基于工業余熱與可再生能源耦合的赤峰市低碳供熱研究

方 豪 黃 偉 江 億 朱 旭

(1.內蒙古富龍供熱工程技術有限公司,赤峰;2.清華大學,北京)

1 “雙碳”政策對供熱系統提出的要求

供熱,尤其是我國北方地區的供熱是一項重要的民生保障。據清華大學建筑節能研究中心估算結果,2021年北方供暖面積162億m2,運行碳排放4.9億t,占建筑運行相關CO2排放總量(22億t)的22%[1],因此減少供熱系統碳排放在國家“雙碳”戰略中具有舉足輕重的作用。供熱系統實現低碳甚至零碳運行,大致應該滿足以下幾個要求:

1) 節能優先。節能可以從根源上減少碳排放,符合黨中央、國務院《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》(以下簡稱《意見》)中“堅持節能優先的能源發展戰略”相關精神。通過加強建筑和管網保溫性能,從而減少建筑需熱量、管網輸配熱損失;通過加強源-網-末端的精細化調節,從而減少建筑不均勻熱損失,并降低熱源在供熱初期與末期過量供熱的程度[2]。

2) 充分挖掘低碳或零碳熱源,從而淘汰高碳排放的熱源?！兑庖姟分辛信e了熱電聯產、工業余熱、核電余熱、生物質能、地熱能等低碳或零碳熱源。從資源稟賦、采集難易程度考慮,熱電聯產、工業余熱、核電余熱等熱源有望作為基礎熱源滿足絕大部分供熱需求。由于大規模新能源并網,使得以燃煤發電為主體的基礎電源全面參與深度電力調峰,特別是“三北地區”風電、光電裝機規模巨大,棄風、棄光問題更為突出,要求北方地區供熱機組必須由“以熱定電”方式轉變為“以電定熱”“熱電解耦”[3]。因此未來小型的、超期服役的、或是不具備改造條件的熱電機組將逐步被淘汰,參與深度電力調峰的熱電機組也要求做到余熱盡可能回收利用。流程工業(如鋼鐵冶煉、有色金屬冶煉、水泥制造等)伴隨工業產品生產排放出大量的低品位工業余熱,可回收利用于集中供熱系統。未來落后產能逐步淘汰,剩余產能將更為集中,使得余熱資源也更集中、更穩定,增加了余熱供暖的可靠性[4]。

3) 降低回水溫度,從而提升余熱利用率和長距離輸配經濟性。熱電聯產、工業余熱和核電余熱都遠離供熱負荷中心,未來長距離輸熱將會是普遍情況,因此以降低回水溫度為核心的長距離輸熱技術將得到廣泛應用[5]。

4) 適當利用儲熱技術。短周期(以天為周期或更短周期)儲熱可以應用于熱電解耦等場景下[6];長周期(以月或季度為周期甚至更長周期)儲熱可以應用于非供暖季余熱儲熱和供暖季余熱調峰等場景下[7]。

赤峰市是我國第一個由政府主導并發文統一要求市區范圍全部進行末端大溫差改造的城市,對于實現低碳供熱起到了十分重要的示范作用。本文介紹了赤峰市中心城區大溫差供熱的起因和實現過程,并結合當地余熱及可再生資源稟賦,在上述要求的指導下,因地制宜制訂了可實現近零碳供熱的方案和實施步驟。

2 赤峰市中心城區供熱現狀

截至2023年2月底,赤峰市中心城區集中供熱系統供熱面積6 232萬m2,建筑綜合供暖熱指標38 W/m2。主要由赤峰富龍熱力有限責任公司和赤峰新城富龍熱力有限責任公司2家熱力公司負責供熱。

中心城區的供熱格局主要以熱電聯產為主,區域燃煤調峰鍋爐為輔,另有少量鋼鐵廠低品位工業余熱,熱源供熱能力和實際供熱功率見表1,熱源基本情況和位置分布見圖1。目前所有熱源的總供熱能力為2 919 MW,不包括燃煤鍋爐和燃煤背壓機的熱源供熱能力為1 730 MW。

