基于熱電聯(lián)產(chǎn)及工業(yè)余熱利用的供熱規(guī)劃

李永紅, 常珊珊, 杜志鋒, 付 林

(1.清華大學(xué),北京100084;2.北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京100085)

1 概述

從供熱能源結(jié)構(gòu)看,我國(guó)北方供熱仍以燃煤為主。截至2016年底,燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)供熱面積占比約45%,燃煤鍋爐供熱面積占比約32%[1]。北方城鎮(zhèn)大力推行城鎮(zhèn)清潔供熱(煤改氣、煤改電為代表),但也面臨著氣源保障困難、政府補(bǔ)貼壓力大等問(wèn)題。在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的指引下,以熱電聯(lián)產(chǎn)及工業(yè)余熱利用為主,輔以天然氣和電力等清潔能源的供熱模式,成為減少燃煤消耗、改善大氣環(huán)境、保障城市供熱的有效途徑。

淄博作為京津冀及周邊大氣污染傳輸通道城市之一,于2018年入選北方地區(qū)冬季清潔供暖試點(diǎn)城市。在淄博現(xiàn)狀熱源中,70%仍為小型燃煤熱電廠和鍋爐房,熱源規(guī)模小、能耗高,大多數(shù)分布在城區(qū),布局不合理,是供暖期重要污染源。淄博熱電聯(lián)產(chǎn)及工業(yè)余熱資源豐富,但是從全域配置來(lái)看,存在工業(yè)余熱品位低,一些余熱點(diǎn)位距離熱負(fù)荷需求區(qū)域較遠(yuǎn)的問(wèn)題。因此,采用何種低品位余熱供熱技術(shù)開(kāi)發(fā)余熱熱源,替代小型燃煤熱電、鍋爐房和滿(mǎn)足新增供熱需求,是供熱規(guī)劃需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。

本文總結(jié)淄博地區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)及工業(yè)余熱資源,對(duì)基于熱電聯(lián)產(chǎn)及工業(yè)余熱利用的供熱規(guī)劃進(jìn)行探討。

2 余熱供熱技術(shù)

低品位余熱供熱系統(tǒng)涉及工業(yè)余熱高效回收、熱電協(xié)同、長(zhǎng)輸熱網(wǎng)大溫差系統(tǒng)構(gòu)建、城市熱網(wǎng)調(diào)峰、多熱源聯(lián)網(wǎng)等方面。

為增加熱電廠供熱能力,增大城市熱網(wǎng)輸送能力,付林等人[2]提出了基于吸收式換熱的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)。大型汽輪機(jī)組采用高背壓余熱供熱,可減少傳統(tǒng)抽汽供熱造成的可用能損失,而且回收了排汽余熱,還可擴(kuò)大機(jī)組的供熱能力[3]。若進(jìn)行高背壓供熱改造,對(duì)于空冷汽輪機(jī),設(shè)計(jì)背壓較高,可以滿(mǎn)足供暖期安全運(yùn)行。對(duì)于濕冷汽輪機(jī),考慮到汽輪機(jī)的安全性,供暖期須更換專(zhuān)門(mén)的低壓轉(zhuǎn)子。

工業(yè)企業(yè)可提供大量30～250 ℃的余熱資源。距離瑞典哥德堡市約50 km的石化產(chǎn)業(yè)群的余熱回收項(xiàng)目目標(biāo)熱功率為235 MW,熱網(wǎng)供、回水溫度按93、50 ℃進(jìn)行經(jīng)濟(jì)測(cè)算,在項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期內(nèi)收益率達(dá)到10%[4]。國(guó)內(nèi)工業(yè)余熱供熱較為成功的項(xiàng)目有赤峰銅廠余熱集中供熱示范項(xiàng)目、遷西鋼鐵廠余熱供熱項(xiàng)目[5],遷西鋼鐵廠的余熱主要包括高爐冷卻水(熱功率90 MW)、高爐沖渣水(熱功率79 MW)。國(guó)內(nèi)也有提出熱電聯(lián)產(chǎn)長(zhǎng)輸供熱聯(lián)合利用鋼鐵廠余熱的供熱設(shè)計(jì)案例[6]。

