CN114060113B - 基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法及装置 - Google Patents

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CN114060113B CN202111376337.9A CN202111376337A CN114060113B CN 114060113 B CN114060113 B CN 114060113B CN 202111376337 A CN202111376337 A CN 202111376337A CN 114060113 B CN114060113 B CN 114060113B
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Abstract

本发明公开了一种基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法及装置。本发明提供了一种基于综合性能定量表征的垃圾电厂优化方法，该方法可以根据综合性能定量表征系数分析垃圾焚烧发电过程的能量转化环节，从垃圾焚烧能源系统的整体机组出发，并未对其中单个元件有所侧重，针对选择不同优化技术的工艺流程，从宏观角度上对垃圾焚烧厂的能效进行分析，能够从不同的能效提升优化方案中筛选出能效提升幅度最高的最佳方案，用于指导如何提高垃圾电厂中机组的能量利用率。

Description

基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法及装置
技术领域
本发明涉及能源效率分析技术领域，特别涉及垃圾焚烧发电厂的流程优化。
背景技术
垃圾是人们在日常生活中或为日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，随着垃圾产量的增长和公众环保意识的提高，焚烧成为了我国垃圾处置的主要方式。与其他处理方法相比，垃圾焚烧以发展循环经济为指导思想，可以实现垃圾减容85％～90％以上，还可以利用余热进行发电和供热，因此是一种主流的发展方向。
随着余热回用、热能梯级利用等技术的不断发展，现有的垃圾电厂往往在多个流程环节上都存在可以进行改造提升热能利用效益的空间。本发明将对现有垃圾电厂进行改造以提升其能效利用水平的方案称为能效提升优化方案。但是面对不同的能效提升优化方案时，如何评估改造后的垃圾电厂综合能效水平，进而选择能效最佳的改造方案，是目前亟待解决的技术问题。
垃圾焚烧的流程主要由储存与运输环节、垃圾焚烧环节、烟气净化环节、灰渣处理环节和热能利用环节组成，为了尽可能减少资源消耗，需要对垃圾焚烧的热能利用效益进行分析，以优化流程减小能量损失。利用能源的本质是为了满足需求而通过能源的能量来做功，对垃圾焚烧电厂(简称垃圾电厂)来说，常见的效益评估指标是全厂热效率，即利用能量转换过程中能量的利用程度来衡量或评价热效率。但能量不仅有数量多少之分，其质量也有高低，依据热力学第一、第二定律提出的
Figure BDA0003363988620000011
平衡分析法，除了分析能量数量的变化情况，更可以反映能量转换过程中品质的下降过程。常规的
Figure BDA0003363988620000012
分析法更多地针对能量转化的某个环节(某个设备)，并未涉及宏观的垃圾电厂的能效评估，且无法分析过程中能量的可利用潜力，用于指导垃圾焚烧发电流程有一定局限性。此外，随着相关法律法规的修订实施，焚烧的垃圾中工业固废含量大幅增加，垃圾的热转化特性也需要重新计算。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法、装置及介质。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法，其包括：
S1、针对目标垃圾电厂的垃圾焚烧系统和热力发电系统，分别获取两个系统在运行状态下的工况参数，并根据工况参数计算每个系统各自的
Figure BDA0003363988620000023
效率，每个系统的
Figure BDA0003363988620000024
效率为该系统的有效
Figure BDA0003363988620000025
和输入总
Figure BDA0003363988620000026
的比值；以所述垃圾焚烧系统的
Figure BDA0003363988620000027
效率ηex,wi和所述热力发电系统的
Figure BDA0003363988620000028
效率ηex,tp的乘积作为目标垃圾电厂当前的综合性能定量表征系数χ；
所述垃圾焚烧系统的
Figure BDA0003363988620000029
效率ηex,wi计算公式为：
Figure BDA0003363988620000021
所述热力发电系统的
Figure BDA00033639886200000210
效率ηex,tp计算公式为：
Figure BDA0003363988620000022
式中：Df表示焚烧炉给料量；Dpa表示进入焚烧炉炉膛的风的质量流量；Dvp,tp表示汽轮机入口蒸汽流量；Dfw,fu表示锅炉主给水流量；Dfw,i表示第i级减温器的喷水量；Qpa表示进入炉膛空气的风能；Qvp,fu表示锅炉出口蒸汽能；Qvp,tp表示汽轮机入口蒸汽能；Qfw,fu表示锅炉给水的热能；Qfw,i表示各级减温器喷水对应的热能；ef表示可燃固废的化学比
