垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目余熱鍋爐中參數(shù)和高參數(shù)的對(duì)比分析

張曉斌，戴小東，熊君霞，吳海鳳，叢海亮

（北京首創(chuàng)環(huán)境科技有限公司，北京 100028）

根據(jù)不同的壓力參數(shù)，余熱鍋爐可分為低壓、中壓、次高壓、超高壓、亞臨界、超臨界等級(jí)，其中中壓鍋爐的工作壓力在3.8～5.3 MPa，次高壓鍋爐的工作壓力在5.3～9.8 MPa。

目前垃圾焚燒行業(yè)余熱鍋爐的主蒸汽參數(shù)主要有兩種：一種是中溫中壓參數(shù)，即中參數(shù)（4.0 MPa、400 ℃）；另一種是中溫次高壓參數(shù)，即高參數(shù)（5.3 MPa、450 ℃ 或 6.4 MPa、450 ℃ 或 6.4 MPa、485 ℃）。隨著垃圾焚燒行業(yè)的高速發(fā)展，行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈，市場(chǎng)相繼出現(xiàn)了低價(jià)競(jìng)標(biāo)的現(xiàn)象。為了提高垃圾焚燒電廠的經(jīng)濟(jì)效益，追求企業(yè)利潤(rùn)的最大化，各投資商在保證環(huán)保效果的前提下，不得不考慮提高發(fā)電上網(wǎng)收入，因而提高垃圾焚燒發(fā)電效率成為重中之重。提高垃圾焚燒發(fā)電廠發(fā)電效率的主要途徑有提高余熱鍋爐熱效率、提高汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)、降低廠用電率、降低線損率等［1］。垃圾焚燒發(fā)電廠鍋爐蒸汽參數(shù)的選擇直接影響到汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)，進(jìn)而影響到垃圾焚燒發(fā)電廠的發(fā)電效率。因此，提高蒸汽參數(shù)成為提高發(fā)電效率的重要途徑。

確定垃圾焚燒發(fā)電廠余熱鍋爐主蒸汽參數(shù)時(shí)既要關(guān)注垃圾焚燒發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益，又要考慮到垃圾焚燒發(fā)電廠運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定性和安全性。本文在對(duì)業(yè)內(nèi)主要投建方及設(shè)備廠家進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)中參數(shù)和高參數(shù)垃圾焚燒項(xiàng)目的技術(shù)特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了分析比較。

1 高參數(shù)垃圾焚燒項(xiàng)目的應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)際固廢協(xié)會(huì)（ISWA）公布的2012年世界垃圾焚燒鍋爐參數(shù)分布［2］如圖1所示。由圖中可知，截至2012年，大部分垃圾焚燒余熱鍋爐參數(shù)集中在 4.0 MPa、400 ℃附近，占比約為65%；少量的垃圾焚燒余熱鍋爐參數(shù)在6.4 MPa、450 ℃附近，占比約為10%?？梢姡蟛糠掷贌酂徨仩t采用中參數(shù)設(shè)計(jì)。但近年來(lái)，高參數(shù)余熱鍋爐陸續(xù)出現(xiàn)，并成為發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 2012 年世界垃圾焚燒鍋爐參數(shù)分布Fig. 1 Distribution of waste incineration boiler parameters at home and abroad

在國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的垃圾焚燒發(fā)電廠中，垃圾焚燒鍋爐的蒸汽參數(shù)主要選用中參數(shù)。國(guó)內(nèi)第一個(gè)采用高參數(shù)的廣州李坑垃圾焚燒發(fā)電一廠（6.5 MPa、450 ℃）2005年10月點(diǎn)火試運(yùn)行，至今已運(yùn)行十余年［3］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)垃圾焚燒領(lǐng)域的投建方在投建項(xiàng)目中開始逐步采用高參數(shù)，設(shè)備廠家的高參數(shù)設(shè)備供貨業(yè)績(jī)也逐步增加，且已有多個(gè)項(xiàng)目在正常穩(wěn)定運(yùn)行。

