基于热电联产及工业余热利用的供热规划

2023-09-27 02:30李永红常珊珊杜志锋
煤气与热力 2023年8期
关键词:齐鲁石化回水温度热网

李永红, 常珊珊, 杜志锋, 付 林

(1.清华大学,北京100084;2.北京清华同衡规划设计研究院有限公司,北京100085)

1 概述

从供热能源结构看,我国北方供热仍以燃煤为主。截至2016年底,燃煤热电联产供热面积占比约45%,燃煤锅炉供热面积占比约32%[1]。北方城镇大力推行城镇清洁供热(煤改气、煤改电为代表),但也面临着气源保障困难、政府补贴压力大等问题。在碳达峰碳中和目标的指引下,以热电联产及工业余热利用为主,辅以天然气和电力等清洁能源的供热模式,成为减少燃煤消耗、改善大气环境、保障城市供热的有效途径。

淄博作为京津冀及周边大气污染传输通道城市之一,于2018年入选北方地区冬季清洁供暖试点城市。在淄博现状热源中,70%仍为小型燃煤热电厂和锅炉房,热源规模小、能耗高,大多数分布在城区,布局不合理,是供暖期重要污染源。淄博热电联产及工业余热资源丰富,但是从全域配置来看,存在工业余热品位低,一些余热点位距离热负荷需求区域较远的问题。因此,采用何种低品位余热供热技术开发余热热源,替代小型燃煤热电、锅炉房和满足新增供热需求,是供热规划需要解决的重点问题。

本文总结淄博地区热电联产及工业余热资源,对基于热电联产及工业余热利用的供热规划进行探讨。

2 余热供热技术

低品位余热供热系统涉及工业余热高效回收、热电协同、长输热网大温差系统构建、城市热网调峰、多热源联网等方面。

为增加热电厂供热能力,增大城市热网输送能力,付林等人[2]提出了基于吸收式换热的热电联产集中供热技术。大型汽轮机组采用高背压余热供热,可减少传统抽汽供热造成的可用能损失,而且回收了排汽余热,还可扩大机组的供热能力[3]。若进行高背压供热改造,对于空冷汽轮机,设计背压较高,可以满足供暖期安全运行。对于湿冷汽轮机,考虑到汽轮机的安全性,供暖期须更换专门的低压转子。

工业企业可提供大量30~250 ℃的余热资源。距离瑞典哥德堡市约50 km的石化产业群的余热回收项目目标热功率为235 MW,热网供、回水温度按93、50 ℃进行经济测算,在项目运营期内收益率达到10%[4]。国内工业余热供热较为成功的项目有赤峰铜厂余热集中供热示范项目、迁西钢铁厂余热供热项目[5],迁西钢铁厂的余热主要包括高炉冷却水(热功率90 MW)、高炉冲渣水(热功率79 MW)。国内也有提出热电联产长输供热联合利用钢铁厂余热的供热设计案例[6]。

欧洲提出低温供热系统的设计方法,有利于利用余热和可再生能源,降低输配热损耗。供水温度一般在50~60 ℃,回水温度最低至25 ℃[7]。研究发现,热源选择对热网供回水温度参数有较大影响。文献[8]估算了不同供回水温度水平的供热成本差异,研究发现,利用地热、工业余热的热泵供热系统的供回水温度对供热成本影响十分显著,而利用垃圾、生物质的热电联产供热系统的供回水温度对供热成本影响不显著。因此,应针对不同余热品位和热源形式合理选择供回水温度。

我国的余热资源规模大,距离城市较远。高效利用余热并为城区供热,需要发展大温差供热模式[9]。2016年,太原建成了我国首个大温差长距离供热示范工程,利用远郊古交电厂的抽汽、乏汽余热,通过38.7 km的长输热网输送至太原,为全市40%的建筑供热,长输热网设计供、回水温度为130、30 ℃,供热规模达7 600×104m2。工程总投资67×108元,单位供热面积投资不到100 元/m2,综合供热成本仅为36 元/GJ。

3 淄博供热现状及存在问题

淄博城区(含沂源县和文昌湖片区)现状(截至2019—2020年供暖期)见表1。由表1可知,淄博城区现状供热面积为8 715×104m2。大型热电厂(指配置单台额定发电功率≥300 MW热电机组的热电厂)供热面积仅占24%,清洁余热(含工业余热与生物质、垃圾焚烧热电厂)供热面积仅占5.7%,小型热电厂(指配置单台额定发电功率<300 MW热电机组的热电厂)及小型燃煤锅炉房供热面积占70.3%。淄博城区现状供热热源分布见图1。目前淄博城区供热企业众多,但各供热企业热网彼此独立,供热保障率低、安全性差。应打破域内行政区划限制,统筹规划建设热网。

图1 淄博城区现状供热热源分布

表1 淄博城区现状(截至2019—2020年供暖期)

淄博市区单台额定发电功率50 MW及以下的热电机组占38.1%,单台额定发电功率300 MW及以上的热电机组占43.3%。为加快全市煤电行业结构优化和转型升级,淄博市政府提出:对于现有机组,原则上小热电机组(单台额定发电功率≤50 MW)全部关停。大热电机组(单台额定发电功率≥300 MW)15 km供热半径内,落后热电机组全部关停。

结合近5年的城市集中供热发展情况,淄博新增建筑面积增加较快,集中供热面积年均增长约355×104m2/a,对集中供热热源的需求也快速增加。小热电机组关停后,急需替代热源填补。作为工业城市,淄博大量的工业余热未得到有效利用,造成能源浪费。而现状工业余热供热占比非常低,工业余热供热发展潜力巨大。

