本文是《垃圾焚烧厂的精益运营时刻》系列第三篇，主题是“两资两效”中的第二个效率：能源利用效率。如果说OEE主要是探讨如何让焚烧炉火力全开，烧更多的垃圾，那么能源利用效率的提升探讨的就是如何利用好每千克垃圾中的热量，在同等条件下发更多的电。
诚然，工艺技改等方式就像“吃丹药”一样是快速提升能源利用效率的办法，但不管有没有丹药，垃圾焚烧厂都有潜力通过精益运营手段来提高发电效率，垃圾焚烧厂的运营应时刻不忘修炼自身的内功。
可变与不可变因素共同决定吨垃圾上网电量
吨垃圾上网电量是评估一个垃圾焚烧厂发电效率的综合指标，也是一个重要的效益指标，每一个垃圾焚烧厂都在追求更高的吨垃圾上网电量。根据上市公司经营数据，2023年大多数上市公司的吨垃圾上网电量基本都达到了300千瓦时/吨以上，统计的12家企业平均水平为355千瓦时/吨，尽管有少数表现优异者和落伍者，但这个指标在大多数企业之间整体差异并不算很大（见图1）。
但如果把目光投向项目层，就会发现行业光鲜表面下的问题：根据公开资料，2023年河北省内77个垃圾焚烧发电项目的吨垃圾上网电量主要分布在150-280千瓦时/度之间，差异扩大到一倍，而且不论项目大小如何，均有“差生”和“优等生”的存在。可见在运营层面，这个指标还有比较大的提升空间，是企业应当重点发力优化的方向。
不过在讨论如何通过精益运营手段提升吨垃圾上网电量之前，我们首先要明确一个关键共识：吨垃圾上网电量的决定因素有很多，既有运营期无法控制的因素（不可变因素），其决定了指标的“硬上限”，也有运营期可以控制的因素（可变因素），其决定了指标的“软下限”，精益运营的目的往往不是突破“硬上限”，而是持续提高“软下限”，去逼近理论的最优值。
具体地，不可变因素主要包括：
入厂垃圾热值。能量不是凭空来的，入厂垃圾的热值高低直接决定吨垃圾发电的潜力。而入厂垃圾热值与各地垃圾成分相关，其中水分含量、灰分含量是主要的决定因素，饮食文化差异、季节变化等各种因素都会通过影响垃圾成分进而影响入厂垃圾热值。
垃圾焚烧厂技术工艺（包括锅炉参数、汽轮机参数、尾气净化工艺等）。垃圾焚烧厂的主要技术工艺在建成的那一刻就已经确定了，采用不同的锅炉和汽轮机参数（例如中温中压、中温次高压参数）、不同的尾气净化工艺（例如有无SCR工艺）都会决定整个过程中的能量利用效率。一般来说，锅炉的热效率、汽轮机的热转换效率都有其物理上限，国内垃圾焚烧厂锅炉的热效率一般在75%-80%之间，汽轮机的热效率一般在25%-35%之间。除非进行技改，否则是不可能突破工艺上限的。
可变因素包括：
入炉垃圾热值。垃圾在入厂后、入炉前通过分拣、发酵可以显著改变垃圾的成分，比如对垃圾车进行检查，避免大块石块混凝土混入生活垃圾，或者通过堆放发酵，使垃圾中的水分以渗滤液形式排出。通过运营手段，入炉垃圾热值可以在入厂垃圾热值的基础上提高10%-30%，虽然总的热量不变，但这个过程可以减少燃烧过程中的热量损耗，提高热效率。
关键运行参数控制与调优。尽管技术工艺决定了运行参数的大范围，但运营过程中仍然可以控制和持续优化这些关键参数，将这些参数保持在最优区间，将设备的最大效率潜力发挥出来。常见的可控制参数包括炉温、一二次风量风温、排烟温度等，经验表明，想通过这些参数优化获取10%的热效率提升也许很困难，但是提升5%是完全有可能的。
厂用电控制与节约。垃圾焚烧厂同时也是耗电大户，尤其其中大量10kV电机的运转更是耗电中的大头，通过更精细化的变频控制往往可以节约不小的厂用电量。我们见到过一些垃圾焚烧厂为了节约厂用电而时刻不忘关闭办公楼的楼道灯，节约用电的理念深入人心，但务必要提醒自己：节电的大头是在生产环节，还得靠运营技术手段实现。
