大型垃圾焚烧炉中压锅炉过热蒸汽压力允许变化范围研究

摘要

大型垃圾焚烧炉的中压锅炉过热蒸汽压力控制是保障发电效率、设备安全及环保达标的核心环节。根据行业标准与工程实践，中压锅炉过热蒸汽压力允许变化范围通常为±0.05MPa，该参数通过动态调节垃圾进料量、风量配比及燃烧工况实现精准控制。本文结合国内外技术规范与典型案例，系统分析压力波动的影响机制、控制策略及优化路径，为垃圾焚烧发电厂运行管理提供技术参考。

一、中压锅炉蒸汽参数的技术标准

中压锅炉作为垃圾焚烧发电系统的核心设备，其蒸汽参数直接影响发电效率与设备寿命。

1. 压力参数范围
   根据我国电站锅炉现行标准，中压锅炉出口蒸汽压力通常为3.83-4.90MPa，允许波动范围为±0.05MPa。例如，某垃圾焚烧厂采用中温中压参数（4.0MPa、400℃），通过DCS系统将压力波动控制在±0.03MPa以内，确保蒸汽品质稳定。

2. 温度参数范围
   中压锅炉过热蒸汽温度一般为400-450℃，允许变化范围为±5℃至±10℃。例如，某电厂采用6.4MPa/450℃的中温次高压参数，通过减温水量调节将温度波动控制在±8℃以内，避免因温度过高导致汽轮机叶片损坏。

3. 参数匹配原则
   蒸汽压力与温度需与垃圾热值、焚烧工况动态匹配。例如，当垃圾热值从5000kJ/kg降至4000kJ/kg时，需降低蒸发量10%-15%，同时调整压力设定值至3.8MPa，防止蒸汽参数超限。

二、压力波动的影响机制

过热蒸汽压力波动对垃圾焚烧系统的运行效率、设备安全及环保指标具有显著影响。

1. 发电效率影响
   压力波动超过±0.05MPa时，汽轮机效率下降3%-5%。例如，某电厂实测数据显示，当压力从4.0MPa降至3.8MPa时，汽轮机输出功率减少120kW，年发电量损失约100万kWh。

2. 设备安全风险
   压力突变可能导致汽包水位异常、安全阀频繁启跳等问题。例如，某垃圾焚烧厂因压力骤升至4.2MPa（超限0.2MPa），触发安全阀动作，导致蒸汽损失约5吨/小时，并造成汽包壁温差超标，被迫停炉检修。

3. 环保指标波动
   压力不稳定会影响烟气处理效果。例如，当压力波动导致燃烧工况变化时，一氧化碳排放量可能从80mg/Nm³升至120mg/Nm³，二噁英排放浓度从0.01ngTEQ/m³升至0.03ngTEQ/m³，接近欧盟标准限值。

三、压力控制的技术体系

实现中压锅炉过热蒸汽压力稳定需构建多层级控制系统。

1. 硬件配置要求
   • 压力传感器：采用冗余设计，安装于过热器出口管段，测量精度±0.01MPa，响应时间≤1秒。
   • 执行机构：配备电动调节阀与变频风机，调节精度±0.5%，响应时间≤5秒。
   • 安全装置：设置双安全阀（整定压力分别为4.1MPa与4.2MPa），并配备压力超限报警系统。
2. 控制策略设计
   • 前馈-反馈控制：根据垃圾进料量、热值等前馈信号，结合压力偏差反馈，动态调整一次风量与给料速度。例如，某电厂通过建立垃圾热值预测模型，实现压力调节滞后时间从30秒缩短至8秒。
   • 多变量耦合控制：将压力控制与炉膛温度、氧含量等参数联动。例如，当压力升高时，系统自动降低炉排速度并增加过剩空气量，维持燃烧稳定性。
   • 智能优化算法：采用模糊PID控制算法，根据压力波动幅度自动调整控制参数。例如，某垃圾焚烧厂通过引入机器学习模型，实现压力波动幅度降低40%。

四、典型工况下的压力调节策略

针对不同运行阶段，需采取差异化的压力控制措施。

1. 启炉阶段
   启动前需建立初始压力（3.5-3.8MPa），通过燃油燃烧器逐步升温至850℃。期间需严格控制升温速率（≤100℃/h），避免压力突变。例如，某电厂启炉时通过分级投料策略，将压力波动范围从±0.1MPa缩小至±0.03MPa。

2. 稳燃阶段
   维持压力在4.0±0.05MPa，通过实时监测氧含量（6%-8%）调整风量配比。例如，某垃圾焚烧厂通过安装激光氧量分析仪，实现风量调节滞后时间从30秒缩短至8秒。

3. 异常工况处理

   • 结焦工况：当余热锅炉结焦时，适当增加过剩空气量（氧含量提升至10%-12%），并降低垃圾处理量10%-15%。
   • 炉排卡涩：立即停炉并启动液压系统应急程序，同时调整压力至3.5MPa以下，防止烟气倒灌。
   • 耐火材料损坏：降低蒸发量20%-30%，增加过剩空气系数至1.3-1.5，并启动炉墙冷却风机。

五、技术挑战与解决方案

中压锅炉压力控制面临垃圾成分波动、设备老化等挑战，需通过技术创新提升系统鲁棒性。

1. 垃圾成分不确定性
   城市生活垃圾含水率波动大（30%-60%），导致燃烧特性难以预测。解决方案包括：
   • 建立垃圾热值在线监测系统，实时调整给料量与风量配比。
   • 采用双燃料燃烧器，当垃圾热值低于5000kJ/kg时自动切换燃油辅助燃烧。
2. 设备老化与磨损
   调节阀、传感器等部件长期运行后易出现泄漏或精度下降。优化措施包括：
   • 每月对调节阀进行密封性检测，并校准传感器零点漂移。
   • 安装振动传感器监测设备运行状态，提前预警故障。
3. 环保标准升级
   新国标GB 18485-2014要求炉膛温度≥850℃且停留时间≥2秒。技术升级方向包括：
   • 采用低合金钢与高镍合金过热器管材，提升蒸汽参数至450℃/6.5MPa。
   • 安装SNCR脱硝系统，降低氮氧化物排放至100mg/Nm³以下。

六、未来发展趋势

1. 超临界参数应用
   欧美国家已试点蒸汽参数达600℃/30MPa的超临界垃圾焚烧技术，热效率突破35%。

2. 智能化控制系统
   基于机器学习的压力预测模型，可提前10分钟预警压力异常，并自动生成调节方案。

3. 协同处置技术
   将污泥、工业固废与垃圾混合焚烧，通过优化配比稳定燃烧工况，降低压力波动幅度。

七、案例分析：某垃圾焚烧厂压力控制优化实践

某垃圾焚烧厂原采用中温中压参数（4.0MPa/400℃），压力波动范围±0.1MPa。通过以下改造实现压力控制优化：

1. 升级DCS系统，引入模糊PID控制算法；
2. 安装激光氧量分析仪与垃圾热值预测模型；
3. 采用冗余压力传感器与电动调节阀。
   改造后，压力波动范围缩小至±0.03MPa，汽轮机效率提升2.3%，年发电量增加150万kWh，二噁英排放浓度降至0.01ngTEQ/m³。

结论

大型垃圾焚烧炉中压锅炉过热蒸汽压力控制是涉及燃烧学、热力学与自动控制的复杂系统工程。通过建立“监测-调节-保护”三位一体的控制体系，结合智能算法与设备升级，可实现发电效率、环保指标与设备寿命的协同优化。未来，随着超临界技术与AI算法的深度融合，垃圾焚烧发电厂将向更高效率、更低排放的方向发展。