垃圾發電廠擴容優化改造分析

曲文龍

(威海環境再生能源有限公司，山東 威海 264200)

0 引 言

近幾年，國家對垃圾焚燒廠的節能、環保要求越來越高，節能減排、提高資源利用率成為未來行業發展趨勢。隨著城市加快建設，城市人口數量不斷增加及人民生活水平提高，城市生活垃圾量產量日益增多，而很多10年前、5年前建設的焚燒爐、余熱鍋爐等主設備均存在技術落后、設備老化、能耗高、垃圾處理能力不足等一系列問題。對前幾年建設的垃圾焚燒廠設備進行優化改造，提高產能、降低能耗，提高資源利用率迫在眉睫。

1 項目概況

威海環境再生能源有限公司焚燒爐采用日本荏原公司的機械爐排爐焚燒技術工藝，日焚燒城市生活垃圾700 t(2×350 t/日)，每年處理23×104t；余熱鍋爐采用無錫華光，蒸汽參數為2.5 MPa、400 ℃，蒸發量為29.3 t/h。目前威海市生活垃圾處理方式主要是焚燒和填埋。垃圾填埋不僅占用大量土地，而且容易造成大氣、水源以及土壤的二次污染。生活垃圾焚燒可以實現減量化、資源化、無害化，是一種行之有效的處理模式。威海環境再生能源有限公司2012年9月正式商業運行，項目設計垃圾處理能力為700 t/日(入爐)。近年來隨著城市的加快建設，城鎮人口數量的不斷增加，城市生活垃圾量已達到1200 t/日，現有生活垃圾焚燒爐的處理量已不能滿足城市垃圾的產生量，垃圾處理能力不足，垃圾過剩問題日益突出。同時，隨著市民生活水平的提高，生活垃圾的熱值也隨之升高，鍋爐處理同量垃圾的情況下，熱負荷明顯增加，從而導致余熱鍋爐的受熱面易積灰板結和高溫腐蝕，為解決垃圾處理量增加和垃圾熱值升高帶來的一系列問題，故對焚燒鍋爐進行擴容優化改造[1]。

威海環境再生能源有限公司鍋爐擴容優化改造計劃根據機組運行狀況，結合年度計劃性檢修分為兩個階段實施：第一階段主要是針對焚燒爐和余熱鍋爐進行技術改造；第二階段則主要是對汽輪發電相關系統進行擴能改造。

2 第一階段擴能改造

2.1 焚燒爐內結構優化擴能改造

通常，垃圾焚燒爐從爐膛結構上分為前拱、后拱和側墻。威海環境再生能源有限公司由于建廠時間較早，當時無充分的成熟行業案例參考，垃圾熱值的計算設計時考慮較低，因此焚燒爐內結構設計全部采用了絕熱耐火爐墻結構。從往年鍋爐實際運行、檢修的狀況來分析，焚燒爐內主燃燒區主要集中在燃燒一段和燃燒二段區域內，燃燒一段和燃燒二段對應的焚燒爐側墻及后拱運行中結焦嚴重，直接影響到鍋爐穩定的運行，嚴重時甚至需要緊急停爐處理。從長遠角度考慮，為日后能夠增加垃圾焚燒量，更好的控制爐溫，減少爐膛內結焦，設計將側墻和后拱的耐火材料拆除，敷設膜式水冷壁，在水冷壁內側敷設110 mm厚的耐火澆注料保護層。從而達到增加鍋爐受熱面積，降低爐膛內的溫度，提高熱效率的目的[2-3]。焚燒爐擴容改造方案圖如圖1所示。

圖1 焚燒爐擴容改造方案圖

2.2 余熱鍋爐二煙道擴容改造

威海環境再生能源有限公司鍋爐高溫過熱器入口煙溫長期高于650 ℃，導致過熱器嚴重積灰板結，并產生高溫腐蝕甚至爆管而停爐。為更好控制高溫過熱器入口前的煙氣溫度，緩解高溫過熱器的積灰板結和高溫腐蝕，改造設計在鍋爐第二煙道增加水冷屏蒸發受熱面，固定在二通道水冷壁隔墻和后墻之間。改造后可以使高溫過熱器入口煙溫控制在600 ℃以下。增加的換熱管屏面積約為180 m2。水冷屏蒸發受熱面采用膜式水冷壁形式，水冷屏的中部開孔，方便清灰及檢修。鍋爐二煙道增加換熱面方案如圖2所示。

