垃圾焚烧发电厂余热锅炉蒸汽参数的比较研究

Vol.32No.3HeilongjiangElectricPowerJune.2010

垃圾焚烧发电厂余热锅炉

蒸汽参数的比较研究

陈善平,秦 峰,孙向军,彭小军,刘开成,周洪权,朱加龙

(上海环境卫生工程设计院,上海200232)

摘 要:垃圾焚烧发电厂锅炉蒸汽参数的选择直接影响到汽轮机的发电效率、焚烧厂的经济收益、焚烧电厂运营的稳定性和安全性。根据中国2座分别采用中参数和高参数垃圾焚烧发电厂的运行经验和数据,参考国外垃圾焚烧发电厂的实际运行数据,对采用这两种参数的余热锅炉在设备投资、经济效益和运营维护方面进行了比较研究。关键词:中温中压;中温次高压;高温腐蚀;管壁温度中图分类号:TK11+5

文献标识码:A

文章编号:1002-1663(2010)03-0204-05

Comparativestudyonwasteheatboilersteamparameterof

garbageburningt

CHENShanping,QJialong

onDesignInstitute,Shanghai200232,China)

Abstract:Theofsteamparameterofgarbageburningpowerplantdirectlyaffectsgeneratingefficien2cyofturbine,economicbenefitofplantandstabilityandsecurityofoperation.Inaccordancewiththeexperienceanddatafromtwogarbageburningpowerplantsadoptingmediumparameterandhighparameterrespectivelyandoperationaldatafromforeigngarbageburningpowerplants,thispapermakesacomparativestudyonequipmentin2vestment,economicbenefit,operationandmaintenanceofthewasteheatboilersadoptingthesetwotypesofparam2eter.

Keywords:mediumtemperatureandmediumpressure;mediumtemperatureandhighpressure;hightemperaturecorrosion;pipesurfacetemperature

垃圾焚烧发电厂余热锅炉主蒸汽参数的确定涉及很多方面因素,既要关注整个焚烧厂的经济效益,也要考虑到焚烧厂的运营稳定性和安全性。美国在20世纪90年代之前多数采用中温中压参数,此后为了满足某些工业用户对较高蒸汽参数的需求,着重采用中温次高压参数。日本的垃圾焚烧发电厂目前基本上都采用中温中压参数,正在尝试中温次高压参数。东南亚国家则基本上都采用中温中压参数。中国已建或在建的垃圾焚烧发电厂基本都采用中温中压参数,只有广州李坑垃圾焚烧厂采用高参数余热锅炉(杭州锅炉厂制造),蒸汽参数

[2]

为450℃、6.4MPa。

目前,余热锅炉主蒸汽参数主要有两种:中温

收稿日期:2010-03-22

中压参数(温度400℃、压力4.0MPa)(以下简称

)和中温次高压参数(温度450℃、“中参数”压力

)[1]。所以,为了切6.4MPa)(以下简称“高参数”

合实际地使用这两种参数余热锅炉,在此对其设备投资、经济效益和运营维护方面进行了比较研究。

1 设备投资比较

1.1 锅炉材质选择

余热锅炉主蒸汽采用高参数需考虑以下方面:

a.由于提高了主蒸汽压力,锅炉受压面管道壁需要加厚,锅炉的质量会有一定的增加。

b.由于提高了主蒸汽温度50℃,过热器受热面需要增加。

作者简介:陈善平(1972-),男,1996年毕业于中国纺织大学,高级工程师,从事生活垃圾处理处置与资源化研究。

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第32卷 第3期黑龙江电力

表1 不同蒸汽参数锅炉材质比较

2010年6月

序号

12345

项目

锅筒

水冷壁、省煤器、上升下降管等低温、中温过热器高温过热器

非受压件(钢架、平台扶梯、护板、吊挂、灰斗等)

400℃、4.0MPa450℃、6.4MPa

-1

材质类型材料16Mng高压锅炉管20G高压锅炉管20G低合金钢15CrMoG

碳素结构钢

质量/(t 台

403808040950

)材质类型材料19Mn6高压锅炉管20G

质量/(t 台

6041012040970

-1

)

高压锅炉管20G和15CrMoG

TP310S

碳素结构钢

c.由于提高了过热器温度,高温过热器材质的防腐蚀等级需要提升,防止过热器高温腐蚀。

通常中参数余热锅炉高温过热器只需要采用低合金钢即可。如果余热锅炉高温过热器采用高参数,为了防止腐蚀,宜采用奥氏体不锈钢(如TP310S)钢材。这种钢材价格一般为低合金钢的7倍左右;同时奥氏体不锈钢可焊性稍差,大,制造成本提高。表1较(为例)。1.2 设备投资