歐洲提出低溫供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,有利于利用余熱和可再生能源,降低輸配熱損耗。供水溫度一般在50～60 ℃,回水溫度最低至25 ℃[7]。研究發(fā)現(xiàn),熱源選擇對(duì)熱網(wǎng)供回水溫度參數(shù)有較大影響。文獻(xiàn)[8]估算了不同供回水溫度水平的供熱成本差異,研究發(fā)現(xiàn),利用地?zé)帷⒐I(yè)余熱的熱泵供熱系統(tǒng)的供回水溫度對(duì)供熱成本影響十分顯著,而利用垃圾、生物質(zhì)的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)的供回水溫度對(duì)供熱成本影響不顯著。因此,應(yīng)針對(duì)不同余熱品位和熱源形式合理選擇供回水溫度。

我國(guó)的余熱資源規(guī)模大,距離城市較遠(yuǎn)。高效利用余熱并為城區(qū)供熱,需要發(fā)展大溫差供熱模式[9]。2016年,太原建成了我國(guó)首個(gè)大溫差長(zhǎng)距離供熱示范工程,利用遠(yuǎn)郊古交電廠的抽汽、乏汽余熱,通過(guò)38.7 km的長(zhǎng)輸熱網(wǎng)輸送至太原,為全市40%的建筑供熱,長(zhǎng)輸熱網(wǎng)設(shè)計(jì)供、回水溫度為130、30 ℃,供熱規(guī)模達(dá)7 600×104m2。工程總投資67×108元,單位供熱面積投資不到100 元/m2,綜合供熱成本僅為36 元/GJ。

3 淄博供熱現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

淄博城區(qū)(含沂源縣和文昌湖片區(qū))現(xiàn)狀(截至2019—2020年供暖期)見(jiàn)表1。由表1可知,淄博城區(qū)現(xiàn)狀供熱面積為8 715×104m2。大型熱電廠(指配置單臺(tái)額定發(fā)電功率≥300 MW熱電機(jī)組的熱電廠)供熱面積僅占24%,清潔余熱(含工業(yè)余熱與生物質(zhì)、垃圾焚燒熱電廠)供熱面積僅占5.7%,小型熱電廠(指配置單臺(tái)額定發(fā)電功率<300 MW熱電機(jī)組的熱電廠)及小型燃煤鍋爐房供熱面積占70.3%。淄博城區(qū)現(xiàn)狀供熱熱源分布見(jiàn)圖1。目前淄博城區(qū)供熱企業(yè)眾多,但各供熱企業(yè)熱網(wǎng)彼此獨(dú)立,供熱保障率低、安全性差。應(yīng)打破域內(nèi)行政區(qū)劃限制,統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)熱網(wǎng)。

圖1 淄博城區(qū)現(xiàn)狀供熱熱源分布

表1 淄博城區(qū)現(xiàn)狀(截至2019—2020年供暖期)

淄博市區(qū)單臺(tái)額定發(fā)電功率50 MW及以下的熱電機(jī)組占38.1%,單臺(tái)額定發(fā)電功率300 MW及以上的熱電機(jī)組占43.3%。為加快全市煤電行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和轉(zhuǎn)型升級(jí),淄博市政府提出:對(duì)于現(xiàn)有機(jī)組,原則上小熱電機(jī)組(單臺(tái)額定發(fā)電功率≤50 MW)全部關(guān)停。大熱電機(jī)組(單臺(tái)額定發(fā)電功率≥300 MW)15 km供熱半徑內(nèi),落后熱電機(jī)組全部關(guān)停。

結(jié)合近5年的城市集中供熱發(fā)展情況,淄博新增建筑面積增加較快,集中供熱面積年均增長(zhǎng)約355×104m2/a,對(duì)集中供熱熱源的需求也快速增加。小熱電機(jī)組關(guān)停后,急需替代熱源填補(bǔ)。作為工業(yè)城市,淄博大量的工業(yè)余熱未得到有效利用,造成能源浪費(fèi)。而現(xiàn)狀工業(yè)余熱供熱占比非常低,工業(yè)余熱供熱發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

