垃圾焚烧电厂热电联产的经济性分析

2020-02-19张宇飞赵娜娜卜光峰

能源研究与信息 2020年4期

张宇飞，赵娜娜，黄杰，卜光峰

（光大生态环境设计研究院有限公司，江苏南京 210000）

近年来，经济的快速发展给社会能源的消费带来较大压力。与此同时，人类活动的频繁加剧了生活垃圾对环境的压力。前瞻产业研究院发布的《中国生活垃圾处理行业发展前景与投资预测分析报告》数据显示：2016 年，我国城镇垃圾产生量超过2.9 亿t，再加上农村大量的生活垃圾没有进入处理的行列，我国生活垃圾状况非常严峻，很多省市已经出现了垃圾围城的情况［1］。由于我国垃圾清运量远低于垃圾产生量，而且目前的差距有逐渐增大的趋势，虽然垃圾的无害化处理率逐年增加，但仍显不足。此外，“十二五”期间，我国生活垃圾焚烧处理量进一步增加，以堆肥处理为主的各类综合处理设施处于萎缩状态，卫生填埋场和垃圾焚烧处理数量和处理能力略有增长。《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化建设规划》目标要求：到2020 年底，全国城市生活垃圾焚烧处理能力占无害化处理［2-3］总能力的50%以上，其中东部地区达到60%以上。由此可知，未来几年，我国垃圾焚烧处理比例将迅速增长。

但目前，我国的生活垃圾焚烧发电项目能源利用水平较低，纯发电的项目能效平均值仅为0.51，而在欧盟垃圾焚烧发电厂的调查中发现，314 家垃圾焚烧发电厂中实现热电联产的达184家，能源回收利用因子最高，平均约为0.76［4］。可见，垃圾焚烧电厂实现热电联产可有效提高能源利用效率。与此同时，热电联产也可实现较高的经济效益。2018 年，绍兴市垃圾焚烧热电联产项目，以国内最低的18 元·t-1的垃圾处理服务费中标，这也得益于热电联产的高效益［5］。日本的垃圾焚烧电厂起步较早，在发电的同时，也为工业、居民提供蒸汽、热水服务［6］。

综上，利用垃圾为能源实施热电联产，可实现废弃物的资源化利用，是响应国家可再生能源高效利用的有力手段。热电联产是指发电厂既产生电能，又利用汽轮发电机做过功的蒸汽对用户供热的生产方式，是世界公认的节能方式，它是根据能源梯级利用的原理，同时生产人们所需要的电能和热能，能够有效地节约能源、改善环境质量，并使能源利用率大大提高［7］。结合垃圾焚烧发电项目实现热电联产、集中供热的主要优点有：①以大型设备代替小型分散设备，实现繁重劳动机械化，节约了劳动力，改善了劳动条件和供汽品质，更为本地区的投资环境创造了条件；②各用汽部门无需要建设单独的锅炉房、储煤场、堆灰场地，减少了建筑占地面积，节约了土地资源；③改善区域的生态环境，大大减少对环境的污染，实现清洁生产，与城市总体形象相协调统一；④以垃圾焚烧实现热电联产代替燃煤供热，既实现了生活垃圾的处理，又减少了燃煤消耗，是节能减排、改善环境的有力措施［8］；⑤通过对城市及工业区进行合理的规划，供热设备的金属消耗量和总投资比分散供热低。

本文旨在研究垃圾焚烧电厂实现热电联产的优势，比较热电联产和其他热电生产形式的排放效益，促进垃圾焚烧电厂实现热电联产，结合垃圾焚烧发电行业的发展及整个热电联产的广阔市场，提出一套合理的、适合垃圾焚烧项目的热电联产推荐方案，提高垃圾焚烧电厂的热效率及经济效益，为其推广奠定基础。

1 系统模型

1.1 垃圾焚烧电厂系统

选取某2 × 750 t·d-1垃圾焚烧电厂为例，锅炉（蒸汽参数6.1 MPa，温度440 ℃）效率为80%。蒸汽用户参数取轻工业生产用汽常用蒸汽参数：1.2 MPa/220 ℃，蒸汽价格以200 元·t-1计，蒸汽管输费用为15 元·t-1，化学除盐水制备成本为4 元·t-1。分别计算该系统在热电联产及热电分产下的热效率及经济效益，其中，热电联产可采用主汽双减供热、一抽蒸汽供热两种方式（汽轮机一抽抽汽供热参数为1.35 MPa/330 ℃）。垃圾焚烧电厂热电联产示意图如图1 所示，汽机选型根据实际机组容量确定。

图 1 垃圾焚烧电厂热电联产示意图Fig. 1 Schematic diagram of CHP in the waste incineration power plant

根据国家相关要求，每吨入厂生活垃圾折算上网电量暂定为280 kW·h，执行全国统一垃圾发电标杆电价为0.65 元·（kW·h）-1，其余上网电量执行当地同类燃煤发电机组上网电价［9］。机组年运行时长为8 000 h，供热时长为7 200 h，垃圾焚烧电厂的厂用电率以17%计。

1.2 热电联产指标

在热电厂中，总热效率和热电比是常用于衡量节能效益和能源综合利用率的量化指标，也是重要的技术经济性能指标，用来区分和考核热电联产企业的运行水平和检验热电联产的经济效益。投资回收期是以项目的净收益抵偿全部投资所需的时间，是考察项目的重要静态指标。因此，本文选取总热效率η、热电比βb、经济效益C、投资回收期Pt作为衡量垃圾焚烧电厂热电联产的经济性指标。

式中：Pa为垃圾焚烧电厂全年发电量，HL为垃圾的低位热值，Qa为垃圾焚烧电厂全年供热量，Ba为垃圾年处理量；CP为发电收入；CQ为供热收入；T为各年累计净现金流量首次为正值或0 的年份；CI为现金流入量；CO为现金流出量。

