生物质能源热电联产项目设计有关问题的探讨.docx
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生物质能源热电联产项目设计有关问题的探讨
生物质能热电联产项目设计有关问题的探讨
By于国续2017年4月（2019年7月更新）
前言
本文所涉及的生物质能仅限于秸秆，即称之谓硬质和软质秸秆（主要包括农作物秸秆、林业三剩物、粮食加工废弃物玉米芯稻壳等），热电联产是指利用直燃秸秆进行发电供热的活动。
以生物质能为燃料的热电联产项目，不同于常规化石燃料的项目，对于生物质能热电联产项目的设计，涉及到项目规模、机组选型、接入系统、辅助生产系统等问题，在相应的标准和规范中，一些原则并不明确，为此在设计中，因理解的差异，观点各有不同。
在设计评审时，专家可能提到一些意想不到的问题，令设计单位措手不及。
本文根据个人对有关问题的理解和工程实践，提出生物质能热电联产项目设计的一些原则，可用于编写相关专题论证的参考材料，作为引玉之砖，不当之处，敬请批评指正。
1、政策及标准规范依据
1）中华人民共和国电力法（2015年修正）。
2）中华人民共和国可再生能源法（修正），２００９年１２月２６日。
3）《关于建立煤电规划建设风险预警机制暨发布2019年煤电规划建设风险预警的通知》国能电力〔2016〕42号）
4）《小型火力发电厂设计规范》（GB50049-2011）
5）《秸秆发电厂设计规范》（GB50762-2012）
6）国家发展改革委、建设部关于印发《热电联产和煤矸石综合利用发电项目建设管理暂行规定》的通知（发改能源[2007]141号）
7）《热电联产项目可行性研究技术规定》及修改条文（2001年）
8）国家发展改革委、能源局、财政部、住建部、环保部联合印发了关于印发《热电联产管理办法》的通知（发改能源[2016]617号）
9）《关于加强和规范生物质发电项目管理有关要求的通知》（发改办能源[2014]3003号）
10）国家发展改革委关于印发《可再生能源发电全额保障性收购管理办法》的通知（发改能源[2016]625号）
11）《分布式发电管理暂行办法》（发改能源[2013]1381号）
2、生物质能热电联产的产业政策和行业准入
2.1产业政策摘要
1）《可再生能源产业发展指导目录》2005年国家发展和改革委员会，发改能源[2005]257号文，其中生物质直接燃烧发电已被列入生物质能应用中，作为国家重点鼓励和扶持产业。
2）国务院办公厅于2008年7月27日发布的《国务院办公厅关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》（国办发〔2008〕105号），要求大力推进秸秆综合利用产业化，有序发展以秸秆为原料的生物质能，要求合理安排利用秸秆发电项目。
3）《产业结构调整指导目录》（2011年本）（2013年修正），国家发展改革委第21号令，明确生物质直燃发电技术属鼓励类产业。
4）2013年5月14日，国家发改委、农业部和环保部发布了《关于加强农作物秸秆综合利用和禁烧工作的通知》，要求充分认识秸秆综合利用和禁烧工作的紧迫性，进一步推进秸秆综合利用和禁烧工作，杜绝秸秆违法违规露天禁烧造成的资源浪费和环境污染问题。
5）2014年12月9日，国家发展改革委办公厅印发了《关于加强和规范生物质发电项目管理有关要求的通知》（发改办能源【2014】3003号），提出，“鼓励发展生物质热电联产，提高生物质资源利用效率。
具备技术经济可行性条件的新建生物质发电项目，应实行热电联产”。
6）国家发改委关于印发《2015年循环经济推进计划》的通知（发改环资【2015】769号2015年4月14日）要求“在粮食主产区有序推进生物质热电联产”。