圖2 鍋爐二煙道增加換熱面方案圖

通過有效增加鍋爐換熱面積，焚燒爐的機械負荷可以增加20～30 t/日，鍋爐蒸發量最高可提升至36～37 t/h，并且具備110%超負荷能力。同時還能降低鍋爐煙氣溫度，將高溫過熱器入口煙溫降至600 ℃以下，從而減少高溫腐蝕和積灰板結[4]。

鍋爐受熱面改造擴容后，原一次風機、二次風機、引風機的出力已經不能滿足生產的需求，需要更新配套升級。新一次風機的風量由42 600 m3/h增加到67 920 m3/h，二次風機的風量由12 120 m3/h增加到16 600 m3/h，引風機的風量由76 000 m3/h增加到100 000 m3/h。

3 第二階段擴能技術改造

威海環境再生能源有限公司焚燒爐和余熱鍋爐第一階段改造后，焚燒爐的垃圾處理量和鍋爐蒸發量均有顯著提升，但通過此次改造也發現，汽輪機組相關設備系統，如汽輪機本體、凝汽器、冷卻塔、循環水泵、凝結水泵、冷油器等設備均存在出力不足的情況。因此，為最大化提升機組的效率，增加經濟效益，威海環境再生能源有限公司鍋爐進行了第二階段線擴能技術改造[5]。

3.1 汽輪機本體改造

改造前汽輪機最大功率為12 MW，最大進汽量為59.7 t/h 。焚燒鍋爐擴容改造后單臺鍋爐額定蒸發量能夠達到38.0 t/h,2臺鍋爐總的蒸發量為76 t/h。根據生產報表統計，鍋爐擴容改造后2臺空氣預熱器的蒸汽消耗量最小值9.0 t/h，最大值為13 t/h。鍋爐蒸發量減去自用空氣預熱器蒸汽最大用量，仍剩余63 t/h，已經超過汽輪機的最大進汽量，因此汽輪機也需要進行擴容改造。

為達到機組長期安全穩定運行，經過重新核算設計，通過降低軸向推力，將汽輪機第三級前汽封體、汽封環及汽封套筒進行升級改造，并對汽輪機轉子重新做動平衡，完成汽輪機本體擴容。改造后汽輪機允許最大進汽量可以達到70 t/h，純凝工況下發電量最大為14 MW。發電機最大功率為15 MW，可以滿足汽輪機滿負荷要求，無需改造[6-7]。

3.2 凝汽器擴能改造

汽輪機本體擴容改造后，進汽量增加，經過熱力計算，現有凝汽器換熱面積已不能滿足換熱要求，難以保證真空度。結合現場設備實際情況，通過技術和經濟性的比較后，在不改變設備原有外形尺寸的情況下，更換管板、隔板、空冷區擋板及換熱管，對凝汽器筒體和換熱管加長1 500 mm，且換熱管數量增加至4 380根，換熱面積由1 000 m2增加至1 600 m2。凝汽器擴能改造方案如圖3所示, 改造后凝汽器性能參數見表1。

圖3 凝汽器擴能改造方案設計

表1 改造后凝汽器性能參數

3.3 凝結水泵擴容

擴能改造后鍋爐蒸發量提高，導致汽輪機凝結水流量增至70 m3/h，而原來凝結水泵流量為50 m3/h,從系統冗余的角度考慮更換為流量80 m3/h，揚程85 m、功率45 kW的凝結水泵。

3.4 冷油器更換

由于機組發電負荷增加，為更好控制汽輪機油溫，達到冷卻效果，改造在原冷油器設備基礎上新更換2臺冷油器，換熱面積由40 m2增加到60 m2。同時，由于汽輪機潤滑油流量在改造后需要增大，所以潤滑油進出口管徑也需要經過計算，適當增大。

