北方城鎮(zhèn)多能源協(xié)同供應(yīng)系統(tǒng)及實(shí)例分析

楊佳霖

(中國大唐集團(tuán)新能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 石景山 100040)

0 引言

2017年，《關(guān)于推進(jìn)北方采暖地區(qū)城鎮(zhèn)清潔供暖的指導(dǎo)意見》和《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021年)》相繼印發(fā)，針對(duì)我國北方民生采暖問題，均明確要求因地制宜地科學(xué)選擇清潔采暖方法，滿足取暖要求。當(dāng)前我國民生采暖的重點(diǎn)工作已由城市熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱向城鎮(zhèn)的清潔供暖轉(zhuǎn)變。需求側(cè)，中小城鎮(zhèn)是未來城鎮(zhèn)人口集中膨脹的重要載體，隨著我國城鎮(zhèn)化加速，熱負(fù)荷快速發(fā)展[1-2]；而供給側(cè)，節(jié)能減排壓力重大，35 t/h以下蒸汽/熱水鍋爐面臨全面拆除，城鎮(zhèn)級(jí)供熱能力下降明顯。因此，北方城鎮(zhèn)清潔采暖問題已成為各地政府亟待解決的重要民生問題[3-4]。

城鎮(zhèn)級(jí)采暖多以燃煤蒸汽/熱水鍋爐為熱源點(diǎn)，進(jìn)行集中供暖，而鄉(xiāng)村級(jí)則多以戶用獨(dú)立燃煤小鍋爐為主。分散式小鍋爐能效低，且無任何環(huán)保設(shè)備，污染物排放量大，是冬季霧霾頻繁發(fā)生的重要成因。近幾年，各級(jí)政府大力推進(jìn)“煤改氣，煤改電”，戶用燃?xì)獗趻鞝t、電鍋爐、電熱地暖、空氣源熱泵等戶用采暖系統(tǒng)等在城鎮(zhèn)及農(nóng)村中推廣迅速，風(fēng)電供暖也進(jìn)行了較為深入研究和局部示范[5-7]。但2017—2018年采暖季，波及全國20多個(gè)省區(qū)、至今未平的“氣荒”，暴露了我國天然氣產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)的短板；“煤改電”后，老舊小區(qū)線路增容困難，局部供電質(zhì)量問題等也影響了更換供熱方式后居民的采暖質(zhì)量。同時(shí)，當(dāng)前的“煤改電、煤改氣”無法擺脫政府補(bǔ)貼，一旦補(bǔ)貼停止，城鎮(zhèn)居民采暖成本將會(huì)驟增。因此，從我國資源稟賦及采暖可靠性和經(jīng)濟(jì)性角度分析，真正適合我國北方城鎮(zhèn)的清潔采暖方式仍然應(yīng)以煤為主要燃料，采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式對(duì)能源進(jìn)行梯級(jí)利用，配置先進(jìn)的環(huán)保設(shè)備實(shí)現(xiàn)超低排放?！侗狈降貐^(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021年)》，明確清潔化燃煤(超低排放)是清潔取暖重要方式，清潔燃煤集中供暖在多數(shù)北方城市城區(qū)、縣城和城鄉(xiāng)結(jié)合部應(yīng)作為基礎(chǔ)性熱源使用，推動(dòng)燃煤蒸汽背壓機(jī)清潔取暖應(yīng)用。

本文以清潔燃煤蒸汽背壓機(jī)組供熱為基礎(chǔ)，結(jié)合北方地區(qū)能源供應(yīng)特點(diǎn)，提出一種協(xié)同利用城市低溫?zé)嵩?、化石能源和可再生能源的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)，在采暖季，采用污水源熱泵[8-9]利用棄風(fēng)、棄光電能吸收城鎮(zhèn)污水中低溫余熱，對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行初級(jí)加熱，利用燃煤蒸汽背壓機(jī)組排汽對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行二次加熱，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)升溫和能級(jí)匹配。