本文統(tǒng)計(jì)了2015— 2017年國(guó)內(nèi)主要垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目投建方的高參數(shù)項(xiàng)目業(yè)績(jī)。截至2017年12月，國(guó)內(nèi)已投運(yùn)和在建的高參數(shù)垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目約有30個(gè)，參數(shù)等級(jí)集中在6.4 MPa、450 ℃/485 ℃ 和 5.3 MPa、485 ℃，各參數(shù)系列占比如圖2所示。圖2中各參數(shù)單條焚燒線垃圾處理量規(guī)模基本在300、500、600、750 t·d?1平均分布，個(gè)別項(xiàng)目單臺(tái)爐處理量為850、900 t·d?1。

余熱鍋爐設(shè)備廠家的高參數(shù)垃圾焚燒余熱鍋爐的供貨業(yè)績(jī)也日益增加。圖3為2013—2017年某余熱鍋爐設(shè)備廠家高參數(shù)產(chǎn)品供貨情況。由圖中可知，2013— 2017年的垃圾焚燒余熱鍋爐供貨業(yè)績(jī)中，高參數(shù)余熱鍋爐占比逐步上升為30%左右，且大部分業(yè)績(jī)集中在2016—2017年。

圖2 國(guó)內(nèi)已投運(yùn)及在建高參數(shù)垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目參數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig. 2 Statistics of waste incineration power plant projects with high parameter under operation and construction

圖3 某余熱鍋爐設(shè)備廠家高參數(shù)產(chǎn)品供貨情況Fig. 3 High-parameter product supply from HRSG plants

2 中參數(shù)和高參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性比較

選擇中參數(shù)或高參數(shù)，對(duì)生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的設(shè)備選型、材質(zhì)選擇、設(shè)備投資、工程建設(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面均有一定程度的影響，從而影響整個(gè)垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。本文分別以日處理垃圾量1 000、1 500 t為例，在垃圾設(shè)計(jì)熱值6 900 kJ·kg?1、年運(yùn)行8 000 h的假定前提下，對(duì)中參數(shù)（4.0 MPa、400℃）和高參數(shù)（6.4 MPa、450℃）項(xiàng)目在設(shè)備投資、發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益、維修成本等方面進(jìn)行比較。

2.1 設(shè)備投資

2.1.1 余熱鍋爐設(shè)備

主蒸汽參數(shù)的提高對(duì)余熱鍋爐設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)的影響主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）由于主蒸汽溫度的提高，過(guò)熱器的受熱面積需要增加；

（2）由于主蒸汽溫度的提高，過(guò)熱器的金屬壁面溫度升高，過(guò)熱器特別是高溫過(guò)熱器的管材防腐等級(jí)需要提升；

（3）由于主蒸汽壓力的提高，鍋爐受壓面管道壁厚需要加厚；

（4）由于主蒸汽壓力的提高，對(duì)應(yīng)壓力下水的飽和溫度升高，水冷壁的金屬壁面溫度升高，水冷壁管材防腐等級(jí)需要提升。

上述設(shè)計(jì)上的調(diào)整使鍋爐本體重量增加，選材等級(jí)提高，防腐措施提升，從而增加了鍋爐本體設(shè)備的投資。

規(guī)模為1 000 t·d?1的項(xiàng)目配置2臺(tái)余熱鍋爐，單臺(tái)爐設(shè)備投資增加額約為575萬(wàn)元，2臺(tái)鍋爐總計(jì)約為1 150萬(wàn)元；規(guī)模為1 500 t·d?1的項(xiàng)目配置2臺(tái)余熱鍋爐，單臺(tái)爐設(shè)備投資增加額約為800萬(wàn)元，2臺(tái)鍋爐約為1 600萬(wàn)元。中參數(shù)和高參數(shù)余熱鍋爐在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、防腐等方面投資額比較如表1所示。

