基于能源條件的青島市清潔供熱發展策略

王 偉, 李琳紅, 林曉紅, 鄭淑晶

(青島市城市規劃設計研究院,山東青島266022)

1 概述

青島市于2014年發布實施《青島市清潔能源供熱專項規劃(2014—2020年)》,是國內較早全面推動清潔供熱的城市。通過挖掘大型熱電聯產供熱潛力、漸進式煤改氣、推廣可再生能源供熱等措施,積極推動城市供熱能源轉型,在控制供熱燃煤增量、減少大氣污染物排放方面取得了顯著成效。雙碳目標下,傳統的以污染物減排為主要目標的清潔供熱向低碳化清潔供熱演進[1]。在既有集中供熱體系基礎上,進一步整合優質供熱資源[2],發展“資源有保障、經濟可承受”的清潔供熱,是青島城市供熱實現可持續發展的必由之路。本文分析青島的清潔供熱能源條件,對青島清潔供熱發展策略進行探討,對推進青島清潔供熱發展提出建議。

2 清潔供熱探索與實踐

2013年9月,環境保護部(現生態環境部)等部委印發《京津冀及周邊地區落實大氣污染防治行動計劃實施細則》,對包括山東省在內的京津冀及周邊地區的大氣污染防治提出明確目標和任務。2013年7月,山東省人民政府印發《山東省2013—2020年大氣污染防治規劃》和《山東省2013—2020年大氣污染防治規劃一期(2013—2015年)行動計劃》,提出用8年左右時間,分3期實現全省環境空氣質量基本達標。為切實改善大氣環境質量,落實國家和山東省相關政策文件關于控制煤炭消費總量、大力發展清潔能源的要求,青島市人民政府在2014年12月發布實施《青島市清潔能源供熱專項規劃(2014—2020年)》,全面推進實施清潔供熱,并同時發布《青島市加快清潔能源供熱發展的若干政策》,從特許經營、財政補貼、稅收優惠等方面提供支持。2023年1月,為適應雙碳目標下清潔供熱面臨的新形勢、新任務,青島市人民政府印發新版《青島市加快清潔能源供熱發展的若干政策》,進一步明確青島清潔供熱類型、范圍,規范規劃建設流程,加大建設資金支持力度,優化運行管理。

經過多年努力,青島清潔供熱得到長足發展。截至2022年底,市區清潔供熱面積約27 993×104m2,其中清潔燃煤集中供熱面積約19 448×104m2、天然氣供熱面積6 303×104m2、電供熱(主要為各類熱泵)面積1 365×104m2、生物質供熱面積877×104m2。本文涉及的供熱對象主要為青島市區:市南區、市北區、李滄區、嶗山區、城陽區、黃島區、即墨區。

3 清潔供熱能源條件

清潔供熱能源通常包括清潔化燃煤(以大型熱電聯產利用為主)、余熱、核能(以核熱電聯供利用為主)、天然氣、電、地熱、生物質能、太陽能等[3]。現階段,青島供熱能源結構以燃煤為主體,供熱行業在尋求替代燃煤的清潔能源時,需要充分考慮資源支撐能力[4]。

3.1 大型熱電聯產

山東省人民政府辦公廳關于嚴格控制煤炭消費總量推進清潔高效利用的指導意見提出,到2025年底,青島將淘汰全部30×104kW以下抽凝機組及中溫中壓機組。屆時,青島中小型燃煤熱電聯產熱源將全部轉型發展,僅保留華電青島電廠、大唐黃島電廠、華能董家口熱電廠3家大型熱電廠的30×104kW及以上機組。2025年3家大型熱電廠裝機規模、供熱潛力見表1。由表1可知,到2025年,3家大型熱電廠總供熱潛力可達到3 658 MW。

表1 2025年3家大型熱電廠裝機規模、供熱潛力

3.2 工業余熱

以化石能源作為燃料或原料的工業企業,如鋼鐵、石油加工、化工企業等企業余熱資源通常較為豐富[5]。青島市區工業企業逐步退市入園,將呈現集聚發展態勢。以區位、開發潛力、現狀管網條件為綜合評價因素,青島大型工業余熱資源主要存在于青島特鋼、青島海灣金能化學、青島煉化3家大型工業企業。根據調研,采用間壁換熱、熱泵串聯回收等技術,上述3家大型工業企業近期工業余熱供熱潛力約1 386 MW。3家大型工業企業余熱資源概況、供熱潛力見表2。

表2 3家大型工業企業余熱資源概況、供熱潛力

3.3 城市污水熱能

城市污水由于水溫水量相對穩定、便于規模化集中利用的特點,是熱泵系統優質的冷熱源,污水源熱泵是目前投資比較低、運行效果穩定且良好的熱泵技術之一[6]。若采用熱泵技術回收污水廠低品位熱能用于城市供熱,按照污水供回水溫差5 ℃、熱泵制熱性能系數4.0計算,1×104t/d的污水取水量可實現約3.2 MW供熱能力[7]。