4 淄博余熱供熱規(guī)劃

4.1 淄博余熱資源

淄博市區(qū)現(xiàn)狀大型熱電廠包括華電淄博電廠、華能白楊河電廠、華能辛店電廠、天源熱電廠,遠(yuǎn)期均僅保留單臺(tái)額定發(fā)電功率300 MW及以上的熱電機(jī)組。工業(yè)余熱主要考慮當(dāng)?shù)氐拇笮褪蜔捇?、冶金和玻璃生產(chǎn)企業(yè),余熱主要以冷卻水、低溫乏汽、煙氣等為主。淄博市區(qū)大型熱電廠、工業(yè)余熱供熱潛力分別見(jiàn)表2、3。由表2、3可知,大型熱電廠供熱潛力為1 783 MW,工業(yè)余熱供熱潛力為1 384 MW。

表2 淄博市區(qū)大型熱電廠供熱潛力

表3 淄博市區(qū)工業(yè)余熱供熱潛力

4.2 淄博市區(qū)供熱規(guī)劃

淄博市區(qū)供熱規(guī)劃圖見(jiàn)圖2。打造熱電聯(lián)產(chǎn)及工業(yè)余熱供熱的清潔供熱模式,建設(shè)以華能白楊河電廠、齊魯石化烯烴廠(圖2中烯烴廠)為主要熱源的2條長(zhǎng)輸管道,實(shí)施主干管道互聯(lián)互通。

圖2 淄博供熱規(guī)劃圖

① 熱源

淄博2035年規(guī)劃集中供熱面積1.27×108m2,規(guī)劃充分利用華電淄博電廠、華能白楊河電廠、華能辛店電廠、天源熱電廠等4座大型熱電廠供熱能力,回收齊魯石化、山東鋁業(yè)的工業(yè)余熱供熱。熱源規(guī)劃涉及以下內(nèi)容。

華電淄博電廠:進(jìn)行高背壓余熱供熱改造,供熱潛力555 MW。利用其中156 MW回收山東鋁業(yè)的工業(yè)余熱,實(shí)現(xiàn)承擔(dān)265 MW的供熱負(fù)荷。

華能白楊河電廠:進(jìn)行高背壓余熱供熱改造,供熱潛力468 MW。其中296 MW承擔(dān)博山區(qū)供熱負(fù)荷,其余172 MW通過(guò)長(zhǎng)輸熱網(wǎng)輸送至淄川區(qū)。

齊魯石化:以齊魯石化自備電廠抽汽和華能辛店電廠抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源,補(bǔ)充部分電力,利用熱泵機(jī)組回收齊魯石化烯烴廠、煉油廠的工業(yè)余熱,總回收余熱量為750 MW,再利用抽汽進(jìn)行尖峰加熱,可實(shí)現(xiàn)烯烴廠供熱能力1 011 MW,煉油廠供熱能力491 MW。

金誠(chéng)石化:以天源熱電廠抽汽驅(qū)動(dòng)吸收式熱泵回收金誠(chéng)石化余熱,總供熱能力為293 MW。

匯豐石化、金晶玻璃:兩家企業(yè)遠(yuǎn)期自備熱電廠僅提供工業(yè)蒸汽,以燃?xì)庵比夹臀帐綗岜寐?lián)合電驅(qū)動(dòng)熱泵回收自備熱電廠余熱,總供熱能力為458 MW。

高青縣:規(guī)劃利用燃?xì)怛?qū)動(dòng)熱泵回收新增的燃?xì)鈾C(jī)組余熱及工業(yè)園的工業(yè)余熱,承擔(dān)高青縣供熱負(fù)荷,總供熱能力為101 MW。

② 熱網(wǎng)

以遠(yuǎn)距離熱電聯(lián)產(chǎn)和工業(yè)余熱供熱為主的供熱區(qū)域,長(zhǎng)輸熱網(wǎng)供、回水溫度為110、25 ℃。對(duì)于新增供熱區(qū)域,新建熱網(wǎng)及吸收式大溫差熱力站。對(duì)于既有供熱區(qū)域(特別是老城區(qū)),為盡可能減少對(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)及熱力站運(yùn)行條件的改變,并充分利用現(xiàn)狀一級(jí)管網(wǎng),將現(xiàn)狀小型熱電廠、小型燃煤鍋爐房改造為能源站,能源站內(nèi)設(shè)置燃?xì)?熱水型吸收式換熱機(jī)組,承擔(dān)尖峰調(diào)節(jié)和進(jìn)一步降低熱網(wǎng)回水溫度功能。