通过技改等手段去改变那些不可变因素就像“吃一粒丹药抵10年练功一般”可以快速见效，应当不遗余力的去推动达成。但挖潜能源利用效率才是今天的正题，求人不如求己，不论有没有丹药，垃圾焚烧厂仍可以通过精益运营手段来提升自己的发电潜力。
热量都去哪了：分析垃圾焚烧厂能源损耗结构
与OEE分析类似，要想优化能源利用效率，就要先知道效率是在哪里损失的。垃圾焚烧厂的能源利用本质上就是将垃圾的燃烧热，转变为电能，在这个过程中，垃圾的燃烧热先变成了热气体，进而通过热交换产生过热蒸汽，过热蒸汽再进一步被汽轮机转变为动能，最终带动发电机产生电能，每次能量的传递和转换过程都伴随着能量的损失。
热量损耗拆解原理
大多数情况下我们很难直接观测到热量损失了多少，但可以根据热力学公式来计算某种状态下物质所蕴含的热能。以蒸汽为例，通过算法或者查表，我们可以得知某个压强和某个温度下的饱和过热水蒸气中含有多少热量，这个数值也被称作“焓”。我们可以分别计算能量转换前后两个状态下系统所拥有的“焓”，其差异便是损耗。对于烟气等类型物质，由于压强变化不大，也会直接使用比热容与前后的温度差计算热量的损耗。计算过程的难点在于垃圾燃烧放热过程中的各类热量损耗计算，需使用垃圾的元素组分，去计算理论的燃烧需氧量、需空气量、产生的烟气量、水蒸气量等过程量，以进一步计算每一类产物从系统中带走的热量，这一部分较为专业，将不在本文中详述。
为了与实际工艺流程相匹配，通常将热量的转换分为三个主要阶段：
阶段一：从入厂垃圾到过热蒸汽。这个过程主要是垃圾燃烧释放燃烧热，燃烧热将加热燃烧产物和不可燃空气组分形成高温烟气，高温烟气经过过热器、蒸发器、省煤器等热交换组件后，与管道中的水或者水蒸气发生热交换，水蒸气吸热成为过热蒸汽，而烟气则降温后进入后续的烟气净化系统。
阶段二：从过热蒸汽到发电量。这个过程主要是过热蒸汽在汽轮机中做功推动汽轮机旋转，带动发电机发电。而过热蒸汽在做功后，温度和压强都大幅下降，在冷凝器中重新凝结成水。
阶段三：从发电量到上网电量。损耗即厂用电量，需进一步分析各类主要耗电设备的电能使用情况，形成厂用电结构图以进一步确定可优化空间。
通过分析计算三个阶段中每个阶段的热量输入、热量损失、热量留存，就可以清晰地看到各类热量的损耗。
热量损耗案例示意
辰于项目组为某垃圾焚烧厂进行精益运营诊断过程中形成的全流程热量损耗结构如图3所示，每个环节的热量输入、热量损失、产物热量均量化到每千克垃圾。
具体来说，三个阶段的热效率情况如下：
阶段一（从入厂垃圾到过热蒸汽），焚烧炉和锅炉的热效率计算得72.5%，这个过程包括这些热量损失：一次风热量（输入项）。由于该项目二次风是常温风（与入炉垃圾温度相同），因此只计算一次风入炉时输入的热量。该热量根据一次风温度和每千克垃圾平均供应的一次风量计算。
不完全燃烧热损失（损耗项，余下均为损耗）。不完全燃烧的垃圾主要通过炉渣排出，根据炉渣的热灼减率和每千克垃圾产生的炉渣量计算。
理论烟气热损失。垃圾与理论完全燃烧所需的空气燃烧后产生的高温烟气，在热交换后进入烟气净化系统，由于进入烟气净化系统时烟气温度仍达到190-220度，因此会带走部分热量。
多余空气热损失。焚烧炉燃烧过程中，通过一二次风系统往焚烧炉中泵送空气，但这些空气通常超过了垃圾完全燃烧的理论空气需求量，例如根据垃圾的元素组分含量计算1kg垃圾燃烧理论需要2.6kg空气，而根据排烟口的氧气含量推算实际过量空气系数为1.5，那么就额外对1.3kg的空气进行了加热，带来了热量损失。
