高參數蒸汽鍋爐在垃圾焚燒發電廠的應用分析

石凱軍，郝曉明

(中國城市建設研究院有限公司，北京 100120)

1 引言

自20世紀90年代，垃圾焚燒發電技術引入國內垃圾終端處理工程中以來，鍋爐作為焚燒爐的重要配套設備，實現熱量的轉換，其蒸汽參數的選取一直備受關注。尤其是近年來，隨著垃圾收運、分類體系的建立、垃圾熱值的逐步提高、垃圾焚燒發電工程技術、運行的日益成熟，對于提高垃圾焚燒發電廠熱效率的要求日益迫切。

目前國內外垃圾焚燒發電廠鍋爐蒸汽參數多采用中溫中壓(4.0 MPa(g)、400 ℃)，其壓力基本與國內15 MW及以下規格的小型汽輪發電機組的標準壓力匹配，但溫度低于標準機組，常規電廠標準中溫機組溫度為450 ℃，因此垃圾焚燒電廠的全廠發電熱效率普遍低于常規燃料電廠。目前提高垃圾焚燒發電熱效率主要通過提高蒸汽參數、增加中間再熱方式，其中以提高蒸汽參數為最理想最有效技術手段。

2 高參數蒸汽的類型與可靠性

目前，國內垃圾焚燒發電廠鍋爐蒸汽參數主要以中溫中壓與中溫次高壓為主，典型的中溫中壓蒸汽參數一般選取4.0 MPa(g)、400 ℃。按照電力系統鍋爐壓力等級，主蒸汽壓力大于等于5.3 MPa、小于9.8 MPa之內均為次高壓鍋爐，中溫次高壓蒸汽參數又因壓力、溫度不用主要分為以下3種類型(表1)。

表1 國內目前主要采用的3種高參數蒸汽類型

近年也有垃圾焚燒發電廠為提高熱效率，熱力系統增加再熱系統，鍋爐選用中溫高壓(13.8 MPa(g)，450 ℃)參數蒸汽，該使用僅是個列，需要從經濟方面做具體分析。

中溫中壓和中溫次高壓蒸汽技術均是成熟技術，在國內進行制造、設計、建設、運行均不存在問題。在實際的焚燒發電廠設計中，既要盡量提高鍋爐蒸汽參數以增加發電量，也要綜合考慮管材的腐蝕問題。腐蝕機理主要是所焚燒的垃圾中含有Cl、 S 以及堿金屬等元素，造成Cl、S化合氣體腐蝕和低熔點堿金屬鹽熔融腐蝕，主要是鍋爐受熱面的高溫腐蝕，腐蝕使承壓部件的管壁變薄，嚴重時會導致受熱面管子在短時間內泄漏和爆破事故，甚至被迫停爐處理。高溫腐蝕導致的爆漏事故頻率占全廠汽水系統故障頻發率第一位[1](圖1、2)。

圖1 煙氣溫度、管壁溫度與腐蝕速度關系

圖2 余熱鍋爐管壁溫度與腐蝕速度關系

對于高參數蒸汽鍋爐，為延長過熱器的使用壽命，主要措施如下。

(1)提高高溫過熱器材料等級。430 ℃是鍋爐過熱器材質提高的分界線，當過熱器管壁溫度小于430 ℃時，腐蝕比較輕微，可采用碳鋼。430 ℃以上的就必須采用合金鋼，當過熱器管壁溫度大于480 ℃時，腐蝕速度急劇加快。在高參數蒸汽鍋爐高溫過熱器的材料使用上，一般選用 Cr-Mo 低合金鋼或 Mo 合金鋼(如15CrMoG、12Cr1MoVG )，實踐證明使用合金鋼后，運行情況基本良好，受熱面整體使用壽命均在4年以上。

(2)布置合理的蒸發器。鍋爐設計時，嚴格控制高溫過熱器的進口煙溫，即通過布置三通道垂直水冷壁煙道，以及增加一級蒸發器受熱面積，以控制高過進口煙溫目的，減少腐蝕，提高過熱器的使用時間。

