城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠余熱鍋爐過(guò)熱器運(yùn)行參數(shù)分析

郝章峰

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年12月底，我國(guó)垃圾焚燒處理規(guī)模已達(dá)49萬(wàn)t/d，占全國(guó)垃圾無(wú)害化處理總量的50%以上，垃圾焚燒已成為城市生活垃圾處理的主要方式[1]。在能源回收利用方面，配套余熱鍋爐和汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組是垃圾焚燒能源轉(zhuǎn)換的重要方式，但余熱鍋爐的蒸汽參數(shù)是卻是制約垃圾焚燒能源轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一。從垃圾焚燒行業(yè)發(fā)展的歷程來(lái)看，余熱鍋爐的設(shè)計(jì)主蒸汽參數(shù)從日本、歐洲最早期的0.8～1.6 MPa，200～300℃，歷經(jīng)4.0 MPa，400/450℃等中溫中壓參數(shù)，逐步發(fā)展到6.4 MPa，450/485℃的高溫次高壓參數(shù)；焚燒廠發(fā)電效率也從早期的14%左右提高到19%～26%，個(gè)別超高壓再熱參數(shù)機(jī)組甚至達(dá)到30%以上[2]。在此類(lèi)高參數(shù)技術(shù)不斷進(jìn)步發(fā)展的進(jìn)程中，制約余熱鍋爐高參數(shù)的最大瓶頸，就是換熱面高溫腐蝕問(wèn)題。

雖然提高余熱鍋爐參數(shù)可大幅度提高垃圾焚燒發(fā)電效率，但是余熱鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行也受到了挑戰(zhàn)，特別是高溫、中溫過(guò)熱器的高溫腐蝕問(wèn)題尤為突出，頻繁造成爆管事故，危害鍋爐安全運(yùn)行，嚴(yán)重影響電廠的穩(wěn)定運(yùn)行。

目前減弱過(guò)熱器高溫腐蝕的主要措施有兩點(diǎn)[3]：一是通過(guò)嚴(yán)格控制過(guò)熱器的進(jìn)口煙溫來(lái)降低過(guò)熱器的金屬壁面溫度，讓過(guò)熱器在低腐蝕溫度區(qū)域運(yùn)行；二是采用抗腐蝕性更好的換熱管材質(zhì)來(lái)應(yīng)對(duì)，特別是近兩年堆焊技術(shù)、火焰噴涂技術(shù)、激光熔覆等防腐技術(shù)的應(yīng)用，使鍋爐參數(shù)的提升提供了保障。通過(guò)跟蹤國(guó)內(nèi)次高溫次高壓的垃圾焚燒余熱爐的運(yùn)行情況，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析整理來(lái)推導(dǎo)出過(guò)熱器（以高溫過(guò)熱器、中溫過(guò)熱器為研究對(duì)象）的高溫?zé)煔猸h(huán)境，分析過(guò)熱器的換熱面溫度隨運(yùn)行時(shí)間的推移而發(fā)生的影響，與之對(duì)應(yīng)的減溫噴水量的變化趨勢(shì)，及與過(guò)熱器煙溫的關(guān)聯(lián)性；分析不同運(yùn)行負(fù)荷下，過(guò)熱器進(jìn)口煙溫和減溫水量的變化幅度的差異與關(guān)聯(lián)性。這些研究成果對(duì)垃圾焚燒發(fā)電廠余熱鍋爐的安全穩(wěn)定高效運(yùn)行、提高發(fā)電效率和焚燒行業(yè)技術(shù)提升都具有積極的意義。

1 研究對(duì)象及研究方法

1.1 研究對(duì)象和樣本數(shù)據(jù)的選擇

本文選取了山東某地典型城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠余熱鍋爐（2號(hào)余熱鍋爐）為研究對(duì)象。該垃圾焚燒發(fā)電廠處理規(guī)模為2 250 t/d，配備3×750 t/d三條焚燒線和2臺(tái)30 MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。單臺(tái)焚燒爐垃圾處理量為750 t/d，配套余熱鍋爐設(shè)計(jì)主蒸汽參數(shù)為壓力6.4 MPa、主蒸汽溫度485℃、蒸發(fā)量68.6 t/h。

