閩臺(福州)藍色經濟產業園零碳綜合能源規劃研究*

常珊珊 范 磊 趙璽靈 李自勇 金 凱

(1.北京清華同衡規劃設計研究院有限公司,北京 100085;2.福建福清核電有限公司,福建 福州 350321;3.清華大學,北京 100084)

1 工業園區零碳發展的重點和難點

2021年9月,中共中央、國務院出臺《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》,把碳達峰、碳中和納入經濟社會發展全局,堅定不移走綠色低碳的高質量發展道路,確保如期實現“雙碳”目標。

2021年,福建省全社會能源消費總量1.5億TCE,其中,工業能源消費量占66%;從能源種類看,煤炭占比48%,油類占23%,高化石能源導致了嚴重的污染和碳排放[1]。2019年,福建省碳排放2.78億TCE,其中,51%的碳排放產生于電力、熱力生產行業(圖1)[2]。由此可見,福建省節能降碳的關鍵在于電力、工業用熱兩方面。電力方面,除構建以核能、風光等新能源為主體的新型電力系統外,還需要提高源側和末端的靈活性,從而解決供需側日間、季節性的不平衡問題;工業用熱方面,目前福建省工業用熱主要來自燃煤熱源(自備燃煤鍋爐和大型熱電聯產),其零碳化的關鍵在于熱源需要向高效、零碳轉變。

圖1 2019年福建省碳排放構成

當前,國內低碳或零碳綜合能源系統均是圍繞“電力和熱力(冷)”展開,電力側構建以“風+光電+儲能”為主的新型能源系統,冷熱側以清潔電力或燃氣三聯供為主。一方面,受到光伏投資、燃氣價格及儲能投資影響,無法大規模推廣作為地區主要的能源主力,限制了系統的發展;另一方面,沒有解決電力系統調峰問題。

作為天然的零碳資源,我國核電廠裝機達到56993.34 MWe[3],分布在東部沿海地區。2021年,國際首創“水熱同產”技術在山東海陽核電示范工程得到成功應用,實現零碳供熱,是我國核能綜合利用領域科研攻關的一次重大突破,為核能綜合利用指明了新的方向[4]。目前,核電廠仍有60%的余熱排放到海水中,沒有得到充分的利用,造成了能源的極大浪費[5]。若進行余熱回收,每1億kW 核電可供熱1.5億kW,全年按運行300 d計算,年可供熱39億GJ,折合當量標煤1.47億t。我國南方地區工業園區分布以經濟更為發達的沿海地區為主,與核電廠的分布區域基本一致。通過突破性的核能綜合利用技術,實現園區零碳用熱、零碳用電,是我國“雙碳”目標下能源結構優化和發展的重要方向。

2 基于核能的熱電協同綜合能源系統

本文提出一種基于核能的熱電協同綜合能源系統,如圖2所示。該系統以核能高溫輸水末端制汽技術解決工業用熱為核心,核電、光伏提供零碳電力。此外,在末端利用儲熱罐構建熱電協同供熱模式,以光儲直柔系統為補充,提高電力側柔性化水平,解決供需側日間電力不平衡問題,進而提高電力系統的安全性[6]。

圖2 基于核能的熱電協同綜合能源系統

2.1 工業用熱零碳化

本系統通過高溫輸水末端制汽技術實現工業用熱的零碳化。傳統的工業蒸汽供應方式是蒸汽直接輸送,設計簡單、應用廣泛,但是輸送系統受高參數、長距離的應用限制,且部分負荷工況易凝水,導致系統熱損失高,難以將核能的巨大潛力發揮[7-8]。高溫熱水輸送末端制汽流程結合了電廠側的余熱回收梯級利用、熱水管網輸送、蒸汽生產設備(包括蒸汽發生器和壓縮機)三部分[9],如圖3所示。一方面,輸送側采用高溫熱水管網實現了熱量的長距離輸送,可以為更遠的用戶供汽,為核能余熱遠距離輸送提供了基礎,解決了零碳資源和工業熱需求地理位置間的不匹配問題;另一方面,系統通過末端設備可實現根據需求生產不同參數的蒸汽。負荷變化容量范圍廣,啟停方便,與蒸汽系統相比,適合用汽企業較為分散、負荷不穩定、參數需求差異大的園區,解決了核電余熱與用熱參數不匹配問題,為核能余熱的潛力挖潛提供了基礎。

