垃圾焚燒電站入爐垃圾低位熱值及不確定度研究

徐 凱，鐘 平，宋金時，孟桂祥，韓國慶，曹壽峰

(西安熱工研究院有限公司蘇州分公司，江蘇 蘇州 215153)

0 引 言

因垃圾焚燒處理對垃圾減量化、資源化以及無害化效果明顯，近年來垃圾焚燒電站建設數量急劇增加[1-5]。垃圾熱值是垃圾焚燒電站項目立項、工藝設備設計和運行優化及調整的重要依據[6]。垃圾熱值一般用量熱計直接測定或經驗公式分析法計算得出[7-8]，但由于入爐垃圾本身的多樣性及垃圾燃料成分波動劇烈，導致難以獲取有代表性的入爐垃圾樣品進行分析[9]，上述2種方法得到的垃圾熱值通常與實際入爐垃圾熱值存在較大偏差。FDBR Guideline RL 7-2013[10]標準(簡稱“FDBR標準”)提供了利用能量平衡原理計算得到垃圾焚燒電站入爐垃圾熱值的方法。垃圾熱值不確定度用于表示入爐垃圾低位熱值的分散性，不確定度的值越小，代表入爐垃圾低位熱值測試質量越高[11-13]。

針對垃圾熱值的研究主要集中在影響因素分析[14-15]、計算模型[16-19]等方面，張瑛華等[7]利用BP神經網絡，結合已有城市垃圾熱值數據，建立了基于神經網絡的垃圾熱值計算模型，能夠較好地計算垃圾熱值。在電廠性能試驗中，不確定度分析主要應用于鍋爐效率不確定度分析[20-24]、全廠凈熱耗率不確定度分析[13]等。目前鮮有文獻通過能量平衡原理對垃圾焚燒電站入爐垃圾低位熱值進行計算并對入爐垃圾低位熱值進行不確定度分析，筆者以FDBR標準和JJF 1059.1[11]為準則，結合某935 t/d垃圾焚燒電站入爐垃圾低位熱值性能試驗，計算得出入爐垃圾低位熱值及其不確定度，并定量分析了各個參數的測量不確定度對入爐垃圾低位熱值測試質量的影響。

1 入爐垃圾低位熱值測試測試

依據FDBR標準，入爐垃圾低位熱值可根據能量平衡原理計算得出。入爐垃圾低位熱值計算的基本思路是：① 計算有用輸出熱量及各項熱損失，根據能量平衡原理，輸出熱量等于輸入熱量，得到進入系統邊界的總輸入熱量；② 計算除燃料(垃圾)外的其他輸入熱量，得到燃料(垃圾)輸入熱量；③ 根據燃料(垃圾)質量流量及自身顯熱熱量，計算得出入爐垃圾低位熱值。為了能夠提高入爐垃圾低位熱值的測量精確度，性能試驗時長不應低于8 h。

計算入爐垃圾低位熱值所需公式如下：

QN+QV,ges=QZ+QZ,B，

(1)

QV,ges=QG+QCO+QRA+QFA+QSt+QKu，

(2)

QZ=QPL+QSL+QFL+QLV+QBru，

(3)

QZ,B=mB[Hu,B+cB(tB-tb)]，

(4)

(5)

式中，QN為有用熱輸出；QV,ges為總體熱損失；QZ為除燃料(垃圾)外的其他輸入熱量；QZ,B為燃料(垃圾)輸入熱量；QG為排煙熱損失；QCO為CO未完全燃燒熱損失；QRA為爐渣顯熱及未完全燃燒熱損失；QFA為飛灰顯熱及未完全燃燒熱損失；QSt為散熱損失，QKu為爐排冷卻熱損失；QPL為一次風帶入的熱量；QSL為二次風帶入的熱量；QFL為工藝風(燃燒器冷卻風、爐排冷卻風等)帶入的熱量；QLV為蒸汽預熱器帶入的熱量；QBru為水蒸氣帶入的熱量；mB為燃料(垃圾)質量流量；Hu,B為入爐燃料(垃圾)低位熱值；cB為燃料(垃圾)比熱容；tB為燃料(垃圾)溫度；tb為基準溫度(25 ℃)。

