燃煤發(fā)電與垃圾發(fā)電耦合供熱系統(tǒng)性能分析

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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量污染物，為了避免高溫腐蝕，過(guò)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。基于660 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。可降低供熱系統(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(guò)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(guò)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(jiàn)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(wàn)元；Cold為案例機(jī)組收益，萬(wàn)元；CM為耦合供熱系統(tǒng)新增運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，萬(wàn)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(guò)準(zhǔn)確性驗(yàn)證。EBSILON Professional 是德國(guó)STEAG電力公司開(kāi)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(jiàn)表4。可知模型模擬準(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(jiàn)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(guò)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?chē)h(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(jiàn)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(jiàn)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(lái)，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(guò)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(guò)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(guò)程Fig.5 Exergy flow of unit and coupled heating system in case

4.3 經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)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(guò)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(wú)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(wàn)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(jiàn)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(wàn)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(wàn)元，但系統(tǒng)全年增收542.92萬(wàn)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(wàn)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(guò)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(wàn)元，年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用19.83萬(wàn)元，系統(tǒng)節(jié)能收益達(dá)542.92萬(wàn)元，最終系統(tǒng)年化新增凈收益423.95萬(wàn)元。