圖3 高溫熱水輸送末端制汽流程

2.2 柔性化零碳用電

零碳電力方面,本系統除了利用核能、光伏等零碳電力解決園區需求外,還在末端利用儲熱罐構建熱電協同供熱模式,同時,采用光儲直柔系統提高電力側柔性化水平,以提高電力系統的安全性。

①在高溫輸水末端制汽的基礎上,進一步通過在用戶端儲熱的方式實現園區工業電力調節。在電力低谷期,通過熱水管網制取蒸汽。此外,通過消耗多余的低谷期電力,將低溫罐中熱量提升溫度存儲到高溫罐中;在電力高峰期,利用高溫罐中的熱水制取蒸汽,從而減小高峰期電力消耗。同時,將熱網水的熱量通過低溫罐中的低溫水存儲,以便在高峰期使用[9]。

基于熱電協同的核能供熱技術方案,可助力實現工業側用電負荷的柔性化,可利用低谷電替代部分高峰電,進一步降低工業蒸汽成本。

②在末端融合光儲直柔系統,大力發展光伏作為清潔電力的補充。同時,設置V2G智能雙向充電樁作為儲能裝置,實現電力削峰填谷,增強電網穩定性。

3 案例分析

3.1 園區概況及能源需求預測

閩臺(福州)藍色經濟產業園(以下簡稱藍色產業園)位于福清市,核心區規劃面積22.69 km2,其中,工業用地面積占10.45 km2,均以發展非流程工業用熱為主。目前,該園區還處于規劃發展階段。福清核電廠距離園區15 km,裝機4×1089 MW+2×1161 MW,年發電能力達到500億kW·h?？紤]余熱回收,目前裝機具有15000 t/h的供熱潛力,完全可承擔園區的電力和熱力需求。

①工業熱負荷預測。根據《城市供熱規劃規范》(GB/T 51074—2015)中規定的工業熱負荷指標,結合現狀企業發展情況,計算得近期核心區工業需求為250 t/h。非流程工業主要為紡織業、造紙業、農副產品加工等其他制造業,主要能源需求集中在電力、熱力。其中,對熱力需求分為中低溫熱力(<150 ℃)和高溫熱力,根據實際調研,園區近期核心區工業用汽最高參數0.8 MPa/180 ℃。

②電負荷預測。根據《城市電力規劃規范》(GB/T 50293—2014)計算園區的用電負荷為1161 MW,典型日波動曲線如圖4所示,年總耗電量為66.4億kW·h。目前,園區分時電價如表1所示,平均電價為0.51元/kW·h。

圖4 園區電力負荷日曲線

表1 藍色產業園分時電價

3.2 熱電協同綜合能源系統

3.2.1 工業用熱零碳化分析

結合園區工業用熱需求(250 t/h,0.8 MPa/180 ℃),輸送和末端運行電價按照園區峰谷日平均電價0.51元/kW·h計算,分析高溫輸水末端制汽方案?？偼顿Y28693.4萬元,以熱水管網投資和末端制汽設備為主,占比98%;電廠側只通過換熱器加熱熱網水,投資僅占比2%?？傉羝杀緸?30元/t,遠遠低于燃氣供熱成本,如圖5所示。蒸汽成本以電廠側運行成本和末端運行成本為主,電廠側由于抽汽減少了上網電量,成本占到30%;末端由于需要對蒸汽進行壓縮,耗電量大,運行成本占比超過50%。如果運行電價降低到0.4元/kW·h,蒸汽成本可以進一步降到112.5元/t。

