基于工业余热与可再生能源耦合的赤峰市低碳供热研究

方 豪 黄 伟 江 亿 朱 旭

(1.内蒙古富龙供热工程技术有限公司,赤峰;2.清华大学,北京)

1 “双碳”政策对供热系统提出的要求

供热,尤其是我国北方地区的供热是一项重要的民生保障。据清华大学建筑节能研究中心估算结果,2021年北方供暖面积162亿m2,运行碳排放4.9亿t,占建筑运行相关CO2排放总量(22亿t)的22%[1],因此减少供热系统碳排放在国家“双碳”战略中具有举足轻重的作用。供热系统实现低碳甚至零碳运行,大致应该满足以下几个要求:

1) 节能优先。节能可以从根源上减少碳排放,符合党中央、国务院《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》(以下简称《意见》)中“坚持节能优先的能源发展战略”相关精神。通过加强建筑和管网保温性能,从而减少建筑需热量、管网输配热损失;通过加强源-网-末端的精细化调节,从而减少建筑不均匀热损失,并降低热源在供热初期与末期过量供热的程度[2]。

2) 充分挖掘低碳或零碳热源,从而淘汰高碳排放的热源。《意见》中列举了热电联产、工业余热、核电余热、生物质能、地热能等低碳或零碳热源。从资源禀赋、采集难易程度考虑,热电联产、工业余热、核电余热等热源有望作为基础热源满足绝大部分供热需求。由于大规模新能源并网,使得以燃煤发电为主体的基础电源全面参与深度电力调峰,特别是“三北地区”风电、光电装机规模巨大,弃风、弃光问题更为突出,要求北方地区供热机组必须由“以热定电”方式转变为“以电定热”“热电解耦”[3]。因此未来小型的、超期服役的、或是不具备改造条件的热电机组将逐步被淘汰,参与深度电力调峰的热电机组也要求做到余热尽可能回收利用。流程工业(如钢铁冶炼、有色金属冶炼、水泥制造等)伴随工业产品生产排放出大量的低品位工业余热,可回收利用于集中供热系统。未来落后产能逐步淘汰,剩余产能将更为集中,使得余热资源也更集中、更稳定,增加了余热供暖的可靠性[4]。

3) 降低回水温度,从而提升余热利用率和长距离输配经济性。热电联产、工业余热和核电余热都远离供热负荷中心,未来长距离输热将会是普遍情况,因此以降低回水温度为核心的长距离输热技术将得到广泛应用[5]。

4) 适当利用储热技术。短周期(以天为周期或更短周期)储热可以应用于热电解耦等场景下[6];长周期(以月或季度为周期甚至更长周期)储热可以应用于非供暖季余热储热和供暖季余热调峰等场景下[7]。

赤峰市是我国第一个由政府主导并发文统一要求市区范围全部进行末端大温差改造的城市,对于实现低碳供热起到了十分重要的示范作用。本文介绍了赤峰市中心城区大温差供热的起因和实现过程,并结合当地余热及可再生资源禀赋,在上述要求的指导下,因地制宜制订了可实现近零碳供热的方案和实施步骤。

2 赤峰市中心城区供热现状

截至2023年2月底,赤峰市中心城区集中供热系统供热面积6 232万m2,建筑综合供暖热指标38 W/m2。主要由赤峰富龙热力有限责任公司和赤峰新城富龙热力有限责任公司2家热力公司负责供热。

中心城区的供热格局主要以热电联产为主,区域燃煤调峰锅炉为辅,另有少量钢铁厂低品位工业余热,热源供热能力和实际供热功率见表1,热源基本情况和位置分布见图1。目前所有热源的总供热能力为2 919 MW,不包括燃煤锅炉和燃煤背压机的热源供热能力为1 730 MW。

3 供热负荷预测及热源紧缺问题

根据城市发展规划,到2030年前后供热面积将增加到8 900万m2,即使加大建筑的节能改造力度,将建筑综合热指标由目前的38 W/m2降低到33 W/m2(耗热量0.35 GJ/m2),供热需求仍将达到2 937 MW,大致与现状所有热源供热能力相当。未来赤峰市将达到1亿m2供热规模,即便建筑综合热指标降低至31 W/m2,供热需求仍将高达3 100 MW。

在“双碳”背景下,目前的热源结构难以长期维持。首先,燃煤锅炉由于高污染、高碳排放,且运行成本过高,未来将率先淘汰;其次,松山热电厂、富龙热电厂、京能热电厂和赤峰热电厂装机容量分别为2×60、2×50、2×150、2×135 MW,属于按照政策需关闭的小容量热电厂,且京能热电厂和赤峰热电厂面临运行期限较长和达不到超低排放要求的问题。此外,新城热电厂和东山园区电厂未来也将成为电力调峰电厂,按“以电定热”模式运行,供热量也会降低。而赤峰市又不可能再建设新的热源,这就使得热源短缺成为赤峰市供热必须面对的严峻问题。

