发电和工业余热实现北方城镇清洁供热

2022-03-29 10:34:00

发电和工业余热实现北方城镇清洁供热

我国的建筑运行用能可分为北方城镇采暖用能、不包括北方采暖的居住建筑用能、公共建筑用能以及农村居住建筑用能四大部分。
之所以把北方城镇采暖用能单独列出，是因为其用能特点不同。而且在这四大类建筑运行用能中，北方采暖的能耗总量最大，对大气污染的影响最大，但节能潜力也最高，是我国建筑节能工作的重点。
热电联产和工业余热利用获技术突破
目前，我国北方城镇的民用建筑总量为145亿平方米，80%采用不同规模的集中供热方式，其中约60%的热源为热电联产电厂提供，其余为大型燃煤、燃气燃烧器定制及少部分工业余热，剩余20%的建筑则采用燃气壁挂炉、地源或空气源热泵等分散方式。
目前，热电联产、燃煤燃气燃烧器定制和分散供暖三种方式采暖平均能耗分别为每平米每个冬季12、18和14公斤标煤。北方城镇145亿平米建筑冬季供暖总能耗为2.1亿吨标煤。
热电联产是利用发电余热作为供暖热源，不同的热电联产工艺输出热量的能耗不同。目前，我国大多数热电联产电厂是抽凝机组，抽取部分原本进入低压缸继续发电的0.5兆帕左右的蒸汽，把热网循环水从50~60℃加热到110~125℃。剩下的部分蒸汽仍进入低压缸发电，其冷凝热量在20~40℃的温度下由冷却塔或空冷岛排出，排出余热约为机组总热量的20%~30%。
近年来，部分电厂进行多种形式的背压改造，虽然消除了冷端损失，但同时也减少了发电量。按照火用分摊方法把电厂消耗的燃煤分摊给输出的电力和热力，这两种方式输出热量的煤耗在20~30公斤标煤/吉焦之间。
前述热电联产产热折合煤耗仍然偏高的主要原因是进入电厂的热网循环水回水温度太高（50℃以上），只能用较高的热源加热。通过在供热系统末端采用新的吸收式换热器等技术，可以使回水温度降低到10~30℃。这时再采用新的热电联产热回收工艺，就可以回收全部冷端余热，而不会进一步减少发电量。在循环水温度仍加热到120℃的条件下，输出热量所分摊的煤耗可降至10~15公斤标煤/吉焦。
低回水温度使热网的供回水温度从120/50℃的70开尔文温差提高到120/15℃的105开尔文温差，这就使得同样的热网循环水流量所输送的热量提高50%，降低了热网输送热量的初投资和运行成本。低温回水还可进入冶金、有色、化工、建材等工厂去有效回收工业生产过程排放的低品位余热。这一技术从2010年开始陆续在山西、河北、宁夏等多地推广，已在可靠性、经济性、可实施性等多方面得到全面证实，引起供热界的高度关注。
北方城镇供热方式亟须改变
未来，我国北方城镇需要供热的民用建筑总量将达到200亿平方米，其中160亿平方米可由热电联产和工业余热提供基础热源。由4亿千瓦发电能力的热电厂供应130亿平方米，由冶金、有色、建材等生产过程排放的低品位工业余热供应30亿平方米。在此基础上，这160亿平方米建筑每年只需要再消耗150亿立方米天然气和450亿千瓦时电力作为终端调峰和循环水泵用电，就可以满足供热要求，综合耗能每平米每年9公斤标煤以下。
要实现这一供热规划，就必须回答未来我国是否还会保留这样多的燃煤电厂，同时还要考察这些热源的地理位置是否与需要热量的城镇位置相匹配，热量输送成本是否可接受。