垃圾含水汽热损失。垃圾中通常含有水分，燃烧过程中这些水被加热成水蒸气，在热交换后进入烟气净化系统，带走部分热量。这部分热量根据垃圾的含水率与排烟温度计算得到。
炉渣烟灰热损失。垃圾燃烧后的炉渣温度通常可达400℃，带走了部分热量，根据干炉渣产生率、炉渣的比热容和炉渣温度可以计算得到。
辐射热损失。焚烧炉向外通过辐射形式散发的热量，通常按照2%左右的比例估算辐射热损失。
阶段二（从过热蒸汽到发电量），汽轮发电机的热效率计算得29.3%：
加热一次风损失。余热锅炉产生的蒸汽中，一部分用于加热一次风。加热一次风所用的热量，通常比阶段一中由一次风输入的热量多10%-20%左右。
管道损失。根据设计方案中的管道热辐射损失比例计算，一般是过热蒸汽总热量的2%-5%。
汽轮机热损耗。过热蒸汽进出汽轮机后，仍有大部分热量在低温低压蒸汽中存在，这些热量并没有被利用（转变成动能），而是当这些蒸汽在冷凝器中重新凝结为水时才释放出来。这部分热量可以用过热蒸汽的热量与实际发电量相减，再减去前两部分损失获得，也可以用冷凝器入口的蒸汽焓值减少值来计算获得。
阶段三（从发电量到上网电量），厂用电率计算得13.45%：
厂用电量。通过计算上网电量和发电量的差值得到。
三个大阶段中，汽轮机阶段的热效率是最低的，这取决于汽轮机技术的发展，一些新项目采用中温次高压或者次高温次高压的参数，就是为了提升汽轮机的效率。该垃圾焚烧厂的汽轮机达到将近30%的热效率已经属于较高水平，要提升这个环节的热效率比较困难，主要的运营优化措施是减少汽封漏气、管道漏气等热损耗；其次是焚烧炉阶段的热效率，可以看到里面的最大头是垃圾含水汽的热损失，通过发酵减少垃圾含水率是主要的提高该效率的措施，另外就是各类排烟和排炉渣损失，与烟气产生量、温度紧密相关；最后是厂用电率，13.45%的厂用电率在国内已属于优秀水平，国内部分项目的厂用电率可高达20%，这通常与引风机、一次风机等10kV设备的管理不精细有关，以某垃圾焚烧厂的单日厂用电结构为例（见图4），我们发现其引风机的耗电量异常高，排查后发现根本原因是其锅炉漏风严重，为了维持炉膛负压，引风机只得全功率运转，极大浪费了电能，这也使得过量空气系数达到2.1，带来了大量热损失，因此如能解决漏风问题就能为项目带来每年370万元的上网收入。
从能源损耗到精益运营
探究热量损耗的最终目的还是为了提高吨入厂垃圾的上网电量，根据图3的热量损耗结构图以及上文对各类热量损耗的解释，主要有五类举措可用于提高能源利用效率。
举措一：更好的入厂垃圾
从宏观趋势来看，新冠疫情前的十年间我国的生活垃圾热值一直在提升，但自2020年以来，生活垃圾热值的提升不再明显了，主要原因在于经济发展变缓，生活垃圾分类等举措落实，运往生活垃圾焚烧厂的垃圾质量与成分变得稳定。这一点可以从吨入厂垃圾产汽量看出来（如果焚烧炉的热效率没有太大的变化，那么吨垃圾产汽量就与入厂垃圾热值成正比），以我们服务过的某垃圾焚烧厂为例，图5中指标的变化没有明显的增加或降低趋势，说明该垃圾焚烧厂接收的垃圾热值已经没有明显的长期变化趋势了，主要是季节波动。
不过这并不意味着就没有事情可做：一方面，垃圾焚烧厂不能忽视对入厂垃圾的检查，尤其是避免大块非可燃物垃圾（如石头、混凝土等灰分）进入垃圾仓，如果垃圾的质量不能提高，那么采取行动不让“坏垃圾”入厂就是重要措施；另一方面，即使同一个城市，不同区域的生活垃圾质量也可能有差异，例如城区的垃圾一般要比郊区的垃圾质量高（后者灰分含量往往更高），改变入厂垃圾的来源也可以改变入厂垃圾的热值。