Figure BDA00033639886200000211
；Eec,wi表示垃圾焚烧系统设备用电的电能；Eec,o表示热力发电系统发电机的电能；Eec,tp表示热力发电系统设备用电的电能；λpa表示风能的能质系数；λec表示电能的能质系数；λfw表示锅炉给水的能质系数；λvp表示蒸汽的能质系数；
S2、获取目标垃圾电厂所有待选的能效提升优化方案，并获取每一套能效提升优化方案拟应用后目标垃圾电厂在运行状态下的设计工况参数，再根据设计工况参数重新计算目标垃圾电厂拟应用每一套能效提升优化方案后的综合性能定量表征系数χk，其中：
Figure BDA0003363988620000031
式中：Dfw,sc表示凝汽器出口水流量；Dvp,ex表示再热蒸汽流量；Qfw,fp表示给水泵入口给水的热能；Qfw,sc表示凝汽器出口水的热能；Qvp,ex表示再热器出口蒸汽的热能；Qvp,rh表示再热器入口蒸汽的热能；λfw,fp表示给水泵入口给水的能质系数；λfw,sc表示凝汽器出口水的能质系数；λvp,ex表示再热器出口蒸汽的能质系数；λvp,rh表示再热器入口蒸汽的能质系数；
S3、选择综合性能定量表征系数χk相对于综合性能定量表征系数χ提升幅度最大的能效提升优化方案作为能效最优方案，用于对目标垃圾电厂进行余热回用的流程优化。
作为上述第一方面的优选，所述目标垃圾电厂中，所述垃圾焚烧系统包括焚烧-余热锅炉，所述热力发电系统包括汽轮机、凝汽器、发电机和给水泵，固废垃圾在焚烧-余热锅炉中通过焚烧转变为热能并利用热能将给水加热成蒸汽，蒸汽进入汽轮机中使汽轮机驱动发电机进行发电，汽轮机输出的乏汽经过凝汽器冷凝成水并经过除氧后重新由给水泵输入焚烧-余热锅炉进行加热。
作为上述第一方面的优选，所述待选的能效提升优化方案包括烟气回热技术和蒸汽中间再热技术。
作为上述第一方面的优选，所述可燃固废的化学比
Figure BDA0003363988620000032
ef通过基元表征方法进行计算。
第二方面，本发明提供了一种基于综合性能定量表征的垃圾电厂优化装置，其包括：
第一计算模块，用于针对目标垃圾电厂的垃圾焚烧系统和热力发电系统，分别获取两个系统在运行状态下的工况参数，并根据工况参数计算每个系统各自的
Figure BDA0003363988620000033
效率，每个系统的
Figure BDA0003363988620000034
效率为该系统的有效
Figure BDA0003363988620000035
和输入总
Figure BDA0003363988620000036
的比值；以所述垃圾焚烧系统的
Figure BDA0003363988620000037
效率ηex,wi和所述热力发电系统的
Figure BDA0003363988620000038
效率ηex,tp的乘积作为目标垃圾电厂当前的综合性能定量表征系数χ；
所述垃圾焚烧系统的
Figure BDA0003363988620000039
效率ηex,wi计算公式为：
Figure BDA0003363988620000041
所述热力发电系统的
Figure BDA0003363988620000044
效率ηex,tp计算公式为：
Figure BDA0003363988620000042
式中：Df表示焚烧炉给料量；Dpa表示进入焚烧炉炉膛的风的质量流量；Dvp,tp表示汽轮机入口蒸汽流量；Dfw,fu表示锅炉主给水流量；Dfw,i表示第i级减温器的喷水量；Qpa表示进入炉膛空气的风能；Qvp,fu表示锅炉出口蒸汽能；Qvp,tp表示汽轮机入口蒸汽能；Qfw,fu表示锅炉给水的热能；Qfw,i表示各级减温器喷水对应的热能；ef表示可燃固废的化学比
Figure BDA0003363988620000045
；Eec,wi表示垃圾焚烧系统设备用电的电能；Eec,o表示热力发电系统发电机的电能；Eec,tp表示热力发电系统设备用电的电能；λpa表示风能的能质系数；λec表示电能的能质系数；λfw表示锅炉给水的能质系数；λvp表示蒸汽的能质系数；
第二计算模块，用于获取目标垃圾电厂所有待选的能效提升优化方案，并获取每一套能效提升优化方案拟应用后目标垃圾电厂在运行状态下的设计工况参数，再根据设计工况参数重新计算目标垃圾电厂拟应用每一套能效提升优化方案后的综合性能定量表征系数χk，其中：
Figure BDA0003363988620000043
式中：Dfw,sc表示凝汽器出口水流量；Dvp,ex表示再热蒸汽流量；Qfw,fp表示给水泵入口给水的热能；Qfw,sc表示凝汽器出口水的热能；Qvp,ex表示再热器出口蒸汽的热能；Qvp,rh表示再热器入口蒸汽的热能；λfw,fp表示给水泵入口给水的能质系数；λfw,sc表示凝汽器出口水的能质系数；λvp,ex表示再热器出口蒸汽的能质系数；λvp,rh表示再热器入口蒸汽的能质系数；
选择模块，用于选择综合性能定量表征系数χk相对于综合性能定量表征系数χ提升幅度最大的能效提升优化方案作为能效最优方案，用于对目标垃圾电厂进行余热回用的流程优化。
作为上述第二方面的优选，所述目标垃圾电厂中，所述垃圾焚烧系统包括焚烧-余热锅炉，所述热力发电系统包括汽轮机、凝汽器、发电机和给水泵，固废垃圾在焚烧-余热锅炉中通过焚烧转变为热能并利用热能将给水加热成蒸汽，蒸汽进入汽轮机中使汽轮机驱动发电机进行发电，汽轮机输出的乏汽经过凝汽器冷凝成水并经过除氧后重新由给水泵输入焚烧-余热锅炉进行加热。