我国北方采暖区域内目前已有热电厂装机超过6亿千瓦。未来大规模发展风电、光电，需要有足够的蓄能能力和灵活电源，以适应风电、光电的大幅度日波动和电力负荷侧的日变化。水电和抽水蓄能电站是最好的蓄能和灵活电源。然而，由我国地理资源决定的水电和抽水蓄能电站总量很难超过3亿千瓦，考虑未来发展1亿~1.5亿千瓦的核电，还需要8亿千瓦以上容量的热电厂作为调峰电厂，才可能与风光电互动，满足未来我国的电力需求。
此外，冬季北方受枯水期限制和避免黄河冰凌的影响，水力发电能力大幅下降，也需要额外的1亿千瓦火电来补充冬季水电的不足。这样，我国北方冬季应有5亿千瓦以上的火电和核电运行，才能在大比例发展风电、光电、水电的前提下满足未来的电力供应，大于供热所要求的4亿千瓦火电的装机容量。
然而，这些冬季按照热电联产方式运行的火电和核电必须同时承担电网的快速峰谷调节任务，而不能按照传统的“以热定电”模式运行。当进入电厂的热网回水温度低于20℃后，通过在电厂设大容量的蓄热装置和电动热泵，可以在需要发电时全功率发电，用蓄热罐的热量供热，并蓄存发电余热；而在电力需求低谷期最大量抽气，并开启大容量电动热泵，提升电力高峰期蓄存的低品位余热。通过工艺流程优化，可以使热电厂全天的综合热效率高于95%，输出电力在35%~100%范围内快速调节，而全天输出电力与输出热量之比不低于45%。
对于沿海修建的核电和火电，还可以进一步利用发电余热进行海水淡化，从而通过改变抽气量、蓄热量和使用电动热泵提升低温余热的品位，在全年都可实现大范围的电力峰谷调节和高效余热利用。北方沿海地区同时也是淡水资源匮乏区，热、电、水联产可以实现全年的电力灵活调节和余热的充分利用。
多热源联合供热是大势所趋
我国北方90%的县以上城镇都已建成较完善的城区供热管网，这是发展余热供热的必备条件，在世界上绝大多数发达国家都不具备。具体考察北方各县以上城镇地理位置，可发现80%的城镇都可以在100公里半径的范围内找到足够的潜在可利用的余热资源。当把输送距离提高到150公里时，则热源与热负荷的匹配度高于90%。
采用低回水温度技术，热量输送的经济距离可增长50%。同时，单位热量的输送成本也随容量增大而下降，单位热量管道热损失亦与管径成反比，输送5000兆瓦热量的管网的经济输送距离是500兆瓦热量管网的3倍。实现大温差输送，输送容量达几千兆瓦，经济输送距离是常规温差、容量为几百兆瓦管网的4~5倍。
自上世纪80年代起，我国建设了不少输送距离达30~40公里的热网，至今仍在安全运行。由此，采用大温差和大容量技术，可接受的输送距离就是100~150公里。目前北方大多数城镇在这个半径内都可以找到与建筑规模相匹配的热电联产或工业余热热源。
近年来，我国已在太原、银川、石家庄等地相继建成40~60公里的大容量长距离热网，其建设和运行实践也证实了这一点。目前又有多地正在规划、设计和建造规模更大、距离更长的热网，并将在未来2~3年内完工投运。
冬季供热是重要的民生工程，以单一的工厂或电厂为热源，为一个区域供热，很难达到高安全、高可靠。实现区域大联网，多个热源联合供热，再加上终端的天然气调峰，就可以实现多源互补、优化运行，保证系统的可靠与安全。
构建覆盖北方大多数城镇的区域热网，全面采集各种余热资源，相互补充，并实现发电、调峰、供热、供气之间的协同，这将是在低碳要求下我国未来城市能源系统的最佳模式。这需要统一规划，分散建设，在中央统一规划协调下发挥地方的积极性、依靠市场机制调动逐步实施。另外，还需要制定合理的定价机制，均衡热、电、气价格，并充分考虑各种调峰对系统的贡献。

内容来源：中国科学报