7）2016年3月22日，国家发展改革委、能源局、财政部、住建部、环保部联合印发了关于印发《热电联产管理办法》的通知（发改能源【2016】617号），通知指出“供热改造要因厂制宜釆用打孔抽气、低真空供热、循环水余热利用等成熟适用技术”和“鼓励可再生能源供热方式。
”。
8）2017年12月5日，国家发展改革委、能源局、财政部、环境保护部、住房城乡建设部、国资委、质检总局、银监会、证监会、军委后勤保障部等联合印发了《关于印发北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）的通知》发改能源【2017】2100号，通知指出，要“大力发展县域农林生物质热电联产。
在北方粮食主产区，根据新型城镇化进程，结合资源条件和供热市场，加快发展为县城供暖的农林生物质热电联产。
”
9）2017年12月5日，国家发展改革委、国家能源局印发了《关于印发促进生物质能供热发展指导意见的通知》发改能源【2017】2123号，通知要求，“大力发展县域农林生物质热电联产。
新建农林生物质发电项目实行热电联产，落实当地县域供热负荷，采取加装生物质锅炉等方式满足清洁供暖需求，为300万平米以下县级区域供暖。
”。
2.2行业准入政策摘要
1）热电联产项目可行性研究技术规定（国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会、建设部文件计基础[2001]26号）
“1.2本技术规定主要适用于以煤为燃料的区域性热电厂和企业的自备热电站，以及凝汽式发电机组改造为供热式机组的工程项目。
1.4各类热电厂应符合下列指标：
1.4.1常规燃煤热电厂：
1.4.1.1全厂年平均总热效率大于45%；
1.4.1.2全厂年平均热电比应符合下列要求：
（1）单机容量为1.5～25MW的供热机组，其年平均热电比应大于100%；
（2）单机容量为50、100、125MW的供热机组，其年平均热电比应大于50%；
（3）单机容量为200、300MW的供热机组，其在采暖期的平均热电比应大于50%。
”
2）《关于发展热电联产的规定》（计基础[2000]1268号）已废止
“各类热电联产机组应符合下列指标：
一、供热式汽轮发电机组的蒸汽流既发电又供热的常规热电联产，应符合下列指标：
１、总热效率年平均大于45%。
2.、电联产的热电比：
单机容量在50兆瓦以下的热电机组，其热电比年平均应大于100%；
（2）单机容量在50兆瓦至200兆瓦以下的热电机组，其热电比年平均应大于50%；
（3）单机容量200兆瓦及以上抽汽凝汽两用供热机组，采暖期热电比应大于50%。
”
第十一条凡利用余热、余气、城市垃圾、煤矸石、煤泥和煤层气等作为燃料的热电厂，按《国务院批转国家经贸委等部门关于进一步开展综合利用意见的通知》文件执行（国发〔１９９６〕３６号）。
第十三条鼓励使用清洁能源，
3）国家发展改革委、建设部关于印发《热电联产和煤矸石综合利用发电项目建设管理暂行规定》的通知（发改能源[2007]141号）
第十四条在电网规模较小的边远地区，结合当地电力电量平衡需要，可以按热负荷需求规划抽凝式供热机组，并优先考虑利用生物质能等可再生能源的热电联产机组；限制新建并逐步淘汰次高压参数及以下燃煤（油）抽凝机组。
“第二十条国家支持利用多种方式解决中小城镇季节性采暖供热问题，推广采用生物质能、太阳能和地热能等可再生能源，”
4）关于印发《热电联产管理办法》的通知发改能源〔2016〕617号，对规划新建2台30万千瓦级抽凝热电联产机组釆暖期热电比应不低于80%。
对燃气-蒸汽联合循环热电联产项目釆暖型联合循环项目供热期热电比不低于60%，供工业用汽型联合循环项目全年热电比不低于40%。
5）国家能源局综合司发布的《国家能源局综合司关于开展生物质热电联产县域清洁供热示范项目建设的通知》（国能综通新能【2017】65号）（2017年8月4日），示范项目的条件是：
“示范项目以民用采暖为主的，县域采暖面积不小于20万平方米，单个乡镇（或独立的工商业设施等）暖面积不小于2万平方米，采暖季热电比不小于100%。