中参数锅炉的造价提高约28%。由于高参数锅炉总

质量的增加,引起管道、安装等其它费用也相应提高,高参数余热锅炉余热利用系统的设备总投资比中参数的高3350万元。

2 根据1.1及相应的管路系统,对两种参数的余热利用系统设备投资进行了测算,如表2所示。

表2 不同蒸汽参数余热利用系统设备投资比较

序号

1余热锅炉

万元差价

名称中参数高参数

单台锅炉价格

4台锅炉总价2汽轮机

22509000

288011520

6302520

单台汽轮机价格汽轮机总价(2台)

3锅炉汽机设备费合计4安装费(设备费8%)

5第二部分费用(设备安装10%)6锅炉汽机总投资

14202840

15703140

15030028202263053350

11840146609471279

11731583

1406617416

由表 2可见,在垃圾热值和垃圾处理量相同的情

况下(以处理能力4×750t/d、配4台余热锅炉、2台

汽轮机的垃圾焚烧发电厂为例),高参数余热锅炉比

,垃圾焚烧发,发电效率越高。表3是高参数余热锅炉和中参数的发电效率比较数据(以单台炉日处理量750t、垃圾热值7120kJ/kg为例)。 假定中参数余热锅炉效率和高参数的相同,均为82%。

发电热耗=进汽量×(进汽焓-给水焓)/锅炉效率/额定负荷。

中参数发电热耗=83.9×(3219-539)/82%/18=15234kJ/kW。

高参数发电热耗=76.5×(3300-539)/82%/18=14310kJ/kW。

高参数余热锅炉比中参数的发电量增加=(15234-14310)/15234=6.07%。

若中参数锅炉的全厂发电效率按21%计算,采用高参数余热锅炉的全厂发电效率将提高1.27%(6.07%×21%)。

与中参数余热锅炉效率比较,高参数余热锅炉效率可增加6%~7%的发电量。2.2 案例分析

为掌握两种参数条件下的实际发电量差异,对

表3 中参数、高参数发电量计算比较

参数

中参数(4.0MPa、400℃)高参数(6.4MPa、450℃)

额定进汽量

/(t h-1)83.976.5

进汽焓

/(kJ kg-1)

32193300

给水焓

/(kJ kg-1)

539539

额定负荷

/MW1818

发电热耗

/(kJ kW

1523414310

-1

)

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垃圾处理量相近的两座垃圾焚烧发电厂—A厂(中温次高压参数,规模2×520t/d)、B厂(中温中压参数,规模2×500t/d)进行调研,并取得了相关运营数据,详细情况见表4。

表4 A厂、B厂的发电量比较

项目

锅炉效率/%

年锅炉蒸发量/(t a-1)过热蒸汽的焓/(kJ kg-1)给水焓/(kJ kg-1)年发电量/(kW h-1)年进炉垃圾量/t吨进炉垃圾发电量

/(kW h t-1)

A厂826224303295525.04115528000317859363622920.98

B厂828352003213538.88140825000490300287524119.71

加剧余热锅炉受热面的腐蚀,缩短设备的使用寿命,

增加处理成本。因此,高参数余热锅炉的维护成本和运行风险比中参数的大。

垃圾焚烧发电厂受热面的腐蚀主要包括:过热器管、水冷壁管高温腐蚀和省煤器低温腐蚀等。图1为腐蚀与温度关系图。

由图1可见,腐蚀速度与受热面管子壁温有很大关系。在高温腐蚀区,管壁温度超过300℃后,腐蚀速度增加很快。国内外垃圾焚烧发电厂运行经验表明,余热锅炉容易发生严重腐蚀,导致受热面管子损坏的区域有以下4处:a.炉膛内耐火墙砖与光管过渡区域;b

.通道转弯处;c.过热器区域;d.省煤器尾部。表5列出了中参数与高参数余热锅炉易发生腐蚀区域的管壁温度。

进炉垃圾热值/(kJ kg-1)发电效率/%

表4数据表明,A厂的全厂发电效率比B高1.27%。A厂的吨垃圾发电量h/t比B(/t(B厂(5241kJ/kg)。若BA厂相同,则B厂的吨进炉垃圾发电量约341kW h/t,A厂较B厂的吨进炉垃圾发电量增加6.46%,按中参数余热锅炉发电效率20%计算,得到A厂较B厂的全厂发电效率提高约1.3%。

