垃圾焚烧发电厂热力系统的特点及优化

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5热力发电!2005"$

#作者简介$ 李清海(

%$’2),男,黑龙江人,清华大学热能工程系讲师,在读博士研究生,主要研读方向为传热、废弃物焚烧、污染控制、油燃烧等。

垃圾焚烧发电厂热力系统的特点及优化

李清海,张衍国,陈 勇,陈昌和

!清华大学"北京 %000&-

$%摘 要& 针对垃圾燃料热值对锅炉效率的影响及汽轮机的变工况适应性等问题"结合实际算例进行了分析%在此基础上"对垃圾焚烧发电厂热力系统优化设计提出了原则性的建议%%关键词& 垃圾焚烧#

机组效率#汽轮机变工况#热力系统%中图分类号&*+2%2 %

文献标识码&/ %文章编号&%002)),-"2005#0$00,,0) 垃圾焚烧发电厂和化石燃料发电厂相比最大的特

点是燃料的成分与特性显著不同,从而对设备及整个系统都提出了特殊要求。垃圾作为燃料,其入炉成分和热值有很大的随机性,而垃圾焚烧发电厂受炉前供料设备、炉内燃烧条件以及自动控制水平的限制,又难以对入炉垃圾的质量和热量进行充分的调整以保证入炉垃圾总热值的稳定,因而垃圾焚烧锅炉的出力稳定性很差。对于垃圾焚烧锅炉而言,要求锅炉的燃料适应性好,对不同成分和性质的垃圾都能清洁、高效地燃尽;对于汽轮机及整个热力系统来说要求其变负荷适应性好,可调节能力强,能够适应新蒸汽流量和参数在相当范围内波动的工况,同时具有较高的效率。

1 燃料热值与机组效率

垃圾焚烧发电厂每天处理的垃圾量通常是固定

的,在燃料量确定的情况下,垃圾的热值成为影响锅炉出力的主要因素。以深圳市政环卫综合处理厂%50@ R

垃圾焚烧锅炉为例,分别计算垃圾低位热值为))--<_ <:、-%&0<_ <:、5&52<_ <:、’52-<_ <:

等情况下的锅炉效率、锅炉出力及机组效率。

计算中用到的初始数据见表%,其中热值为5&52<_ <:垃圾的元素分析结果为实测数据,其余几种热值垃圾的元素分析是估算的,元素分析与垃圾低位热

值由下式决定:

=P 8@,K

,69i &%V 69[2-,U 69B 2,(Z 69B 569)B ,L 69(%

)表1 锅炉效率计算初始依据

项目

结果

收到基低位发热量

=P 8@,K ,69 <_·<:B %))---%&05&52’52-碳V 69 X %0(2&%2(5%%,(’5%$(’)氢U 69 X 2(0’2(%)2(2$2($%氧Z 69 X ’(&)&()-’($’&($’氮D 69 X 2(--2(,)2(5)2(&’硫569 X 0*050*050*050*05水分L 69 X 5,*’5)*552*)-’*%灰分H 69

X 20(,)

20(&-%&(%

%&()’

锅炉垃圾处理量 @·R

B %%50炉渣热灼减率 X -飞灰占总灰渣份额 X %5发电机效率’R

X 0*$&机械效率’e

L X 0*&&汽轮机相对内效率’G Q

X 0*&5循环热效率’@ X 0*5管道效率’:

R X 0

*$$锅炉效率通过反平衡计算得来,以便比较锅炉各项热损失。锅炉固有的几种损失中,外部冷却损失对

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相同的锅炉来说基本是相同的,气体未完全燃烧损失因缺少气体成分分析数据因而全部估定为0(5X。燃用不同热值燃料带来的锅炉效率差异主要来自固体未完全燃烧损失、灰渣热物理损失和排烟损失。

