太阳能辅助垃圾焚烧发电系统及其性能研究_吴芸芸.pdf

为了促进太阳能热能技术和生活垃圾能源转化技术的发展，提出了一种太阳能辅助的垃圾焚烧发电系统。该系统由槽式集热器收集的太阳能提供外热源，利用该热源对垃圾焚烧电站的蒸汽进行再热，以提高蒸汽参数。以某垃圾处理量 、净发电功率 的垃圾焚烧电站作为案例机组，耦合 太阳能辅助再热系统，并进行热力学分析和敏感性分析，评价了系统在不同太阳辐射条件下的性能表现，揭示了其性能提升机理。结果表明：新系统在设计点工况下，理论循环效率相比于案例机组提高了 个百分点，净发电功率增加了 ，光电效率可达 ；太阳能辅助垃圾焚烧发电系统在全年大部分时间表现良好，其年均光电效率可达 ，度电成本为 元（），具备经济可行性。关键词：垃圾焚烧；太阳能辅助发电；再热循环；热力学分析；系统集成中图分类号：文献标志码：学科分类号：，（，；，）：，（），：；随着人口迅速增长、经济快速发展和工业迅猛扩张，全球范围内城市生活垃圾的急剧增加带来了严重的环境问题。年以来，我国城市生活垃圾年清运量已超过 亿，城市生活垃圾管理面临严峻挑战。对于像中国这样的发展中国家，焚烧是最可靠、最经济的生活垃圾能源转化技术。截至 年底，全国在运行的垃圾焚烧无害化处理厂数量已达到 座。垃圾焚烧电站发电效率低，主要受制于其简单的蒸汽循环和较低的主蒸汽参数。国内垃圾焚烧电厂焚烧炉主蒸汽参数主要有种，大部分采用中温中压参数（、），部分采用中温次高压参数（、）。学者在不同方向进行了相关研究，以提高垃圾焚烧发电系统的效率。有学者在锅炉受热面加装再热器和过热器等，以产生更高参数蒸汽，另一种选择是将垃圾焚烧炉出口的饱和蒸汽送到燃气循环的余热锅炉里过热，以提高出口蒸汽参数。合理利用太阳能是能源领域很有前途的选择，将太阳能与化石燃料发电厂耦合可以达到有效利用太阳能的目的，相对于纯太阳能发电厂，其能量转换效率更高，资金成本更低。垃圾焚烧发电机组建设过程中，为了避免“邻避效应”，在选址上要避免人群密集区域，如医院、学校、居民区等公众聚集的场所。很多城市将垃圾焚烧发电厂的选址定在人烟稀少的偏远地区，偏远村镇相较于城市有更空旷的环境，这为垃圾焚烧机组耦合利用太阳能提供了有利条件。部分学者研究了太阳能与垃圾焚烧电站的耦合。等提出了一种利用太阳能加热空气的垃圾焚烧循环系统。等 提出了一种利用垃圾焚烧系统平抑聚光太阳能发电的集成系统。目前，通过耦合太阳能对垃圾焚烧电站的工作蒸汽进行再热，以提高蒸汽循环效率的文献较少。通过太阳能槽式集热器可获得 的热源，将其作为垃圾焚烧电站工作蒸汽的再热热源，可以满足温度匹配要求。基于此，本文提出了一种槽式太阳能集热系统与垃圾焚烧电站相结合的耦合系统，利用槽式集热器收集的太阳能对垃圾焚烧电站的工作蒸汽进行再热。以某垃圾处理量 的垃圾焚烧电厂为案例机组，对耦合系统进行了热力学分析，揭示了系统性能提升的机理。最后，利用敏感性分析对提出的耦合系统在不同工况、不同气象条件下的性能进行了评价。案例机组介绍在垃圾焚烧无害化处理领域，我国中小规模的炉型占比较高，中小规模炉型热能转化效率和经济效益较低，在“双碳”和国家能源绿色转型的背景下，转型过渡时期不能大规模拆除中小规模炉型，因此对中小规模机组进行性能优化至关重要。为了使本文所提出的太阳能辅助垃圾焚烧发电系统在国内具备更广泛的可行性，更合理、科学地指导实践应用，选取我国北方某垃圾焚烧电站作为案例机组。该电厂的垃圾处理量为 ，机组示意图如图所示。