該焚燒廠投產(chǎn)時(shí)間為2019年6月，運(yùn)行至今。其中2020年2月受疫情影響，入廠垃圾減少，2號(hào)爐進(jìn)行停爐維護(hù)，不列入研究樣本；2019年6月—7月初為試運(yùn)行期，考慮測(cè)量?jī)x表的數(shù)據(jù)有效性和準(zhǔn)確性，此期間的數(shù)據(jù)也未做收集；以2號(hào)爐在2019年8月—2020年4月，除去2020年2月，共7個(gè)月內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為研究樣本。

2號(hào)爐運(yùn)行的煙氣側(cè)、汽水側(cè)典型數(shù)據(jù)如表1～2所示。

表1 余熱鍋爐運(yùn)行的煙氣側(cè)典型參數(shù)

表2 余熱鍋爐運(yùn)行的汽水側(cè)典型參數(shù)

1.2 研究方法

1.2.1 模型建立

首先建立焚燒爐-余熱鍋爐模型煙氣流程和汽水流程，通過(guò)給定計(jì)算的邊界條件，如鍋爐效率、入爐垃圾組分和熱值、入爐空氣量和溫度、鍋爐運(yùn)行負(fù)荷等，經(jīng)質(zhì)能平衡原理，通過(guò)軟件迭代計(jì)算來(lái)模擬余熱鍋爐的運(yùn)行工況，得到各工況下的模型數(shù)據(jù)（以下稱(chēng)為模型數(shù)據(jù)），再與對(duì)應(yīng)的DCS記錄的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)（以下稱(chēng)為運(yùn)行數(shù)據(jù)）分析，以期推導(dǎo)這兩者之間的差異和關(guān)聯(lián)性，為修正兩者的不一致性，和優(yōu)化余熱鍋爐方案提供更有用的參考。

鍋爐結(jié)構(gòu)及受熱面布置方式如圖1所示，煙氣流程依次為：焚燒爐、余熱鍋爐一、二、三煙道，水平煙道，省煤器煙道，鍋爐出口。汽水流程根據(jù)工質(zhì)流向依次為：給水管，省煤器，汽包，低溫、中溫和高溫過(guò)熱器，中間設(shè)置二級(jí)噴水減溫器，最后至主汽集箱結(jié)束；煙氣流程和汽水流程是耦合相通的。

圖1 垃圾焚燒爐-余熱鍋爐結(jié)構(gòu)

1.2.2 計(jì)算參數(shù)選取

煙氣側(cè)部分測(cè)點(diǎn)由于設(shè)備原因及安裝位置限制，存在較大的測(cè)量誤差[4]，同時(shí)鍋爐本身運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生局部流場(chǎng)與溫度場(chǎng)偏差。從表1可以看出煙氣側(cè)溫度爐左測(cè)點(diǎn)和爐右測(cè)點(diǎn)有10℃左右的偏差，高溫、中溫過(guò)熱器左右側(cè)的溫度參數(shù)，也和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)參數(shù)有較大差距；對(duì)比鍋爐運(yùn)行的汽水側(cè)參數(shù)，特別是過(guò)熱器的噴水減溫量，誤差更是明顯，因此將煙氣測(cè)數(shù)值作為趨勢(shì)考慮，不作為定量考慮基準(zhǔn)。相較煙氣側(cè)參數(shù)，表2中鍋爐汽水側(cè)各參數(shù)的測(cè)量條件、儀表準(zhǔn)確性、可靠性、精度都更優(yōu)，實(shí)際測(cè)量參數(shù)也跟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，理論設(shè)計(jì)參數(shù)匹配度更高，因此選用更多汽水側(cè)參數(shù)作為定量分析的基準(zhǔn)，通過(guò)汽水側(cè)參數(shù)反算煙氣側(cè)參數(shù)來(lái)校核實(shí)際運(yùn)行工況[5]。

2 余熱鍋爐過(guò)熱器運(yùn)行參數(shù)變化的規(guī)律

2.1 運(yùn)行數(shù)據(jù)中過(guò)熱器煙溫隨運(yùn)行時(shí)間變化的趨勢(shì)