作为上述第二方面的优选，所述待选的能效提升优化方案包括烟气回热技术和蒸汽中间再热技术。
作为上述第二方面的优选，所述可燃固废的化学比
Figure BDA0003363988620000051
ef通过基元表征方法进行计算。
第三方面，本发明提供了一种基于综合性能定量表征的垃圾电厂优化装置，其包括存储器和处理器；
所述存储器，用于存储计算机程序；
所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如第一方面任一方案所述的基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本发明提供了一种基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法，该方法可以根据综合性能定量表征系数分析垃圾焚烧发电过程的能量转化环节，从垃圾焚烧能源系统的整体机组出发，并未对其中单个元件有所侧重，针对选择不同优化技术的工艺流程，从宏观角度上对垃圾焚烧厂的能效进行分析，能够从不同的能效提升优化方案中筛选出能效提升幅度最高的最佳方案，用于指导如何提高垃圾电厂中机组的能量利用率。
本发明利用了
Figure BDA0003363988620000052
平衡分析法，同时从数量和质量上对能量利用进行评估，量化了垃圾焚烧系统和热力发电系统的能量利用程度，通过能质系数对能量的作功能力进行评价，可以分析垃圾焚烧发电过程中能量的可利用潜力，有利于选择优化垃圾焚烧厂能量转化环节的最佳方案。
本发明在面对不同垃圾电厂不同组成的可燃固废，可使用基元表征方法来计算各种来源的可燃固废的热转化特性，即使焚烧垃圾中具体组分发生变化，仍能够根据实际情况计算垃圾的化学
Figure BDA0003363988620000053
，进而准确判断整体的综合能效，适用性强。
附图说明
图1为本发明涉及的基于综合性能定量表征系数优化垃圾电厂流程方法的流程图；
图2为本发明涉及的不使用余热利用技术的垃圾焚烧发电厂工艺流程图。
图3为本发明涉及的使用单级给水回热循环系统的垃圾焚烧发电厂工艺流程图。
图4为本发明涉及的使用炉外蒸汽再热技术的垃圾焚烧发电厂工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
本发明的目的是对垃圾电厂各设备的工况参数进行获取，从而对垃圾电厂进行能效分析，进而确定能够最大化提升垃圾电厂综合能效性能的优化方案，以便于后续对垃圾电厂的流程进行改造，提升垃圾电厂能量利用水平。
在叙述本发明具体采用的技术方案之前，先对本发明的原理进行简单介绍。
通过对垃圾焚烧发电流程的分析可知，根据确定的能量转换环节，可以将垃圾电厂生产工艺流程中涉及的设备划分成垃圾焚烧系统和热力发电系统。垃圾焚烧系统是指垃圾电厂中通过对垃圾进行焚烧，进而将垃圾中的化学能转变成热能，并通过利用热能将水加热成蒸汽的部分；而热力发电系统是指利用垃圾焚烧系统输送的蒸汽，由汽轮机驱动发电机旋转，将蒸汽的热能转化成机械能最后转变成电能的部分。常见的垃圾焚烧系统包括焚烧炉和余热锅炉，在焚烧炉通过焚烧过程将垃圾中的化学能转变成热能，并通过余热锅炉利用热能将水加热成蒸汽。在现有的大型垃圾电厂中，焚烧炉和余热锅炉往往是一体化的，即直接采用结合焚烧和余热利用两种功能的焚烧-余热锅炉。常见的热力发电系统包括汽轮机、凝汽器、发电机、给水泵等设备，蒸汽输入汽轮机后通过膨胀做功驱动发电机旋转，从而将蒸汽的热能转化成机械能最后转变成电能，汽轮机输出的乏汽经过凝汽器冷凝成水并经过除氧后重新由给水泵输入焚烧-余热锅炉进行加热。冷凝水进入焚烧-余热锅炉之前，若温度过低可以先进行初步加热。
分析垃圾电厂中上述两个系统内部
Figure BDA0003363988620000072
的流入和流出情况，即可利用
Figure BDA0003363988620000077
平衡分析法计算输入总
Figure BDA0003363988620000076
和有效输出
Figure BDA0003363988620000075
。其中，垃圾焚烧系统的输入总
Figure BDA0003363988620000074
包括燃料的化学
Figure BDA0003363988620000073
、炉膛风能
Figure BDA0003363988620000078
和设备用电的电量
Figure BDA0003363988620000079
，有效输出
Figure BDA00033639886200000710
包括将给水加热为主蒸汽所产生的
Figure BDA00033639886200000711
增量以及烟气加热给水过程中释放的
Figure BDA00033639886200000712
增量；热力发电系统的输入总
Figure BDA00033639886200000717
为输入汽轮机的蒸汽
Figure BDA00033639886200000716
和相关设备用电的电量
Figure BDA00033639886200000715
，有效输出
Figure BDA00033639886200000714
为发电机的发电功率。每个系统的有效
Figure BDA00033639886200000713
和输入总
Figure BDA00033639886200000718
的比值，即为垃圾焚烧系统的
Figure BDA00033639886200000719