2 不確定度計算

2.1 不確定度數學模型

進行入爐垃圾低位熱值不確定度分析，首先需建立數學模型，輸出量y與輸入量(x1,x2,…,xN)之間的函數關系[20]如下：

y=f(x1,x2,…,xN)。

(6)

數學模型應包括影響測量結果的全部輸入量，任何影響到測量結果的各個不確定度分量均不能遺漏或重復。

2.2 不確定度評定及合成

2.2.1A類不確定度

在規定條件下，對已經測得的數據使用統計分析方法進行評定，稱為A類不確定度評定，A類評定通常包括單點測量和多點測量[21]。單點測量，即在一個位置隨時間變化對某一參數進行連續多次測量，測量參數包括空氣側(一次風、二次風、爐排冷卻風等)流量、大氣壓力、干球溫度、相對濕度、燃料(垃圾)質量流量、過熱蒸汽流量、過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、省煤器進口給水溫度等，測量參數的樣本平均值計算公式為

(7)

單個測得值xk的樣本標準差s(xk)計算公式為

(8)

(9)

(10)

2.2.2B類不確定度

以不同于A類評定的方法評定測量不確定度量，稱為B類不確定度評定[21]。對于入爐垃圾低位熱值測試，獲得B類評定的途徑主要有：以前記錄得到的數據；儀表校驗證書、測試規范提供的數據等[20]。

2.2.3合成不確定度

各參數的測量不確定度確定后，根據不確定度傳播率可計算得出測試結果的合成不確定度。當各測量參數相互獨立時，合成不確定度uc(y)計算公式為

(11)

2.2.4擴展不確定度

擴展不確定度U計算公式為

U=kuc(y)，

(12)

其中，k取2～3。對于入爐垃圾低位熱值測試，根據正態分布，p值取2[24-25]。

3 入爐垃圾低位熱值不確定度算例

3.1 機組概況

某垃圾焚燒電站焚燒爐型式為正向階梯反復搖動機械式Dyna爐排爐，余熱鍋爐型式為單汽包、中溫、次高壓自然循環水管鍋爐，鍋爐設計參數見表1。

表1 焚燒爐-余熱鍋爐設計參數

3.2 測試方法及試驗數據

根據FDBR標準要求布置測試系統，入爐垃圾低位熱值試驗所需的37個測試數據見表2。

表2 入爐垃圾低位熱值試驗數據

3.3 入爐垃圾低位熱值計算結果及分析

根據能量平衡原理，表3列出了入爐垃圾低位熱值的計算數據。由表3可知，MCR負荷工況下，入爐垃圾低位熱值為8 762.7 kJ/kg，與設計入爐垃圾低位熱值(8 792.0 kJ/kg)較接近，說明入爐垃圾與焚燒爐-余熱鍋爐設計匹配性較好。入爐垃圾低位熱值與垃圾焚燒電站設計熱值的匹配程度直接影響垃圾焚燒鍋爐的運行狀態，日常運行中應加強對入爐垃圾低位熱值的跟蹤分析。

表3 入爐垃圾低位熱值計算數據

需要注意的是，依據FDBR標準能夠準確獲得性能測試期間(如本次測試時長為8 h)的入爐垃圾低位熱值平均值，測試精確度高，但弊端在于運行人員仍無法根據入爐垃圾情況實時調整機組運行狀態。因此，實時精準預測入爐垃圾熱值的研究，是當前階段需要突破的重點。