(3)布置合理的過熱器結構，采用多級噴水減溫，及逆流、順流相結合的形式。過熱器蒸汽流向為：一級過熱器(逆流)——二級過熱器(順流)——三級過熱器(逆流)。

通常垃圾焚燒鍋爐爐膛的水冷壁管向火側的正面腐蝕、減薄最多，若發生爆管都在管子的正面爆開，管子側面減薄較少，背火側幾乎不減薄。中溫中壓參數蒸汽鍋爐，一般會在第一煙道內敷設耐火料，主要是為保證環保溫度的要求，其它水冷壁不會作防護要求，實踐證明此參數下水冷壁腐蝕問題不大，這主要原因是鍋爐蒸氣參數不高，管子壁溫相對偏低，依據經驗腐蝕曲線圖，管子受煙氣腐蝕不明顯。當鍋爐蒸汽壓力參數提高后，鍋爐飽和溫度相應提高，如蒸汽壓力提升到5.3 MPa(g)至6.4 MPa(g)時，水冷壁內飽和水溫度也相應提升，綜合考慮水冷壁管子的壁溫在300～320 ℃以上，在這個溫度下碳鋼的水冷壁管容易被腐蝕。易發生腐蝕的部位為第一煙道水冷壁上部、第二煙道水冷壁中上部，因此為保證鍋爐的連續、穩定運行，水冷壁必須考慮防護措施，目前多采用敷設耐火料或采用鎳基或鈦基堆焊。實踐證明，通過堆焊處理能有效降低水冷壁的腐蝕速度，滿足垃圾焚燒發電廠的運行要求。

3 高參數蒸汽應用情況

通過調研，目前北京、上海、廣州、深圳等一線大城市2015年前建設的項目均采用中溫中壓(4.0 MPa(g)，400 ℃)參數余熱鍋爐，2015年后建設的項目均采用高參數蒸汽鍋爐。如老港二期鍋爐蒸汽參數為5.3 MPa(g)，450 ℃，深圳東部鍋爐蒸汽參數為6.4 MPa(g)，450 ℃(表2)。

表2 國內目前主要采用的高參數蒸汽的部分焚燒廠統計

上述統計中，李坑一期項目建設比較早，蒸汽參數采用中溫次高壓(6.4 MPa(g)，450 ℃)。該項目運行期間曾發生過爆管，但發生爆管的位置在余熱鍋爐1、2通道轉折處，而不是發生在高溫過熱器位置。李坑二期變更蒸汽參數為中溫中壓(4.0 MPa(g)，400 ℃)，但仍出現了爆管現象。因此可以得出，提高蒸汽參數不是產生爆管的主要原因，分析其原因可能為：① 鍋爐結構設計缺陷，該位置沖刷嚴重或應力集中；② 煙氣溫度高或者結焦影響產生該部分；③ SNCR運行不當。

除李坑一期項目外，其他已投運的采用中溫次高壓蒸汽參數的項目目前運行狀況良好，年運行時數滿足8000 h，除計劃維修外沒有出現過爆管停爐事故。已運行滿兩年的項目，經檢測過熱器管壁也沒有明顯減薄。目前各投資商、設備廠家均在新項目中進行了高參數蒸汽鍋爐的應用和研發，實踐說明，采取有效措施可以解決因鍋爐蒸汽參數提高引起的可靠性問題。

4 高參數蒸汽對發電效率的影響

在蒸汽溫度不變條件下提高蒸汽壓力會降低蒸汽的焓值，增加了蒸汽量，但這部分蒸汽量幅度變化相對較小。其提高發電熱效率則主要由于其提高了汽輪機組的理想焓降，在假定汽機內效率不變條件下，則提高了實際焓降，具體表現為汽機排汽的濕度增加，降低發電汽耗率，相應減少了單位發電的汽機排汽量和熱損失。但是，排汽濕度增加到一定程度由于汽機尾部通流部分蒸汽帶水，會造成內效率降低。另外由于汽機材質的影響，蒸汽濕度過大會損傷葉片，降低汽機運行可靠性、降低使用壽命，因此所允許的汽機排汽濕度受限，國內中小型機組排汽濕度通常在5～12%，先進國家汽機材質較優，且結構先進，其排汽濕度可達到14%。因此，提高蒸汽壓力同時需要提高蒸汽溫度，否則汽機排汽濕度會超過允許值。提高蒸汽溫度增加了汽機的入口蒸汽焓，相應可提高汽機的內效率，但由于受材質影響，高壓等級以下鍋爐產生蒸汽溫度一般在485 ℃以下，中壓機組則一般在450 ℃以下。

經調查于分析研究，與典型垃圾焚燒廠采用的中溫中壓(4.0 MPa(g)、400 ℃)參數相比，采用中溫次高壓參數，垃圾焚燒發電汽輪機組理論熱效率可提高約2.5%。對于理想朗肯循環，理論計算表明，主蒸汽溫度每提高10 ℃，循環效率提高約0.15%，蒸汽壓力每提高0.1 MPa，循環效率提高約0.07%[2](圖3)。

圖3 理論循環熱效率與蒸汽參數的關系

雖然分析表明，單純提高進汽溫度對循環熱效率影響效果明顯，但是，單純提高蒸汽溫度帶來的影響是：①蒸汽溫度提高后，密度降低、管道管徑增加、管道系統熱損失增加、管道系統投資增加。②對鍋爐受熱面的布置難度較大。造成水冷壁和過熱器分配困難。

