垃圾焚烧热电联产蒸汽参数选择

刘 浩，杨春琳，刘苏蒙

（1.江苏省环境工程技术有限公司，江苏 南京 210000；2.光大生态环境设计研究院有限公司，江苏 南京 210000；3.江联重工集团股份有限公司，江西 南昌 330030）

垃圾焚烧发电厂的作用是将生活垃圾的化学能转变为热能，并将垃圾焚烧产生的热能转变为城镇居民使用的电能［1］。采用焚烧方式处理生活垃圾时，垃圾容积可以减少90%以上，质量可以减少70% ～ 75%。生活垃圾焚烧处置量占垃圾总处置量的比例逐年增加，以焚烧为主的垃圾处置格局初步形成［2］。“十三五”期间全国共建成生活垃圾焚烧发电厂254座，累计在运行的生活垃圾焚烧发电厂超过500座，焚烧设施处理能力为58万t·d-1［3］。国家有关部门为了引导和促进垃圾发电行业健康、有序发展，出台了《生活垃圾焚烧发电建设项目环境准入条件（试行）》《关于开展“百个城镇”生物质热电联产县域清洁供热示范项目建设的通知》等政策，鼓励生活垃圾发电项目兼顾供热，有条件的生活垃圾焚烧发电项目优先选择热电联产模式，并配套建设供热管网。鼓励依托当地热负荷，因地制宜推进新建垃圾发电项目热电联产，以作为清洁供热方式的补充。

国内垃圾焚烧发电厂余热锅炉主蒸汽主流参数可分为中温中压和中温次高压参数。中温中压蒸汽参数为4.0 MPa/400 ℃，中温次高压蒸汽参数为6.4 MPa/450 ℃［4］。张宇飞等［5］研究了中温次高压参数下垃圾焚烧热电联产的经济性，研究表明，随着蒸汽供热量的增加，全厂经济效益呈上升趋势。岳兴月［6］对垃圾焚烧发电厂蒸汽初参数的选择进行分析，研究表明，蒸汽初参数的提升会提高汽轮机的循环热效率，中温次高压机组比中温中压机组热效率提高6%以上。但鲜有学者对垃圾焚烧热电联产蒸汽参数的选择进行研究。本文旨在研究热电联产时余热锅炉中温中压及中温次高压蒸汽参数对垃圾焚烧发电厂全厂热效率及经济性的影响，以确定垃圾焚烧热电联产时的蒸汽初参数。

1 研究对象

《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》［3］中提出全国焚烧设施处理能力将提升至80万t·d-1，并重点推进中西部及东北部分区域地级市及县级市焚烧设施的建设。中西部及东北部分区域地级市及县级市的特点是人口少、垃圾热值低，垃圾日处理规模在400 ～ 800 t·d-1。本文以日处理600 t规模的生活垃圾焚烧设施作为研究对象，焚烧设施设置为2 × 300 t·d-1炉排炉 + 1台12 MW抽凝式汽轮发电机组，生活垃圾设计热值为6 700 kJ·kg-1。热电联产的供热介质为热水，抽汽加热热水，供回水温度为70/130 ℃。

2 垃圾热电联产投资及经济性分析

2.1 主机设备参数

表1为中温中压及中温次高压余热锅炉、汽轮机性能参数。从表中可知，中温中压及中温次高压余热锅炉热效率均为81%，对流受热面积分别3 070、3 845 m2，中温次高压余热锅炉对流受热面积约为中温中压的1.25倍。中温次高压余热锅炉对流受热面增加主要是由于两方面的原因：随着主蒸汽温度提高，需增加过热器面积来提高过热器吸热量；考虑到过热器的高温腐蚀问题，需通过增加过热器前水冷壁或蒸发器受热面积来降低过热器前进口烟气温度。同时，随着压力参数提升，需通过在水冷壁敷设浇注料或堆焊等措施以避免水冷壁发生高温腐蚀，这使得中温次高压余热锅炉整体重量及材料使用等级均会高于中温中压余热锅炉。中温中压及中温次高压汽轮机汽耗分别为4.73、4.22 kg·（kW·h）-1。中温次高压汽轮机汽耗与中温中压的相比降低了10.78%。单独提高蒸汽压力虽然可以提高汽轮机的热效率，但是会导致排汽干度下降，从而影响汽轮机叶片的使用寿命。在提高蒸汽压力的同时提高蒸汽温度，不仅可以提高汽轮机的热效率，而且可以避免排汽干度的下降。张晓斌等［7］研究也发现中温次高压汽轮机汽耗与中温中压汽轮机的相比更低。

表1 中温中压及中温次高压余热锅炉、汽轮机性能参数Tab.1 Performance parameters of heat recovery steam generator and steam turbine with medium temperature and medium pressure and medium temperature and sub-high pressure

2.2 主机设备投资额

表2为中温中压及中温次高压余热锅炉、汽轮发电机组投资额对比。从表中可知，中温中压余热锅炉、汽轮发电机组投资额分别为1 680、600 万元，中温次高压余热锅炉、汽轮发电机组投资额分别为2 493、950 万元。中温次高压主机设备投资额比中温中压的约提高51%，差价为1 163 万元。

表2 中温中压及中温次高压余热锅炉、汽轮发电机组投资额对比Tab.2 Investment comparison of the heat recovery steam generator and steam turbine unit between medium temperature and medium pressure and medium temperature and subhigh pressure