以近距離熱電聯(lián)產(chǎn)和工業(yè)余熱供熱為主的區(qū)域,熱網(wǎng)供、回水溫度為85、45 ℃。以工業(yè)余熱供熱為主的供熱區(qū)域,鼓勵(lì)采取措施進(jìn)一步降低熱網(wǎng)供回水溫度。

由圖2可知,淄博市區(qū)發(fā)展2條長(zhǎng)輸管道:通過(guò)齊魯石化烯烴廠分別向北、向南敷設(shè)管道實(shí)現(xiàn)臨淄區(qū)與張店區(qū)、淄川區(qū)聯(lián)通,管道長(zhǎng)度30 km。華能白楊河電廠通過(guò)張博公路敷設(shè)供熱管道實(shí)現(xiàn)博山區(qū)與淄川區(qū)聯(lián)通,管道長(zhǎng)度33 km。實(shí)施主干管道互聯(lián)互通,能夠在更大區(qū)域充分合理利用熱電聯(lián)產(chǎn)和工業(yè)余熱資源,解決部分地區(qū)熱源供需不匹配問(wèn)題。

4.3 規(guī)劃方案環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)性

通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)、工業(yè)余熱利用結(jié)合主干管道互聯(lián)互通,初步估算,1個(gè)供暖期可替代標(biāo)準(zhǔn)煤約250×104t,環(huán)境效益突出。

經(jīng)過(guò)測(cè)算,規(guī)劃方案估算投資為42.4×108元,綜合供熱成本40.4 元/GJ,低于大型燃煤鍋爐房供熱成本,遠(yuǎn)低于燃?xì)忮仩t房供熱成本。

4.4 技術(shù)路徑案例

齊魯石化烯烴廠余熱供熱項(xiàng)目工藝流程見(jiàn)圖3。齊魯石化烯烴廠可利用工業(yè)余熱介質(zhì)包括母液、急冷水、循環(huán)冷卻水。長(zhǎng)輸熱網(wǎng)回水在烯烴廠分為兩路:一路4 000 t/h長(zhǎng)輸熱網(wǎng)回水先采用直接換熱方式(換熱器集成在熱泵機(jī)組2中)回收乙烯急冷水、母液的余熱量,然后采用熱泵機(jī)組2(蒸汽型吸收式熱泵)回收循環(huán)冷卻水余熱,抽汽來(lái)自齊魯石化自備電廠、華能辛店電廠。另一路6 231 t/h長(zhǎng)輸熱網(wǎng)回水經(jīng)熱泵機(jī)組1(蒸汽型吸收式熱泵聯(lián)合電驅(qū)動(dòng)熱泵)回收循環(huán)冷卻水余熱,抽汽、電力來(lái)自齊魯石化自備電廠、華能辛店電廠。

圖3 齊魯石化烯烴廠余熱供熱項(xiàng)目工藝流程

5 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo),能源行業(yè)必須推動(dòng)節(jié)能與能效提升、化石能源的清潔化及化石能源的大規(guī)模替代。我國(guó)北方城鎮(zhèn)以燃煤為主的供熱能源結(jié)構(gòu)碳排放較高,且城鎮(zhèn)化率的進(jìn)一步提高還要進(jìn)一步增加供熱能源消費(fèi)需求。為實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo),未來(lái)我國(guó)需要在減煤道路上繼續(xù)發(fā)力,嚴(yán)控新增煤電,實(shí)現(xiàn)煤炭消費(fèi)總量及煤炭在能源消費(fèi)中比重的持續(xù)下降。目前,已有銀川、鄭州、石家莊、太原、烏魯木齊、西安等北方城市致力于優(yōu)化城市供熱能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),推進(jìn)清潔低碳供熱工程。

為達(dá)到降低煤炭消費(fèi)、治理大氣環(huán)境的要求,淄博需加快推動(dòng)全市煤電行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和轉(zhuǎn)型升級(jí),打破域內(nèi)行政區(qū)劃限制,統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)互聯(lián)互通長(zhǎng)輸熱網(wǎng),在更大的區(qū)域范圍內(nèi)合理配置利用熱電聯(lián)產(chǎn)和工業(yè)余熱資源,解決部分地區(qū)熱源供需不匹配問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的節(jié)能減排。