3.4 各測量參數靈敏度及不確定度計算

通過A類、B類不確定度評定，可以計算得出各參數的合成不確定度。表4給出了入爐垃圾低位熱值計算過程中所涉及的37個不確定度計算結果。

表4 各因素測量不確定度計算匯總

續表

本次性能測試持續時間為8 h，為將入爐垃圾低位熱值計算結果與取樣結果進行對比，每4 h對入爐垃圾進行1次取樣，共計取樣2次，取樣結束后立即送實驗室化驗。由表3可以看出，2次樣品的入爐垃圾低位熱值化驗結果差異較大，2次樣品的化驗平均值與性能試驗計算值接近，根本原因為垃圾自身波動大，樣品難以具有代表性。因此，相較于垃圾送樣化驗，性能試驗方式更能反映入爐垃圾熱值的真實情況。

由表4可知，入爐垃圾低位熱值合成不確定度=82.8 kJ/kg，包含因子=2，擴展不確定度=165.5 kJ/kg，相對擴展不確定度為1.89%。

3.5 不確定度分析

各主要參數對入爐垃圾低位熱值不確定度的影響權重如圖1所示。由表4和圖1可以看出，影響權重由大到小排序為mD>mB>qG>uRA>tSp>tD>tPL1>φRA>tG>mSCR>qPL>tout>tin>φMO>PD>tPL0>φFA>tSL>tPL2>φ(CO2)>uFA>Pw>φ(H2O)>mw>qSL>PSp>PSL>φ(O2)>tDB>rH>qFL2>PFL2>qFL1>PA>PFL1>Pin>φ(CO)。其中，過熱蒸汽質量流量測量不確定度分量所占入爐垃圾低位熱值合成不確定度權重值最大，為44.0%；其次是生活垃圾質量流量測量不確定度分量，所占權重值為35.7%。過熱蒸汽質量流量、生活垃圾質量流量、省煤器出口煙氣體積流量、爐渣熱灼減率、省煤器進口給水溫度、過熱蒸汽溫度、一次風蒸預器中間段風溫、濕爐渣量占垃圾處理量百分比、省煤器出口煙溫9個參數測量不確定度分量，所占入爐垃圾低位熱值不確定度權重值為99.3%。性能試驗期間應著重提高此9個參數的測量精度，有效保證入爐垃圾低位熱值的測試質量。

圖1 主要參數對結果不確定度影響權重Fig.1 Weight of uncertainty of main parameters

SCR系統蒸汽流量、一次風體積流量、水冷爐排出口水溫、水冷爐排進口水溫等其他28項參數的不確定度分量所占權重值約占0.7%，對入爐垃圾低位熱值測試結果的不確定度影響很小。

4 結論與建議

1)入爐垃圾低位熱值與垃圾焚燒電站設計熱值的匹配程度直接影響垃圾焚燒鍋爐的運行狀態，應加強入爐垃圾低位熱值的跟蹤分析。

2)相較于垃圾送樣化驗，性能試驗方式更能反應入爐垃圾熱值的真實情況。

3)依據FDBR標準能夠準確獲得性能測試期間的入爐垃圾低位熱值平均值，測試精確度高，但弊端在于運行人員仍無法實時根據入爐垃圾情況調整機組運行狀態。入爐垃圾熱值的實時預測研究仍是當前階段的研究重點。

4)各參數測量不確定度對入爐垃圾低位熱值測試結果不確定度影響順序為mD>mB>qG>uRA>

tSp>tD>tPL1>φRA>tG>mSCR>qPL>tout>tin>φMO>

PD>tPL0>φFA>tSL>tPL2>φ(CO2)>uFA>Pw>

φ(H2O)>mw>qSL>PSp>PSL>φ(O2)>tDB>rH>

qFL2>PFL2>qFL1>PA>PFL1>Pin>φ(CO)。

5)性能試驗期間應提高過熱蒸汽質量流量、生活垃圾質量流量、省煤器出口煙氣體積流量、爐渣熱灼減率、省煤器進口給水溫度、過熱蒸汽溫度、一次風蒸預器中間段風溫、濕爐渣量占垃圾處理量百分比、省煤器出口煙溫9個參數的測量精度，以確保入爐垃圾低位熱值測試結果的精確度。SCR系統蒸汽流量、一次風體積流量等28項參數的不確定度分量對入爐垃圾低位熱值測試結果的不確定度影響可以忽略。