1 多能源協(xié)同供應(yīng)系統(tǒng)及運(yùn)行方式

圖1為協(xié)同利用城市污水低溫?zé)嵩?、棄風(fēng)、棄光電量及清潔燃煤背壓機(jī)組的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)。

圖1 多能源協(xié)同供應(yīng)系統(tǒng)Fig.1 Integrated multi-energy supply system

多能源協(xié)同供應(yīng)系統(tǒng)以污水源低溫余熱、棄風(fēng)棄光電量、燃煤為輸入能源，以冷、熱、電為輸出能源，通過合理配置污水源熱泵、燃煤蒸汽背壓機(jī)、循環(huán)流化床調(diào)峰鍋爐及用戶側(cè)氨基/溴化鋰基吸收式制冷機(jī)組等能量轉(zhuǎn)換設(shè)備實(shí)現(xiàn)能源的合理利用。在采暖季，利用棄風(fēng)、棄光電量驅(qū)動(dòng)污水源熱泵吸收污水中低溫余熱對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行一級(jí)加熱，利用燃煤蒸汽背壓機(jī)組排汽對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行二級(jí)加熱。優(yōu)先運(yùn)行污水源熱泵機(jī)組滿足初末寒期采暖需求；隨著熱負(fù)荷增大，開啟清潔燃煤蒸汽背壓機(jī)組并逐步調(diào)整負(fù)荷；當(dāng)進(jìn)入嚴(yán)寒期，污水源熱泵與背壓機(jī)組供熱能力不足時(shí)，啟動(dòng)循環(huán)流化床調(diào)峰熱水鍋爐，滿足尖峰熱負(fù)荷需求。在非采暖季，若有制冷負(fù)荷，蒸汽背壓機(jī)組排汽通過蒸汽管道輸送至用戶側(cè)，根據(jù)用戶用冷溫度，選擇氨基/溴化鋰基吸收式制冷機(jī)組，滿足用冷負(fù)荷需求。該系統(tǒng)需要污水處理廠與燃煤蒸汽背壓機(jī)組距離較近，以降低污水輸送成本，同時(shí)污水處理廠可提供廉價(jià)中水，經(jīng)處理后作為鍋爐、熱網(wǎng)系統(tǒng)補(bǔ)充水源，提升城鎮(zhèn)中水利用率。

以該系統(tǒng)進(jìn)行冷熱電聯(lián)產(chǎn)相較于當(dāng)前普遍的燃煤熱水鍋爐具有一定優(yōu)勢(shì)，即通過冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)可有效提高綜合能源利用效率，利用小時(shí)數(shù)相應(yīng)提高，經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)明顯；與直接采用燃煤蒸汽背壓機(jī)組比，該系統(tǒng)利用棄風(fēng)、棄光電量和污水低溫余熱初級(jí)升溫，在滿足相同熱負(fù)荷條件下，燃煤蒸汽背壓機(jī)組裝機(jī)容量更小，化石燃料消耗降低，熱電比更大。

2 實(shí)例分析

以內(nèi)蒙某中心城鎮(zhèn)作為核算依據(jù)，參照該中心城鎮(zhèn)的總體規(guī)劃及控制性詳細(xì)規(guī)劃，舊城區(qū)熱力公司處于棚戶區(qū)改造區(qū)域，面臨遷址。棚改后舊城區(qū)新增建筑面積較大，該熱力公司設(shè)備老舊，供熱能力嚴(yán)重不足。規(guī)劃新址位置與城鎮(zhèn)污水處理廠毗鄰，具備采用上述系統(tǒng)的地緣條件。該地區(qū)夏季天氣涼爽，暫不考慮制冷負(fù)荷。

2.1 熱負(fù)荷分析

該城鎮(zhèn)集中供熱劃分為新城區(qū)和舊城區(qū)2個(gè)片區(qū)，并分屬兩家熱力公司供應(yīng)，熱網(wǎng)互不聯(lián)通。目前新城區(qū)供熱系統(tǒng)已新建完成，供熱能力充足，舊城區(qū)面臨新址重建，該實(shí)例主要以滿足舊城區(qū)供熱負(fù)荷為主要目標(biāo)。熱負(fù)荷測(cè)算分別采用指標(biāo)法和運(yùn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)法進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1 指標(biāo)法預(yù)測(cè)熱負(fù)荷