因此，目前國內大部分垃圾焚燒發電廠在蒸汽參數的選擇上，均采用溫度、壓力同時提高的方法，蒸汽參數的選擇主要以表1 的三種類型為主，這與表2 的調研統計一致。

5 高參數蒸汽對建設成本及運行費用的影響

使用中溫次高壓參數蒸汽與中溫中壓參數蒸汽相比，垃圾焚燒發電廠的建設成本及運行成本均會增加。成本的增加主要是以下幾個方面。

(1)鍋爐造價的增加。鍋爐的承壓部件設計壓力需提高，蒸發受熱面、汽包的運行溫度同時提高造成鋼材的許用應力降低，這樣就需要增加水冷壁、蒸發器、汽包的壁厚或更換材質，鍋爐t蒸汽耗鋼量增加。

(2)管道系統造價的增加。雖然蒸汽壓力提高后，蒸汽密度增加，可減少蒸汽管道的管徑，但高至一定程度需要更換材質或增加壁厚，閥門等管道附件需要提高等級。

經過工程建設的統計數據，粗略估計采用中溫次高壓參數時鍋爐及管道系統的造價較采用中溫中壓參數時高出約30%左右(圖4)。

(3)給水泵功率的增加。蒸汽壓力提高后，對給水泵造價影響不大，主要是給水泵揚程增加，相應功率增加(圖5)。

6 工程案例分析及結論

以某項目焚燒爐處理量500 t/d，垃圾低位設計熱值6900 kJ/kg為例，綜合比較分析以下蒸汽參數方案：①蒸汽參數：4.0 MPa(g)，400 ℃；汽機轉速：中速。② 蒸汽參數：5.3 MPa(g)，450 ℃；汽機轉速：高速。③ 蒸汽參數：6.4 MPa(g)，450 ℃；汽機轉速：高速。④ 蒸汽參數：6.4 MPa(g)，485 ℃；汽機轉速：高速。

為簡化對比方法，僅考慮不同蒸汽參數及汽機轉速

圖4 設備造價增加量與進汽參數的關系

圖5 給水泵功率增加量與進汽參數的關系

方案下影響較大的因素，納入對比范圍的因素有：①汽輪發電機組發電量及差異率;②)汽輪機價格差異;③鍋爐給水泵耗電量;④余熱鍋爐價格差異。

發電量計算以原則性熱力系統圖和鍋爐的熱平衡計算為準，汽輪機價格差異以咨詢汽輪機廠家提供的報價為準，鍋爐給水泵的耗電量按公式直接計算，余熱鍋爐的價格差異以咨詢鍋爐廠家提供的報價為準，報價條件按使用中溫中壓(4.0 MPa(g)，400 ℃)參數，水冷壁不采用堆焊處理工藝，過熱器材質選用20 G。使用中溫次高壓參數時水冷壁采用堆焊處理工藝，當蒸汽參數為5.3 MPa(g)，450 ℃、6.4 MPa(g)，450時，過熱器材質選用15CrMoG、當蒸汽參數為6.4 MPa(g)，485 ℃、時，過熱器材質選用12Cr1MoVG(表3)。

通過以上分析，得出結論如下：

(1)從汽輪發電機組發電量及上網電量上看，參數越高，發電量及上網電量均越多，給水泵耗電量主要受壓力影響。

(2)主蒸汽壓力提高后，蒸發受熱面溫度上升，據之前對高參數垃圾焚燒鍋爐的分析結果，此時在第一煙道頂部或第二煙道入口(若第一煙道全部涂澆筑料)附近容易發生爆管。須在此處采用堆焊工藝，預計堆焊工藝能保證該部位5～8年安全運行(每次大修必須作專項檢查)。

(3)汽輪發電機組的價格主要受轉速的影響，蒸汽參數對價格影響較小。

(4)主蒸汽參數提高時，給水泵價格差異較小，投資主要差異體現在汽輪發電機組及余熱鍋爐價格變化，包括使用堆焊工藝。

(5)從汽輪機方面考慮，主蒸汽壓力提高至6.4 MPa(g)后，若溫度選用450 ℃不變，主蒸汽焓為三個方案中最低，主蒸汽流量為三個方案中最大，汽輪機內效

表3 案例經濟性對比

率為三個方案中最低，末級干度也為三個方案中最低。因此，分析認為6.4 MPa(g)對應的溫度應盡量選用470～490 ℃。

(6)按對比表計算結果，蒸汽參數采用6.4 MPa(g)，485 ℃時的投資回收期最短，約為1.68年。

(7)以上分析結論僅適用于焚燒爐處理量為440 t/d，垃圾低位設計熱值6900kJ/kg條件下，具體項目應根據垃圾的低位設計熱值及處理量綜合進行經濟性分析。