基于EBSILON的垃圾焚燒電廠余熱利用方案研究

周民星，方 楊，楊宏偉，胡國榮，郭鎮寧

(光大環境科技(中國)有限公司，江蘇 南京 211100)

隨著我國城鎮化進程不斷加快、人民生活水平日益提高，生活垃圾處理需求劇增，“垃圾圍城”現象日益嚴峻。垃圾焚燒處理是目前較為成熟且廣泛應用的技術，據《2019城鄉建設統計年鑒》，截止2019年底，我國投入運行的生活垃圾焚燒廠共390座，總處理能力達45.7萬t/d[1]。

我國城市生活垃圾組分復雜多樣，且含水率高、灰分高、熱值較低[2]，焚燒過程中極易在換熱面結焦、積灰[3-5]。這將導致傳熱熱阻增加，管內介質吸熱量減少，鍋爐排煙溫度升高。研究表明，鍋爐排煙溫度每升高15～20 ℃，鍋爐熱效率降低約1%[6]。《鍋爐節能技術監督管理規程TSG G0002-2010》中明確要求“額定蒸發量大于或等于1 t/h的蒸汽鍋爐，排煙溫度不高于170 ℃”。戴國棟[7]對福建地區24臺生活垃圾焚燒爐的能效測試中發現，超四成鍋爐排煙溫度在220～240 ℃區間，排煙熱損失最高可達21.57%。此外，結焦積灰還易引起腐蝕和爆管停爐，造成重大經濟損失和安全隱患。

另一方面，大趨勢下垃圾處理費愈來愈低，污染物排放標準日趨嚴格導致運行成本愈來愈高這些都是目前垃圾焚燒企業面臨的嚴峻事實(新建項目同時面臨補貼取消的困境)。為響應國家能源政策及企業長久發展，垃圾焚燒電廠進行余熱回收利用、節能改造刻不容緩。吳窮[8]、滕葉[9]等均提出利用垃圾焚燒煙氣余熱加熱回水，使之蒸汽化后用來加熱一次風的技術方案，取得一定節能效果；Abdulrahman A.Alrobaian[10]在垃圾焚燒熱電聯產機組中，利用煙氣換熱器將余熱回收到二級循環水中用來加熱凝結水，節省了汽機抽汽；鐘吳君[11]等人在垃圾焚燒電廠煙氣處理裝置末端加裝洗滌塔，將廢氣余熱回收至洗滌凝水中，并利用壓縮式熱泵與熱電聯產機組供熱共同滿足熱用戶需求；張小華[12]闡述了風機和水泵兩類廠耗電量高的設備的變頻方案設計思路；田崇雷[13]采用焊接板式熱交換器將煙氣中的熱量回收到水中，供居民冬季采暖使用。

總的來說，現階段關于垃圾焚燒電廠余熱利用等節能領域的相關研究十分有限。基于此，本文借鑒火電廠余熱利用經驗[14-18]，以某垃圾焚燒發電廠為例，用EBSILON軟件搭建該電廠仿真模型，提出3種煙氣余熱利用技術方案，分析不同溫度的給水對機組做功的影響，并進行全廠經濟性分析。

1 垃圾焚燒發電機組模型

1.1 研究對象

某生活垃圾日處理規模為3 000 t/d，配備4臺750 t/d的機械爐排焚燒爐，2臺35 MW汽輪發電機組。余熱鍋爐排煙溫度設計值為190.3 ℃，設計排煙熱損失為14.3%。在實際運行過程中，受鍋爐負荷及受熱面積灰結渣的影響，排煙溫度往往維持在230 ℃左右，排煙熱損失達17.6%。

1.2 機組模型搭建

本文通過電站仿真軟件EBSILON V13試用版對全廠熱力系統進行建模，搭建該35 MW垃圾焚燒電廠VWO工況熱力系統模型。在該軟件環境下，建模基本流程為：參照全廠熱力系統圖，選取所需組件，按照邏輯順序連接成設備單元；劃分鍋爐、汽輪機系統，形成所需結構框架；設置相應的參數(如溫度、壓力、流量及部件邏輯控制函數等)，構成完整的熱力系統；最后調試運行，進行仿真分析。

靜態模型如圖1所示，常規電廠部件如蒸汽發生器、汽輪機、凝汽器、低壓加熱器和除氧器等分別由軟件中Comp 5、Comp 122、Comp 7、Comp 10和Comp 9等組件模擬實現。本文主要考察汽輪機模型，以方便研究不同煙氣余熱利用方案下鍋爐給水流量和參數變化導致的汽輪機各級抽汽量及做功的變化情況。

圖1 某垃圾焚燒電廠的EBSILON系統靜態仿真模型

1.3 模型結果可靠驗證

為驗證該軟件計算方法可靠性，VWO工況下模擬結果和設計值比較見表1所示，EBSILON模擬的發電功率為35.002 MW，其余各項參數的模擬結果與設計值基本保持一致，誤差均在5‰以內，模型計算結果可靠。因此，該靜態仿真模型符合本次方案設計的工程實際要求。