圖2所示為該余熱鍋爐自2019年8月—2020年4月，DCS實(shí)測(cè)高過(guò)和中過(guò)入口煙溫的變化情況。由圖可知，2019年8月—2020年4月，各級(jí)過(guò)熱器的入口煙溫雖有較大波動(dòng)，但總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，尤其是2019年12月，各級(jí)過(guò)熱器的入口煙溫有顯著上升，這與焚燒爐-余熱鍋爐的負(fù)荷提升有關(guān)。自2019年12月以來(lái)，入廠垃圾量充足，入爐垃圾量顯著增加，平均入爐垃圾量達(dá)到800 t/d以上，如圖3所示，隨著入爐垃圾量的增加，過(guò)熱器入口煙溫顯著提升，高過(guò)入口熱電偶實(shí)測(cè)溫度達(dá)到600℃左右。過(guò)熱器煙溫隨運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)和入爐垃圾量變化關(guān)聯(lián)性明顯，呈正相關(guān)特性。

圖2 過(guò)熱器煙氣溫度變化情況（運(yùn)行數(shù)據(jù)）

圖3 分析周期內(nèi)鍋爐日平均入爐垃圾量（不含2020年2月）

圖4 模型數(shù)據(jù)的高溫、中溫過(guò)熱器入口煙溫變化情況（MCR點(diǎn)工況）

2.2 模型數(shù)據(jù)中過(guò)熱器煙溫隨運(yùn)行時(shí)間變化的趨勢(shì)并與運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析

本節(jié)將對(duì)收集到的工況數(shù)據(jù)通過(guò)軟件模型進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，通過(guò)擬合汽水側(cè)各級(jí)過(guò)熱器進(jìn)出口蒸汽溫度來(lái)反算各級(jí)過(guò)熱器進(jìn)出口煙氣溫度，并與DCS實(shí)測(cè)煙氣溫度數(shù)據(jù)形成對(duì)比。

從2019年8月—2020年4月的采集數(shù)據(jù)中選取蒸發(fā)量接近設(shè)計(jì)MCR工況進(jìn)行模型計(jì)算校核，高溫、中溫過(guò)熱器入口煙溫隨時(shí)間變化的情況如圖4所示。其中2019年10月運(yùn)行負(fù)荷較低，無(wú)MCR工況點(diǎn)；2020年2月2號(hào)爐停爐，故圖4不包含上述2個(gè)月的數(shù)據(jù)。由圖可知，對(duì)運(yùn)行工況進(jìn)行模型計(jì)算，結(jié)果表明高過(guò)入口煙溫都在650℃以上，并且隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，煙溫也呈逐漸上升的趨勢(shì)，從2019年8月的656℃上升到2020年1月的690℃，增幅將近35℃。中過(guò)入口煙溫有類(lèi)似的變化趨勢(shì)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，入口煙氣溫度也逐漸上升，中過(guò)入口煙溫從2019年8月的603℃上升到2020年1月的628℃，上升幅度約25℃。2020年2月停爐進(jìn)行了清灰工作，3月和4月的煙氣溫度與1月相比略有下降，但與3月煙氣溫度相比，4月的高中過(guò)入口煙溫繼續(xù)上升。

高、中過(guò)熱器入口煙溫的模型數(shù)據(jù)與運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖5所示，由圖可知，模型推算出的高溫、中溫過(guò)熱器進(jìn)口煙溫（模型數(shù)據(jù)）都高于運(yùn)行數(shù)據(jù)。如圖5（a）所示，高溫過(guò)熱器進(jìn)口煙溫的模型值都在650℃以上，最高推算值為681℃，而運(yùn)行數(shù)據(jù)均在600℃以下，兩者的差值范圍在90～115℃，平均差值為102.5℃。如圖5（b）所示，中溫過(guò)熱器進(jìn)口煙溫的模型數(shù)據(jù)在600℃左右，與運(yùn)行數(shù)據(jù)的差值范圍在57～96℃，平均差值為76.5℃。據(jù)此，建議在設(shè)計(jì)余熱鍋爐時(shí)，宜充分考慮鍋爐受熱面在嚴(yán)重沾污狀況下的換熱能力，優(yōu)化蒸發(fā)受熱面和過(guò)熱面的配比和布置，以對(duì)抗超溫運(yùn)行時(shí)的高溫腐蝕問(wèn)題。由圖5的運(yùn)行數(shù)據(jù)的趨勢(shì)線可以發(fā)現(xiàn)，分析周期內(nèi)的各月的運(yùn)行數(shù)據(jù)無(wú)顯著變化，推測(cè)其原因與運(yùn)行煙氣溫度測(cè)點(diǎn)存在測(cè)量誤差有關(guān)[6]。建議對(duì)實(shí)測(cè)值附加修正系數(shù)來(lái)消除誤差。另外合理布置煙氣溫度測(cè)點(diǎn)方案，可提升運(yùn)行中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和精確性。如采用雙層溫度測(cè)點(diǎn)的布置方式，充分考慮煙氣的偏流特性影響；盡可能地將測(cè)量管伸入爐內(nèi)，保證測(cè)量深度；以及定期清除儀表測(cè)量裝置表面覆蓋的積灰殼，保持熱電偶的清潔等。