举措二：垃圾发酵精细化管理
垃圾发酵管理的最主要作用有两个：
垃圾发酵与脱水。在垃圾堆放过程中，有机物中的水分析出，通过渗滤液和蒸发的方式排出，同时使得垃圾更加容易燃烧。
垃圾的破碎和混合。通过不断的搬运、搅拌和倒垛垃圾，让结块的垃圾散开来，让垃圾更均匀的混合，这样更有利于燃烧的稳定。
通过精细化的垃圾发酵管理，对于垃圾的燃烧充分、减少垃圾水分有着关键影响。根据计算，每减少10%的垃圾水分，就可以提高3%左右的焚烧炉效率/上网电量。在一些垃圾焚烧厂，设置了专门的垃圾吊班组，让有经验的员工作为班长指导、监督与考核垃圾吊工作人员的工作，对于提高渗滤液产生率带来了积极影响。理想情况下，渗滤液产生率达到30%为优（各地可能各异），尤其是在夏季雨季加强垃圾发酵管理效果更明显。
举措三：燃烧过程参数控制
根据上文分析，主要关注三个影响热效率的指标：
过量空气系数，该参数影响的热损失量可达到700kj/kg。其一是影响排烟损失，一二次风量过大会导致通过烟气损失的热量提升；其二是影响一二次风机用电量，一二次风量越高，用于提供一次风的风机耗电量也就会越高；其三是影响环保达标成本，烟气中氧含量高，环保指标折算下来对烟气处理要求也越高。经过计算，如果过量空气系数从2.1下降到1.5，那么就可以提高6.0%左右的焚烧炉效率/上网电量。
排烟温度，该参数影响的热损失量可达到200kj/kg。排烟温度会直接影响各类排烟损失，排烟温度越高，在烟气中热量也越高，包括常规烟气、多余空气、垃圾中的水汽物质等都会带走更多热量。经计算，排烟温度每下降10度，可以提高约0.6-0.8%的焚烧炉效率/上网电量。
燃烧充分度，该参数影响的热损失量可达到200kj/kg。燃烧不充分，主要会通过炉渣途径流失热量，国家规定炉渣的热灼减率不得高于5%，垃圾焚烧厂可以通过监控炉渣产生率等指标的异常波动（偏高）情况来及时发现燃烧不充分。
举措四：汽轮机稳定运行管理
汽轮机的效率对吨上网电量的影响最大，例如某中温中压和中温次高压汽轮机的热效率相比，后者的热效率比前者高21%（见图6），在其他条件相同的情况下，意味着吨上网电量也直接提升21%。需要注意的是，汽轮机效率通常在设计之初就被确定，很难通过运营手段提升，主要措施就是保持汽轮机稳定并接近额定功率运行，以使其达到最佳热效率状态。
举措五：降低厂用电率
国内垃圾焚烧厂的厂用电率比例通常在12%-20%之间，其中有巨大的优化空间。一些运营人员虽然懂得降低厂用电量就能提高上网电量的道理，但由于缺乏适当的工具或不愿意深入探究厂用电的结构，只是凭感觉采取一些措施，并不清楚能否产生效果、能产生多大效果。我们认为降低厂用电率有两大类关键措施：
利用变频设备的节能能力，持续优化运营参数。当前大多数垃圾焚烧厂的大功率设备都是变频设备，具备节电的潜力，关键在于通过测试寻找最佳参数区间，使系统在安全、合规运转的前提下，减少电能消耗。
保持设备的优良运行状态。垃圾焚烧的整个系统往往是互相影响的，一个环节的问题往往会扩大并影响其他的环节，有时候设备电耗大并非设备自身的问题，而是受到其他因素的影响（例如前文提到的引风机电耗的案例）。
必须强调，提升能量利用效率对于垃圾焚烧厂来说大有可为，在“垃圾吃不饱”的当下，提高热量利用效率显得更加重要，这是一个最可为的创收、降本途径。