表1 某垃圾焚燒電廠機組設計參數與EBSILON模擬參數對比

2 余熱利用方案

為解決垃圾焚燒電廠排煙超溫問題，實現排煙余熱回收利用，提高鍋爐熱效率，同時緩解后端煙氣凈化設備高溫運行壓力，本文擬在余熱鍋爐尾部加裝煙水換熱器。

抽汽回熱循環，即利用在汽輪機內做過功的蒸汽加熱給水，從而提高循環平均吸熱溫度，提高循環熱效率。凝結水經煙水換熱器吸熱升溫后，在每級低壓加熱器中的吸熱量相對減少，相應抽汽流減少，即排擠低加抽汽量或除氧器抽汽量，增加發電量，從而提高全廠經濟效益。考慮到換熱器傳熱溫差、換熱器面積限制[19-20]以及為保證后端煙氣凈化設備效率，擬定換熱器出水溫度上限為130 ℃，并將換熱器出水溫度按梯度納入變量考量；按初始排煙溫度233 ℃、換熱后煙溫設200 ℃進行仿真模擬。

因此，結合EBSILON軟件提出3種余熱利用方案，根據給水進出口位置不同，排擠不同品位汽輪機抽汽，同時設置不同的出水溫度，達到不同節能效果，具體如下圖2所示。

圖2 某垃圾焚燒電廠煙氣余熱利用方案

方案1：換熱器與②號低加并聯，水側出口布置在②號低加后，入口布置在②號低加前。此時換熱器出口水溫按65～130 ℃梯度設計；

方案2：換熱器與①號低加并聯，水側出口布置在①號低加后，入口布置在①號低加前。此時換熱器出口水溫按91.6～130 ℃梯度設計；

方案3：換熱器與①、②號低加并聯，水側出口布置在①號低加后，入口則布置在②號低加前。此時換熱器出口水溫按91.6～130 ℃梯度設計。

煙水換熱器邊界條件見表2所示。

表2 煙水換熱器邊界條件

3 方案計算結果與分析

3.1 仿真計算結果

利用EBSILON軟件對3種方案進行模擬計算，各方案中汽機進口工質的參數和汽機各級抽汽參數保持不變，模擬計算結果見表3所示。

3.2 方案經濟性分析

由表3可知，利用煙氣余熱加熱給水后機組發電功率增加，同時熱耗量增加。這是因為汽機各級回熱抽汽量減少，排擠更多的抽汽繼續回到汽輪機內做功，從而發電量增多；但排擠的回熱抽汽參數較低，做功能力低于汽機新汽做功能力，造成汽輪機組熱功轉化效率降低，從而機組整體熱耗增加[16,18]。

表3 各方案機組熱經濟性指標

首先對各方案對比可知，方案2中除氧器抽汽量變化率幅度最大，方案1幾乎沒有除氧器抽汽量的變化，方案3中三種抽汽量均有變化，這是因為方案2中換熱器與除氧器后的①號低加并聯，換熱器出水溫度變化直接影響除氧器抽汽量變化。3種方案的發電量均有增加，但方案2增發功率最大、經濟效益最為顯著，方案3次之，方案1最小。這是因為方案1節約的是②號低加和①號低加抽汽，方案3節約的是②號低加、①號低加抽汽和除氧器抽汽，方案2只節約①號低加抽汽和除氧器抽汽；而在該三類抽汽中，除氧器抽汽蒸汽品質最好，是較其余兩類抽汽最為接近新汽參數的抽汽，故被排擠回汽機的做功能力最強。

其次，根據圖3可知，換熱器出水溫度t增加，增發功率增大。這是因為隨著出水溫度增高，出水點后的上一級(即更高品位)汽輪機抽汽量逐漸減少，排擠回汽輪機繼續發電做功。以方案2為例分析，煙水換熱器分流了①號低加的凝結水，①號低加的抽汽熱負荷降低，從而節約了原①號低加抽汽。隨著出水溫度t的增加，在換熱器功率一定的情況下，被分流的凝結水的量減少，節約的①號低加抽汽減少；但t增加，有利于提高匯入除氧器入口給水的溫度，節約的除氧器抽汽增多，汽機增加發電量仍得到提高。由此可知，較高參數的抽汽對機組做功增加起主要作用。類似地，對比分析圖3中方案1和方案3，也可得出上述結論。

圖3 各方案汽機抽汽量變化及增發功率比較

4 總結

(1)本文提出3種垃圾焚燒電廠煙氣余熱利用方案，在垃圾焚燒爐輸入熱量不變的情況下，由于凝結水加熱后抽汽耗量減少，3種方案均能增加發電功率，提高全廠經濟性。

(2)排擠抽汽品質、換熱器后凝結水溫度、流量均影響增發功率。方案2在換熱器出水溫度為130 ℃時，發電功率增加0.64 MW，年收益達282.9萬元，節能效果最佳。

(3)目前垃圾焚燒電廠排煙溫度在設計和運行工況下尚存一定偏差，可以預見的是，煙氣余熱利用將是未來技改方向之一。對于利用煙氣余熱加熱凝結水的改造項目，要結合投資成本、現場條件、防腐要求和節能效果等綜合考慮，選擇合適的凝結水入口位置及出水溫度。