如图2所示,测算至2030年,若现有燃煤锅炉全部淘汰,则供热缺口将达到538 MW;若现有燃煤锅炉和背压机全部淘汰,则供热缺口将达到1 113 MW。进一步若未来京能热电厂、赤峰热电厂的小型热电联产机组全部退役,则相比于2030年的供热需求,会产生1 663 MW的供热缺口。

图2 赤峰市中心城区供热热源缺口预测

4 深度挖掘周边潜在供热热源

面对国家低碳发展的大形势,挖掘利用各种可能的零碳或低碳热源解决热源不足问题,成为赤峰市集中供热必须选择的道路。

赤峰市中心城区周边主要有2类潜在零碳或低碳热源,一是电厂和流程工业的低品位工业余热,二是弃风电力可转化的热量。

经调查,表2中列出了周边电厂和流程工业余热现状供热能力和未来可以开发利用的余热资源,并描述了回收余热所需的回水温度条件。

表2 赤峰市中心城区周边余热情况

可以看出,若能将工业余热与电厂余热全部回收,远期热源供热能力相较于现状热源供热能力可增加1 800 MW。若有办法回收全年工业余热并在供暖季使用,则能提供5 600万GJ热量,按照单位建筑面积供热量0.35 GJ/m2计算,相当于可增加供热面积1.6亿m2。

另一方面,赤峰市周边有丰富的风电资源。未来随着规模300 MW及以上的燃煤机组逐渐由主力电源转型为配合赤峰市新能源发电的调峰机组,其年运行时间大幅减少(主要在夏季和冬季的电力负荷高峰期运行)。春季风电资源丰富,而电力负荷处于相对低谷期,必然要在春季出现一部分弃风电力。按照赤峰市风电平均年利用时长2 000 h计算,当风电装机规模达到3 000万kW时,年弃风电量可达45亿kW·h(预计占全年风电总量的7%～8%),折合热量1 600万GJ。按照单位建筑面积供热量0.35 GJ/m2计算,相当于可增加供热面积0.45亿m2。

综上所述,若能深度挖掘并充分利用赤峰市中心城区周边余热和弃风电力转化的热量,可增加供热面积2亿m2左右。如此可以保证在不新建化石燃料热源的基础上,关停既有燃煤锅炉和背压机,同时淘汰150 MW及以下小型燃煤热电联产机组,仍可以满足未来1亿m2建筑的供热需求。

5 降低一次网回水温度的意义和必要性

5.1 燃煤热电联产机组乏汽余热回收

对于燃煤热电联产机组,降低回水温度一方面可以提高管网输配热量的能力,另一方面可以大幅降低电厂产热能耗和投资,有利于回收冷端乏汽余热[8]。图3显示了300 MW空冷式汽轮机组余热回收的基本流程。在供水温度为100 ℃的约束条件下,不同的一次网回水温度对应的热量输出能力见图4。从图4可以看出,供热能力提高的关键是降低热网回水温度。

图3 热电厂乏汽梯级串联回收工艺

图4 回收乏汽热量随热网一次回水温度的变化

5.2 流程工业低品位余热回收

对于流程工业低品位余热回收利用,以铜冶炼为例,铜厂大量余热产自矿渣冷却、多种工艺冷却、烟气热量回收及作为产品的铜锭冷却[9]。图5显示了铜冶炼过程的余热资源类别及其温度分布,可以看出大部分热量集中在30～70 ℃。随着热网回水温度降低,可由板式换热器直接换热回收的余热量见表3,随回水温度降低可回收余热量迅速增加,当回水温度由50 ℃降低至20 ℃时,直接换热余热回收率由34%上升至80%。

图5 铜厂余热分布情况

表3 铜厂余热回收率随热网回水温度的变化

5.3 跨季节储热

由于弃风主要发生在春季,此时供热需求较小或已经停止供热,因此为了利用这部分能量,有必要建设跨季节储热设施,将这部分弃风、弃光电力转化为热量储存起来,在供暖季予以释放利用。此外,跨季节储热设施同时还可以储存非供暖季产生的工业余热和电厂余热,从而大幅度增加余热回收设备、厂内管网和长距离输送管线的运行时长,可有效缩短投资回收期。东山园区各工业冷却设施如冷却塔等也可以通过热网水全年进行散热冷却,避免不同季节之间的工艺转换,并显著减少冷却用水量。