2.3生物质能热电联产项目的行业准入分析
2.3.1相关准入政策的解析
1）《联产项目可行性研究技术规定》主要适用于以煤为燃料的区域性热电厂和企业的自备热电站，以及凝汽式发电机组改造为供热式机组的工程项目。
生物质能热电联产项目不属于“以煤为燃料的热电厂”，故规定的准入条件不适用于生物质能热电联产项目。
2）按《关于发展热电联产的规定》，已废止。
3）按发改能源[2007]141号，国家支持利用多种方式解决中小城镇季节性采暖供热问题，推广采用生物质能、太阳能和地热能等可再生能源，但并未界定准入条件；
4）按最新2016年的《热电联产管理办法》，涉及准入条件，除对规划新建2台30万千瓦级抽凝热电联产机组釆暖期热电比提高了30个百分点外，对于其它规模的热电联产项目的准入条件未提及。
2.3.2小结
由上解析可知，可再生能源发电项目属电力行生产和供应业，代码：
D4412和D4417。
对于生物质能热电联产项目，目前国家或行业都尚未出台量化的准入条件，可比照上述条件进行分析。
。
2.4生物质能热电联产项目的设计实践
2.4.1年发电量
生物质能热电联产项目所发电力“国家实行可再生能源发电全额保障性收购制度”，按法律规定，电网企业有责任“全额收购”。
根据可再生能源发电全额保障性收购管理办法（发改能源[2016]625号），所谓“全额收购”是指电网企业按国家确定的上网标杆电价和保障性收购利用小时数，全额收购规划范围内的可再生能源发电项目的上网电量。
关于保障性收购利用小时数，办法指出“各类特许权项目、示范项目按特许权协议或技术方案明确的利用小时数确定保障性收购年利用小时数。
”
按生物质能的资源和设备年最大的可运行小时（扣除计划仃机和非计划仃机时间）可达7500小时以上。
考虑到由于燃料供应情况和设备的完好率，设计在计算项目年发电量的年利用小时一般取7000小时，供热量则按设计热负荷计算确定。
（火电机组年平均设备利用小时=8760h（或8784h）×设备可用率%×火电机组年负荷率%×（1-负载、事故备用率%）。
其中：
设备可用率考虑机组正常的计划大小修和部分临时检修，可采用90%左右；火电机组年负荷率，在水火电联合运用的电网，由于水电调峰，在电网年负荷率在75%~80%时，可达83%~88%；负载、事故备用率采用8%~10%。
平均发电设备利用小时高，表示设备利用率高，但太高了则意味着电网缺乏必要的备用容量，因此在规划中要确定一个合适的平均设备利用小时，使电网有足够的备用容量。
）
常规的热电联产项目的年发电量受电网企业制约，以年利用小时数（设计按5000~5500小时）控制。
2.4.2年供热量
按设计热负荷计算确定。
2.4.3热电比
热电联产项目热电比是年供热量与年发电量之比。
由2.4.1可知，同等规模的生物质能热电联产项目年发电量要高于常规热电联产项目，年供热量与项目的热负荷有关，其热电比可能要小于常规热电联产项目。
2.4.4统计资料
生物质能热电联产项目的热效率、热电比的统计详见下表：
名称
安广
乾安
镇赉
扶余
前郭
蛟河
榆树
规模t/hMW
1×130+1×30
1×130+1×30
1×150+1×30
3×75+3×12
3×75+3×12
2×30+2×120
1×130+1×30
燃料及热值
MJ/kg
玉米、水稻秸秆和稻壳12.25
玉米秸秆12.25
秸秆、稻壳、牛粪和林木13.93
秸秆、稻壳及花生壳
11.83
玉米秸秆、稻壳、花生壳13.77
秸秆和林业废弃物14.24
玉米秸秆11.82
年耗燃料量104t
20.67
22.3
28.18
23.04
45.08
21.9
发电煤耗g/kWh
309
309
328
376
340
328
328
供热煤耗kg/GJ
40.56
41.08
34.12
44.15
41
42.18
41
厂区占地hm2
7.95
