yuǎn)高于大型燃煤機(jī)組的排煙溫度。由于垃圾發(fā)電機(jī)組的主蒸汽流量比較小,該垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組的凈發(fā)電效率僅為22.18%。

        表2 案例垃圾發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

        1.2 耦合供熱系統(tǒng)

        新型耦合供熱系統(tǒng)如圖3所示?;?60 MW燃煤機(jī)組供熱部分尖峰加熱器進(jìn)行改造:利用抽引器將燃煤機(jī)組供熱抽汽的一部分用于抽引垃圾發(fā)電機(jī)組乏汽,提高乏汽壓力和溫度,并采用混合蒸汽對(duì)熱網(wǎng)回水進(jìn)行一次加熱;隨后采用燃煤機(jī)組中壓缸供熱抽汽對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行二次加熱,最終達(dá)到熱網(wǎng)供水規(guī)定溫度。耦合系統(tǒng)將垃圾發(fā)電機(jī)組的全部乏汽用于供熱,一方面可減少燃煤機(jī)組供熱抽汽,另一方面可減少垃圾發(fā)電機(jī)組的冷端損失,同時(shí)按照能量梯級(jí)利用方式分級(jí)加熱熱網(wǎng)回水??山档凸嵯到y(tǒng)中燃煤機(jī)組的煤耗量,提高系統(tǒng)整體供熱經(jīng)濟(jì)性。

        圖3 耦合供熱系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of coupled heating system

        2 分析方法

        2.1 能量分析

        本文采用耦合供熱系統(tǒng)的發(fā)電效率ηp與供熱效率ηh作為熱力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)[13],表示為

        ηp=Pe/Qf,

        (1)

        ηh=Qh/Qf,

        (2)

        式中,Pe為供熱系統(tǒng)的凈發(fā)電功率,MW;Qf為燃料在鍋爐中釋放的能量,MW;Qh為供熱系統(tǒng)總供熱量,MW。

        ηex=(Exe+Exh)/Ex。

        (3)

        Exd=Exin-Exout,

        (4)

        2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

        通過計(jì)算系統(tǒng)改造后年增加收入評(píng)價(jià)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與垃圾發(fā)電機(jī)組進(jìn)行耦合供熱改造后,新型耦合供熱系統(tǒng)的投資成本主要是抽引器與管殼式換熱器的初投資,還需考慮改造所需管道等投資、新的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本等因素[15]。

        通過規(guī)模因子法對(duì)抽引器等設(shè)備估計(jì)初投資[16],具體見表3。

        表3 主要設(shè)備初投資估計(jì)

        新增投資CB表示為

        (5)

        式中,r為貼現(xiàn)率,取8%[17];n為設(shè)備使用壽命,a。

        與案例機(jī)組相比,新型耦合供熱系統(tǒng)年增加收入Cn為

        Cn=Cnew-Cold-CB-CM,

        (6)

        式中,Cnew為耦合供熱系統(tǒng)收益,萬元;Cold為案例機(jī)組收益,萬元;CM為耦合供熱系統(tǒng)新增運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,萬元。

        3 系統(tǒng)模擬

        3.1 系統(tǒng)建模

        選用EBSILON Professional軟件對(duì)案例機(jī)組和耦合供熱系統(tǒng)分別進(jìn)行熱力系統(tǒng)建模,熱力系統(tǒng)模型已經(jīng)過準(zhǔn)確性驗(yàn)證。EBSILON Professional 是德國(guó)STEAG電力公司開發(fā)的軟件工具,可用于能源電力領(lǐng)域熱力系統(tǒng)建模、計(jì)算和仿真[18]。部分模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證見表4??芍P湍M準(zhǔn)確度滿足工程應(yīng)用要求,可進(jìn)行相關(guān)模擬計(jì)算。

        表4 模型準(zhǔn)確度分析

        3.2 模擬分析

        選用燃煤供熱機(jī)組在供熱期內(nèi)平均供熱負(fù)荷為153 MW,供水溫度與回水溫度分別為85和45 ℃。機(jī)組從中低壓連通管抽汽用于供熱,抽汽壓力相對(duì)較高(0.7~1.0 MPa),供熱抽汽流量約200 t/h。案例機(jī)組的供熱系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)見表5。

        表5 案例機(jī)組供熱系統(tǒng)參數(shù)

        為簡(jiǎn)化計(jì)算過程、降低分析難度,本文對(duì)耦合供熱系統(tǒng)的計(jì)算邊界條件統(tǒng)一規(guī)定:① 熱網(wǎng)供水溫度與回水溫度、流量為定值;② 耦合系統(tǒng)供熱負(fù)荷恒定;③ 忽略周圍環(huán)境對(duì)耦合系統(tǒng)結(jié)論的影響;④ 大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明,案例機(jī)組多在70%~80%負(fù)荷下運(yùn)行,因此選用75%工況。計(jì)算結(jié)果見表6。