3 供熱負荷預測及熱源緊缺問題

根據城市發展規劃,到2030年前后供熱面積將增加到8 900萬m2,即使加大建筑的節能改造力度,將建筑綜合熱指標由目前的38 W/m2降低到33 W/m2(耗熱量0.35 GJ/m2),供熱需求仍將達到2 937 MW,大致與現狀所有熱源供熱能力相當。未來赤峰市將達到1億m2供熱規模,即便建筑綜合熱指標降低至31 W/m2,供熱需求仍將高達3 100 MW。

在“雙碳”背景下,目前的熱源結構難以長期維持。首先,燃煤鍋爐由于高污染、高碳排放,且運行成本過高,未來將率先淘汰;其次,松山熱電廠、富龍熱電廠、京能熱電廠和赤峰熱電廠裝機容量分別為2×60、2×50、2×150、2×135 MW,屬于按照政策需關閉的小容量熱電廠,且京能熱電廠和赤峰熱電廠面臨運行期限較長和達不到超低排放要求的問題。此外,新城熱電廠和東山園區電廠未來也將成為電力調峰電廠,按“以電定熱”模式運行,供熱量也會降低。而赤峰市又不可能再建設新的熱源,這就使得熱源短缺成為赤峰市供熱必須面對的嚴峻問題。

如圖2所示,測算至2030年,若現有燃煤鍋爐全部淘汰,則供熱缺口將達到538 MW;若現有燃煤鍋爐和背壓機全部淘汰,則供熱缺口將達到1 113 MW。進一步若未來京能熱電廠、赤峰熱電廠的小型熱電聯產機組全部退役,則相比于2030年的供熱需求,會產生1 663 MW的供熱缺口。

圖2 赤峰市中心城區供熱熱源缺口預測

4 深度挖掘周邊潛在供熱熱源

面對國家低碳發展的大形勢,挖掘利用各種可能的零碳或低碳熱源解決熱源不足問題,成為赤峰市集中供熱必須選擇的道路。

赤峰市中心城區周邊主要有2類潛在零碳或低碳熱源,一是電廠和流程工業的低品位工業余熱,二是棄風電力可轉化的熱量。

經調查,表2中列出了周邊電廠和流程工業余熱現狀供熱能力和未來可以開發利用的余熱資源,并描述了回收余熱所需的回水溫度條件。

表2 赤峰市中心城區周邊余熱情況

可以看出,若能將工業余熱與電廠余熱全部回收,遠期熱源供熱能力相較于現狀熱源供熱能力可增加1 800 MW。若有辦法回收全年工業余熱并在供暖季使用,則能提供5 600萬GJ熱量,按照單位建筑面積供熱量0.35 GJ/m2計算,相當于可增加供熱面積1.6億m2。

另一方面,赤峰市周邊有豐富的風電資源。未來隨著規模300 MW及以上的燃煤機組逐漸由主力電源轉型為配合赤峰市新能源發電的調峰機組,其年運行時間大幅減少(主要在夏季和冬季的電力負荷高峰期運行)。春季風電資源豐富,而電力負荷處于相對低谷期,必然要在春季出現一部分棄風電力。按照赤峰市風電平均年利用時長2 000 h計算,當風電裝機規模達到3 000萬kW時,年棄風電量可達45億kW·h(預計占全年風電總量的7%～8%),折合熱量1 600萬GJ。按照單位建筑面積供熱量0.35 GJ/m2計算,相當于可增加供熱面積0.45億m2。

綜上所述,若能深度挖掘并充分利用赤峰市中心城區周邊余熱和棄風電力轉化的熱量,可增加供熱面積2億m2左右。如此可以保證在不新建化石燃料熱源的基礎上,關停既有燃煤鍋爐和背壓機,同時淘汰150 MW及以下小型燃煤熱電聯產機組,仍可以滿足未來1億m2建筑的供熱需求。