效率。而垃圾焚烧电厂的综合性能定量表征指数χ即为各系统
Figure BDA00033639886200000720
效率的乘积
另外，在计算垃圾焚烧电厂的综合性能定量表征指数χ时，考虑到并不是全部能量都能够完全转换为功，故还需要引入能质系数λ来定量评价不同种类能源的作功能力：
Figure BDA0003363988620000071
其中：
Q表示该能源的总能量；
W表示总量中可以转化为功的部分；
Ex表示该能源的
Figure BDA00033639886200000721
值。
基于上述分析，综合性能定量表征指数χ可以用来表征垃圾电厂对于能源的综合利用效率，反应垃圾电厂的能效水平。
由此，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法，为了便于叙述将需要进行流程优化的垃圾焚烧电厂称为目标垃圾电厂。如图1所示，该优化方法的具体步骤包括S1～S3，下面分别详述如下：
S1、针对目标垃圾电厂的垃圾焚烧系统和热力发电系统，分别获取两个系统在运行状态下的工况参数，并根据工况参数计算每个系统各自的
Figure BDA0003363988620000083
效率，每个系统的
Figure BDA0003363988620000084
效率为该系统的有效
Figure BDA0003363988620000085
和输入总
Figure BDA0003363988620000086
的比值。其中垃圾焚烧系统的
Figure BDA0003363988620000087
效率记为ηex,wi，热力发电系统的
Figure BDA0003363988620000088
效率记为ηex,tp。需注意的是，计算垃圾焚烧系统的
Figure BDA0003363988620000089
效率ηex,wi和热力发电系统的
Figure BDA00033639886200000810
效率ηex,tp时，其所用的工况参数都是未经过任何能效提升优化方案优化的当前垃圾发电流程。其中上述两个系统的
Figure BDA00033639886200000811
效率各自可以采用以下计算公式计算：
a)垃圾焚烧系统的
Figure BDA00033639886200000812
效率ηex,wi计算公式为：
Figure BDA0003363988620000081
b)热力发电系统的
Figure BDA00033639886200000816
效率ηex,tp计算公式为：
Figure BDA0003363988620000082
式中：Df表示焚烧炉给料量；Dpa表示进入焚烧炉炉膛的风的质量流量；Dvp,tp表示汽轮机入口蒸汽流量；Dfw,fu表示锅炉主给水流量；Dfw,i表示第i级减温器的喷水量(i＝1,2,…,n，n为减温器的总级数)；Qpa表示进入炉膛空气的风能；Qvp,fu表示锅炉出口蒸汽能；Qvp,tp表示汽轮机入口蒸汽能；Qfw,fu表示锅炉给水的热能；Qfw,i表示各级减温器喷水对应的热能；ef表示可燃固废的化学比
Figure BDA00033639886200000815
；Eec,wi表示垃圾焚烧系统设备用电的电能；Eec,o表示热力发电系统发电机的电能；Eec,tp表示热力发电系统设备用电的电能；λpa表示风能的能质系数；λec表示电能的能质系数；λfw表示锅炉给水的能质系数；λvp表示蒸汽的能质系数。上述各参数的单位均可采用各自的标准计量单位，只要保持统一即可。
上述参数中，与设备相关的参数均可由各设备的设计运行参数确定，或者各设备上安装的传感器确定，与物料相关的参数可根据标准参数、经验参数确定或者根据相应的计算公式确定。其中，可燃固废是一种复杂的多组分混合物，而且其组分随着不同的来源或者不同的时间都会发生变化，因此其化学比
Figure BDA00033639886200000814
ef往往不存在标准参数或经验参数。在本发明中，可燃固废的化学比
Figure BDA00033639886200000813
ef可通过基元表征方法进行计算，基元表征方法通过基元表征系数结合组分的含量计算可燃固废的热转化特性(包括低位热值和水分的质量分数等)，该方法属于现有技术，可根据相关文献报道进行。
当得到当前垃圾发电流程对应的垃圾焚烧系统
Figure BDA0003363988620000093
效率ηex,wi和热力发电系统
Figure BDA0003363988620000094
效率ηex,tp后，即可以垃圾焚烧系统的
Figure BDA0003363988620000095
效率ηex,wi和热力发电系统的
Figure BDA0003363988620000096
效率ηex,tp的乘积作为目标垃圾电厂当前的综合性能定量表征系数χ，即：
Figure BDA0003363988620000091
S2、获取目标垃圾电厂所有待选的能效提升优化方案，并获取每一套能效提升优化方案拟应用后目标垃圾电厂在运行状态下的设计工况参数。其中，目标垃圾电厂待选的能效提升优化方案可由垃圾电厂自身综合确定，每一套方案应当包含对当前垃圾发电流程部分环节的能效提升改造，实现整个发电流程能源的梯级利用，并根据改造后的垃圾发电流程计算新的工况参数，即设计工况参数。具体的能效提升优化方案并非本发明的重点，可由垃圾电厂或者第三方提供。例如，在后续的实施例中，待选的能效提升优化方案为烟气回热技术和蒸汽中间再热技术，当然在其他实施例中亦可采用更多的其他方案代替。