垃圾焚烧电站锅炉包含焚烧炉和余热锅炉，城市生活垃圾送入焚烧炉，燃烧后转化为烟气，通过余热锅炉的受热面将热量传递给水和水蒸气。生活垃圾中氯和硫含量较高，在燃烧过程中易形成酸性气体或盐，对锅炉造成严重的腐蚀，为缓解高温腐蚀，需将过热器入口烟气温度控制在 以下。垃圾焚烧炉和余热锅炉产生的蒸汽直接进入汽轮机做功，在 凝 汽 器 中 冷 凝 后 依 次 进 入 低 压 加 热 器（）、除氧器（），经过加热后送回锅炉。选取的案例机组运行稳定，运行参数与设计参数基本吻合。表、表给出了案例机组基本热力学参数以及回热系统基本参数。为避免低温腐蚀，排烟温度设计值高达 ，这造成了较大的排烟损失，使锅炉效率低至 。垃圾焚烧炉燃料的平均低位发热量为 ，消耗量为 。案例机组的回热系统仅有级抽汽，无再热过程，主蒸汽参数较低，锅炉性能较差，使得案例机组发电效率仅为 。新系统的提出本文集成了一种槽式太阳能辅助垃圾焚烧发电第期吴芸芸，等：太阳能辅助垃圾焚烧发电系统及其性能研究图案例垃圾焚烧机组示意图 表案例垃圾焚烧机组基本热力参数 参数数值焚烧炉垃圾额定处理量（入炉）（）垃圾低位发热量（）主蒸汽压力 主蒸汽温度 主蒸汽质量流量（）饱和蒸汽（汽包出口处）压力 饱和蒸汽（汽包出口处）温度 饱和蒸汽（汽包出口处）质量流量（）乏汽压力 乏汽温度 乏汽质量流量（）排烟温度 锅炉效率 厂用电功率 净发电功率 发电效率 系统，如图所示。集成系统中，汽轮机被分为高压缸和低压缸。当太阳辐射充足时，高压缸与低压缸之间的控制阀关闭，蒸汽在高压缸膨胀做功后直接进入太阳能辅助再热器，在太阳能辅助再热器中与导热油完成换热，导热油将槽式集热器收集的太阳能传递给蒸汽，完成蒸汽再热过程。再热后的高温蒸汽随后进入低压缸继续膨胀做功。当太阳辐射不足时，开启控制阀，停运太阳能辅助再热系统。高压缸排汽经旁路直接进入低压缸膨胀做功，垃圾焚烧表案例垃圾焚烧机组回热系统基本参数 参数 抽汽给水压力 温度 质量流量（）出口压力 进口温度 出口温度 出口质量流量（）疏水温度 发电机组单独运行。当有太阳能输入时，新系统在运行过程中通过维持太阳镜场出口导热油温度稳定不变来保证机组的稳定运行。导热油在镜场吸收的热量与镜场收集的太阳能正相关，由于不同时刻的太阳辐射不同，导热油流量会及时跟踪变化，以保证镜场导热油出口温度稳定，即一旦镜场从太阳光中获得的热能上升或下降，就通过调节导热油泵来提高或降低导热油流量，通过该运行方式来维持太阳镜场出口处的导热油温度不变，以保证机组的稳定运行。因此，系统设计点再热参数的选取要适当。再热机组最优再热压力的选取已经有较为成熟的结论。机组最佳再热压力约为蒸汽初压的 ，当再热前有回热抽汽时取 ，当再热前无回热抽汽时取 。再热后蒸汽温度将根据换热器温差和主蒸汽参数确定。新系统将太阳能与垃圾焚烧电站耦合，不仅有助提高发电系统的循环效率，而且相比于常规纯太阳能发电动力工程学报第 卷图太阳能辅助垃圾焚烧发电系统示意图 系统，该集成系统不需要增设储能设备，可减少系统投资。系统模拟 模型建立利用 软件对案例机组和新系统进行建模仿真。该软件广泛用于发电领域热力学建模，分为设计模式和非设计模式，前者用于建立物理布局并确定模型额定参数，后者利用特性曲线来计算不同工况下的系统参数。已有学者验证了该热力学建模软件的可靠性。本文根据案例机组的设计参数，搭建了该案例机组的设计模型，并将模型计算结果与案例机组的设计参数进行比较验证，验证结果如表所示。