隨著人口規模增加和污水收集處理率提高,青島污水處理規模快速增長。根據《青島現代水網建設規劃》提供的數據,青島市區遠期污水處理規模將達到370.7×104t/d。考慮污水量波動、設施利用率等因素,按照污水處理規模的60%計算熱泵系統可利用水量,仍按1×104t/d的污水取水量可實現約3.2 MW供熱能力考慮,可計算得到青島市區遠期污水源熱泵供熱潛力為711.7 MW。青島市各區污水處理規模和污水源熱泵供熱潛力見表3。

表3 青島市區污水源熱泵供熱潛力

3.4 天然氣

青島自身無天然氣資源,所需天然氣全部需要外部輸入,青島現由長輸管道和海上LNG雙氣源聯合供氣。依據《山東省能源發展“十四五”規劃》中天然氣發展利用規劃,未來青島不論長輸管道氣源還是海上LNG氣源均有充足的保障,將形成以淄青線、泰青威線、山東LNG接收站、山東管網東干線為主,中世管線為輔的氣源體系。隨著海陸并進氣源方案的推進,青島已成為國家天然氣管網的重要樞紐和氣源節點,未來青島天然氣可利用規模將達到111×108m3/a。青島可利用天然氣氣源見表4。在燃氣供熱設施方面,青島市區范圍內已建成燃氣供熱鍋爐36臺,總熱功率為1 094 MW。十四五期間青島將建設華電、大唐兩個燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產項目,裝機規模均為2×500 MW,供熱能力分別為700、437 MW。

表4 青島可利用天然氣氣源

3.5 垃圾焚燒發電余熱

青島是全國46個垃圾分類試點城市之一,入選全國第二批“無廢城市”試點,在垃圾減量化、無害化、資源化處理方面處于全國前列。2021年,全市生活垃圾無害化處理率已達到100%,其中市區生活垃圾全部進入垃圾綜合處理園區焚燒處理。目前,市區范圍內共有垃圾綜合處理園區3個,建有垃圾焚燒發電廠4座,垃圾焚燒處理能力6 900 t/d,2022年實際處理生活垃圾309×104t。郊區縣市垃圾焚燒發電廠遠離市區,本次研究未予考慮。

各垃圾焚燒發電廠均采用垃圾焚燒爐+凝汽式汽輪發電機組的配置,在無害化處理垃圾的同時實現垃圾焚燒熱能的資源化利用[8]。垃圾焚燒發電廠的凝汽式汽輪發電機組循環冷卻水水溫恒定、水量較大,具備進一步余熱利用的潛力[9],采用廠內蒸汽型吸收式熱泵機組提取熱量后,可作為城市集中供熱熱源。青島市區垃圾焚燒發電余熱供熱潛力見表5。由表5可知,青島市區垃圾焚燒發電余熱供熱潛力可達到460 MW。

表5 青島市區垃圾焚燒發電余熱供熱潛力

3.6 核熱電聯產

核能供熱具有低碳、清潔、規模化的優勢,目前主要有低溫核供熱、核熱電聯產兩種方式。核熱電聯產的綜合能源利用率能夠達到80%,具備較高的節能優勢[10],結合大溫差長輸供熱技術,可為核電廠周邊城市提供安全穩定的熱能[11]。山東省依托沿海核電項目,加快核能供熱、海水淡化等綜合利用,積極推進海陽核電廠向煙臺市區、青島等地供熱。

海陽核電廠規劃建設6臺AP1000型GW級核電機組[12]。目前,1、2號機組已建成投運。3、4號機組已于2022年7月開工建設,預計2028年全部建成投產。5、6號機組已取得開展前期工作許可。海陽核電廠是國內首個實現核能供熱商用的項目,截至2021年底,已實現為核電廠周邊和海陽市供熱520×104m2。根據現場調研了解,海陽核電廠2～6號機組均為熱電聯產機組,單臺機組供熱能力為900 MW。在綜合考慮煙臺、威海地區供熱需求的情況下,海陽核電廠在2030年后可為青島提供供熱能力4 200 MW,見表6。

表6 海陽核電廠的供熱能力

3.7 氫能

氫能供熱具有能源利用效率高和零碳排放的特點,發展潛力巨大[13]。2022年3月,國家發改委、國家能源局發布《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》,提出探索氫能作為高品質熱源的應用。目前,我國在天然氣摻氫、氫燃料電池熱電聯產、氫氣鍋爐等氫能供熱領域均進行了有益探索[14]。青島本地工業副產氫資源比較豐富,具備開展氫能供熱的有利能源條件。調研發現,目前青島市可用大型氫氣資源主要有海灣化學、麗東化工、青島煉化、金能化學,可外供工業副產氫14.3×104t/a,折合高純氫氣(純度99.97%)為10.93×104t/a。青島工業副產氫資源見表7。根據《青島市加氫站布局專項規劃(2021—2035年)》,青島市遠期氫燃料電池汽車氫氣(純度99.97%)需求量為2.6×104t/a,氫氣來源主要為本地工業副產氫。則可用于氫能供熱的本地氫源(純度99.97%)規模為8.33×104t/a。隨著國內氫能供熱技術的逐步成熟,青島市具備發展氫能供熱的巨大潛力。