’:O#%003(O:@$O h@$O K‘$O O h$O A I)(2)锅炉效率随燃料热值变化的计算结果如表2所示。

表2锅炉效率随燃料热值的变化

项目结果

燃料低位发热量

=P8@,K,69/<_·<:B%))---%&05&52’52-

气体未完全燃烧损失O h@/X0*500*500*500*50

固体未完全燃烧损失O:@/X%%*’)$*)$,*’05*2%

排烟热损失O K‘/X2)*$)22*0$%$*&-%&*5%

外部冷却损失O O h/X%*&0%*&0%*&0%*&0

灰渣物理热损失O A I/X)*-22*-’%*)$0*’&

锅炉效率O:O/X5&*,2,)*’5,$*’’’)*%$

机组效率’H/X2%*2’2)*%)25*)22,*5,

锅炉有效吸热量=‘L/<_·>B%)-02*$$-,2,*20’0&&*5%$5,0*2)机组输出电量’/<3%2)-*’$%,’&*,-25’2*%0)-,&*$&蒸汽出力F/@·A B%-*,,,*))$*’0%)*0&

由计算结果可以看到,在燃用不同热值垃圾的情况下,锅炉效率随垃圾的热值降低而降低。

在机组效率的计算中没有计及蒸汽流量的变化对汽轮机效率和凝汽损失的影响,因此机组效率的计算相对锅炉效率的计算没有更多的意义,机组效率可用下式计算:

’>#’:O’R’e L’G Q’@’:R())汽轮机型式和蒸汽参数是通过锅炉有效吸热量及厂效率求得机组发电量后,参考厂家提供的设备参数确定,对燃用热值为))--<_/<:和-%&0<_/<:的垃圾来说推荐使用D%(52()5型号的汽轮机,对燃用热值为5&52<_/<:和’52-<_/<:的垃圾来说推荐使用D)(02()5型号的汽轮机,汽轮机需用的蒸汽参数统一为2()5-?J6/)$0C。

2汽轮机变工况适应性的提高

2(1变工况条件下汽轮机效率的变化

在以上的计算中主要考虑了燃料热值变动情况下锅炉效率的变化,实际上燃料热值引起的锅炉出力变化不但会对锅炉效率造成影响,而且会对汽轮机效率造成影响,汽轮机效率变化是变工况条件下机组效率变化的又一影响因素。

一般说来,不论是蒸汽流量低于还是高于汽轮机的额定参数,汽轮机的速比都将离开最佳速比,效率也相应会下降。这里根据垃圾焚烧发电厂蒸汽出力波动的情况给出了’5X、%00X、%25X)种蒸汽出力条件下的汽轮机效率和电功率的算例。计算中主要参考了杭州汽轮机厂D+)2/),/%,型汽轮机的使用说明书,说明书中给出了电功率蒸汽流量特性关系曲线(新蒸汽参数%()0?J6/)-0C),作为计算中的主要依据。在计算中假设锅炉额定出力下汽轮机效率为&0X,计算结果汇总如表)所示。

表#锅炉变出力下汽轮机发电机组效率的变化

项目结果

锅炉出力/X’5%00%25

蒸汽流量/<:·>B%-(%’5(5,,($5

电功率/<32%202$$’),20

汽轮机效率/X’,&0’&

从计算结果可以看到,在锅炉出力分别为’5X和%25X的情况下,汽轮机效率分别为’,X和’&X,与%00X出力相比分别下降了-X和2X。

2(2汽轮机变工况适应性的提高

对于垃圾焚烧发电厂使用的汽轮机,由于变工况运行时间较长,变工况下的特性尤为重要。下面就汽轮机变工况适应性的提高和汽轮机热力设计和结构设计给出一些原则性建议和相应的措施。

(%)减小汽缸的热变形和热应力。在蒸汽流量大幅度波动的情况下,一般可采用降低汽缸壁厚,汽缸分开的喷嘴室等措施降低汽缸的热变形和热应力,以保证运行的稳定和安全。另外,在可能的情况下尽量减少汽缸数量,采用低、中压合缸也是一种可行的方式。

(2)降低转子工作温度,减小汽轮机转子运行时温度变化率(通过滑压运行方式实现),完善转子表面结构等方式,最大限度地降低负荷变化产生的热应力对汽轮机转子寿命带来的损耗。

())针对蒸汽流量大幅度变化的情况,应允许汽缸与转子之间出现较大的轴向与径向间隙,这需采用合理的汽封结构和合理的汽轮机运行调节方式。

对于蒸汽流量出力经常变动的垃圾焚烧发电机组,通常倾向于采用滑压调节,而避免采用节流调节。滑压调节能增大理想焓降,且不存在节流损失,体积流量几乎不变,各级焓降不变,在不同蒸汽流量条件下一直在接近设计工况下工作,效率较高,低压区的湿度较