9.87
10.05
6.07
5.3
7.73
冷却塔及通风方式
机力
机力
2000m2自然
机力
1000m2自然
2×750
m2自然
1000m2自然
年补水量104m3
77
79
84
86
52.3
97
静态投资
万元
28968
27034
19860
26142
32393
52810
26985
发电设备年利用小时h
7000
7000
8000
6500
6500
7500
7000
供热面积104m2
111.8
110
190
200
130
103
80
供热方式
低真空
低真空
低真空
低真空+抽汽
低真空+抽汽
低真空？
低真空
年均热效率%
48.5
45
59.12
48.09
54.5
53.8
48
年均热电比%
80.4
81.3
145
157.6
146
95
68.4
热价元/GJ
30.26
29
30.26
33.23
32
由上表可见，由于热电联产，减少了冷源损失，项目的热效率通常都可达到45%以上。
热电比在68~158%，热电比超过100%的项目，其发电设备年利用小时为6500小时，供热面积明显较大。
2.5结论
根据以上分析，由于生物质能热电联产项目是国家鼓励、支持和推广的项目，现有准入条件上暂无明确的适用标准。
在工程设计实践中，由于要最大限度的利用生物质能，发电量相对较大，因此部分项目可能出现热电比指标达不到100%。
在判断项目是否符合产业政策和满足行业准入时，如果生物质能热电联产项目可满足常规热电联产的效率和热电比指标，则可作为比照标准引证；如不满足，则不宜以不符合常规热电联产的准入条件为由予以否定，可从产业政策上定性分析，明确其同样符合产业政策和准入条件。
3、项目建设规模与机组选型
3.1项目建设规模
根据《秸秆发电厂设计规范》（GB50762-2012），供热式发电厂的建设规模，应根据设计热负荷和合理范围内秸秆可利用量确定。
合理的范围是指以电厂为中心半径50km的范围内。
由于生物质能项目具有地域特点，其建设规模的确定首先是该区域的资源量，即“以资源量定电（规模）”，其次才是热负荷的需求，“以热定电”（规模）。
往往由于以资源量有限，以资源量确定的建设规模，满足不了热负荷的需求，为此需要另外考虑补充热源。
《秸秆发电厂设计规范》规定，发电厂的规划容量不宜大于30MW，规划台数为宜超过两台（1.0.6）。
当秸秆资源充足时，经充分论证，规划容量亦可加大。
根据统计，以电厂为中心半径50km的范围内秸秆可利用量在25~50万吨，可满足30~60MW建设规模的要求。
秸秆资源量丰富的的区多是以农业为主的小城市周边的县、镇，人口密度不大，集中居住的城镇的人口也不大。
考虑其它建设条件，厂址多选择在县、镇。
按县、镇常住人口估算，需要的集中供热面积一般不会超过100~200万平方米。
3.2秸秆资源量的相关概念
根据《农作物秸秆直接燃烧发电项目资源调查评价技术规定》，有关秸秆资源量有以下术语和定义：
3.2.1秸秆资源总量
秸秆资源总量是一个理论值，可通过各种农作物年产量与其对应评价草谷比之乘积的总和计算得出。
草谷比指某种农作物单位面积秸秆产量与籽粒产量的比值。
也可以通过各种农作物种植面积乘以该农作物单位种植面积产出的秸秆量进行测算。
3.2.2秸秆资源可获得量
分品种秸秆资源量与对应资源减量系数之积的总和。
可获资源量等于秸秆产量乘以秸秆资源减量系数（秸秆作为农作物的副产品，是工、农业的重要生产资料，可利用其做肥料、饲料、燃料及造纸、建材、编织、种植食用菌等的生产原料。
秸秆减量因素包括当地秸秆资源现有各种用途及因气候、湿度等原因造成的收储运秸秆损失），约30%～50%。
秸秆资源减量系数与当地秸秆的主要用途及难以避免的各种损耗有关。
一般情况下，秸秆资源可获得量受自然、地理、气候条件、农民种植习惯、收获方式、秸秆使用习惯、农村经济发展状况、交通运输状况、运输半径和市场需求变化等多种因素的影响。