对于每一套能效提升优化方案，可根据设计工况参数重新计算目标垃圾电厂拟应用每一套能效提升优化方案后的综合性能定量表征系数χk，其中：
Figure BDA0003363988620000092
式中：Dfw,sc表示凝汽器出口水流量；Dvp,ex表示再热蒸汽流量；Qfw,fp表示给水泵入口给水的热能；Qfw,sc表示凝汽器出口水的热能；Qvp,ex表示再热器出口蒸汽的热能；Qvp,rh表示再热器入口蒸汽的热能；λfw,fp表示给水泵入口给水的能质系数；λfw,sc表示凝汽器出口水的能质系数；λvp,ex表示再热器出口蒸汽的能质系数；λvp,rh表示再热器入口蒸汽的能质系数；其余参数定义与前述公式(2)和(3)中的定义相同。
需注意的是，计算目标垃圾电厂拟应用每一套能效提升优化方案后的综合性能定量表征系数χk时，其所用的参数都应当从该能效提升优化方案对应的设计工况参数中确定用于计算的参数值。
S3、针对目标垃圾电厂拟应用的每一套能效提升优化方案，得到各自对应的综合性能定量表征系数χk后，计算优化后的综合性能定量表征系数χk相对于未优化前的综合性能定量表征系数χ提升幅度，提升幅度具体可以采用提升百分比来计算。然后选择提升幅度最大的能效提升优化方案作为能效最优方案，后续即可根据该能效最优方案，对目标垃圾电厂进行余热回用的流程优化，以便于提升垃圾电厂的整体能效水平。
下面为了进一步论述本发明的具体优点，将上述S1～S3所示的基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法应用于具体的案例中，以便于展示其技术效果。
实施例：
在本案例中，某垃圾焚烧发电厂的垃圾焚烧发电厂工艺流程图如图2所示，该流程中未采用余热利用技术。
整个垃圾焚烧发电厂分为垃圾焚烧系统和热力发电系统两部分，其中垃圾焚烧系统包括焚烧-余热锅炉以及图中未示出的必要配套设备，例如三级减温器以及各种受热面(如蒸发器、过热器、省煤器、水冷壁等)，而热力发电系统包括汽轮机、凝汽器、发电机、凝结水泵、低压加热器、除氧器和给水泵。垃圾发电流程如下：待处理的固废垃圾、一次风、二次风均进入焚烧-余热锅炉中，使固废垃圾在焚烧-余热锅炉中通过焚烧转变为热能并利用热能将给水加热成蒸汽，炉渣外排；蒸汽通过主蒸汽管路进入汽轮机中使汽轮机驱动发电机进行发电，汽轮机输出的乏汽经过凝汽器在循环冷却水的冷却下冷凝成凝结水，然后由凝结水泵输入低压加热器进行初步加热，再经过除氧器进行除氧后由给水泵输入焚烧-余热锅炉重新进行加热。
针对该垃圾焚烧发电厂的垃圾焚烧系统和热力发电系统，其在正常运行状态下各设备的工况数据如下表：
参数名称 符号 单位 数值
焚烧炉给料量 D<sub>f</sub> t/h 33.333
进入炉膛空气的质量流量 D<sub>pa</sub> t/h 165.969
进入炉膛空气的温度 T<sub>pa</sub> K 446.498
锅炉蒸发量 D<sub>f</sub> t/h 69.374
锅炉蒸汽出口温度 T<sub>vp,fu</sub> K 758
锅炉蒸汽出口压力 P<sub>vp,fu</sub> MPa 5.3
锅炉给水流量 D<sub>fw,fu</sub> t/h 70.4
锅炉给水温度 T<sub>fw,fu</sub> K 403
锅炉给水压力 P<sub>fw,fu</sub> MPa 6.8
减温器3的喷水量 D<sub>fw,3</sub> t/h 0.295
减温器2的喷水量 D<sub>fw,2</sub> t/h 1.0
减温器1的喷水量 D<sub>fw,1</sub> t/h 2.8
汽轮机入口蒸汽流量 D<sub>vp,tp</sub> t/h 107.1
汽轮机入口蒸汽温度 T<sub>vp,tp</sub> K 743
汽轮机入口蒸汽压力 P<sub>vp,tp</sub> MPa 4.9
另外，各工质的参数如下：电能的能质系数λec为1，蒸汽、给水、可燃固废三种工质的能质系数可根据实际运行温度，按公式
Figure BDA0003363988620000111
进行计算，T0为环境温度，T为工质实际运行时的工况温度。
另外，可燃固废的化学比
Figure BDA0003363988620000113
ef使用基元表征方法进行计算，根据可燃固废的种类筛选基元，通过基元表征系数结合组分的含量计算可燃固废的热转化特性(包括低位热值和水分的质量分数)；
Figure BDA0003363988620000112
其中mn表示第n种组分的质量分数，N为可燃固废中组分的总数；
An、Bn、Cn…表示第n种组分相应的热转化特性；A、B、C、…分别为不同的热转化特性，其中A代表低位热值；
an、bn、cn…表示第n种组分相应的基元表征系数。
可燃固废的化学
Figure BDA00033639886200001214
ef可在得到基元表征系数的基础上根据下式进行计算：
Figure BDA0003363988620000121
其中Qnet,ar表示可燃固废的收到基低位发热量；
r表示水的汽化潜热；
wn表示可燃固废中第n种组分中水分的质量分数；
HLn表示可燃固废中第n种组分的低位热值。
实际焚烧时，为了确保燃烧充分，会在可燃固废中掺入煤，但比例一般不超过5％，故此部分化学能不单独计算，仍按可燃固废进行处理。
当获取到上述参数后，即可根据工况参数计算每个系统各自的
Figure BDA00033639886200001218
效率，每个系统的
Figure BDA00033639886200001219