2.1.2 熱力系統(tǒng)輔機(jī)管道

高參數(shù)項(xiàng)目中由于主蒸汽參數(shù)升高，需對(duì)熱力系統(tǒng)及輔機(jī)設(shè)備作以下調(diào)整：

（1）泵、閥：由于主蒸汽壓力的提高，給水泵的揚(yáng)程需提高，閥門耐壓等級(jí)需提高；

（2）汽水管道：由于主蒸汽壓力的提高，汽水管道的耐壓等級(jí)需提高；

（3）其他：由于主蒸汽壓力的提高，加藥取樣裝置、監(jiān)測(cè)儀表等設(shè)備的選型需調(diào)整。

1 000、1 500 t·d?1規(guī)模的熱力系統(tǒng)輔機(jī)管道產(chǎn)生的設(shè)備投資額均為120萬(wàn)元。

2.1.3 汽輪發(fā)電機(jī)

余熱鍋爐主蒸汽參數(shù)直接決定蒸汽汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽的壓力和溫度。4.0 MPa、400 ℃的余熱鍋爐一般配套的汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽的壓力和溫度分別為3.8 MPa、390 ℃；6.4 MPa、450 ℃的余熱鍋爐一般配套的汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽的壓力和溫度分別為 6.2 MPa、445 ℃。

表1 中參數(shù)和高參數(shù)余熱鍋爐投資額比較Tab. 1 Comparison of the investment between medium and high parameter HRSG

中參數(shù)和高參數(shù)汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽溫度和壓力差異顯著。而汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽溫度和壓力主要影響汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)，從而影響其熱效率。汽輪機(jī)熱效率與進(jìn)汽參數(shù)成正比，參數(shù)越高，發(fā)電效率越高。表2為某汽輪機(jī)廠家不同進(jìn)汽參數(shù)汽輪機(jī)的技術(shù)參數(shù)及投資額比較，與中參數(shù)相比，高參數(shù)汽輪機(jī)的熱耗降低6.76%，汽耗降低8.64%。

表2 中參數(shù)與高參數(shù)汽輪機(jī)技術(shù)參數(shù)及投資額比較Tab. 2 Comparison of the investment and specifications between medium and high parameter turbine

1 000 t·d?1的項(xiàng)目配備1套20 MW汽輪發(fā)電機(jī)組，高參數(shù)汽輪機(jī)比中參數(shù)汽輪機(jī)設(shè)備投資額增加350萬(wàn)元；1 500 t·d?1的項(xiàng)目配備1套35 MW汽輪發(fā)電機(jī)組，高參數(shù)汽輪機(jī)比中參數(shù)汽輪機(jī)設(shè)備投資額增加350萬(wàn)元。

2.1.4 投資比較匯總

綜合上述設(shè)備對(duì)比情況形成的高參數(shù)焚燒項(xiàng)目設(shè)備總投資差價(jià)如表3所示。

表3 高參數(shù)焚燒項(xiàng)目設(shè)備總投資差價(jià)Tab. 3 Differences of total equipment investment of high parameter incineration project

由表3中可見，在垃圾熱值和垃圾處理量相同的情況下，對(duì)于1 000 t·d?1項(xiàng)目，高參數(shù)的設(shè)備總投資比中參數(shù)的增加1 750萬(wàn)元；對(duì)于1 500 t·d?1的項(xiàng)目，高參數(shù)的設(shè)備總投資比中參數(shù)的增加2 235萬(wàn)元。

2.2 發(fā)電理論經(jīng)濟(jì)效益

假定處理噸垃圾耗電量為70 kW·h，垃圾焚燒發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)為 0.65元·kW?1·h?1（ 280 kW·h以 內(nèi) ） 、 0.45元 ·kW?1·h?1（280 kW·h以外），對(duì)高參數(shù)和中參數(shù)的發(fā)電量及發(fā)電收入進(jìn)行了理論分析，結(jié)果如表4所示。

表4 中、高參數(shù)焚燒項(xiàng)目發(fā)電量及收入比較Tab. 4 Comparison of electric output and income between medium and high parameter incineration projects