圖5 蒸汽成本構成

3.2.2 柔性化零碳用電

①熱電協同技術。末端增加儲熱罐打造熱電協同模式,相比平期,經計算高峰期用電量降低50%,低谷期用電量增加67%,如圖6所示,可以助力工業用電側的柔性化,且隨著工業負荷的增加,對電力調節的能力越強。此外,由于增加了低谷電的消耗,還可以進一步降低蒸汽成本。經計算,系統增加了高溫罐和低溫罐,且增加了一部分低谷期的制汽設備容量,導致折舊成本相比常規方案增加5.6元/t,但運行成本降低7.3元/t,總蒸汽成本降低1.7元/t,如表2所示。

圖6 生產1 kg/s蒸汽用戶側耗電功率

表2 1 t熱電協同蒸汽成本 單位:元

未來,隨著可再生能源電力占比的增加,電力市場還將進一步增加峰谷電價差帶動用戶調峰,熱電協同技術的經濟優勢將更加突出。假設當日平均電價不變的基礎上,將峰谷價差從目前的0.36元/kW·h逐步增大到0.76元/kW·h后,蒸汽成本可降低到117元/kW·h,如表3所示。

表3 增大峰谷價差后的1 t蒸汽成本 單位:元

②光儲直柔系統。在末端結合雙向智能充電樁、光伏,助力建筑用電的柔性化。藍色產業園可敷設光伏板面積達107萬m2,光伏裝機157 MW,年總發電量16055萬kW·h。同時,大力發展新能源汽車,按照規劃未來電動車2萬輛左右,考慮60%的雙向智能充電樁,日儲能力將達到60萬kW·h,日調節能力84 MW。

綜上,熱電協同綜合能源系統可以增強電網穩定性,峰谷差從48%縮短至26%,電力增容也從1250.2 MW降低至1073 MW,助力打造柔性用電模式,如圖7所示。未來,隨著工業熱負荷的增長,熱電協同模式柔性化能力也會逐步增加。

圖7 藍色產業園多日柔性用電曲線示意圖

3.2.3 與常規方案比較

將熱電協同綜合能源系統與常規方案作比較,假設常規方案基準條件為藍色產業園熱負荷由各企業設置小型燃氣鍋爐承擔;園區僅設置光伏發電作補充,其余全部由網上電力承擔。兩方案參數如表4所示。

表4 方案參數對比

經計算,兩個方案總投資分別為110249萬元和96201萬元,如表5所示?？紤]兩個方案供熱成本的不同,以供熱方案相同收益為基準,熱電協同綜合能源系統售汽價格可低至150元/t,常規能源方案售汽價格需要達到316元/t。計算得本系統靜態投資回收期為5.3年,同時可實現減少CO2排放390萬t。若包含減碳效益,則靜態投資回收期為1.8年。

表5 規劃方案投資對比 單位:萬元

基于核能的熱電協同綜合能源系統不僅可以實現藍色產業園能源系統的零碳化,更進一步降低了企業用能成本,開啟了工業園區碳中和領先模式,與園區的經濟發展和招商引資相互促進,助力將產業園打造為綠色低碳、安全高效的國際一流綜合園區。

4 結論

工業行業能耗高、碳排放量大,為支撐實現“雙碳”目標,必須在工業園區推動清潔低碳能源的大規模替代。發揮核能天然的零碳優勢,突破單一發電模式,打造核能綜合利用,是促進工業園區供熱低碳乃至零碳的重要方向。本文以藍色產業園為例,提出了一種熱電協同綜合能源系統模式,通過高溫輸水末端制汽技術實現園區的零碳供熱,同時解決了電力供需側日間不平衡的問題,助力用戶側電力曲線柔性化,增強電網穩定性。實現年供零碳蒸汽量18萬t,年供電66.4億kW·h,峰谷差從48%縮短至26%,減少CO2排放390萬t,保證園區內工業用戶產品都是零碳標簽產品,與常規能源規劃方案相比具有顯著的成本優勢、環保優勢及可靠性優勢,助力福建省綠色低碳與高質量的經濟發展。