效率为该系统的有效
Figure BDA00033639886200001217
和输入总
Figure BDA00033639886200001216
的比值，其中垃圾焚烧系统的
Figure BDA00033639886200001215
效率记为ηex,wi，热力发电系统的
Figure BDA0003363988620000122
效率记为ηex,tp。
在本实施例中，根据公式(1)～(5)，锅炉出口蒸汽比
Figure BDA0003363988620000123
Qvp,fuλvp为1372.24kJ/kg，锅炉给水比
Figure BDA0003363988620000124
Qfw,fuλfw为70.176kJ/kg，各减温器喷水的比
Figure BDA0003363988620000125
Qfw,iλfw均为70.176kJ/kg，汽轮机入口蒸汽比
Figure BDA0003363988620000126
Qvp,tpλvp,tp为1343.85kJ/kg。根据公式(6)～(7)，可燃固废的化学比
Figure BDA0003363988620000127
ef为7109kJ/kg。未使用余热利用技术优化时，该垃圾焚烧电厂全厂的综合性能定量表征指数χ为0.429。
而本案例中待选的能效提升优化方案分位烟气回热技术和蒸汽中间再热技术两种。
1)对于第一种能效提升优化方案：
垃圾焚烧发电厂采用如图3所示的烟气回热技术时，有效输出
Figure BDA0003363988620000128
还包括被烟气加热后锅炉给水的
Figure BDA0003363988620000129
增量以及燃烧空气的
Figure BDA00033639886200001210
增量，直接体现为锅炉出口蒸汽
Figure BDA00033639886200001211
的增加，因此仍可按前述公式(5)计算综合性能定量表征指数χk。
在该烟气回热技术的优化方案中还设置了两种不同的温度对比，即通过改变空气预热器和省煤器布置方案使空气预热器出口热风温度提高40℃和60℃时，使用
Figure BDA00033639886200001213
分析法评估这两种优化方案，总
Figure BDA00033639886200001212
损失减少共计0.91％和1.37％；获取两种方案应用后该电厂在运行状态下的设计工况参数，再根据设计工况参数利用前述公式(5)计算对应的综合性能定量表征指数χk分别为0.433和0.438，根据指数χk相对于指数χ的提升幅度大小选择第二种优化方案，与
Figure BDA0003363988620000135
分析法结果一致。
2)对于第二种能效提升优化方案：
垃圾焚烧发电厂采用如图4所示的蒸汽中间再热技术时，热力发电系统一般还包括轴封加热器、低压加热器和除氧器，利用汽轮机中做过功的乏汽加热给水，仍可按前述公式(5)计算综合性能定量表征指数χk。
在该蒸汽中间再热技术的优化方案中还设置了两种不同的设备数量对比，即对比使用1台除氧器+2台低压加热器的回热系统和使用2台高压加热器+1台除氧器+3台低压加热器的回热系统，全厂发电效率分别为27％和31％；获取两种方案应用后该电厂在运行状态下的设计工况参数，再根据设计工况参数利用前述公式(5)计算对应的综合性能定量表征指数χk分别为0.434和0.445，根据指数χk的大小选择第二种优化方案，与全厂发电效率结果一致。
由此可见，本发明上述实施例中S1～S3叙述的基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法，能够量化垃圾焚烧系统和热力发电系统的能量利用程度，进行分析不同优化方案下垃圾焚烧发电过程中能量的可利用潜力，有利于选择优化垃圾焚烧厂能量转化环节的最佳方案。
在本发明的另一较佳实施例中，提供了一种基于综合性能定量表征的垃圾电厂优化装置，该装置对应于上述实施例中S1～S3叙述的基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法，其包括以下模块：
第一计算模块，用于针对目标垃圾电厂的垃圾焚烧系统和热力发电系统，分别获取两个系统在运行状态下的工况参数，并根据工况参数计算每个系统各自的
Figure BDA0003363988620000134
效率，每个系统的
Figure BDA0003363988620000133
效率为该系统的有效
Figure BDA0003363988620000136
和输入总
Figure BDA0003363988620000137
的比值；以所述垃圾焚烧系统的
Figure BDA0003363988620000138
效率ηex,wi和所述热力发电系统的
Figure BDA0003363988620000139
效率ηex,tp的乘积作为目标垃圾电厂当前的综合性能定量表征系数χ；
所述垃圾焚烧系统的
Figure BDA00033639886200001310
效率ηex,wi计算公式为：
Figure BDA0003363988620000131
所述热力发电系统的
Figure BDA00033639886200001311
效率ηex,tp计算公式为：
Figure BDA0003363988620000132