对各种减量因素估计不足，预测结果脱离实际，将对未来发电项目的正常运行和投资收益，产生严重影响。
3.2.3桔秆资源可供应量
桔秆资源可供应量等于秸秆资源可获得量乘以秸秆供应保证系数。
根据国家能源局可再生能源司发布的《农作物秸秆直接燃烧发电项目资源调查与评价技术规定》，保证系数取0.3。
3.3供热方案与汽轮机选型
生物质能热电联产项目主要考虑采暖热负荷，其供热方案与生物质能的资源量和供热负荷有关。
根据热负荷的大小和性质，可采用背压式、抽凝式或凝汽式机组+低真空循环水供热或热泵等方案。
3.3.1背压式方案
该方案是采用汽轮机背压排汽供热。
对于常规燃料的项目是国家鼓励的，但对于生物质燃料，由于非采暖季仃运，秸秆不能被利用发电，为供热而违背生物质能源利用的初衷，对于生物质能热电联产项目是不适合的。
3.3.2抽凝式方案
该方案是利用汽轮机采暖抽汽供热。
目前12~25MW单机容量的额定抽汽能力约为15~30t/h，可满足采暖面积20~40万平方米左右。
该方案采暖季机组以热定电运行，发电量将有所降低，影响了生物质能的充分利用，如果没有工业热负荷，非采暖季以凝汽式运行，热效率也受影响，同时供热面积有限，如果没有工业热负荷，一般也不适合。
3.3.3抽凝式或凝汽式机组+低真空循环水供热方案
该方案是在采暖期汽轮机采用低真空运行方式，利用循环水进行供热的方案，供热能力较大。
可汽轮机可采用抽凝式或凝汽式。
抽汽式+低真空，采暖期采用汽轮机低真空运行方式，在采暖期最大热负荷工况，通过采暖抽汽提供尖峰负荷，对发电量有一定影响；如果没有工业热负荷，非采暖季以凝汽式运行，热效率也受影响，如果没有工业热负荷，一般也不适合。
凝汽式+低真空，采暖期采用汽轮机低真空运行方式，利用循环水进行供热，在采暖期最大热负荷工况，通过提高背压满足尖峰热负荷。
在采暖期根据热负荷需求，随着气温与热网水量的变化，汽轮机的背压亦相应变化，也可以通过循环水的旁路调节热网循环水量，从而保证热网系统的连续和稳定运行。
如果供热能力能满足，是一个发电供热两全的方案。
3.3.4抽凝式或凝汽式机组+热泵方案
该方案是利用循环冷却水作为低品位热源，通过热泵提升后进行供热。
据估算，对于30MW抽凝式或凝汽式机组，通过吸收式热泵回收的循环水热量可满足供热面积约20万平方米左右。
该方案供热能力较小，但不影响机组发电，如果热负荷可以满足，也是一个发电供热两全的方案。
3.3.5建议方案
1）当供热区的集中采暖面积较大，宜采用凝汽式机组低真空利用循环水进行供热的方案，1台30MW机组，供热能力约为210MW，最大供热面积为110万平方米（综合采暖热指标为50~52W/m2）。
不足的集中采暖面积采用另外的调峰热源。
如果单台机组供热，需要考虑备用热源，保证供热的可靠性。
2）如果供热区的集中采暖面积较小，亦可采用凝汽式机组。
根据热负荷的大小，可采用低真空利用循环水供热方案或循环水热泵方案。
同样，如果单台机组供热，需要考虑备用热源，保证供热的可靠性。
3.4主蒸汽参数
提高能源利用率，减少燃料的消耗量，是国家的能源政策。
热电联产是提高能源利用率主要手段，如果提高热电联产蒸汽初参数则将进一步提高是提高能源利用率。
目前国内新建的130t/h级别的锅炉均采用高温高压参数，可比中温中压机组的全厂热效率提高约3~5%。
无论在《小型火力发电厂设计规范》和《秸秆发电厂设计规范》中均强调，条件许可时，优先选择较高参数，并规定单机容量为30或25MW机组，宜选用高压参数；单机容量为15或12MW机组，宜选用次高压或中压参数；单机容量为6MW及以下机组，宜选用中压参数。
目前采用超高压中间再热的单机容量为40MW机组，配130t/h级别的锅炉，已有设计和投产的成功业绩。
采用超高压中间再热机组全厂热效率提高约10~15%，按发电设备年利用小时7000小时估算，年发电量可增加7000万kWh，供电收入可增加约5000万元，业主的经济效益效果十分显著。