综合分析,A厂与同容量的中参数垃圾焚烧发电厂相比,发电量增加约6.9%。

图1 管壁温度与腐蚀速度的关系

3 运营和维护比较

3.1 锅炉腐蚀机理

垃圾焚烧过程中产生的烟气含有大量的氯化氢

等腐蚀性气体和灰分,会对余热锅炉系统中的各换热部件产生严重腐蚀。如锅炉采用中温次高压参数,会使余热锅炉各受热面壁温升高,这样将进一步

由表5可见,高参数余热锅炉在水冷壁和过热器的高温度比中参数余热锅炉分别高出了30℃和50℃,采用高参数余热锅炉将面临更严重的高温腐蚀;而省煤器低温区金属温度基本一致,两种参数的低温腐蚀情况大致相同。

炉膛内耐火墙砖与光管过渡区域、通道转弯处均属于水冷壁的高温腐蚀。实验证明,产生炉膛水冷壁高温腐蚀的条件:a.水冷壁附近出现局部或间断性的还原性气体;b.烟气成分中存在硫化物和氯化物;c.水冷壁壁温满足腐蚀发生的条件。

℃

中参数(400℃、4.0MPa)

258(4.5MPa饱和温度)318(60℃附加壁温)400(主蒸汽温度)450(50℃附加壁温)130(给水温度)160(30℃附加壁温)

表5 中参数和高参数余热锅炉受热面壁温

余热锅炉区域

水冷壁高温区过热器高温段省煤器低温段

介质温度管壁温度介质温度管壁温度介质温度管壁温度

高参数(450℃、6.4MPa)

287(7.1MPa饱和温度)347(60℃附加壁温)450(主蒸汽温度)500(50℃附加壁温)130(给水温度)160(30℃附加壁温)

注:附加壁温是采用锅炉机组热力计算标准方法(1973版)自然循环锅炉的推荐值。

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表6 中参数和高参数设备维护费比较

2010年6月

设备名称

价格/万元

水冷壁过热器合计

1040580

中参数(400℃、4.0MPa)

更换次数

33

高参数(450℃、6.4MPa)

价格/万元

11401650

运营期总维护费/万元

337018805250

更换次数

63

运营期总维护费/万元

7385534512730

注:每次的更换费用在设备费的基础上增加8%的安装费。

研究表明,当燃料成分中含氯量≥0.35%时,腐蚀倾向将很高且FeCl2的熔点为282℃,并能显著挥发,使管壁直接暴露于烟气中,导致进一步腐蚀。而在炉膛内耐火墙砖与光管过渡区域、通道转弯处两个区域烟气温度均比较高(大于800℃),并且烟气转向和过渡段截面扩大造成的烟气涡流更加强烈,导致管子的腐蚀速度进一步加剧。通过对国内A厂的调查发现,这两处水冷壁的局部腐蚀很严重,腐蚀情况大大超出设计预期:因水冷壁腐蚀泄漏,非计划停炉每炉各有2次,时间集中在2008年2~11月,腐蚀最严重的管壁厚只有1。情况见图2。3.2 目前,种:a.对易腐蚀部位用铬镍合金材料替代或焊接外衬保护;b.对这些区域的水冷壁管外喷涂耐腐蚀材料

。参数的水冷壁每3a更换1次,20a运营期须更换6次。 较中参数设备而言,高参数设备运行20a更换受热面材料费和维护费增加约7480万元,年均维护费增加约374万元,见表6。

通过对A厂的调查发现,其余热锅炉高温过热器材料采用15CrMoG,在过热器设计时考虑每年更换,实际从2005年11,这与通常腐。

,因此在设备运营和维护方面的费用肯定会有所增加。然而,锅炉的运行情况十分复杂,垃圾的热值、成分、受热面的积灰、锅炉的型式等都会对其有影响,因此对运营维护费用只能通过粗略的估算。一般而言,高参数余热锅炉20a运营维护费比中参数余热锅炉高2~3倍。

4 综合效益评价

4.1 估算分析

综上所述,垃圾焚烧发电厂余热发电蒸汽参数的选择涉及投资、运行和维护等因素,需要综合考量、评价,其综合经济效益比较分析见表7(以处理能力4×750t/d、垃圾热值7120kJ/kg的垃圾焚烧发电厂为例)。

表7 中参数和高参数余热发电的综合经济效益比较

图2 A厂水冷壁腐蚀部位

序号

1

比较内容

年售电收入/万元年发电量/(万kW h)年上网电量/(万kW h)