2 结果讨论

2.1 供热方式的影响

本节主要研究相同供热量下，主汽双减供热与一抽蒸汽供热的经济效益。以热值为7 325.2 kJ·kg-1的垃圾、供热量为30 t·h-1计算垃圾焚烧电厂的总热效率和经济效益投资分析。以纯凝工况下建设电厂费用为基准，分析热电联产与热电分产的经济效益。

由表1 中可知，纯凝工况下，供电功率为26.41 MW，在现行电价基础上，经济效益为11 877.24 万元·a-1。

表 1 热电联产与热电分产的指标对比Tab. 1 Comparison between CHP and the separate generation of power and heat

纯凝机组发电，利用主汽双减供热，供热量为30 t·h-1时，供电功率为18.08 MW，供热投资约为360 万元，在现行电价基础上，热电联产经济效益为13 451.77 万元·a-1，比热电分产经济效益高1 574.53 万元·a-1，回收期（税后）为2.25 a。

改造纯凝机组，利用一抽蒸汽供热，供热投资约为720 万元，供热量为30 t·h-1时，供电功率为19.36 MW，在现行电价基础上，热电联产经济效益为13 812.12 万元·a-1，比热电分产经济效益高1 934.88 万元·a-1，比主汽双减供热的热电联产经济效益高360.35 万元·a-1，回收期（税后）为2.40 a。这是因为纯凝机组改造供热初期投资大，导致投资回收期相对较长。

由此可见，对于垃圾焚烧电厂，在供热量为30 t·h-1前提下，热电联产可以减少电厂的冷源损失，提高电厂热效率；采用一抽蒸汽供热可实现蒸汽品质的梯级利用，为电厂带来较高的经济效益。

采用主汽双减供热，其蒸汽品质较高，对热用户的适应性较高，供热投资较低，但会牺牲较多的发电量，年经济效益有所降低，且对机组的运行会产生不利的影响。对于已建垃圾焚烧电厂，若机组改造较为困难，可采用该方式供热。新建或具备改造条件的垃圾焚烧电厂，可采用一抽蒸汽供热，在保证机组稳定运行的情况下，实现较高的经济效益［10］。

2.2 垃圾热值的影响

本节分别研究了纯凝工况下、主汽双减供热量为30 t·h-1时，垃圾热值（4 185.9～8 371.7 kJ·kg-1）对总热效率和经济效益的影响，因垃圾热值对电厂总热效率和经济效益的影响与供热方式无关，本节以主汽双减供热作为研究对象。

图2 为垃圾热值对电厂总热效率、经济效益的影响。由图2 中可知，当垃圾热值为4 185.9 kJ·kg-1时，纯凝工况下供电功率为15.03 MW，电厂总热效率为24.91%，热电分产经济效益为7 816.28 万元·a-1；供热量为30 t·h-1时，供电功率为6.69 MW，电厂总热效率为48.38%，热电联产经济效益为7 822.76 万元·a-1，热电联产比热电分产年经济效益高6.48 万元·a-1。

图 2 垃圾热值对电厂总热效率、经济效益的影响Fig. 2 Effect of the heating value of the wastes on the thermal efficiency and the economic benefits of power plant

垃圾热值为6 278.8 kJ·kg-1时，纯凝工况下供电效率为22.60 MW，总热效率为24.97%，热电分产经济效益为10 695.56 万元·a-1；供热量为30 t·h-1时，供电功率为14.27 MW，总热效率为40.62%，热电联产经济效益为11 657.94万元·a-1，热电联产比热电分产年经济效益高962.38 万元。

垃圾热值为8 371.7 kJ·kg-1时，纯凝工况下供电功率为30.20 MW，总热效率为25.03%，年发电收益为13 073.72 万元；供热量为30 t·h-1时，供电功率为21.88 MW，总热效率为36.78%，经济效益为14 641.07 万元·a-1，热电联产比热电分产年收益高1 567.35 万元。

可见，纯凝工况下垃圾热值对总热效率的影响较小。供热量为30 t·h-1时，热电联产总热效率随着垃圾热值的升高而有所降低，这是因为垃圾热值越高，而供热热量一定的情况下，供热所减少的冷源损失越少，整体而言，热电联产的总热效率远高于热电分产，可大大提高垃圾焚烧电厂的总热效率，其他研究者也得到了相同的结论［11］；供热量相同时，垃圾热值越高，发电量越多，供热能力越强，热电联产、热电分产的经济效益相差越来越大。

2.3 供热量的影响

研究垃圾热值为8 371.7 kJ·kg-1、主汽双减供热时，供热量（0～60 t）对电厂总热效率及经济效益的影响。

图3 为供热量对电厂总热效率、经济效益的影响。由图中可知，垃圾热值为8 371.7 kJ·kg-1时，纯凝工况下，供电功率为30.2 MW，总热效率为25.03%，经济效益为13 073.72 万元·a-1；供热量为10 t·h-1时，供电功率为27.45 MW，总热效率为28.96%，供热投资为120 万元，经济效益为13 602.74 万元·a-1，投资回收期为2.25 a；供热量为30 t·h-1时，供电功率为21.88 MW，总热效率为36.78%，供热投资为360万元，经济效益为14 641.07 万元·a-1，投资回收期为2.25 a；供热量为60 t·h-1时，供电功率为13.52 MW，总热效率为48.50%，供热投资为720 万元，经济效益为15 455.66 万元·a-1，投资回收期为2.32 a。

可见，随着供热量的增加，垃圾焚烧电厂总热效率越高，经济效益越来越高，但供热量增加到一定量后，经济效益增幅略有下降。这主要是因为垃圾上网的阶梯电价对经济效益有较大的影响。