对于开式蓄水池,蓄热的最高温度不超过90 ℃。相同的储热体体积下,储热量和蓄热与放热的温差成正比。例如当回水温度为55 ℃时,蓄热与放热的温差为35 ℃;而当回水温度为20 ℃时,蓄热与放热的温差为70 ℃。蓄存相同热量时,回水温度20 ℃所需的蓄热体体积,理论上是回水温度55 ℃时的一半。因此跨季节储热的关键也是降低回水温度。

综上,实现热源挖潜、低碳(零碳)供热的关键就是降低一次网回水温度。综合考虑城市发展需要和能源革命大势,赤峰市政府于2021年出台了降低热网一次回水温度(即大温差供热)的政策。

6 大温差供热的推进过程

2019年10月,内蒙古自治区供热工程技术研究中心(以下简称工程中心)向赤峰市政府作了题为《关于赤峰中心城区低品位余热供热的必要性与可行性初步研究》的报告,标志着大温差供热项目启动。

《赤峰市中心城区集中供热应用大温差供热技术实施方案》内容丰富,涵盖了热源、热网、热力站、供热规划及技术指导等方面,重点如下:

1) 实施所需资金以企业自筹和政府补助相结合的方式解决。项目投资按政府补助和热网企业自筹相结合的方式解决,包括新建供热管线和既有换热站改造费用。其中新建热力站全部采用大温差供热技术,由开发商承担建设费用。优先采用楼宇吸收式换热机组[10],不具备条件的采用集中吸收式换热机组[11]。

2) 政府组织热源、热网企业重新议定热量结算方式,提交市政府审议。原则上以“参考回水温度法”进行热量结算。所谓“参考回水温度法”,就是电厂与热力公司之间的热量结算可以设定一个参考温度,其中热网水供水温度至参考温度区间为正常计费的结算热量,参考温度至回水温度区间热量不计费用[12]。

7 分阶段降低一次网回水温度

结合供热负荷增加进度,考虑到改造难易程度,规划分3个阶段逐步降低一次网回水温度,如图6所示。

图6 3个阶段降低一次网回水温度

第1阶段,2025年前一次网回水温度由现状45 ℃降低至35 ℃。具体采取的措施是所有新建小区采用吸收式换热器,这些小区的一、二次网供/回水温度为90 ℃/25 ℃(一次侧)和50 ℃/40 ℃(二次侧)。既有老旧小区仅作优化调节和增加换热面积,使得一次侧回水温度降低至40 ℃左右(三步节能建筑为主的小区一次侧回水温度可降低至38 ℃左右)。新建小区和既有小区的一次侧回水混合后,回到热源处的水温约为35 ℃。此时可以回收全部电厂乏汽余热,关停所有燃煤锅炉。

第2阶段,2025—2030年,一次网回水温度进一步降低至25 ℃。具体采取的措施是所有新建小区采用吸收式换热器,所有老旧小区将常规板式换热器改为吸收式换热器,使得一次侧回水温度统一降低至25 ℃左右。此时可以回收低品位工业余热,在关停所有燃煤锅炉的基础上进一步关停所有背压机。

第3阶段,2030—2035年,一次网回水温度进一步降低至20 ℃。具体采取的措施是改善二次侧庭院管网,通过建筑节能改造、改善优化终端换热装置和推行智慧供热等方式,将二次侧供/回水温度降低至45 ℃/35 ℃,一次侧实现20 ℃回水。此时可以通过蓄热装置回收非供暖季工业余热和春季弃风电力转化的热量,在冬季严寒期用于热力调峰;淘汰小型热电联产机组、保留大型热电联产机组,保障电力高峰期供电。

8 分阶段热平衡

第1阶段(至2025年)供热面积7 200万m2,建筑供暖综合热指标37 W/m2,供热需求2 660 MW,比现状增加了292 MW。如图7所示,这一阶段回水温度为35 ℃,通过回收东山园区电厂、新城热电厂和京能热电厂的汽轮机乏汽余热,热电联产热源(除背压机外)的供热能力达到2 233 MW(参考表2),再加上94 MW远联钢铁厂工业余热和333 MW背压机余热即可满足供热需求,不需要开启燃煤锅炉。对比只依靠现状热源,则需要开启全部背压机和261 MW燃煤锅炉才可以满足严寒期最大供热负荷需求。

图7 第1阶段严寒期热源供热出力构成

整个供暖季期间,为保证工业余热与电厂乏汽余热回收经济性,同时优化能源结构,需为其设置调峰热源,背压机和部分热电联产负责调峰负荷,第1阶段各热源整个供暖季供热量构成见图8。电厂抽汽与乏汽供热量占全部热量的92%,工业余热供热量占5%,背压机供热量仅占3%。