各主要 参 数 相 对 误 差 较 小，乏 汽 质 量 流 量 误 差 为 ，净发电功率误差为 ，发电效率误差为 。该仿真模型准确可靠。太阳能辅助再热系统参数系统所选定的设计点工况为月 日太阳正午。根据蒸汽再热需求，设计了太阳能镜场，表表模型验证结果 参数设计参数仿真计算主蒸汽压力 主蒸汽温度 主蒸汽质量流量（）饱和蒸汽（汽包出口处）压力 饱和蒸汽（汽包出口处）温度 饱和蒸汽（汽包出口处）质量流量（）乏汽压力 乏汽温度 乏汽质量流量（）净发电功率 发电效率 给出了镜场基本参数。本研究的太阳能辅助再热系统选用 商用槽式集热器，导热流体采用 。集热器采用南北轴向布置。根据式（）计算得到设计点太阳能镜场效率（）为 。，（，），（）式中：为现场的直接法向辐射，；为镜场光学效率；，为太阳能镜场总面积，；为入射角修正因子；为清洁因子；为集热器数量；为集热器长度，；，为太阳能场入口的线性热损失，；，为太阳能场平均线性热损失，；，为太阳能场出口的线性热损失，第期吴芸芸，等：太阳能辅助垃圾焚烧发电系统及其性能研究表太阳能镜场基本参数 参数数值集热器组件长度 集热器组件宽度 玻璃外壳外径 玻璃外壳内径 吸收管外径 吸收管内径 集热器组件有效光学面积 最大光学效率 集热器组件数量镜场总有效面积 镜场单位厂用电功率（）设计点镜场效率 ；为管道损失，。在太阳能辅助再热系统中，蒸汽在高压缸中做功后进入再热器进行再热，通过 软件仿真计算得出设计点工况下太阳能辅助再热器的参数，如表所示。为了满足导热油的温度特性，将入口压力设定为 ，出口压力设为 ，导热油在辅助再热器中吸收太阳能热量后从 升温至 ，再热器进口蒸汽温度为 ，进口压力为 。高压缸出口蒸汽质量流量为 ，将其中 的蒸汽导入空气预热器中预热空气，对剩余 蒸 汽 进 行 再 热，蒸 汽 从 导 热 油 中 吸 收 热量，升温至 ，压力降到 。表太阳能辅助再热器基本参数 参数数值导热油蒸汽入口压力 出口压力 入口温度 出口温度 质量流量（）入口压力 出口压力 入口温度 出口温度 质量流量（）热负荷 热力学评价指标太阳能与化石燃料集成系统中，总能量转换效率（）常被用来评估系统整体性能，本文将其定义为总输出能量与总输入能量之比：（）式中：为净总发电功率，；为垃圾输入能量，；为太阳能输入能量，。，（），（）式中：为生活垃圾的低位发热量，；，为生活垃圾给料量，。将集成系统的垃圾焚烧发电功率（，）视为固定不变，太阳能净发电功率（，）为：（）太阳能发电功率占比（）定义为：（）采用光电效率（）来评估太阳能的利用率，表达式如下：（）年平均光电效率（，）定义式为式（），用来衡量长时间段的太阳能利用率：，（，）（，）（）式中：，为该年第 的平均太阳能净发电功率，；，为该年第 的平均太阳能输入能量，。基本假设基于案例机组，对太阳能辅助垃圾焚烧发电系统进行热力学分析。为了明确新系统的收益，对案例机组和新系统进行以下基本假设：（）生活垃圾给料量固定不变；（）垃圾焚烧电站主蒸汽的压力和温度保持不变；（）垃圾焚烧炉的排气温度和效率恒定不变；（）垃圾焚烧电站的厂用电率保持不变；（）环 境 温 度 和 压 力 分 别 为 和 ；（）环境影响忽略不计。分析与讨论 热力学性能表现将案例机组与太阳能辅助垃圾焚烧发电系统的综合性能进行比较，结果如表所示。设计点工况的 为 ，输入 太阳能。蒸汽在太阳能辅助再热器中再热升温到 ，升温后的蒸汽进入低压缸继续膨胀做功，新系统的总动力工程学报第 卷发电功率增至 。