基于熱電聯產及工業余熱利用的供熱規劃

李永紅, 常珊珊, 杜志鋒, 付 林

(1.清華大學,北京100084;2.北京清華同衡規劃設計研究院有限公司,北京100085)

1 概述

從供熱能源結構看,我國北方供熱仍以燃煤為主。截至2016年底,燃煤熱電聯產供熱面積占比約45%,燃煤鍋爐供熱面積占比約32%[1]。北方城鎮大力推行城鎮清潔供熱(煤改氣、煤改電為代表),但也面臨著氣源保障困難、政府補貼壓力大等問題。在碳達峰碳中和目標的指引下,以熱電聯產及工業余熱利用為主,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年入選北方地區冬季清潔供暖試點城市。在淄博現狀熱源中,70%仍為小型燃煤熱電廠和鍋爐房,熱源規模小、能耗高,大多數分布在城區,布局不合理,是供暖期重要污染源。淄博熱電聯產及工業余熱資源豐富,但是從全域配置來看,存在工業余熱品位低,一些余熱點位距離熱負荷需求區域較遠的問題。因此,采用何種低品位余熱供熱技術開發余熱熱源,替代小型燃煤熱電、鍋爐房和滿足新增供熱需求,是供熱規劃需要解決的重點問題。

本文總結淄博地區熱電聯產及工業余熱資源,對基于熱電聯產及工業余熱利用的供熱規劃進行探討。

2 余熱供熱技術

低品位余熱供熱系統涉及工業余熱高效回收、熱電協同、長輸熱網大溫差系統構建、城市熱網調峰、多熱源聯網等方面。

為增加熱電廠供熱能力,增大城市熱網輸送能力,付林等人[2]提出了基于吸收式換熱的熱電聯產集中供熱技術。大型汽輪機組采用高背壓余熱供熱,可減少傳統抽汽供熱造成的可用能損失,而且回收了排汽余熱,還可擴大機組的供熱能力[3]。若進行高背壓供熱改造,對于空冷汽輪機,設計背壓較高,可以滿足供暖期安全運行。對于濕冷汽輪機,考慮到汽輪機的安全性,供暖期須更換專門的低壓轉子。

工業企業可提供大量30～250 ℃的余熱資源。距離瑞典哥德堡市約50 km的石化產業群的余熱回收項目目標熱功率為235 MW,熱網供、回水溫度按93、50 ℃進行經濟測算,在項目運營期內收益率達到10%[4]。國內工業余熱供熱較為成功的項目有赤峰銅廠余熱集中供熱示范項目、遷西鋼鐵廠余熱供熱項目[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)。國內也有提出熱電聯產長輸供熱聯合利用鋼鐵廠余熱的供熱設計案例[6]。

歐洲提出低溫供熱系統的設計方法,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]。研究發現,熱源選擇對熱網供回水溫度參數有較大影響。文獻[8]估算了不同供回水溫度水平的供熱成本差異,研究發現,利用地熱、工業余熱的熱泵供熱系統的供回水溫度對供熱成本影響十分顯著,而利用垃圾、生物質的熱電聯產供熱系統的供回水溫度對供熱成本影響不顯著。因此,應針對不同余熱品位和熱源形式合理選擇供回水溫度。

我國的余熱資源規模大,距離城市較遠。高效利用余熱并為城區供熱,需要發展大溫差供熱模式[9]。2016年,太原建成了我國首個大溫差長距離供熱示范工程,利用遠郊古交電廠的抽汽、乏汽余熱,通過38.7 km的長輸熱網輸送至太原,為全市40%的建筑供熱,長輸熱網設計供、回水溫度為130、30 ℃,供熱規模達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 淄博供熱現狀及存在問題

淄博城區(含沂源縣和文昌湖片區)現狀(截至2019—2020年供暖期)見表1。由表1可知,淄博城區現狀供熱面積為8 715×104m2。大型熱電廠(指配置單臺額定發電功率≥300 MW熱電機組的熱電廠)供熱面積僅占24%,清潔余熱(含工業余熱與生物質、垃圾焚燒熱電廠)供熱面積僅占5.7%,小型熱電廠(指配置單臺額定發電功率<300 MW熱電機組的熱電廠)及小型燃煤鍋爐房供熱面積占70.3%。淄博城區現狀供熱熱源分布見圖1。目前淄博城區供熱企業眾多,但各供熱企業熱網彼此獨立,供熱保障率低、安全性差。應打破域內行政區劃限制,統籌規劃建設熱網。

圖1 淄博城區現狀供熱熱源分布

表1 淄博城區現狀(截至2019—2020年供暖期)

淄博市區單臺額定發電功率50 MW及以下的熱電機組占38.1%,單臺額定發電功率300 MW及以上的熱電機組占43.3%。為加快全市煤電行業結構優化和轉型升級,淄博市政府提出:對于現有機組,原則上小熱電機組(單臺額定發電功率≤50 MW)全部關停。大熱電機組(單臺額定發電功率≥300 MW)15 km供熱半徑內,落后熱電機組全部關停。

結合近5年的城市集中供熱發展情況,淄博新增建筑面積增加較快,集中供熱面積年均增長約355×104m2/a,對集中供熱熱源的需求也快速增加。小熱電機組關停后,急需替代熱源填補。作為工業城市,淄博大量的工業余熱未得到有效利用,造成能源浪費。而現狀工業余熱供熱占比非常低,工業余熱供熱發展潛力巨大。