表7 青島工業副產氫資源

3.8 綜合分析

綜上所述,青島市可利用的大型熱電聯產、工業余熱、城市污水熱能、垃圾焚燒發電余熱、核熱電聯供等清潔供熱資源供熱潛力達到10 415.7 MW。根據青島市熱力專業規劃,市區2035年規劃供熱面積約3.3×108m2,遠期規劃熱負荷為12 440 MW。上述清潔供熱資源經整合開發后,供熱能力達到遠期規劃熱負荷的83.7%。青島市清潔供熱能源條件良好,大型熱電聯產、工業余熱、城市污水熱能、垃圾焚燒發電余熱、核熱電聯供等可作為青島清潔供熱的基礎熱源。

4 清潔供熱發展策略

4.1 清潔能源利用策略

在能源、資源有保障的前提下,清潔供熱能源利用策略的確定還應充分考慮技術成熟度、經濟性、與既有供熱體系的兼容程度、地方政策等因素[15]。具體到青島的供熱能源選擇,現狀存量較大的燃煤供熱方式雖然投資和運行成本低,但碳排放高,雙碳背景下必然面臨被其他清潔供熱方式替代的結局。大型燃煤熱電聯產、核熱電聯產供熱規模大、供熱成本比較低,是當前替代傳統燃煤供熱的首選熱源。污水源熱泵、垃圾焚燒發電余熱綜合效益好,碳排放強度低,應能用盡用、大力發展。其他熱泵供熱方式在運行成本和碳排放指標方面優于化石能源,但投資較高,應因地制宜、適度發展[16]。對于天然氣供熱,受限于上游氣源季節調峰保障能力的不穩定性以及較高的運行成本,適合作為清潔供熱轉型過程中的過渡能源[17]。

綜合考慮多方面因素,提出青島各類清潔供熱能源利用策略。

① 煤炭(清潔化利用):充分發揮大型熱電聯產潛力,承擔基礎負荷,逐步替代燃煤鍋爐房。電能:主要作為熱泵驅動能源,電儲熱應用為輔。天然氣:近期作為替代燃煤的過渡能源,遠期以調峰功能為主。

② 工業余熱、垃圾焚燒發電余熱:能用盡用,大力發展。

③ 生物質能源:作為燃煤替代能源之一鼓勵發展。污水能:能用盡用,大力發展。空氣能:作為集中供熱補充,適度分散發展。海水能、地熱能:因地制宜,適度發展。太陽能:與其他能源方式聯合利用。

④ 核熱電聯產:以長輸供熱為主,積極推進,充分利用,承擔基礎負荷。氫能:探索應用,發展試點,以點帶面。

4.2 清潔供熱發展策略

在本地優質供熱能源(大型熱電聯產、工業余熱、城市污水熱能、垃圾焚燒發電余熱)和周邊優質核能基礎上,輔之與電網調峰協同的可再生能源熱泵、電儲熱[18]等分布式能源站和天然氣調峰鍋爐房,能夠滿足青島市清潔供熱發展需要。

綜合國家、省、市相關政策、規劃和青島的能源條件,青島市未來清潔供熱轉型發展應采取“引熱、聯通、挖潛、減煤、拓氣”的策略:積極引入海陽核電廠余熱,與本地大型燃煤熱電聯產熱源共同作為城市集中供熱的主力。打通大型主力熱源之間的聯通管道,推動大溫差供熱改造,優化管網運行參數,深入發掘區域內鋼鐵、石油化工等企業工業余熱和垃圾焚燒發電余熱潛力,納入集中供熱系統。優先利用城市污水資源,充分發掘污水處理廠尾水供熱潛力,因地制宜、多能聯合發展可再生能源供熱和電儲熱,逐步推動天然氣替代燃煤承擔調峰熱源和補充熱源。

5 清潔供熱發展建議

① 統籌規劃,構建全域一張網的供熱格局。打破行政區劃限制和以鍋爐房為中心的碎片化供熱體系,以大型熱電聯產、核熱電聯產、規模化余熱能源站為核心節點,整合既有管網,打造互聯互通、統一調度的全域供熱管網架構。

② 優化管網設計,降低回水溫度,為回收利用低品位余熱創造條件,具備條件的分布式能源站全部接入集中供熱系統。

③ 全面推進供熱系統節能增效,包括提高熱源熱效率、管網輸送效率和實施用戶側節能改造等。

④ 打造智慧供熱平臺[19],提高供熱全過程的控制、診斷、維護、監管水平。

⑤ 建立供熱價格形成和定期調整機制,完善包含碳價的成本核算方法,出臺并實施清潔供熱的補貼和稅收優惠政策,激勵供熱行業主體推進清潔供熱的主動性和積極性。