3.5 循環水泵擴容

凝汽器換熱面積增加后，循環水量也需要增加，原循環冷卻水系統設計冷卻水量為3 200 m3/h(單臺1 600 m3/h，2用1備)。鍋爐擴能改造后蒸發量達到38 t/h，提高了近27%，經計算循環冷卻水冷卻倍率低于50，在氣溫較高尤其是在夏季時，會因循環水量不足而引起真空度低偏，直接影響到機組運行的安全性和熱經濟性。因此需要對單臺循環水泵的出力進行擴能改造。

更換1臺變頻循環水泵，流量由1 600 m3/h增加到3 000 m3/h，揚程30 m,功率為355 kW。調整運行方式為夏季氣溫高、冷卻水用量大時運行一臺3 000 m3/h和一臺1 600 m3/h的循環水泵，另一臺1 600 m3/h循環水泵備用。

3.6 循環冷卻塔擴容

機組負荷增加，循環冷卻水量同步增加，為能夠有效保證水溫，冷卻塔冷卻能力也需要增加。改造新增2臺500 t/h冷卻能力的機力通風塔，水池采用鋼板焊制，占地面積6 600 mm×13 000 mm，新增的冷卻塔進水管路接入原循環水池進水管，安裝閥門，用來調節進水量。夏季高溫時可保證水溫控制在32 ℃以內，進出口溫差大于8 ℃。

3.7 鍋爐過熱器和蒸發器的技術改造

由于威海環境再生能源有限公司余熱鍋爐結構形式為立式鍋爐，過熱器和蒸發器最初設計時又存在一定問題，鍋爐對流段極易積灰結焦。此次改造針對三、四煙道受熱面重新設計進行了優化技術改造。改造主要有：為減緩三通道一級蒸發器積灰板結，重新布置一級蒸發器，蛇形管由Φ38擴大為Φ42，橫向間距由140 mm增加到280 mm，進出口集箱位置不變，換熱面積增加42 m2。為保證鍋爐安全穩定運行，降低過熱器蒸汽流速，擴大過熱器汽側流通面積，更換三段過熱器，將過熱器管束由Φ38擴大為Φ42，縱向節距由100 mm改為84 mm，橫向不變，換熱面積增加156 m2； 為了避免省煤器沸騰，在省煤器前段增加二級蒸發器；換熱面積增加315 m2。

4 改造后運行分析

改造后，原焚燒爐燃燒室設計無受熱面，現增加換熱面積100 m2(見表2)，提高鍋爐熱效率的同時減少了爐膛內結焦；四煙道內新增設一組換熱面積為410 m2的二級蒸發器，進一步完成熱量交換，排煙溫度由220 ℃降到185 ℃；鍋爐改造后總的換熱面積由2 969 m2增加到3 659 m2。分別采集2017改造前數據(見表3)、2018第一階段改造后(見表4)、2019第二階段改造后(見表5)，對這三年中5-7月的運行數據進行同期比較分析。

表2 鍋爐擴容改造前后換熱面積比較

表3 鍋爐擴容改造前數據

表4 鍋爐擴容改造第一階段實施后數據

表5 鍋爐性能優化第二階段實施后數據

對鍋爐擴容優化前后收益進行比較分析，由表6數據可見，通過此次擴容優化改造，無論是焚燒量還是發電量，經過擴容改造性能優化后均明顯提高，給企業帶來良好經濟效益，最重要緩解了威海市城市生活垃圾處理的壓力，對保護環境、促進當地和諧發展，產生良好的社會效益。

表6 鍋爐擴容優化前后收益比較

5 結 語

從此次擴容改造結果可知，改造基本達到預期目的，焚燒量和發電量均有大幅提高，也緩解了城鎮生活垃圾增加帶來的壓力，及處理能力不足的現狀；同時有效降低了鍋爐入口煙溫、高溫過熱器入口煙溫及鍋爐排煙溫度，整體提高了鍋爐熱效率，減輕鍋爐結焦和高溫腐蝕，機組運行更加安全穩定。總之，該項技術改造帶來的經濟效益和社會效益是顯著的，值得推廣，特別適用于早期建設的小容量垃圾焚燒爐。