如果业主感兴趣，可予以支持。
3.5机组选型
3.5.1锅炉设备
燃生物质锅炉（秸秆锅炉）主要有炉排锅炉和循环流化床锅炉两种形式，从燃烧机理和燃烧技术来看，目前两种锅炉均能满足燃用秸杆燃料的要求。
根据《秸秆发电厂设计规范》（GB50762-2012），“7.1锅炉设备，秸秆锅炉选型宜选择层燃炉或循环流化床锅炉。
条件许可时，优先选择较高参数、较大容量的锅炉”。
国内现已建成的生物质直燃发电项目，锅炉燃烧方式主要有两种，一种是层燃方式，另一种是循环流化床燃烧方式。
我国生物质燃料资源十分丰富，但用于直接燃烧发电起步较晚。
发展初期生物质电厂锅炉主要为层燃锅炉。
但是，由于当时层燃锅炉技术不成熟、发电效率低、成本高等因素制约，发展比较缓慢。
随着国家大力发展可再生能源的一系列优惠政策的出台，生物质电厂发展前景越来越好，也促进了锅炉燃烧技术的发展。
目前层燃锅炉和循环流化床锅炉设计和制造技术已趋成熟。
两种燃烧方式的技术经济对比详见下表。
两种燃烧方式对比
燃烧方式
层燃
循环流化床
锅炉燃烧效率
随着层燃锅炉炉排及燃烧技术的改进，燃烧效率较以前有较大提升。
锅炉燃烧效率低于90﹪。
循环流化床锅炉燃烧室内混合良好，且有很长的停留时间，因此循环流化床燃烧有很高的碳燃尽率。
由于高温分离器的强烈混合作用以及烟气在燃烧区停留时间长，一氧化碳和挥发份的燃尽率也较高，燃烧效率大于90﹪。
机械故障
现在的生物质层燃锅炉一般采用水冷振动炉排，燃烧的均匀性提高、炉排的故障率降低，连续运行能力提高，但炉排的成本较高。
循环流化床锅炉机械故障率较低，连续运行能力强。
厂用电用量
机组耗电量较小
机组耗电量大于层燃锅炉机组
燃料破碎要求
对燃料破碎要求较低，对于某些生物质燃料甚至不需要破碎，直接入炉燃烧
对燃料的破碎要求较高，但是随着循环流化床锅炉燃烧技术的改进，对于生物质燃料粒度要求越来越低。
现在对玉米秸秆、林木质燃料，粒度≤50mm都可直接入炉燃烧。
燃料适应性
层燃锅炉对燃料适应性较高，但对于灰熔点低的燃料易产生结焦、受热面结渣等问题
循环流化床锅炉对燃料适应性较高，随着这些年循环流化床燃烧技术的进步，现在已经基本上解决了受热面磨损严重、结焦、结渣等问题。
燃烧稳定性
生物质燃料挥发分高，且析出较快，容易在炉排上产生爆燃，致使炉膛温度不均，压力变化较大且很难控制，而且炉排局部过热容易导致结焦。
循环流化床生物质锅炉床温较低，一般低于850℃，入炉燃料与床料充分混合，炉膛温度分布均匀，压力变化较小，燃烧稳定。
污染物排放
生物质燃料含硫较低，所以硫排放较低，但是仍高于国家允许排放值，需要安装脱硫设施。
由于炉排处燃烧温度较高，氮氧化物属于热力氮，排放浓度较高，需要必要的脱硝措施。
循环流化床锅炉采用炉内脱硫方式，很容易达到国家环保要求。
循环流化床锅炉的低温燃烧方式有效的遏制了氮氧化物的生成，炉膛出口的氮氧化物主要是由原料里的氮元素生成。
当生物质燃料氮元素含量较低时，锅炉原始氮氧化物的排放量很低，一般只需要安装SNCR脱硝设备即可满足国家环保要求。
占地面积
占地面积大
占地面积小
负荷调节
层燃锅炉对负荷变化适应性差，负荷变化慢。
循环流化床锅炉负荷变化快，适应性强。
机组容量
层燃锅炉因为其炉排的制作工艺、燃烧稳定等方面的限制，使得机组容量不宜过大。
对于生物质层燃锅炉，国内及国际上一般要求单台锅炉蒸发量≤130t/h
循环流化床生物质锅炉大型化只受燃料供应的限制，只要燃料供应充足，机组大型化没有任何问题。
技术成熟性
由于国内生物质发电起步较晚，国内开发不足，引进技术时间短，消化不完全，所以技术的成熟性相对差。
循环流化床锅炉技术引进时间长，由于其燃料适应性强、污染物排放低等特点，使其在国内
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