由于垃圾输入能量不变，增加的净发电功率全部来自太阳能，即太阳能净发电功率为 ，新系统太阳能发电占比为 ，光电效率达 。太阳能辅助蒸汽再热为垃圾焚烧机组增加了再热循环，新系统总能量转换效率提高了 个百分点。表案例机组与太阳能耦合机组热力性能对比 参数案例机组新系统差值垃圾输入能量 （）太阳能输入能量 主蒸汽（高压缸入口）压力 主蒸汽（高压缸入口）温度 主蒸汽（高压缸入口）质量流量（）再热蒸汽（低压缸入口）压力 再热蒸汽（低压缸入口）温度 再热蒸汽（低压缸入口）质量流量（）锅炉效率 总发电功率 净发电功率 垃圾净发电功率 太阳能净发电功率 太阳能发电占比 总能量转换效率 光电效率 热力学分析图为案例机组与太阳能辅助垃圾焚烧发电系统理想循环温熵示意图。为确定太阳能辅助垃圾焚烧发电系统的理论收益，对案例机组和新系统进行理想热力学循环分析，分析前对系统作以下假设：（）系统处于稳态运行，忽略环境影响；（）不考虑回热过程，并忽略给水泵耗功；（）汽轮机热力学过程简化为可逆绝热过程，即等熵膨胀过程；（）工质在和 点为饱和蒸汽状态；（）忽略管道和其他设备的压降和摩擦损失。案例机组的循环为一个理想的朗肯循环（）。从状态到状态是一个等压过程，在这个过程中，工质通过垃圾焚烧炉等压加热，在过热状态下图案例机组与太阳能辅助垃圾焚烧发电系统理想循环温熵示意图 离开锅炉。经过锅炉的过热蒸汽在汽轮机内等熵膨胀做功（），做功后的蒸汽进入凝汽器，并经过冷凝，将废热排到周围环境（）。通过完成上述理想的 热 力 学 过 程，案 例 机 组 的 理 论 循 环 效 率 达到 。太阳能辅助垃圾焚烧发电系统在温熵图中为一个理想的再热循环（），利用太阳能给原案例机组循环增加了再热过程，因为主蒸汽的参数固定不变，过程保持不变。在新系统中，过热蒸汽在高压缸中膨胀做功，在状态时离开高压缸，然后在太阳能辅助再热器中被等压加热到状态。再热后的蒸汽进入低压缸继续膨胀做功到状态，最后乏汽进入凝汽器冷凝到状态。聚光太阳能的引入为循环增加了一个太阳能驱动的再热过程（），蒸汽可以在低压缸中实现二次膨胀过程（），系统轴功有所增加，所提出的太阳能辅助垃圾焚烧发电系统的理论循环效率可达到 ，比参考的案例机组理论循环效率高出 个百分点。图和图分别为案例机组和太阳能辅助垃圾焚烧发电系统的能量流动示意图。案例机组和新系统的生活垃圾给料量保持不变，即生活垃圾输入能量不 变，均 为 ，并 设 定 其 为 基 准 值 。案例机组和新系统主蒸汽进入汽轮机的能量都为 ，这是由于个系统主蒸汽参数设定一致。可以看出，个系统锅炉的输入能量一致，输出到汽轮机的能量相同，因此锅炉的热损失不变，均占比 。在太阳能辅助垃圾焚烧发电系统中，导热油通过太阳能集热场从太阳辐射中获得 的能量，蒸汽再在太阳能辅助再热器中被导热油加热，经过再热的蒸汽进入汽轮机继续做功。由于进入汽轮机的蒸汽参数提高，汽轮机的轴功输出提高了 。新系统引入的太阳能辅第期吴芸芸，等：太阳能辅助垃圾焚烧发电系统及其性能研究助加热系统将造成额外的厂用电，厂用电量增加了 ，但这相比于增加的轴功是很小的。综上所述，在垃圾输入能量不变的条件下，太阳能辅助垃圾焚烧发电系统的总能量转换效率提高了 个百分点，净发电量增加了 ，同时可以实现较高的光电效率（）。图案例机组能量流动示意图 图太阳能辅助垃圾焚烧发电系统能量流动示意图 敏感性分析新系统位于我国西北内陆地区，当地为温带大陆性气候，海拔较高，太阳辐射较强，是全国日照资源丰富的地区。