5 降低一次網回水溫度的意義和必要性

5.1 燃煤熱電聯產機組乏汽余熱回收

對于燃煤熱電聯產機組,降低回水溫度一方面可以提高管網輸配熱量的能力,另一方面可以大幅降低電廠產熱能耗和投資,有利于回收冷端乏汽余熱[8]。圖3顯示了300 MW空冷式汽輪機組余熱回收的基本流程。在供水溫度為100 ℃的約束條件下,不同的一次網回水溫度對應的熱量輸出能力見圖4。從圖4可以看出,供熱能力提高的關鍵是降低熱網回水溫度。

圖3 熱電廠乏汽梯級串聯回收工藝

圖4 回收乏汽熱量隨熱網一次回水溫度的變化

5.2 流程工業低品位余熱回收

對于流程工業低品位余熱回收利用,以銅冶煉為例,銅廠大量余熱產自礦渣冷卻、多種工藝冷卻、煙氣熱量回收及作為產品的銅錠冷卻[9]。圖5顯示了銅冶煉過程的余熱資源類別及其溫度分布,可以看出大部分熱量集中在30～70 ℃。隨著熱網回水溫度降低,可由板式換熱器直接換熱回收的余熱量見表3,隨回水溫度降低可回收余熱量迅速增加,當回水溫度由50 ℃降低至20 ℃時,直接換熱余熱回收率由34%上升至80%。

圖5 銅廠余熱分布情況

表3 銅廠余熱回收率隨熱網回水溫度的變化

5.3 跨季節儲熱

由于棄風主要發生在春季,此時供熱需求較小或已經停止供熱,因此為了利用這部分能量,有必要建設跨季節儲熱設施,將這部分棄風、棄光電力轉化為熱量儲存起來,在供暖季予以釋放利用。此外,跨季節儲熱設施同時還可以儲存非供暖季產生的工業余熱和電廠余熱,從而大幅度增加余熱回收設備、廠內管網和長距離輸送管線的運行時長,可有效縮短投資回收期。東山園區各工業冷卻設施如冷卻塔等也可以通過熱網水全年進行散熱冷卻,避免不同季節之間的工藝轉換,并顯著減少冷卻用水量。

對于開式蓄水池,蓄熱的最高溫度不超過90 ℃。相同的儲熱體體積下,儲熱量和蓄熱與放熱的溫差成正比。例如當回水溫度為55 ℃時,蓄熱與放熱的溫差為35 ℃;而當回水溫度為20 ℃時,蓄熱與放熱的溫差為70 ℃。蓄存相同熱量時,回水溫度20 ℃所需的蓄熱體體積,理論上是回水溫度55 ℃時的一半。因此跨季節儲熱的關鍵也是降低回水溫度。

綜上,實現熱源挖潛、低碳(零碳)供熱的關鍵就是降低一次網回水溫度。綜合考慮城市發展需要和能源革命大勢,赤峰市政府于2021年出臺了降低熱網一次回水溫度(即大溫差供熱)的政策。

6 大溫差供熱的推進過程

2019年10月,內蒙古自治區供熱工程技術研究中心(以下簡稱工程中心)向赤峰市政府作了題為《關于赤峰中心城區低品位余熱供熱的必要性與可行性初步研究》的報告,標志著大溫差供熱項目啟動。

《赤峰市中心城區集中供熱應用大溫差供熱技術實施方案》內容豐富,涵蓋了熱源、熱網、熱力站、供熱規劃及技術指導等方面,重點如下:

1) 實施所需資金以企業自籌和政府補助相結合的方式解決。項目投資按政府補助和熱網企業自籌相結合的方式解決,包括新建供熱管線和既有換熱站改造費用。其中新建熱力站全部采用大溫差供熱技術,由開發商承擔建設費用。優先采用樓宇吸收式換熱機組[10],不具備條件的采用集中吸收式換熱機組[11]。

2) 政府組織熱源、熱網企業重新議定熱量結算方式,提交市政府審議。原則上以“參考回水溫度法”進行熱量結算。所謂“參考回水溫度法”,就是電廠與熱力公司之間的熱量結算可以設定一個參考溫度,其中熱網水供水溫度至參考溫度區間為正常計費的結算熱量,參考溫度至回水溫度區間熱量不計費用[12]。