圖5 高、中過(guò)熱器入口煙溫的模型數(shù)據(jù)與運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比

2.3 MCR點(diǎn)工況附近余熱鍋爐各級(jí)減溫噴水量對(duì)比

各級(jí)減溫噴水量的模型數(shù)據(jù)與運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比如表3所示。

表3 減溫噴水量模型數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比

余熱鍋爐設(shè)計(jì)的一級(jí)減溫噴水量（低溫段）和二級(jí)減溫噴水量（高溫段）的最大量程分別為6 t/h和2 t/h。2019年12月和2020年1月負(fù)荷為70 t/h左右時(shí)，運(yùn)行一級(jí)和二級(jí)噴水量達(dá)到最大量程，噴水計(jì)量值達(dá)到最大，約為8 t/h。但是模型計(jì)算結(jié)果顯示，實(shí)際的總噴水量大于計(jì)量值，多出噴水量基本在1 t/h以上。另根據(jù)模型數(shù)據(jù)可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，減溫噴水量也呈上升趨勢(shì)，這和前文中所述煙氣溫度隨著運(yùn)行時(shí)間有所增加的趨勢(shì)一致。這也佐證了垃圾焚燒余熱鍋爐的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)燃料鍋爐的差異，因?yàn)槔M分不均，以及鍋爐受熱面的積灰嚴(yán)重，易造成鍋爐運(yùn)行超溫，與設(shè)計(jì)時(shí)不符。一旦鍋爐超溫運(yùn)行，特別是高溫過(guò)熱器進(jìn)口煙溫超設(shè)計(jì)值，達(dá)600～650℃及以上時(shí)，對(duì)高溫過(guò)熱器的安全將是嚴(yán)重威脅。然而用減溫水來(lái)調(diào)節(jié)余熱鍋爐汽溫、煙溫的作用非常有限，所以建議在運(yùn)行中，把減溫水量作為余熱鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一；當(dāng)減溫水超設(shè)計(jì)負(fù)荷且達(dá)到一定運(yùn)行時(shí)間后，應(yīng)當(dāng)及時(shí)停爐，對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行清灰、檢修與維護(hù)。

2.4 不同負(fù)荷下的煙溫變化趨勢(shì)

根據(jù)收集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以設(shè)計(jì)MCR工況為基準(zhǔn)，選取同期11月份70%～110%不同負(fù)荷變化下的蒸汽側(cè)和煙氣側(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)各負(fù)荷下的工況進(jìn)行模型計(jì)算分析，并與運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，具體分析情況如圖6所示。

圖6 11月份同期不同負(fù)荷條件下各階段煙氣溫度變化情況

圖6（a）所示為模型數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可以看出各級(jí)受熱面的煙氣溫度隨著負(fù)荷的上升同步升高。當(dāng)負(fù)荷由70%提高到100%時(shí)，高過(guò)入口煙溫提高了約70℃，中過(guò)入口煙溫也提高了將近50℃。圖6（b）所示為運(yùn)行數(shù)據(jù)不同負(fù)荷下各級(jí)受熱面的煙氣溫度變化情況，運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示當(dāng)負(fù)荷由70%提高到100%時(shí)高過(guò)入口煙溫提高了38℃，中過(guò)入口煙溫提高了26℃；分析整段負(fù)荷變化，80%～100%區(qū)間相較70%～80%及100%～110%區(qū)間，高過(guò)入口和中過(guò)入口煙氣溫度上升梯度較平緩，表明余熱鍋爐在80%～100%負(fù)荷區(qū)間的運(yùn)行較平穩(wěn)，波動(dòng)幅度小，可以把該區(qū)間作為運(yùn)行控制的理想?yún)^(qū)間指導(dǎo)實(shí)際設(shè)備運(yùn)行。