2.3 经济指标

表3为中温中压及中温次高压垃圾焚烧发电厂经济指标对比。供热时间按供热周期10月15日至3月15日计算，共3 624 h。采暖季总上网电量为供热时发电功率与供热时间的乘积；非采暖季总上网电量为无供热时发电功率与无供热时间的乘积；全年总上网电量为非采暖季总上网电量与采暖季总上网电量之和；全年总供热量为抽汽供热功率与供热时间的乘积。

表3 中温中压及中温次高压参数垃圾焚烧发电厂经济指标对比Tab.3 Comparison of the economic indicators in a waste incineration power plant between medium temperature and medium pressure waste and medium temperature and sub-high pressure

无供热条件下，发电功率GP为汽轮机进汽量（锅炉蒸发量）BS与汽轮机汽耗CS的比值，即

由表3可知，中温中压及中温次高压机组锅炉蒸发量分别为51.69、50.35 t·h-1，无供热时汽轮机汽耗分别为4.73、4.22 kg·（kW·h）-1。由式(1)计算可得，中温中压及中温次高压机组发电功率分别为10.93、11.93 MW。可见，中温次高压机组发电功率比中温中压的提高了9%。

供热条件下，发电功率GP1为汽轮机进汽量BS1与汽轮机汽耗CS1的比值，即

由表3可知，供热时中温中压及中温次高压机组汽轮机汽耗分别为8.58、7.12 kg·（kW·h）-1。由式（2）计算可得，中温中压及中温次高压机组发电功率分别为6.02、7.07 MW，根据汽轮机相关资料可知，相应的供热功率分别为18.43、17.80 MW。

式中：TE为全厂热效率；GT为抽汽供热功率。

由表3可知，中温中压机组发电功率和供热功率分别为6.02、18.43 MW，中温次高压机组发电功率和供热功率分别为7.07、17.80 MW。由式（3）计算可得，中温次高压机组热电联产全厂热效率为53.45%，相较于中温中压的提高了1.7%。

2.4 营业收入

表4为中温中压及中温次高压垃圾焚烧发电厂营业收入对比，营业收入计算基础条件：焚烧设施全年运行时间8 000 h，城镇供热时间3 624 h（约5个月）。表中按12 MW汽轮发电机组最大供热能力，厂内供热首站投资额暂估300万元计算。

表4 中温中压及中温次高压垃圾焚烧发电厂营业收入对比Tab.4 Comparison of the annual revenue in a waste incineration power plant between medium temperature and medium pressure and medium temperature and sub-high pressure

无供热条件下，有

式中：IE为全年发电收入；E为补贴电量，值为55 944 000 kW·h；PB为补贴电价，NE为非补贴电量；PN为非补贴电价。

由式（4）计算可得，无供热条件下时中温中压及中温次高压机组全年发电收入分别为4 219.33、4 516.27万元，中温次高压机组因具备更高的热效率，上网售电收入提高6.9%。供热条件下中温中压及中温次高压机组全年发电收入分别为3 505.40、4 037.31万元。

供热条件下，有

式中：IH为全年供热收入；AT为全年总供热量；PH为售热价格，值为36 元·GJ-1。

由式（5）计算可得，供热条件下，中温中压及中温次高压机组全年供热收入分别为865.60、836.01万元，全年总收入分别为4 371 、4 873.43万元。计算结果表明，中温中压机组热电联产时全年总收入比无供热时的提高了3.6% ，中温次高压机组热电联产时全年总收入比无供热时的提高了7.9% 。热电联产时中温次高压机组的全年总收入比中温中压机组的提高了11.5%。可见，采用热电联方式不仅可以提高垃圾焚烧设施全厂热效率，同时可以提高垃圾焚烧设施运营的经济性。

2.5 投资回收期

投资回收期采用静态投资回收期计算，将中温次高压参数热电联产与中温中压参数非热电联产的主机设备投资增加额和厂内供热首站投资额作为投资成本，现金流入为中温次高压参数热电联产与中温中压参数热电联产全年总收入增加值减去中温次高压参数热电联产年生产成本，建设期按1 年考虑。

表5为静态投资现金流量表。计算结果表明，投资成本为1 463万元，即现金流出。中温次高压参数热电联产与中温中压参数热电联产全年收入增加值为502.43万元（见表4）。中温次高压参数热电联产年生产成本为54.75万元，因此现金流入为两者之差447.68万元。

表5 静态投资现金流量表Tab.5 Cash flow statement of the static investment

静态回收期的计算式［8］为

式中：Pt为静态回收期；C为累计净现金流量开始出现正值的年份数；Py为上一年累计净现金流量的绝对值；Pa为当年净现金流量。

经计算，中温次高压参数热电联产静态投资回收期约为4.73年。

3 结 论

针对垃圾焚烧热电联产时，采用中温中压及中温次高压蒸汽参数对全厂投资及经济性的影响进行了研究。研究结果表明，采用中温次高压参数时，焚烧设施主机投资额增加，但垃圾焚烧设施热电联产全厂热效率较中温中压参数的提高1.7%。热电联产时中温次高压机组的全年总收入比中温中压机组的提高了11.5%。中温次高压参数机组热电联产静态回收期约为4.73年，可见垃圾热电联产时采用中温次高压参数时经济性更好。