中参数

135282541320330

高参数

143392693721550

差额

81215251220541167374271

对于锅炉高温过热器的防腐蚀问题,国际

上比较通行的做法:采用性能更好的奥氏体不锈钢管TP310S,以保证锅炉运行的安全性和稳定性。3.3 运营维护成本比较

采用中参数的过热器只需使用20G或15CrMoG材料,每6a须更换1次,20a运营期须更换3次;采用高参数的过热器如使用15CrMoG或TP310s材料,也考虑6a须更换1次,20a运营期须更换3次。

水冷壁均采用20G材料,但采用中参数的水冷壁每6a更换1次,20a运营期须更换3次;采用高

2年成本/万元年折旧费/万元年维修费/万元

34

年净收益/万元

20a净收益/万元

5420

注:高参数余热发电比低参数的发电量增加按6%计。

由表7可见,高参数余热发电比中参数每年增加净收益约271万元,20a运营期内高参数余热发电比中参数增加总净收益(静态)5420万元。

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表8 G厂、W厂发电量相关情况表

垃圾处

年设备使用率

/%95.9795.4894.5789.9989.8090.51

1号线327386437802988897

2号线380405514939787733

8969058623号线

June.2010

检修时间∕h

发电量

/MW109908110368110898457010450075441780

自用电自用电量/MW

168191677816720566815753155030

上网电量

/MW9319793,59094205400329392544386938

每吨垃圾每吨垃圾上网电量

发电量

/(kW h)/(kW h)492501501578586576

580591589660672658

焚烧厂年份理量

/t

自用电率/%

15.3015.2015.0812.4012.7812.46

G焚烧厂200820072006

189570186690188142692923669469671389

W焚烧厂200820072006

表9 G厂、W厂运营维护相关情况表

焚烧厂名

G焚烧厂

美元

人员工资

1210597261453688967349001

年份

200820072006

总费用

279472127943782885682106628598832平均费用/t垃圾

14.7414.9715.3415.13.13

锅炉/t垃圾

6.908.8.8.64

锅炉运行/t垃圾

7.856.486.3.5.507.49

材料消耗

158412115104781442,782469024535651763483059

W焚烧厂20084.2 对美国两个分别采用高参数和中参数的垃圾焚烧发电厂的运行数据进行了研究分析。G厂、W厂分别于1984年、1989年投入商业运营。G厂为2×250t/d焚烧线配置,蒸汽参数为399℃、4.4MPa;W厂为3×750t/d焚烧线配置,蒸汽参数为440℃、6.2MPa。两厂实际运行的发电量、运营维

运行成本方面反而高于高参数,这是因为前者的处

理规模小于后者。

5 结论

在技术工艺的可靠性方面,高参数锅炉受热面腐蚀较严重,维护维修、系统材质要求高;非计划停炉概率增加,焚烧厂年运行8000h不一定能保证,风险较高。

在中国国内工程的适应性方面,目前采用高参数的垃圾焚烧发电厂很少,国外同类工程实例的垃圾热值均在8360kJ/kg以上。中国还没有实行垃圾分拣制度,国内垃圾热值普遍偏低,垃圾焚烧炉高参数技术的效率优势不能得到充分体现,会使蒸汽高参数带来的收益(主要是运行初期)低于预期。

在系统的经济性方面,中温、次高压比中温、中压发电效率将增加6%,但考虑投资、维修、运行时间和管理团队等因素,实际财务效益不能完全确定。致谢 本项研究工作得到了上海市科学技术委员会的资助,资助课题编号为09DZ2251700。

护等相关数据见表8、表9。

表8表明,采用中参数设备使用率比高参数平均高5%,检修时间减少50%。计算中参数设备每小时实际平均处理量与额定负荷的比值为1.08,高参数为0.92,前者比后者高17.4%。数据表明,选用高参数余热锅炉后,焚烧锅炉的实际负荷低于设计值,主要由采用高参数后检修时间增加引起的。同时,处理负荷降低减少了垃圾补贴收入,会部分抵消发电收入的增加。

中参数的自用电率比高参数平均高2.5%。在垃圾低位热值基本相同的情况下,中参数每吨垃圾发电量、上网电量分别为587kW h/t、500kW h/t,高参数分别为663kW h/t、580kW h/t,高参数比中参数分别高12.9%、16%。

表9数据表明,在焚烧每吨垃圾费用方面,中参数的每吨垃圾锅炉成本和运行成本分别为8.01美元、7.01美元,高参数的分别为9.38美元、5.57美元。中参数在每吨投资方面明显低于高参数,在—208—

参考文献:

[1] 王国刚.垃圾焚烧发电利国利民[J].余热锅炉,1999(3):1-5.[2] 梁 宏.国产高蒸汽参数垃圾焚烧锅炉的设计[J].余热锅

炉,2002(2):7-10.

(责任编辑 侯世春)