由表4中可見，高參數(shù)的年發(fā)電收入比中參數(shù)的分別增加 413 萬(wàn)元（1 000 t·d?1）、620 萬(wàn)元（1 500 t·d?1），高參數(shù)的噸垃圾上網(wǎng)電量比中參數(shù)的增加6.19%。項(xiàng)目垃圾處理規(guī)模越大，高參數(shù)和中參數(shù)的年發(fā)電收入差額越大。

2.3 設(shè)備維修成本

垃圾焚燒余熱鍋爐的運(yùn)行情況十分復(fù)雜，垃圾的熱值、成分、受熱面積灰、鍋爐型式等都會(huì)影響運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。本文僅對(duì)設(shè)備維修成本進(jìn)行比較。

垃圾焚燒鍋爐采用中溫次高壓參數(shù)，這會(huì)使余熱鍋爐各受熱面壁溫升高，從而加劇余熱鍋爐受熱面的腐蝕，縮短水冷壁、過(guò)熱器等受熱面的使用壽命。垃圾焚燒發(fā)電廠受熱面的腐蝕主要包括過(guò)熱器管、水冷壁管的高溫腐蝕和省煤器的低溫腐蝕等，腐蝕速度與管壁溫度有很大的關(guān)系［4］。高參數(shù)余熱鍋爐的水冷壁和過(guò)熱器壁面溫度比中參數(shù)的分別高出30、50℃，因此將面臨更嚴(yán)重的高溫腐蝕。中參數(shù)和高參數(shù)余熱鍋爐省煤器低溫區(qū)金屬溫度基本一致，兩者的低溫腐蝕情況大致相同。高參數(shù)余熱鍋爐的高溫腐蝕加劇，會(huì)增加設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面的費(fèi)用。本文重點(diǎn)對(duì)水冷壁和過(guò)熱器的更換成本進(jìn)行比較。

對(duì)于中參數(shù)余熱鍋爐，如果過(guò)熱器采用15CrMoG，其更換周期約為每4～5年1次。若運(yùn)營(yíng)期按28年考慮，過(guò)熱器在整個(gè)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)至少需更換5次。對(duì)于高參數(shù)余熱鍋爐，如果過(guò)熱器采用15CrMoG，更換周期約為每3年1次。過(guò)熱器在整個(gè)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)至少需更換8次；如果高參數(shù)的過(guò)熱器管材升級(jí)為12Cr1MoVG，運(yùn)營(yíng)期內(nèi)需更換次數(shù)為5次，與中參數(shù)相同。

中參數(shù)和高參數(shù)余熱鍋爐，其水冷壁均采用20G材料。對(duì)于中參數(shù)余熱鍋爐，水冷壁更換周期約為每4～5年1次。若運(yùn)營(yíng)期按28年考慮，整個(gè)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)水冷壁至少需更換5次。高參數(shù)余熱鍋爐的水冷壁腐蝕爆管問(wèn)題較為突出。以廣州某垃圾電廠為例，該廠自投運(yùn)以來(lái)，因水冷壁管泄漏而導(dǎo)致故障停爐的情況頻繁發(fā)生，尤其以第一煙道前墻、兩側(cè)墻、頂棚、第二煙道兩側(cè)墻最為嚴(yán)重［3］，基本上運(yùn)行6個(gè)月左右就需要全面更換一次水冷壁管，嚴(yán)重影響了鍋爐的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

隨著近年來(lái)管材防腐技術(shù)的發(fā)展，對(duì)水冷壁容易腐蝕的部位采用鎳基合金進(jìn)行約2 mm厚的堆焊處理，可有效延長(zhǎng)水冷壁的使用壽命。從目前已運(yùn)行的項(xiàng)目來(lái)看，堆焊層的耐腐蝕效果明顯提高，運(yùn)行2～3年的堆焊層減薄量平均約為0.15 mm·年?1。假設(shè)堆焊層壽命能達(dá)到8年，則整個(gè)運(yùn)營(yíng)期28年內(nèi)僅需更換2次水冷壁。