图8 第1阶段各热源供热量构成

第2阶段(至2030年)供热面积8 900万m2,建筑供暖综合热指标33 W/m2,供热需求2 937 MW,比第1阶段增加了277 MW。这一阶段回水温度为25 ℃,该阶段的系统流程见图9,供热初期与末期,东山园区长输管网25 ℃回水分别进入铜厂、氧化铝厂回收低品位工业余热,工厂出口水温为65 ℃;严寒期东山园区电厂调峰补热,出口水温达到100 ℃。

图9 第2阶段余热回收系统流程

如图10所示,通过回收东山园区铜冶炼、氧化铝等流程工业的低品位工业余热610 MW,再加上94 MW远联钢铁厂工业余热,工业余热最大供热出力达到704 MW。再加上热电联产(除背压机外)2 233 MW供热能力即可满足供热需求,不需要开启燃煤锅炉和背压机。上述方式与只依靠现状热源方式对比,开启全部背压机和全部燃煤锅炉才可以基本满足严寒期最大供热负荷需求。

图10 第2阶段严寒期热源供热出力构成

整个供暖季期间,工业余热承担基础负荷,热电联产承担调峰负荷,第2阶段各热源整个供暖季供热量构成见图11。电厂抽汽与乏汽供热量占全部热量的66%,工业余热占34%。

图11 第2阶段各热源供热量构成

第3阶段(2030年以后)供热面积1亿m2,建筑供暖综合热指标31 W/m2,供热需求3 100 MW,比第2阶段增加了163 MW。这一阶段回水温度为20 ℃,该阶段的供暖季系统流程见图12。供热初期与末期一次网回水进入铜厂、氧化铝厂回收低品位工业余热;随着热负荷增加,逐步回收东山园区电厂热量,电厂由于按“以电定热”运行,供热量相比上一阶段可能减少,供水温度为90 ℃;严寒期一部分回水进入跨季节储热装置,同时释放非供暖季储存在储热体中的90 ℃热水,起到调峰补热的作用。

图12 第3阶段供暖季系统流程

如图13所示,通过跨季节储热设施回收非供暖季东山园区流程工业低品位工业余热870 MW(水温从20 ℃提升至65 ℃)和弃风电力转化热量350 MW(水温从65 ℃提升至90 ℃,其流程原理见图14)。再加上供暖季东山园区低品位工业余热1 200 MW和热电联产(东山园区电厂和新城热电厂)680 MW,即可满足供热需求。此时热电联产因按“以电定热”运行而供热出力大幅降低,但仍然不需要开启燃煤锅炉和背压机,且京能热电厂和赤峰热电厂处于关停状态。如果只依靠现状热源,即便开启全部背压机和全部燃煤锅炉也无法满足严寒期最大供热负荷。

图13 第3阶段严寒期热源供热出力构成

图14 非供暖季蓄热流程

整个供暖季期间,工业余热承担基础负荷,热电联产承担调峰负荷,储热设施承担严寒期的调峰负荷。第3阶段各热源整个供暖季供热量构成见图15。供暖季电厂抽汽与乏汽供热量占全部热量的27%,供暖季工业余热占55%,非供暖季储热占18%(其中工业余热占13%,非供暖季弃风电力转化热量占5%)。

9 结束语

未来随着供热需求不断增大,分阶段有序降低一次网回水温度并建设跨季节储热设施,就可以仅仅依靠工业余热、“热电协同”运行电厂的乏汽余热和少量抽汽热量、跨季节储热的热量实现零碳供热。

规划至2030年(对应8 900万m2供热面积)赤峰市中心城区供热能源结构为工业余热及电厂乏汽余热1 700万GJ,电厂抽汽提供1 500万GJ。相较于现状热电联产供热模式节约燃煤34.47万t/a,减少颗粒物排放62 t/a、二氧化硫排放217.2 t/a、氮氧化物(以NO2计)排放310.2 t/a。

规划至2035年(对应1亿m2供热面积)赤峰市中心城区供暖季供热量来源于非供暖季储存弃风电力转化热量和工业余热630万GJ,及供暖季工业余热1 900万GJ、燃煤调峰电厂900万GJ,相较于热电联产供热模式节约燃煤68.74万t/a,减少颗粒物排放123.6 t/a、二氧化硫排放433.1 t/a、氮氧化物(以NO2计)排放618.6 t/a。

现状供热面积6 232万m2,碳排放总量146万t,碳排放强度23.42 kg/m2;2035年供热面积1亿m2,弃风电力与工业余热为零碳排放热源,对应碳排放源仅为燃煤调峰电厂900万GJ,排放总量约为7万t,碳排放强度为0.7 kg/m2,约为现状碳排放强度的1/30。