图和图为当地某典型年份的 分布和环境温度的逐时数据。全 年总 为 （），全 年 太 阳 辐 照 持 续 时 间 为 。在不同太阳能条件下对新系统进行敏感性分析。当太阳能辅助再热系统运行时，为了保证集热场出口导热油温度稳定，导热油流量会及时跟踪变化。导热油系统的设计规模较大，同时其保温性能较好，因此无太阳能输入时导热油仍保持较高的温度。如果集热场收集的太阳能热量上升或下降，则立刻通过调节导热油泵来提高或降低导热油流量，以保持集热场出口导热油温度固定不变。在其他气象参数不变的情况下，不同 条件下新系统的性能表现如图所示。当 为 时，随着 增大，太阳能净发电功率大幅度增加，这是由于再热蒸汽吸收太阳能，做功能力提升后进入蒸汽动力循环，产生更多的太阳能发电输出功率和更高的光电效率。当 从 增加到 时，光电效率从 增大到 ，即新系统可在较大范围的太阳辐射条件下动力工程学报第 卷图典型年 分布 图典型年环境温度分布 图不同 条件下太阳能辅助发电系统性能表现 高效运行。选取个典型季节日（月 日、月 日、月 日和 月 日）对新系统进行性能分析，图和图 分别为 个气象典 型 日 内新系 统的 分布与太阳能净发电功率变化。在月 日，太阳能净发电功率最大值达到 。由于冬季太阳能辐射条件很差，月 日当日最大太阳能净发电功率为 。在月 日和月 日，太阳能净发电功率峰值范围约为 。个典型气象日的辐射条件最好的时段集中在：，但该时间段新系统的性能表现未达峰值。这是由于太阳能辅助垃圾焚烧发电系统性能不仅与太阳辐射条件相关，还和镜场效率有关，虽然 通常在北京时间：达到峰值，但镜场效率一般在：或：达到峰值，这主要是受太阳入射角的影响。：这一时间段太阳入射角较大，给集热场收集太阳能带来负面影响，造成较大的光损失，这意味着更低的镜场效率。因此，新系统在：或：由于更高的光电效率而产生更多的太阳能净发电功率。图典型日 分布 图 典型日太阳能净发电功率 基于图和图所示的气象数据，对新系统进行逐时仿真，典型年性能表现如图 所示。月总太阳能净发电量与月均光电效率变化趋势一致。总体而言，月总太阳能净发电量与月均光电效率随着月总 的增减而增减。月和月太阳辐照条件最好，新系统可增加 的发电量，月均光电效率高达 。月太第期吴芸芸，等：太阳能辅助垃圾焚烧发电系统及其性能研究阳辐照条件最差，月总太阳能净发电量较少，仅为 ，月均光电效率仅为 。全年太阳能净发电量为 ，平均光电效率为 ，这高于使用槽式集热器的常规太阳能热电厂的光电效率（通常为 ）。常规太阳能热电厂中，槽式集热器收集到的太阳热能通过一个典型的蒸汽朗肯循环转化为电能，但受到主蒸汽参数的限制，循环效率相对较低。新系统利用太阳能再热垃圾焚烧电站的蒸汽以提高蒸汽参数，达到有效利用太阳能的目的，同时垃圾焚烧电站由于新增再热循环，将具有更高的系统总能量转换效率。与传统太阳能热电厂相比，新系统可实现相对较高的光电效率。图 典型年太阳能辅助垃圾焚烧发电系统性能表现 为了增加系统的普适性，对新系统进行了全厂性能分析。假设各炉的垃圾处理量一样，均为 ，在炉机的配置方式下，假设号炉出口蒸汽平均分配给号机组和号机组。不同机型配置系统性能分析结果如图 所示。在炉机的配置方式下，系统总能量转换效率最高，这主要得益于该机型配置下进入汽轮机的蒸汽量最多，即规模扩大有助于增大系统效率。新系统在炉机、炉机、炉机等机型配置下都表现出较好的性能。