燃煤发电与垃圾发电耦合供热系统性能分析
2022-11-07邓庚庚薛小军刘文毅
邓庚庚，薛小军，徐 钢，陈 衡，刘文毅
(华北电力大学 热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室，北京 102206)
0 引 言
随着我国经济和社会的快速发展，为应对环境污染和能源枯竭的双重压力，可再生能源的应用被认为是能源转型的必由之路[1]。煤炭是我国能源安全的基石，未来很长一段时间内，煤电仍将在我国电力安全供应中占据主导地位[2]。未来我国可再生能源将作为主要电源，燃煤发电机组将作为调节性和保障性电源[3]。为响应碳达峰碳中和目标，加快煤炭高效清洁利用，同时发展可再生能源，将是加快能源清洁低碳转型的关键。
鉴于此，笔者提出了一种燃煤发电与垃圾发电耦合供热系统。通过抽引器，采用燃煤机组较高温度的供热抽汽抽引垃圾发电机组较低温度的乏汽，从而提高乏汽的温度和压力，采用混合蒸汽初步加热热网回水。然后通过尖峰加热器，用燃煤机组供热抽汽对热网回水进行二次加热。通过系统集成，利用垃圾发电乏汽可以有效减少燃煤机组供热抽汽量及垃圾发电机组的冷端损失，同时分级加热供热回水可以实现能量的梯级利用，最终有效提高机组整体效率。此外，基于典型燃煤机组和垃圾发电机组，对提出的耦合系统进行热力学分析和经济性分析，从而评估耦合系统的各项性能，以期为我国燃煤机组与垃圾发电机组耦合集成用于发电及供热提供参考。
1 系统介绍
1.1 案例机组
1.1.1 燃煤发电机组
选择河北某660 MW超临界湿冷机组作为参考案例，其机组系统如图1所示，案例机组基本参数见表1。所选机组是超临界、一次再热、抽汽凝汽式汽轮机。供热机组从中低压连通管抽汽用于对外供汽，抽汽进入尖峰加热器中冷凝并对热网回水进行加热，达到热网供水温度后提供给热用户，其疏水排放至凝汽器中。尖峰加热器采用管壳式汽液热交换器，由于中压缸排汽品质较高，直接用于管壳式汽液热交换器加热热网水，加热过程中温差较大，因此，该热电联产系统节能改造空间巨大。
图1 热电联产机组示意Fig.1 Schematic diagram of the cogeneration unit
表1 案例燃煤机组基本参数
1.1.2 垃圾发电机组
选择某处理量500 t/a的垃圾发电机组进行研究，基础流程如图2所示。垃圾燃烧产生的高温烟气流经蒸发器、过热器和省煤器，分别加热给水和空气，使其达到工作温度。垃圾燃烧产生的烟气需在850 ℃以上的高温环境中保持2 s以上，以达到减少有毒物质二噁英形成[12]的目的，省煤器出口的烟气经过除尘器等设备后排放至环境中。垃圾发电机组锅炉出口的过热蒸汽进入汽轮机做功。垃圾发电机组基本参数见表2。
图2 垃圾发电机组示意Fig.2 Schematic diagram of waste generator unit
由于燃烧发电垃圾中含有一定量碱金属，燃烧过程中会产生大量污染物，为了避免高温腐蚀，过热器出口的主蒸汽参数相比燃煤发电机组低很多。为了防止锅炉受热面发生低温腐蚀，其出口烟气温度要高于180 ℃，远高于大型燃煤机组的排烟温度。由于垃圾发电机组的主蒸汽流量比较小，该垃圾焚烧发电机组的净发电效率仅为22.18%。
表2 案例垃圾发电机组主要参数
1.2 耦合供热系统
新型耦合供热系统如图3所示。基于660 MW燃煤机组供热部分尖峰加热器进行改造：利用抽引器将燃煤机组供热抽汽的一部分用于抽引垃圾发电机组乏汽，提高乏汽压力和温度，并采用混合蒸汽对热网回水进行一次加热；随后采用燃煤机组中压缸供热抽汽对热网水进行二次加热，最终达到热网供水规定温度。耦合系统将垃圾发电机组的全部乏汽用于供热，一方面可减少燃煤机组供热抽汽，另一方面可减少垃圾发电机组的冷端损失，同时按照能量梯级利用方式分级加热热网回水。可降低供热系统中燃煤机组的煤耗量，提高系统整体供热经济性。
图3 耦合供热系统示意Fig.3 Schematic diagram of coupled heating system
2 分析方法
2.1 能量分析
本文采用耦合供热系统的发电效率ηp与供热效率ηh作为热力学评价指标[13]，表示为
ηp=Pe/Qf，
(1)
ηh=Qh/Qf，
(2)
式中，Pe为供热系统的净发电功率，MW；Qf为燃料在锅炉中释放的能量，MW；Qh为供热系统总供热量，MW。
ηex=(Exe+Exh)/Ex。
(3)
Exd=Exin-Exout，
(4)
2.3 经济性分析
通过计算系统改造后年增加收入评价系统经济性。对热电联产机组与垃圾发电机组进行耦合供热改造后，新型耦合供热系统的投资成本主要是抽引器与管壳式换热器的初投资，还需考虑改造所需管道等投资、新的运营和维护成本等因素[15]。
通过规模因子法对抽引器等设备估计初投资[16]，具体见表3。
表3 主要设备初投资估计
新增投资CB表示为