2.5 不同負(fù)荷下的噴水減溫量變化趨勢(shì)

圖7所示為一級(jí)、二級(jí)減溫噴水量以及總噴水量的隨負(fù)荷變化而變化情況。由圖可知，隨著負(fù)荷增加，一二級(jí)噴水量也在增大。負(fù)荷由70%提高到110%，無(wú)論是模型計(jì)算還是運(yùn)行數(shù)據(jù)，總噴水量都增加了約1倍。90%負(fù)荷時(shí)，二級(jí)噴水量運(yùn)行數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到了流量計(jì)的最大量程，即2.03 t/h，二級(jí)噴水量的計(jì)量值不再隨負(fù)荷的變化而變化，而根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果表明，二級(jí)噴水量在持續(xù)增加，110%負(fù)荷時(shí)達(dá)到了3.38 t/h，較大地超過(guò)了運(yùn)行數(shù)據(jù)的2.03 t/h。

圖7 不同負(fù)荷下的減溫噴水量變化情況

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果，在焚燒爐運(yùn)行初期，過(guò)熱器入口煙氣溫度便超過(guò)605℃的設(shè)計(jì)值；運(yùn)行數(shù)據(jù)也在運(yùn)行一段時(shí)間后達(dá)到600℃。過(guò)熱器前端蒸發(fā)受熱面設(shè)計(jì)可能偏小，不能滿(mǎn)足在實(shí)際運(yùn)行工況下長(zhǎng)期保證過(guò)熱器換熱面處于合理的設(shè)計(jì)煙溫區(qū)間的性能要求。因此，在類(lèi)似的爐型設(shè)計(jì)中，需要考慮布置充分的前端受熱面。

（2）在運(yùn)行半年后，過(guò)熱器前入口煙氣溫度增加了近40℃，運(yùn)行工況的穩(wěn)定性較差。盡管該鍋爐在二、三煙道內(nèi)設(shè)置了蒸汽吹灰器，但實(shí)際運(yùn)行后因吹灰器材質(zhì)問(wèn)題，吹灰器卡澀，無(wú)法正常運(yùn)行，導(dǎo)致積灰無(wú)有效清除手段，換熱效果差，后端煙氣超溫。因此，在鍋爐設(shè)計(jì)中，需注意選擇輻射受熱面的清灰措施，以提高運(yùn)行工況的穩(wěn)定性。

（3）模型反算煙氣溫度與運(yùn)行數(shù)據(jù)存在較大偏差，且模型計(jì)算煙溫大于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。高過(guò)入口煙溫差值在90～115℃之間，中過(guò)入口煙溫差值在57～96℃之間。偏差來(lái)源為熱電偶的溫度測(cè)量數(shù)值存在誤差、模型計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)汽水測(cè)點(diǎn)的依賴(lài)。因此，運(yùn)行項(xiàng)目需考慮煙氣的偏流特性和測(cè)點(diǎn)布置的合理性，布置雙層溫度測(cè)點(diǎn)的同時(shí)考慮合理的伸入鍋爐深度來(lái)保證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠精確。除此之外，在運(yùn)行一定周期后，應(yīng)對(duì)儀表進(jìn)行維護(hù)或清灰，以校正溫度測(cè)點(diǎn)。

（4）模型計(jì)算表明，減溫噴水量大于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)值。90%的負(fù)荷時(shí)，實(shí)際噴水總量已達(dá)儀表最大量程，實(shí)際噴水量可能比現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)多噴至少1 t/h以上。因此，針對(duì)運(yùn)行項(xiàng)目，應(yīng)對(duì)實(shí)際的減溫水量做過(guò)熱器煙溫的關(guān)聯(lián)性分析，并作為鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，而不應(yīng)該把減溫水作為垃圾焚燒余熱鍋爐的主要調(diào)節(jié)手段。減溫水超量基本意味著過(guò)熱器超過(guò)設(shè)計(jì)溫度區(qū)間，有高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)加大的趨勢(shì)，當(dāng)減溫水超設(shè)計(jì)負(fù)荷過(guò)大時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)鍋爐進(jìn)行清灰維護(hù)，延長(zhǎng)鍋爐設(shè)備的使用壽命。