4 淄博余热供热规划

4.1 淄博余热资源

淄博市区现状大型热电厂包括华电淄博电厂、华能白杨河电厂、华能辛店电厂、天源热电厂,远期均仅保留单台额定发电功率300 MW及以上的热电机组。工业余热主要考虑当地的大型石油炼化、冶金和玻璃生产企业,余热主要以冷却水、低温乏汽、烟气等为主。淄博市区大型热电厂、工业余热供热潜力分别见表2、3。由表2、3可知,大型热电厂供热潜力为1 783 MW,工业余热供热潜力为1 384 MW。

表2 淄博市区大型热电厂供热潜力

表3 淄博市区工业余热供热潜力

4.2 淄博市区供热规划

淄博市区供热规划图见图2。打造热电联产及工业余热供热的清洁供热模式,建设以华能白杨河电厂、齐鲁石化烯烃厂(图2中烯烃厂)为主要热源的2条长输管道,实施主干管道互联互通。

图2 淄博供热规划图

① 热源

淄博2035年规划集中供热面积1.27×108m2,规划充分利用华电淄博电厂、华能白杨河电厂、华能辛店电厂、天源热电厂等4座大型热电厂供热能力,回收齐鲁石化、山东铝业的工业余热供热。热源规划涉及以下内容。

华电淄博电厂:进行高背压余热供热改造,供热潜力555 MW。利用其中156 MW回收山东铝业的工业余热,实现承担265 MW的供热负荷。

华能白杨河电厂:进行高背压余热供热改造,供热潜力468 MW。其中296 MW承担博山区供热负荷,其余172 MW通过长输热网输送至淄川区。

齐鲁石化:以齐鲁石化自备电厂抽汽和华能辛店电厂抽汽作为驱动热源,补充部分电力,利用热泵机组回收齐鲁石化烯烃厂、炼油厂的工业余热,总回收余热量为750 MW,再利用抽汽进行尖峰加热,可实现烯烃厂供热能力1 011 MW,炼油厂供热能力491 MW。

金诚石化:以天源热电厂抽汽驱动吸收式热泵回收金诚石化余热,总供热能力为293 MW。

汇丰石化、金晶玻璃:两家企业远期自备热电厂仅提供工业蒸汽,以燃气直燃型吸收式热泵联合电驱动热泵回收自备热电厂余热,总供热能力为458 MW。

高青县:规划利用燃气驱动热泵回收新增的燃气机组余热及工业园的工业余热,承担高青县供热负荷,总供热能力为101 MW。

② 热网

以远距离热电联产和工业余热供热为主的供热区域,长输热网供、回水温度为110、25 ℃。对于新增供热区域,新建热网及吸收式大温差热力站。对于既有供热区域(特别是老城区),为尽可能减少对现状管网及热力站运行条件的改变,并充分利用现状一级管网,将现状小型热电厂、小型燃煤锅炉房改造为能源站,能源站内设置燃气-热水型吸收式换热机组,承担尖峰调节和进一步降低热网回水温度功能。

以近距离热电联产和工业余热供热为主的区域,热网供、回水温度为85、45 ℃。以工业余热供热为主的供热区域,鼓励采取措施进一步降低热网供回水温度。

由图2可知,淄博市区发展2条长输管道:通过齐鲁石化烯烃厂分别向北、向南敷设管道实现临淄区与张店区、淄川区联通,管道长度30 km。华能白杨河电厂通过张博公路敷设供热管道实现博山区与淄川区联通,管道长度33 km。实施主干管道互联互通,能够在更大区域充分合理利用热电联产和工业余热资源,解决部分地区热源供需不匹配问题。

4.3 规划方案环境效益和经济性

通过热电联产、工业余热利用结合主干管道互联互通,初步估算,1个供暖期可替代标准煤约250×104t,环境效益突出。

经过测算,规划方案估算投资为42.4×108元,综合供热成本40.4 元/GJ,低于大型燃煤锅炉房供热成本,远低于燃气锅炉房供热成本。

4.4 技术路径案例

齐鲁石化烯烃厂余热供热项目工艺流程见图3。齐鲁石化烯烃厂可利用工业余热介质包括母液、急冷水、循环冷却水。长输热网回水在烯烃厂分为两路:一路4 000 t/h长输热网回水先采用直接换热方式(换热器集成在热泵机组2中)回收乙烯急冷水、母液的余热量,然后采用热泵机组2(蒸汽型吸收式热泵)回收循环冷却水余热,抽汽来自齐鲁石化自备电厂、华能辛店电厂。另一路6 231 t/h长输热网回水经热泵机组1(蒸汽型吸收式热泵联合电驱动热泵)回收循环冷却水余热,抽汽、电力来自齐鲁石化自备电厂、华能辛店电厂。

图3 齐鲁石化烯烃厂余热供热项目工艺流程

5 结束语

为实现双碳目标,能源行业必须推动节能与能效提升、化石能源的清洁化及化石能源的大规模替代。我国北方城镇以燃煤为主的供热能源结构碳排放较高,且城镇化率的进一步提高还要进一步增加供热能源消费需求。为实现碳减排目标,未来我国需要在减煤道路上继续发力,严控新增煤电,实现煤炭消费总量及煤炭在能源消费中比重的持续下降。目前,已有银川、郑州、石家庄、太原、乌鲁木齐、西安等北方城市致力于优化城市供热能源消费结构,推进清洁低碳供热工程。

为达到降低煤炭消费、治理大气环境的要求,淄博需加快推动全市煤电行业结构优化和转型升级,打破域内行政区划限制,统筹规划建设互联互通长输热网,在更大的区域范围内合理配置利用热电联产和工业余热资源,解决部分地区热源供需不匹配问题,实现供热系统的节能减排。

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