垃圾焚燒發電廠高參數蒸汽的應用分析

文_劉建超 龍凈能源發展有限公司

近幾年高參數蒸汽機組在垃圾焚燒發電廠應用量逐漸增多，通過提高蒸汽溫度、壓力來提高電廠循環熱效率，增加發電量。

1 蒸汽參數與循環熱效率

理想狀態下單位質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吸熱成為過熱蒸汽，過熱蒸汽進入汽輪機膨脹做功，膨脹做功后的乏汽進入凝結器凝結成水，釋放出汽化潛熱，給水泵將凝結水加壓后重新送入鍋爐完成一個循環，即朗肯循環。

吸熱量q1=h1-h4，是指給水在鍋爐內吸收的熱量。

放熱量q2=h2-h3，是指汽機排汽在凝汽器內凝結成水釋放出的汽化潛熱。

要提高循環熱效率，主要是提高吸熱平均溫度T1ˉ，降低放熱平均溫度Tˉ2=。

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

1.1 提高汽輪機入口蒸汽溫度

當汽輪機入口蒸汽壓力和排汽壓力不變時，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，循環熱效率提高。

汽輪機入口蒸汽溫度提高主要受設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系曲線見圖1。垃圾焚燒鍋爐設計時，一般要求高溫過熱器進口煙氣溫度不高于600℃，正常運行在580℃左右。為了減輕高溫腐蝕風險，垃圾焚燒發電機組主蒸汽溫度主要有400℃和450℃兩種，少數采用485℃。

圖1 腐蝕速度與管壁溫度的關系

1.2 提高汽輪機入口蒸汽壓力

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

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

提高汽輪機入口蒸汽壓力，給水飽和溫度升高，水冷壁腐蝕風險加大。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。目前高參數壓力大多數不超過6.4MPa，僅光大蘇州四期、廣環投從化和康恒三河項目采用了超高壓（約13MPa）參數。

1.3 降低蒸汽排汽參數

當汽輪機入口蒸汽溫度和壓力不變時，降低排汽壓力。當排汽壓力降低時，平均放熱溫度隨之降低，循環熱效率提高。

排汽壓力的降低主要受冷卻水溫度限制。工質飽和溫度與飽和壓力是一一對應的，降低排汽壓力勢必會導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，才能保證系統的正常運行，所以，排汽壓力實際運行中很難降低。

1.4 蒸汽再熱

蒸汽再熱就是將汽輪機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中再繼續做功的過程。在其他條件不變時，采用蒸汽再熱，可以提高吸熱過程平均溫度，從而提高循環熱效率。

蒸汽再熱會改變汽輪機的結構、布置及運行方式，設備投資及維護費用增加。因此，只有高參數大容量機組考慮蒸汽再熱才是經濟的。在垃圾焚燒發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℃）等少數項目采用了再熱循環技術。

2 不同蒸汽參數的應用

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

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

浙江某項目2×500t/d的焚燒爐配套4.0MPa，450℃的中溫中壓余熱鍋爐，配置25MW凝汽式汽輪發電機組。設計入爐垃圾熱值7535kJ/kg，焚燒爐垃圾處理量41.66t/h。鍋爐額定蒸發量為96.82t/h，汽輪機發電功率為19.54MW，全廠熱效率為22.4%，入爐噸垃圾發電量為469kWh。

廣州李坑電廠是國內首家采用中溫次高壓蒸汽機組的垃圾焚燒發電廠。隨后深能、光大、康恒等企業都開始在部分項目上采用高參數機組，特別是近幾年隨著垃圾熱值提升、焚燒規模增大，高參數機組得到更多的采用。光大環保采用中溫次高壓（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℃）技術后，隨著蒸汽參數升高和蒸汽再熱技術應用，熱效率得到提升，噸垃圾發電量隨之增加。

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

表1 蒸汽參數和全廠效率

3 典型高參數項目分析

3.1 項目一

項目一設計處理規模為3000t/d，采用4×750t/d爐排爐，配置2臺凝汽式汽輪機，采用中溫超高壓（13.7MPa、450℃）、高給水溫度、蒸汽再熱和高轉速汽輪機技術，全廠循環熱效率預計達到31%，其系統如圖2所示。

圖2 項目一熱力系統圖

13.7MPa、450℃的主蒸汽進入汽輪機高壓缸做功，蒸汽參數下降到2.52MPa、235℃時全部從高壓缸排出，進入爐內再熱器將235℃、2.52MPa的蒸汽加熱到2.33MPa、420℃后，再進入汽輪機低壓缸做功。

項目一蒸汽再熱采用爐內再熱的方式，增加了高溫腐蝕的風險。此外，汽機系統采用三級低加、一級除氧和兩級高加共六級回熱，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入省煤器，又采用給水對一、二次風進行加熱，使給水溫度降到130℃再進入省煤器，增加了設備投資。

3.2 項目二

項目二設計處理規模為2000t/d，采用2×1000t/d爐排爐，配置1臺凝汽式汽輪機，采用中溫超高壓（13.5MPa、450℃）、蒸汽再熱和高轉速汽輪機技術，全廠循環熱效率約32%，其系統圖如圖3所示。

圖3 項目二爐外除濕再熱技術

13.5MPa、450℃的主蒸汽飽進入汽輪機高壓缸內做功，蒸汽參數降到1.65MPa、203℃時進入飽和狀態，后面的葉片全部是帶水運行的，當蒸汽參數降到0.35MPa、139℃時，已經是10%的帶水運行，汽機葉片所能承受的極限了。此時將蒸汽全部排出，進行除濕，同時進行少量加熱。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，然后進入汽輪機低壓缸進行做功。汽機系統采用兩級低加和一級除氧回熱，將給水溫度加熱至150℃，降低了熱量損耗。

項目二采用汽水分離再熱器（MSR）對高壓缸排汽進行除濕并再熱。MSR除濕段采用雙鉤分離結構，慣性撞擊實現汽水分離，除濕效率≥95%；采用汽機排汽對再熱器進行加熱，再熱器位于爐外，無高溫腐蝕風險。

4 不同蒸汽參數經濟性分析

以某項目500t/d焚燒爐為例，滲濾液15%，入爐垃圾熱值按7500kJ/kg計算，廠用電率15%。二、三煙道受熱面面積合計573m2，合金堆焊和感應熔焊涂層按照9000元/m2，運營期按28a，電價按0.65元/kWh，在汽輪機變化不大的條件下，對目前采用較多的幾種蒸汽參數的經濟性進行分析，見表2。

從表2可以看出，蒸汽參數從4.0MPa、400℃到6.4MPa、450℃，運營期內增加收益高于投資成本。6.4MPa、450℃的蒸汽參數繼續升高溫度到485℃時，設備投資和運營成本大幅上升，運營期內收入反而減少。

表2 蒸汽參數運行期經濟性比較

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

主蒸汽溫度為450℃時，壓力從4.0MPa升高到6.4MPa，水冷壁需要進行防腐處理，設備投資增加約150%，發電效率提高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，但增加發電收入遠高于壓力升高引起的投資運營成本，運營期內可增加收入8473萬元，比4.0MPa、400℃蒸汽參數機組增加收入11098萬元。

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

5 結語

隨著蒸汽參數提高，全廠熱效率提高，發電量增加。在主蒸汽溫度選擇上，建議采用450℃，主蒸汽溫度高于450℃時高溫過熱器腐蝕速率大大提升，需要采用更高級的材質，增加了投資成本和運行風險。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，而且循環熱效率提升幅度隨著壓力提升逐步放緩。