图 不同机型配置系统的性能 经济性分析为了检验新系统的经济可行性，下文针对该系统进行了经济性分析。新系统垃圾焚烧发电模块的成本和收入与案例机组一致，因此主要针对新耦合的太阳能辅助再热系统的经济性能进行单独评估。经济性分析的基本参数如表所示。表经济性分析基本参数 参数数值镜场单位成本（元）镜场占地面积 倍镜场面积占地单位成本（元）年度运维成本初始投资 年度集热场替换成本镜场成本 利率太阳能辅助再热系统生命周期 与案例机组相比，新系统增加或者改造了一些组件，其增量成本被看作是太阳能辅助再热子系统的投资成本，即增加了太阳能集热场（额外占地）、太阳能辅助再热器、导热油泵，用于组建太阳能辅助再热系统。另外，垃圾焚烧发电模块的汽轮机和发电机的容量需要扩大，相关设备成本估算方法以及经济性参数计算方法可参考文献 文献 ，太阳能辅 助 再 热 系 统 的 经 济 性 能 评 估 结 果 如 表所示。表太阳能辅助再热系统经济性分析结果 参数数值总固定投资成本万元 年度运维成本万元 年度太阳能净发电量（）年收入万元 年度现金流入万元 度电成本（元）动态回收周期 净现值万元 年度太阳能净发电量为 ，销售太阳能净发电量的年收入为 万元。年度运维成本为 万元，年度净现金流入为 万元。太阳能辅助再热系统的度电成本为 元（），低于普通的太阳能热电厂度电成本动力工程学报第 卷（元（），且动态回收周期处在常 规 太 阳 能 热 电 厂 的 范 围 内（），与传统太阳能热电厂相比，新系统是经济可行的。结论（）系统耦合提高了蒸汽动力循环性能，生活垃圾给料量不变，系统理论循环效率提高了 个百分点，净发电功率增加了 ，光电效率达 ，太阳能发电占比为 。（）太阳能净发电在：或：性能最佳，全年个典型日的系统性能变化趋势基本一致。（）新系统在大范围的 下表现良好，月均光电效 率 在 ，年 均 光 电 效 率 为 ，集 成 系 统 年 度 太 阳 能 净 总 发 电 量 为 。（）新系统度电成本低至 元（），低于普通的太阳能热电厂度电成本，动态回收周期为 ，处在常规太阳能热电厂的动态回收周期范围内，与传统的太阳能热电厂相比，新系统是经济可行的。参考文献：国家统计局中国统计年鉴北京：中国统计出版社，：，：张晓斌，戴小东，熊君霞，等垃圾焚烧发电项目余热锅炉中参数和高参数的对比分析能源研究与信息，（）：，（），（）：，：，（）：，：付立，樊雪，侯宏娟，等槽式太阳能辅助燃煤发电系统热性能研究动力工程学报，（）：，（）：姜锦涛，李春曦，董志坚，等太阳能辅助燃煤碳捕集发电机组的变工况热力性能研究动力工程学报，（）：，（）：，：，：，：王修彦，韩露槽式太阳能聚光集热器传热性能研究动力工程学报，（）：，（）：，：邓建玲，杨志平，陶新磊，等二次再热机组再热压力的 选 取 汽 轮 机 技 术，（）：，（）：，赵世飞，王为术，刘军 超临界二氧化碳燃煤发电系统热力学性能分析热力发电，（）：第期吴芸芸，等：太阳能辅助垃圾焚烧发电系统及其性能研究 ，（）：，（）：，：，：，：，：，（）：，：，：，（）：，（），：，：（上接第 页），（）：张治愚进风预喷淋空冷塔的数值模拟及其性能调控机制研究济南：山东大学，刘严雪，何锁盈，张治愚，等双喷嘴布置间距对蒸发冷却性能影响的数值模拟中国电机工程学报，（）：，（）：，：李恒凡，焦世权，韩中合基于二次回归正交试验的脱硫废水蒸发特性分析动力工程学报，（）：，（）：，动力工程学报第 卷