式中：Df表示焚烧炉给料量；Dpa表示进入焚烧炉炉膛的风的质量流量；Dvp,tp表示汽轮机入口蒸汽流量；Dfw,fu表示锅炉主给水流量；Dfw,i表示第i级减温器的喷水量；Qpa表示进入炉膛空气的风能；Qvp,fu表示锅炉出口蒸汽能；Qvp,tp表示汽轮机入口蒸汽能；Qfw,fu表示锅炉给水的热能；Qfw,i表示各级减温器喷水对应的热能；ef表示可燃固废的化学比
Figure BDA0003363988620000142
；Eec,wi表示垃圾焚烧系统设备用电的电能；Eec,o表示热力发电系统发电机的电能；Eec,tp表示热力发电系统设备用电的电能；λpa表示风能的能质系数；λec表示电能的能质系数；λfw表示锅炉给水的能质系数；λvp表示蒸汽的能质系数；
第二计算模块，用于获取目标垃圾电厂所有待选的能效提升优化方案，并获取每一套能效提升优化方案拟应用后目标垃圾电厂在运行状态下的设计工况参数，再根据设计工况参数重新计算目标垃圾电厂拟应用每一套能效提升优化方案后的综合性能定量表征系数χk，其中：
Figure BDA0003363988620000141
式中：Dfw,sc表示凝汽器出口水流量；Dvp,ex表示再热蒸汽流量；Qfw,fp表示给水泵入口给水的热能；Qfw,sc表示凝汽器出口水的热能；Qvp,ex表示再热器出口蒸汽的热能；Qvp,rh表示再热器入口蒸汽的热能；λfw,fp表示给水泵入口给水的能质系数；λfw,sc表示凝汽器出口水的能质系数；λvp,ex表示再热器出口蒸汽的能质系数；λvp,rh表示再热器入口蒸汽的能质系数；
选择模块，用于选择综合性能定量表征系数χk相对于综合性能定量表征系数χ提升幅度最大的能效提升优化方案作为能效最优方案，用于对目标垃圾电厂进行余热回用的流程优化。
需要说明的是，根据本发明公开的实施例，上述存储器中的具体实现各步骤的功能可以通过编写的计算机软件程序来实现，计算机程序中包含用于执行相应方法的程序代码。
在本发明的另一较佳实施例中，提供了一种基于综合性能定量表征的垃圾电厂优化装置，其包括存储器和处理器；
所述存储器，用于存储计算机程序；
所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如前述S1～S3所述的基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法。
需要注意的是，上述的存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。当然，还装置中还应当具有实现程序运行的必要组件，例如电源、通信总线等等。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法，其特征在于，包括：
S1、针对目标垃圾电厂的垃圾焚烧系统和热力发电系统，分别获取两个系统在运行状态下的工况参数，并根据工况参数计算每个系统各自的
Figure FDA0003363988610000014
效率，每个系统的
Figure FDA0003363988610000015
效率为该系统的有效
Figure FDA0003363988610000016
和输入总
Figure FDA0003363988610000017
的比值；以所述垃圾焚烧系统的
Figure FDA0003363988610000018
效率ηex,wi和所述热力发电系统的
Figure FDA0003363988610000019
效率ηex,tp的乘积作为目标垃圾电厂当前的综合性能定量表征系数χ；
所述垃圾焚烧系统的
Figure FDA00033639886100000110
效率ηex,wi计算公式为：
Figure FDA0003363988610000011
所述热力发电系统的
Figure FDA00033639886100000111
效率ηex,tp计算公式为：
Figure FDA0003363988610000012
式中：Df表示焚烧炉给料量；Dpa表示进入焚烧炉炉膛的风的质量流量；Dvp,tp表示汽轮机入口蒸汽流量；Dfw,fu表示锅炉主给水流量；Dfw,i表示第i级减温器的喷水量；Qpa表示进入炉膛空气的风能；Qvp,fu表示锅炉出口蒸汽能；Qvp,tp表示汽轮机入口蒸汽能；Qfw,fu表示锅炉给水的热能；Qfw,i表示各级减温器喷水对应的热能；ef表示可燃固废的化学比
Figure FDA00033639886100000112
Eec,wi表示垃圾焚烧系统设备用电的电能；Eec,o表示热力发电系统发电机的电能；Eec,tp表示热力发电系统设备用电的电能；λpa表示风能的能质系数；λec表示电能的能质系数；λfw表示锅炉给水的能质系数；λvp表示蒸汽的能质系数；
S2、获取目标垃圾电厂所有待选的能效提升优化方案，并获取每一套能效提升优化方案拟应用后目标垃圾电厂在运行状态下的设计工况参数，再根据设计工况参数重新计算目标垃圾电厂拟应用每一套能效提升优化方案后的综合性能定量表征系数χk，其中：
Figure FDA0003363988610000013
式中：Dfw,sc表示凝汽器出口水流量；Dvp,ex表示再热蒸汽流量；Qfw,fp表示给水泵入口给水的热能；Qfw,sc表示凝汽器出口水的热能；Qvp,ex表示再热器出口蒸汽的热能；Qvp,rh表示再热器入口蒸汽的热能；λfw,fp表示给水泵入口给水的能质系数；λfw,sc表示凝汽器出口水的能质系数；λvp,ex表示再热器出口蒸汽的能质系数；λvp,rh表示再热器入口蒸汽的能质系数；
S3、选择综合性能定量表征系数χk相对于综合性能定量表征系数χ提升幅度最大的能效提升优化方案作为能效最优方案，用于对目标垃圾电厂进行余热回用的流程优化。