(5)
式中，r为贴现率，取8%[17]；n为设备使用寿命，a。
与案例机组相比，新型耦合供热系统年增加收入Cn为
Cn=Cnew-Cold-CB-CM，
(6)
式中，Cnew为耦合供热系统收益，万元；Cold为案例机组收益，万元；CM为耦合供热系统新增运行维护费用，万元。
3 系统模拟
3.1 系统建模
选用EBSILON Professional软件对案例机组和耦合供热系统分别进行热力系统建模，热力系统模型已经过准确性验证。EBSILON Professional 是德国STEAG电力公司开发的软件工具，可用于能源电力领域热力系统建模、计算和仿真[18]。部分模型准确性验证见表4。可知模型模拟准确度满足工程应用要求，可进行相关模拟计算。
表4 模型准确度分析
3.2 模拟分析
选用燃煤供热机组在供热期内平均供热负荷为153 MW，供水温度与回水温度分别为85和45 ℃。机组从中低压连通管抽汽用于供热，抽汽压力相对较高(0.7～1.0 MPa)，供热抽汽流量约200 t/h。案例机组的供热系统基础参数见表5。
表5 案例机组供热系统参数
为简化计算过程、降低分析难度，本文对耦合供热系统的计算边界条件统一规定：① 热网供水温度与回水温度、流量为定值；② 耦合系统供热负荷恒定；③ 忽略周围环境对耦合系统结论的影响；④ 大量实际运行数据表明，案例机组多在70%～80%负荷下运行，因此选用75%工况。计算结果见表6。
表6 模型运行结果
4 结果分析
4.1 能量分析
案例系统与耦合供热系统的主要性能参数见表7，热网水侧参数一定时，系统供热量及发电量保持不变，由于加入抽引器利用了全部垃圾发电机组35.36 t/h的乏汽用于供热，故燃煤机组所需供热抽汽量减少31.89 t/h，在保证电负荷和热负荷的条件下，燃煤机组发电效率与供热效率分别增加了0.52和0.16个百分点，热电联产机组效率得到提升，综合煤耗量减少1.65 t/h(以标煤计)，节能效果显著。未来，我国新建垃圾焚烧机组选址可考虑在火电厂附近，利用新型耦合供热系统有效降低整体煤耗量，达到良好的节能减排效果。
表7 系统主要性能参数
案例机组与耦合供热系统的能量流动过程如图4所示。案例机组与耦合供热系统中，输出电量和提供热能保持不变，由于耦合系统利用了垃圾发电机组的全部乏汽，使得垃圾发电机组的冷端损失降低，并且替代了31.89 t/h供热抽汽，导致减少了13.44 MW燃煤输入。因此，耦合供热系统中燃煤机组效率提高主要在于降低了垃圾发电机组的排汽损失。
图4 案例机组与耦合供热系统能量流动过程Fig.4 Energy flow of unit and coupled heating system in case
图5 案例机组与耦合供热系统流动过程Fig.5 Exergy flow of unit and coupled heating system in case
4.3 经济性分析
通过对系统进行热力学分析，结合案例机组实际运行情况，对系统进行了经济性分析。分析过程参数设置如下：① 标煤价格为914元/t[19]；② 供热系统供热期为5个月；③ 新增设备运行维护投资为设备投资的4%[20]；④ 设备报废年限为25 a。
垃圾发电机组与燃煤发电机组距离一般较远，而垃圾发电机组的排汽参数较低，因此无法将其输送至燃煤机组附近采用抽引器提高参数用于供热[21]，因此只能将燃煤机组供热抽汽输送至垃圾发电机组附近，一部分用于抽引乏汽提高其参数，另一部分用于尖峰加热器直接加热热网水。设备改造成本增加，尤其是输汽管道成本较高，因此，采用规模因子法计算抽引器及换热器等设备初投资为495.7万元。
根据河北地区供热历史数据，得到平均热负荷和对应的电负荷，以其为标准，计算满足该热负荷与电负荷时耦合供热系统改造收益。经济性分析结果见表8。对供热系统进行耦合改造，虽然抽引器、热网加热器及输汽管道等设备投资增加了495.7万元，设备回收期设为5 a，新增年运行维护费用19.83万元，但系统全年增收542.92万元。耦合供热系统设备回收期内每年可以增加收入423.95万元，供热系统耦合改造经济效益较高。
表8 经济性计算结果
5 结 论
1)提出了一种燃煤发电与垃圾发电耦合供热系统，垃圾发电机组的乏汽全部由抽引器充分利用，替代部分供热抽汽，可有效降低燃煤机组的煤耗量，提高耦合系统的热经济性。燃煤机组与垃圾发电机组电功率分别为495 MW(75% THA)和9.52 MW(100% THA)，供热功率为152.59 MW时，耦合供热系统燃煤机组发电效率提高0.52个百分点，整体煤耗量降低1.65 t/h，节能效果显著。
3)通过对耦合供热系统进行经济性分析可知，耦合供热系统新增设备投资495.70万元，年运行维护费用19.83万元，系统节能收益达542.92万元，最终系统年化新增净收益423.95万元。