7 分階段降低一次網回水溫度

結合供熱負荷增加進度,考慮到改造難易程度,規劃分3個階段逐步降低一次網回水溫度,如圖6所示。

圖6 3個階段降低一次網回水溫度

第1階段,2025年前一次網回水溫度由現狀45 ℃降低至35 ℃。具體采取的措施是所有新建小區采用吸收式換熱器,這些小區的一、二次網供/回水溫度為90 ℃/25 ℃(一次側)和50 ℃/40 ℃(二次側)。既有老舊小區僅作優化調節和增加換熱面積,使得一次側回水溫度降低至40 ℃左右(三步節能建筑為主的小區一次側回水溫度可降低至38 ℃左右)。新建小區和既有小區的一次側回水混合后,回到熱源處的水溫約為35 ℃。此時可以回收全部電廠乏汽余熱,關停所有燃煤鍋爐。

第2階段,2025—2030年,一次網回水溫度進一步降低至25 ℃。具體采取的措施是所有新建小區采用吸收式換熱器,所有老舊小區將常規板式換熱器改為吸收式換熱器,使得一次側回水溫度統一降低至25 ℃左右。此時可以回收低品位工業余熱,在關停所有燃煤鍋爐的基礎上進一步關停所有背壓機。

第3階段,2030—2035年,一次網回水溫度進一步降低至20 ℃。具體采取的措施是改善二次側庭院管網,通過建筑節能改造、改善優化終端換熱裝置和推行智慧供熱等方式,將二次側供/回水溫度降低至45 ℃/35 ℃,一次側實現20 ℃回水。此時可以通過蓄熱裝置回收非供暖季工業余熱和春季棄風電力轉化的熱量,在冬季嚴寒期用于熱力調峰;淘汰小型熱電聯產機組、保留大型熱電聯產機組,保障電力高峰期供電。

8 分階段熱平衡

第1階段(至2025年)供熱面積7 200萬m2,建筑供暖綜合熱指標37 W/m2,供熱需求2 660 MW,比現狀增加了292 MW。如圖7所示,這一階段回水溫度為35 ℃,通過回收東山園區電廠、新城熱電廠和京能熱電廠的汽輪機乏汽余熱,熱電聯產熱源(除背壓機外)的供熱能力達到2 233 MW(參考表2),再加上94 MW遠聯鋼鐵廠工業余熱和333 MW背壓機余熱即可滿足供熱需求,不需要開啟燃煤鍋爐。對比只依靠現狀熱源,則需要開啟全部背壓機和261 MW燃煤鍋爐才可以滿足嚴寒期最大供熱負荷需求。

圖7 第1階段嚴寒期熱源供熱出力構成

整個供暖季期間,為保證工業余熱與電廠乏汽余熱回收經濟性,同時優化能源結構,需為其設置調峰熱源,背壓機和部分熱電聯產負責調峰負荷,第1階段各熱源整個供暖季供熱量構成見圖8。電廠抽汽與乏汽供熱量占全部熱量的92%,工業余熱供熱量占5%,背壓機供熱量僅占3%。

圖8 第1階段各熱源供熱量構成

第2階段(至2030年)供熱面積8 900萬m2,建筑供暖綜合熱指標33 W/m2,供熱需求2 937 MW,比第1階段增加了277 MW。這一階段回水溫度為25 ℃,該階段的系統流程見圖9,供熱初期與末期,東山園區長輸管網25 ℃回水分別進入銅廠、氧化鋁廠回收低品位工業余熱,工廠出口水溫為65 ℃;嚴寒期東山園區電廠調峰補熱,出口水溫達到100 ℃。

圖9 第2階段余熱回收系統流程

如圖10所示,通過回收東山園區銅冶煉、氧化鋁等流程工業的低品位工業余熱610 MW,再加上94 MW遠聯鋼鐵廠工業余熱,工業余熱最大供熱出力達到704 MW。再加上熱電聯產(除背壓機外)2 233 MW供熱能力即可滿足供熱需求,不需要開啟燃煤鍋爐和背壓機。上述方式與只依靠現狀熱源方式對比,開啟全部背壓機和全部燃煤鍋爐才可以基本滿足嚴寒期最大供熱負荷需求。