2.如权利要求1所述的基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法，其特征在于，所述目标垃圾电厂中，所述垃圾焚烧系统包括焚烧-余热锅炉，所述热力发电系统包括汽轮机、凝汽器、发电机和给水泵，固废垃圾在焚烧-余热锅炉中通过焚烧转变为热能并利用热能将给水加热成蒸汽，蒸汽进入汽轮机中使汽轮机驱动发电机进行发电，汽轮机输出的乏汽经过凝汽器冷凝成水并经过除氧后重新由给水泵输入焚烧-余热锅炉进行加热。
3.如权利要求1所述的基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法，其特征在于，所述待选的能效提升优化方案包括烟气回热技术和蒸汽中间再热技术。
4.如权利要求1所述的基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法，其特征在于，所述可燃固废的化学比
Figure FDA0003363988610000029
ef通过基元表征方法进行计算。
5.一种基于综合性能定量表征的垃圾电厂优化装置，其特征在于，包括：
第一计算模块，用于针对目标垃圾电厂的垃圾焚烧系统和热力发电系统，分别获取两个系统在运行状态下的工况参数，并根据工况参数计算每个系统各自的
Figure FDA0003363988610000023
效率，每个系统的
Figure FDA0003363988610000024
效率为该系统的有效
Figure FDA0003363988610000025
和输入总
Figure FDA0003363988610000026
的比值；以所述垃圾焚烧系统的
Figure FDA0003363988610000028
效率ηex,wi和所述热力发电系统的
Figure FDA0003363988610000027
效率ηex,tp的乘积作为目标垃圾电厂当前的综合性能定量表征系数χ；
所述垃圾焚烧系统的
Figure FDA00033639886100000210
效率ηex,wi计算公式为：
Figure FDA0003363988610000021
所述热力发电系统的
Figure FDA00033639886100000211
效率ηex,tp计算公式为：
Figure FDA0003363988610000022
式中：Df表示焚烧炉给料量；Dpa表示进入焚烧炉炉膛的风的质量流量；Dvp,tp表示汽轮机入口蒸汽流量；Dfw,fu表示锅炉主给水流量；Dfw,i表示第i级减温器的喷水量；Qpa表示进入炉膛空气的风能；Qvp,fu表示锅炉出口蒸汽能；Qvp,tp表示汽轮机入口蒸汽能；Qfw,fu表示锅炉给水的热能；Qfw,i表示各级减温器喷水对应的热能；ef表示可燃固废的化学比
Figure FDA0003363988610000032
Eec,wi表示垃圾焚烧系统设备用电的电能；Eec,o表示热力发电系统发电机的电能；Eec,tp表示热力发电系统设备用电的电能；λpa表示风能的能质系数；λec表示电能的能质系数；λfw表示锅炉给水的能质系数；λvp表示蒸汽的能质系数；
第二计算模块，用于获取目标垃圾电厂所有待选的能效提升优化方案，并获取每一套能效提升优化方案拟应用后目标垃圾电厂在运行状态下的设计工况参数，再根据设计工况参数重新计算目标垃圾电厂拟应用每一套能效提升优化方案后的综合性能定量表征系数χk，其中：
Figure FDA0003363988610000031
式中：Dfw,sc表示凝汽器出口水流量；Dvp,ex表示再热蒸汽流量；Qfw,fp表示给水泵入口给水的热能；Qfw,sc表示凝汽器出口水的热能；Qvp,ex表示再热器出口蒸汽的热能；Qvp,rh表示再热器入口蒸汽的热能；λfw,fp表示给水泵入口给水的能质系数；λfw,sc表示凝汽器出口水的能质系数；λvp,ex表示再热器出口蒸汽的能质系数；λvp,rh表示再热器入口蒸汽的能质系数；
选择模块，用于选择综合性能定量表征系数χk相对于综合性能定量表征系数χ提升幅度最大的能效提升优化方案作为能效最优方案，用于对目标垃圾电厂进行余热回用的流程优化。
6.如权利要求1所述的基于综合性能定量表征的垃圾电厂优化装置，其特征在于，所述目标垃圾电厂中，所述垃圾焚烧系统包括焚烧-余热锅炉，所述热力发电系统包括汽轮机、凝汽器、发电机和给水泵，固废垃圾在焚烧-余热锅炉中通过焚烧转变为热能并利用热能将给水加热成蒸汽，蒸汽进入汽轮机中使汽轮机驱动发电机进行发电，汽轮机输出的乏汽经过凝汽器冷凝成水并经过除氧后重新由给水泵输入焚烧-余热锅炉进行加热。
7.如权利要求1所述的基于综合性能定量表征的垃圾电厂优化装置，其特征在于，所述待选的能效提升优化方案包括烟气回热技术和蒸汽中间再热技术。
8.如权利要求1所述的基于综合性能定量表征的垃圾电厂优化装置，其特征在于，所述可燃固废的化学比
Figure FDA0003363988610000041
ef通过基元表征方法进行计算。
9.一种基于综合性能定量表征的垃圾电厂优化装置，其特征在于，包括存储器和处理器；
所述存储器，用于存储计算机程序；
所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1～4任一所述的基于综合性能定量表征的垃圾电厂流程优化方法。
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