指標(biāo)法預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為

Qh=qhAc×10-3

(1)

式中：Qh為采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；qh為采暖熱指標(biāo)，W/m2；Ac為采暖建筑物的建筑面積，m2；

舊城區(qū)主要建筑類型為居住住宅及公共建筑，根據(jù)該地區(qū)采暖供熱標(biāo)準(zhǔn)和CJJ 34—2002《城市熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、DBJ 01-602—2004《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)具體采暖熱指標(biāo)(考慮管網(wǎng)損失)取值如下：居住建筑50 W/m2；公共建筑65 W/m2。參照棚戶區(qū)改造前居住建筑與公共建筑面積比例約為2∶1，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)加權(quán)平均值為55 W/m2。棚戶區(qū)改造后及原有保留建筑面積共計(jì)270萬 m2，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為148.5 MW。

2.1.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)熱負(fù)荷

動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)以新城區(qū)熱力公司2017—2018年采暖季運(yùn)行記錄作為計(jì)算依據(jù)，每隔5天采集1次，具體如圖2所示。

圖2 采暖周期熱負(fù)荷情況Fig.2 Thermal load in heating season

由曲線可以看到最大熱負(fù)荷需求是在1、2月份，最大值為151.90 MW(設(shè)計(jì)值)，新城區(qū)熱力公司供熱面積為280萬 m2，反推單位面積熱指標(biāo)為54.25 W/m2。這2種方法計(jì)算得到的單位面積熱指標(biāo)極為接近，因此舊城區(qū)選取單位面積熱指標(biāo)55 W/m2，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為148.5 MW具有較高的負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。

2.2 容量配置

運(yùn)行方式為以熱定電，則供能系統(tǒng)設(shè)備選型應(yīng)保證能夠滿足舊城區(qū)最大熱負(fù)荷，并參照負(fù)荷變化確定基礎(chǔ)容量和調(diào)峰容量[10]。由新城區(qū)負(fù)荷變化確定的熱負(fù)荷率延時(shí)曲線如圖3所示。

圖3 熱負(fù)荷延時(shí)曲線Fig.3 Curve of thermal load duration

由負(fù)荷延時(shí)曲線分析，取定93.6 MW作為基礎(chǔ)負(fù)荷與調(diào)峰負(fù)荷的分界線，調(diào)峰容量與基礎(chǔ)容量比例為1∶1.7。舊城區(qū)規(guī)劃污水處理廠設(shè)計(jì)熱處理能力50 000 t/d，若污水源低溫余熱全部利用，溫度由12 ℃降至5 ℃，污水源熱泵能效比(coefficient of performance, COP)為3.5，則污水源熱泵共可提供初級(jí)加熱功率為23.8 MW。

由延時(shí)曲線可以看到，污水源熱泵可在整個(gè)采暖周期內(nèi)滿負(fù)荷運(yùn)行。二次加熱采用清潔燃煤蒸汽背壓機(jī)組，背壓機(jī)組需提供供熱功率69.8 MW，蒸汽量約為100 t/h。調(diào)峰負(fù)荷由循環(huán)流化床熱水鍋爐滿足，需提供供熱功率為54.9 MW。根據(jù)量產(chǎn)設(shè)備型號(hào)，配置方案如表1所示。