圖10 第2階段嚴寒期熱源供熱出力構成

整個供暖季期間,工業余熱承擔基礎負荷,熱電聯產承擔調峰負荷,第2階段各熱源整個供暖季供熱量構成見圖11。電廠抽汽與乏汽供熱量占全部熱量的66%,工業余熱占34%。

圖11 第2階段各熱源供熱量構成

第3階段(2030年以后)供熱面積1億m2,建筑供暖綜合熱指標31 W/m2,供熱需求3 100 MW,比第2階段增加了163 MW。這一階段回水溫度為20 ℃,該階段的供暖季系統流程見圖12。供熱初期與末期一次網回水進入銅廠、氧化鋁廠回收低品位工業余熱;隨著熱負荷增加,逐步回收東山園區電廠熱量,電廠由于按“以電定熱”運行,供熱量相比上一階段可能減少,供水溫度為90 ℃;嚴寒期一部分回水進入跨季節儲熱裝置,同時釋放非供暖季儲存在儲熱體中的90 ℃熱水,起到調峰補熱的作用。

圖12 第3階段供暖季系統流程

如圖13所示,通過跨季節儲熱設施回收非供暖季東山園區流程工業低品位工業余熱870 MW(水溫從20 ℃提升至65 ℃)和棄風電力轉化熱量350 MW(水溫從65 ℃提升至90 ℃,其流程原理見圖14)。再加上供暖季東山園區低品位工業余熱1 200 MW和熱電聯產(東山園區電廠和新城熱電廠)680 MW,即可滿足供熱需求。此時熱電聯產因按“以電定熱”運行而供熱出力大幅降低,但仍然不需要開啟燃煤鍋爐和背壓機,且京能熱電廠和赤峰熱電廠處于關停狀態。如果只依靠現狀熱源,即便開啟全部背壓機和全部燃煤鍋爐也無法滿足嚴寒期最大供熱負荷。

圖13 第3階段嚴寒期熱源供熱出力構成

圖14 非供暖季蓄熱流程

整個供暖季期間,工業余熱承擔基礎負荷,熱電聯產承擔調峰負荷,儲熱設施承擔嚴寒期的調峰負荷。第3階段各熱源整個供暖季供熱量構成見圖15。供暖季電廠抽汽與乏汽供熱量占全部熱量的27%,供暖季工業余熱占55%,非供暖季儲熱占18%(其中工業余熱占13%,非供暖季棄風電力轉化熱量占5%)。

9 結束語

未來隨著供熱需求不斷增大,分階段有序降低一次網回水溫度并建設跨季節儲熱設施,就可以僅僅依靠工業余熱、“熱電協同”運行電廠的乏汽余熱和少量抽汽熱量、跨季節儲熱的熱量實現零碳供熱。

規劃至2030年(對應8 900萬m2供熱面積)赤峰市中心城區供熱能源結構為工業余熱及電廠乏汽余熱1 700萬GJ,電廠抽汽提供1 500萬GJ。相較于現狀熱電聯產供熱模式節約燃煤34.47萬t/a,減少顆粒物排放62 t/a、二氧化硫排放217.2 t/a、氮氧化物(以NO2計)排放310.2 t/a。

規劃至2035年(對應1億m2供熱面積)赤峰市中心城區供暖季供熱量來源于非供暖季儲存棄風電力轉化熱量和工業余熱630萬GJ,及供暖季工業余熱1 900萬GJ、燃煤調峰電廠900萬GJ,相較于熱電聯產供熱模式節約燃煤68.74萬t/a,減少顆粒物排放123.6 t/a、二氧化硫排放433.1 t/a、氮氧化物(以NO2計)排放618.6 t/a。

現狀供熱面積6 232萬m2,碳排放總量146萬t,碳排放強度23.42 kg/m2;2035年供熱面積1億m2,棄風電力與工業余熱為零碳排放熱源,對應碳排放源僅為燃煤調峰電廠900萬GJ,排放總量約為7萬t,碳排放強度為0.7 kg/m2,約為現狀碳排放強度的1/30。