4 淄博余熱供熱規劃

4.1 淄博余熱資源

淄博市區現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,遠期均僅保留單臺額定發電功率300 MW及以上的熱電機組。工業余熱主要考慮當地的大型石油煉化、冶金和玻璃生產企業,余熱主要以冷卻水、低溫乏汽、煙氣等為主。淄博市區大型熱電廠、工業余熱供熱潛力分別見表2、3。由表2、3可知,大型熱電廠供熱潛力為1 783 MW,工業余熱供熱潛力為1 384 MW。

表2 淄博市區大型熱電廠供熱潛力

表3 淄博市區工業余熱供熱潛力

4.2 淄博市區供熱規劃

淄博市區供熱規劃圖見圖2。打造熱電聯產及工業余熱供熱的清潔供熱模式,建設以華能白楊河電廠、齊魯石化烯烴廠(圖2中烯烴廠)為主要熱源的2條長輸管道,實施主干管道互聯互通。

圖2 淄博供熱規劃圖

① 熱源

淄博2035年規劃集中供熱面積1.27×108m2,規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、山東鋁業的工業余熱供熱。熱源規劃涉及以下內容。

華電淄博電廠:進行高背壓余熱供熱改造,供熱潛力555 MW。利用其中156 MW回收山東鋁業的工業余熱,實現承擔265 MW的供熱負荷。

華能白楊河電廠:進行高背壓余熱供熱改造,供熱潛力468 MW。其中296 MW承擔博山區供熱負荷,其余172 MW通過長輸熱網輸送至淄川區。

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動熱源,補充部分電力,利用熱泵機組回收齊魯石化烯烴廠、煉油廠的工業余熱,總回收余熱量為750 MW,再利用抽汽進行尖峰加熱,可實現烯烴廠供熱能力1 011 MW,煉油廠供熱能力491 MW。

金誠石化:以天源熱電廠抽汽驅動吸收式熱泵回收金誠石化余熱,總供熱能力為293 MW。

匯豐石化、金晶玻璃:兩家企業遠期自備熱電廠僅提供工業蒸汽,以燃氣直燃型吸收式熱泵聯合電驅動熱泵回收自備熱電廠余熱,總供熱能力為458 MW。

高青縣:規劃利用燃氣驅動熱泵回收新增的燃氣機組余熱及工業園的工業余熱,承擔高青縣供熱負荷,總供熱能力為101 MW。

② 熱網

以遠距離熱電聯產和工業余熱供熱為主的供熱區域,長輸熱網供、回水溫度為110、25 ℃。對于新增供熱區域,新建熱網及吸收式大溫差熱力站。對于既有供熱區域(特別是老城區),為盡可能減少對現狀管網及熱力站運行條件的改變,并充分利用現狀一級管網,將現狀小型熱電廠、小型燃煤鍋爐房改造為能源站,能源站內設置燃氣-熱水型吸收式換熱機組,承擔尖峰調節和進一步降低熱網回水溫度功能。

以近距離熱電聯產和工業余熱供熱為主的區域,熱網供、回水溫度為85、45 ℃。以工業余熱供熱為主的供熱區域,鼓勵采取措施進一步降低熱網供回水溫度。

由圖2可知,淄博市區發展2條長輸管道:通過齊魯石化烯烴廠分別向北、向南敷設管道實現臨淄區與張店區、淄川區聯通,管道長度30 km。華能白楊河電廠通過張博公路敷設供熱管道實現博山區與淄川區聯通,管道長度33 km。實施主干管道互聯互通,能夠在更大區域充分合理利用熱電聯產和工業余熱資源,解決部分地區熱源供需不匹配問題。

4.3 規劃方案環境效益和經濟性

通過熱電聯產、工業余熱利用結合主干管道互聯互通,初步估算,1個供暖期可替代標準煤約250×104t,環境效益突出。

經過測算,規劃方案估算投資為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,遠低于燃氣鍋爐房供熱成本。

4.4 技術路徑案例

齊魯石化烯烴廠余熱供熱項目工藝流程見圖3。齊魯石化烯烴廠可利用工業余熱介質包括母液、急冷水、循環冷卻水。長輸熱網回水在烯烴廠分為兩路:一路4 000 t/h長輸熱網回水先采用直接換熱方式(換熱器集成在熱泵機組2中)回收乙烯急冷水、母液的余熱量,然后采用熱泵機組2(蒸汽型吸收式熱泵)回收循環冷卻水余熱,抽汽來自齊魯石化自備電廠、華能辛店電廠。另一路6 231 t/h長輸熱網回水經熱泵機組1(蒸汽型吸收式熱泵聯合電驅動熱泵)回收循環冷卻水余熱,抽汽、電力來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目工藝流程

5 結束語

為實現雙碳目標,能源行業必須推動節能與能效提升、化石能源的清潔化及化石能源的大規模替代。我國北方城鎮以燃煤為主的供熱能源結構碳排放較高,且城鎮化率的進一步提高還要進一步增加供熱能源消費需求。為實現碳減排目標,未來我國需要在減煤道路上繼續發力,嚴控新增煤電,實現煤炭消費總量及煤炭在能源消費中比重的持續下降。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化城市供熱能源消費結構,推進清潔低碳供熱工程。

為達到降低煤炭消費、治理大氣環境的要求,淄博需加快推動全市煤電行業結構優化和轉型升級,打破域內行政區劃限制,統籌規劃建設互聯互通長輸熱網,在更大的區域范圍內合理配置利用熱電聯產和工業余熱資源,解決部分地區熱源供需不匹配問題,實現供熱系統的節能減排。