中參數(shù)和高參數(shù)余熱鍋爐維修成本對(duì)比如表5所示。

表5 中、高參數(shù)余熱鍋爐維修成本對(duì)比Tab. 5 Comparison of the maintenance cost of medium and high parameter HRSG

由表5中可見，按28年運(yùn)營(yíng)期計(jì)算，1 000 t·d?1的項(xiàng)目中參數(shù)和高參數(shù)過(guò)熱器與水冷壁的設(shè)備更換均攤到每年的費(fèi)用差額約為65萬(wàn)元；1 500 t·d?1的項(xiàng)目中參數(shù)和高參數(shù)過(guò)熱器與水冷壁的設(shè)備更換均攤到每年的費(fèi)用差額約為87萬(wàn)元。

垃圾焚燒電廠主蒸汽溫度選用中參數(shù)或高參數(shù)，對(duì)余熱鍋爐設(shè)備維修成本的影響最明顯，在汽輪機(jī)和熱力系統(tǒng)輔機(jī)的維修成本方面無(wú)明顯差別。

2.4 理論經(jīng)濟(jì)性比較

垃圾焚燒發(fā)電廠余熱鍋爐蒸汽參數(shù)的選擇涉及設(shè)備投資、運(yùn)營(yíng)成本等因素，因此需綜合比較經(jīng)濟(jì)效益。

相較于中參數(shù)，高參數(shù)垃圾焚燒電廠的設(shè)備投資、維修成本均有所增加，但同時(shí)發(fā)電收入也相應(yīng)增加。28年運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的綜合經(jīng)濟(jì)效益分析比較如表6、7所示。

表6 中、高參數(shù)焚燒項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期內(nèi)收益比較（1 000 t·d?1）Tab. 6 Comparison of the income of operation period between medium and high parameter incineration projects（1 000 t·d?1）

表7 中、高參數(shù)焚燒項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期收益比較（1 500 t·d?1）Tab. 7 Comparison of the income of operation period between medium and high parameter incineration projects（1 500 t·d?1）

整個(gè)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)，1 000 t·d?1的項(xiàng)目高參數(shù)比中參數(shù)發(fā)電增加凈收益7 994萬(wàn)元，平均每年增加凈收益約333萬(wàn)元，設(shè)備投資靜態(tài)回收期為5.029年；1 500 t·d?1的項(xiàng)目高參數(shù)比中參數(shù)發(fā)電增加凈收益12 689萬(wàn)元，平均每年增加凈收益約489萬(wàn)元，設(shè)備投資靜態(tài)回收期為4.193年?？梢姡?xiàng)目處理規(guī)模越大，經(jīng)濟(jì)效益越明顯，設(shè)備投資靜態(tài)回收期越短。

3 結(jié)論及建議

近年來(lái)，垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目投建方在投建項(xiàng)目中開始大量采用高參數(shù)，近兩年呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。設(shè)備廠家的高參數(shù)產(chǎn)品供貨業(yè)績(jī)也逐步增加，已有多個(gè)項(xiàng)目在正常穩(wěn)定運(yùn)行。高參數(shù)余熱鍋爐技術(shù)可行，且堆焊技術(shù)的應(yīng)用可延長(zhǎng)高參數(shù)余熱鍋爐水冷壁的使用壽命，從而提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

在經(jīng)濟(jì)性方面，1 000 t·d?1的項(xiàng)目28年運(yùn)營(yíng)期內(nèi)高參數(shù)比中參數(shù)可增加凈收益7 994萬(wàn)元；1 500 t·d?1的項(xiàng)目，28年運(yùn)營(yíng)期內(nèi)高參數(shù)比中參數(shù)可增加凈收益12 689萬(wàn)元·年?1。項(xiàng)目處理規(guī)模越大，采用高參數(shù)的經(jīng)濟(jì)效益越明顯，設(shè)備投資靜態(tài)回收期越短，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)越明顯。