        表6 模型運(yùn)行結(jié)果

        4 結(jié)果分析

        4.1 能量分析

        案例系統(tǒng)與耦合供熱系統(tǒng)的主要性能參數(shù)見表7,熱網(wǎng)水側(cè)參數(shù)一定時(shí),系統(tǒng)供熱量及發(fā)電量保持不變,由于加入抽引器利用了全部垃圾發(fā)電機(jī)組35.36 t/h的乏汽用于供熱,故燃煤機(jī)組所需供熱抽汽量減少31.89 t/h,在保證電負(fù)荷和熱負(fù)荷的條件下,燃煤機(jī)組發(fā)電效率與供熱效率分別增加了0.52和0.16個(gè)百分點(diǎn),熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組效率得到提升,綜合煤耗量減少1.65 t/h(以標(biāo)煤計(jì)),節(jié)能效果顯著。未來,我國(guó)新建垃圾焚燒機(jī)組選址可考慮在火電廠附近,利用新型耦合供熱系統(tǒng)有效降低整體煤耗量,達(dá)到良好的節(jié)能減排效果。

        表7 系統(tǒng)主要性能參數(shù)

        案例機(jī)組與耦合供熱系統(tǒng)的能量流動(dòng)過程如圖4所示。案例機(jī)組與耦合供熱系統(tǒng)中,輸出電量和提供熱能保持不變,由于耦合系統(tǒng)利用了垃圾發(fā)電機(jī)組的全部乏汽,使得垃圾發(fā)電機(jī)組的冷端損失降低,并且替代了31.89 t/h供熱抽汽,導(dǎo)致減少了13.44 MW燃煤輸入。因此,耦合供熱系統(tǒng)中燃煤機(jī)組效率提高主要在于降低了垃圾發(fā)電機(jī)組的排汽損失。

        圖4 案例機(jī)組與耦合供熱系統(tǒng)能量流動(dòng)過程Fig.4 Energy flow of unit and coupled heating system in case

        圖5 案例機(jī)組與耦合供熱系統(tǒng)流動(dòng)過程Fig.5 Exergy flow of unit and coupled heating system in case

        4.3 經(jīng)濟(jì)性分析

        通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析,結(jié)合案例機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。分析過程參數(shù)設(shè)置如下:① 標(biāo)煤價(jià)格為914元/t[19];② 供熱系統(tǒng)供熱期為5個(gè)月;③ 新增設(shè)備運(yùn)行維護(hù)投資為設(shè)備投資的4%[20];④ 設(shè)備報(bào)廢年限為25 a。

        垃圾發(fā)電機(jī)組與燃煤發(fā)電機(jī)組距離一般較遠(yuǎn),而垃圾發(fā)電機(jī)組的排汽參數(shù)較低,因此無法將其輸送至燃煤機(jī)組附近采用抽引器提高參數(shù)用于供熱[21],因此只能將燃煤機(jī)組供熱抽汽輸送至垃圾發(fā)電機(jī)組附近,一部分用于抽引乏汽提高其參數(shù),另一部分用于尖峰加熱器直接加熱熱網(wǎng)水。設(shè)備改造成本增加,尤其是輸汽管道成本較高,因此,采用規(guī)模因子法計(jì)算抽引器及換熱器等設(shè)備初投資為495.7萬元。

        根據(jù)河北地區(qū)供熱歷史數(shù)據(jù),得到平均熱負(fù)荷和對(duì)應(yīng)的電負(fù)荷,以其為標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算滿足該熱負(fù)荷與電負(fù)荷時(shí)耦合供熱系統(tǒng)改造收益。經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果見表8。對(duì)供熱系統(tǒng)進(jìn)行耦合改造,雖然抽引器、熱網(wǎng)加熱器及輸汽管道等設(shè)備投資增加了495.7萬元,設(shè)備回收期設(shè)為5 a,新增年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用19.83萬元,但系統(tǒng)全年增收542.92萬元。耦合供熱系統(tǒng)設(shè)備回收期內(nèi)每年可以增加收入423.95萬元,供熱系統(tǒng)耦合改造經(jīng)濟(jì)效益較高。

        表8 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果

        5 結(jié) 論

        1)提出了一種燃煤發(fā)電與垃圾發(fā)電耦合供熱系統(tǒng),垃圾發(fā)電機(jī)組的乏汽全部由抽引器充分利用,替代部分供熱抽汽,可有效降低燃煤機(jī)組的煤耗量,提高耦合系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。燃煤機(jī)組與垃圾發(fā)電機(jī)組電功率分別為495 MW(75% THA)和9.52 MW(100% THA),供熱功率為152.59 MW時(shí),耦合供熱系統(tǒng)燃煤機(jī)組發(fā)電效率提高0.52個(gè)百分點(diǎn),整體煤耗量降低1.65 t/h,節(jié)能效果顯著。

        3)通過對(duì)耦合供熱系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析可知,耦合供熱系統(tǒng)新增設(shè)備投資495.70萬元,年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用19.83萬元,系統(tǒng)節(jié)能收益達(dá)542.92萬元,最終系統(tǒng)年化新增凈收益423.95萬元。

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