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小,损失也较小。

为增加汽轮机的变工况适应性,还可采用多种调节方式相结合的复合调节方式。在低流量时采用喷嘴调节,当流量上升到一定程度时改用滑压调节,蒸发量超过额定流量后若希望增加负荷可以再采用喷嘴调节。采取"机跟炉"的滑压调节方式是出力变化频繁的垃圾锅炉配用汽轮机的理想调节方式。

(-)提高汽轮机的自动控制水平和监护系统的精度。

以上给出了提高汽轮机变工况适应性的一些原则性建议,应当说明的是,所有这些方式都只能在一定范围内改善汽轮机变工况特性,对于垃圾焚烧发电厂来说,通过大型化减少垃圾平均热值的波动,以及在垃圾焚烧锅炉中投入辅助燃料以维持锅炉出力的基本稳定是更为积极的方式。

#热力系统优化建议

与常规发电厂不同,垃圾焚烧发电厂的主要功能是垃圾处理,通常是允许垃圾焚烧发电厂满发的。垃圾焚烧发电厂运行参数的波动不是由于响应电网负荷而产生的,而是由于炉前燃料特性的不确定造成的,这种不确定性既是随机的,也有周期性的规律(垃圾热值季节性波动)。在垃圾焚烧发电厂中,保证系统运行的稳定性与安全性,提高机组运行的经济性十分重要。为此除对设备进行改进外,还需要对热力系统进行优化。下面就垃圾焚烧发电厂热力系统的优化和改进提出一些原则性建议:

(%)若垃圾焚烧发电厂汽轮机采用滑压调节,在锅炉出力降低的情况下压力会随之降低。使用变频给水泵可以降低给水泵转速从而降低给水泵出口压力,这样能在锅炉出力降低的情况下降低给水泵功率,便于滑压调节在负荷变低的情况下经济性得到改善。

(2)增加系统的回热程度,必要时增加给水回热级数以提高循环经济性。

())配合变频给水泵采用滑压运行的除氧器,在高负荷条件下减少抽汽节流损失,在低负荷条件下无需切换到高压加热器。

(-)改造回热加热器,充分利用抽汽的过热度,减少传热温差。

(5)加装加热器的疏水冷凝器,以降低热损耗。

%参考文献&

[%]沈邱农,程钧培(超临界机组参数和热力系统的优化分析[_](动力工程,200-,2-()):)05)%0(

[2]刘道平,薛保忠(热力系统优化的热经济性功能分析法

[_](能源研究与信息,2000,%,(%):-,5%(

[)]王亨海()00?3汽轮机组热力系统的优化与分析[_](浙江电力,200-,(2):

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

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"上接第%#页#

通过上述的在线监测系统,得到锅炉的各项热损失,利用反平衡法求得锅炉的热效率,反映锅炉运行的经济情况(锅炉投油助燃的情况除外);另外,根据"在线监测数据历史曲线",即可查阅当前燃煤情况及近段时期燃煤的变化趋势、锅炉效率的运行变化趋势、灰可燃物含量的变化趋势,为运行操作提供指导。

#实际应用

2002年%2月’日燃烧优化与自动控制系统在焦作电厂2号炉上实施。锅炉优化燃烧控制系统根据当前的煤质、负荷、制粉系统运行方式等状态自动调整一、二次风速,一次风箱风压,炉膛出口氧量,以适应当前锅炉运行。整个控制过程中燃烧稳定,炉膛负压变

化平稳,锅炉热效率基本在&&(&%X至&$(2’X的范围内。

$结论

(%)锅炉煤质在线监测设备、飞灰含碳量在线监测设备运行可靠,监测数据准确,锅炉经济性监测系统监测结果准确,能真实反映锅炉运行工况的经济性。

(2)在线燃烧调整试验,可以快速实现一次风速、二次风配风方式、氧量变化等参数与锅炉效率的实时对应关系运行,使运行人员可以随时简单地控制锅炉效率到最大值。

())燃烧优化控制能可靠实现稳定负荷的燃烧优化自动调整和机组变负荷过程中各参数的自动控制,锅炉热效率平均提高0(5X以上,经济效益显著。

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