表1 系統(tǒng)配置情況Table 1 System configuration information

由配置設(shè)備情況看，全部供熱能力合計(jì)152 MW，大于148.5 MW負(fù)荷需求，能夠滿足棚改后舊城區(qū)供熱需求。

2.3 不同商業(yè)模式技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

多能源協(xié)同供應(yīng)系統(tǒng)輸入能源形式有燃煤化學(xué)能、電能、污水源低溫余熱能，輸出能源形式是電能和采暖熱能(若有冷量需求，也可生產(chǎn)冷能)。上網(wǎng)電價(jià)與采暖熱價(jià)由地區(qū)政府制定，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化，因此項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性主要取決于初投資和用能成本。表2給出了最不利條件(污水源熱泵耗電采用大工業(yè)分時(shí)加權(quán)平均用電價(jià)格)下，多能源協(xié)同供應(yīng)系統(tǒng)與單純采用燃煤蒸汽背壓機(jī)組系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)比結(jié)果。經(jīng)相同的容量配制方法，同樣供熱需求下，單純采用燃煤蒸汽背壓機(jī)組需配置2×12 MW燃煤蒸汽背壓機(jī)組滿足基礎(chǔ)供熱負(fù)荷，配置58 MW循環(huán)流化床熱水鍋爐滿足調(diào)峰負(fù)荷。

表2 系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)Table 2 Main technological and economic indicators

對(duì)比兩系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)可以看到，多能源協(xié)同供應(yīng)系統(tǒng)(系統(tǒng)一)具有更高的熱電比，比燃煤蒸汽背壓機(jī)系統(tǒng)(系統(tǒng)二)高出42.6%；系統(tǒng)一全采暖季總煤耗量更低，低于系統(tǒng)二約29.7%。其主要原因是系統(tǒng)一中污水源熱泵利用電能吸收污水中低溫余熱用于采暖供熱，與系統(tǒng)二相比降低了燃煤蒸汽背壓機(jī)組配置容量，同時(shí)，系統(tǒng)一的燃煤蒸汽背壓機(jī)機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)低于系統(tǒng)二，所以標(biāo)煤耗量相應(yīng)降低。但系統(tǒng)一中污水源熱泵需消耗大量電能，當(dāng)該電價(jià)采用大工業(yè)加權(quán)平均電價(jià)時(shí)，系統(tǒng)用能成本較高，使得項(xiàng)目財(cái)務(wù)投資收益率為6.89%，低于系統(tǒng)二的投資收益率。但系統(tǒng)一污水源耗電電量的價(jià)格為可變量，可采用低價(jià)的棄風(fēng)棄光電量、也可將污水源耗電并入廠用電，利用燃煤蒸汽背壓機(jī)組發(fā)電電量。污水源熱泵耗電價(jià)格對(duì)投資收益率的影響如圖4所示。

圖4 污水源熱泵耗電價(jià)格對(duì)投資收益率的影響Fig.4 Impact of electricity price of sewage source heat pump on investment rate

由圖4可以看到，隨著污水源熱泵耗電價(jià)格降低，項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率呈線性增加趨勢(shì)。當(dāng)污水源熱泵的用電價(jià)格低于0.383元/(kW·h)時(shí)，方案一的收益率將好于方案二；當(dāng)污水源熱泵用電并入燃煤蒸汽背壓機(jī)組廠用電后，等效于污水源熱泵的用電電價(jià)為0.252元/(kW·h)，因此若購入的棄風(fēng)棄光電量能夠低于0.252元/(kW·h)時(shí)，將有助于降低運(yùn)營成本，提升項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)論

(1) 多能源供應(yīng)系統(tǒng)能夠通過配置不同的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備實(shí)現(xiàn)冷、熱、電聯(lián)合供應(yīng).

(2) 多能源協(xié)同供應(yīng)系統(tǒng)較常規(guī)燃煤蒸汽背壓機(jī)系統(tǒng)可有效降低燃煤機(jī)組容量配置，降低煤炭用量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污染物減排：以270萬 m2采暖需求的北方城鎮(zhèn)進(jìn)行核算，可降低機(jī)組容量降低25%，全采暖季熱電比提升42.6%，燃煤量降低29.7%。

(3) 多能源協(xié)同供應(yīng)系統(tǒng)與完全采用燃煤蒸汽背壓機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)污水源熱泵耗電電價(jià)為0.383元/(kW·h)時(shí)，兩系統(tǒng)收益率相當(dāng)；污水源熱泵并入燃煤蒸汽背壓機(jī)組廠用電時(shí)的等效用電電價(jià)為0.252元/(kW·h)，若購入的棄風(fēng)、棄光電量電價(jià)低于該值，將有助于降低運(yùn)營成本，提升項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。