發(fā)電和工業(yè)余熱實(shí)現(xiàn)北方城鎮(zhèn)清潔供熱

太原古交電廠

　　我國的建筑運(yùn)行用能可分為北方城鎮(zhèn)采暖用能、不包括北方采暖的居住建筑用能、公共建筑用能以及農(nóng)村居住建筑用能四大部分。

　　之所以把北方城鎮(zhèn)采暖用能單獨(dú)列出，是因?yàn)槠溆媚芴攸c(diǎn)不同。而且在這四大類建筑運(yùn)行用能中，北方采暖的能耗總量最大，對大氣污染的影響最大，但節(jié)能潛力也最高，是我國建筑節(jié)能工作的重點(diǎn)。

　　熱電聯(lián)產(chǎn)和工業(yè)余熱利用獲技術(shù)突破

　　目前，我國北方城鎮(zhèn)的民用建筑總量為145億平方米，80%采用不同規(guī)模的集中供熱方式，其中約60%的熱源為熱電聯(lián)產(chǎn)電廠提供，其余為大型燃煤、燃?xì)忮仩t及少部分工業(yè)余熱，剩余20%的建筑則采用燃?xì)獗趻鞝t、地源或空氣源熱泵等分散方式。

　　目前，熱電聯(lián)產(chǎn)、燃煤燃?xì)忮仩t和分散供暖三種方式采暖平均能耗分別為每平米每個冬季12、18和14公斤標(biāo)煤。北方城鎮(zhèn)145億平米建筑冬季供暖總能耗為2.1億噸標(biāo)煤。

　　熱電聯(lián)產(chǎn)是利用發(fā)電余熱作為供暖熱源，不同的熱電聯(lián)產(chǎn)工藝輸出熱量的能耗不同。目前，我國大多數(shù)熱電聯(lián)產(chǎn)電廠是抽凝機(jī)組，抽取部分原本進(jìn)入低壓缸繼續(xù)發(fā)電的0.5兆帕左右的蒸汽，把熱網(wǎng)循環(huán)水從50~60℃加熱到110~125℃。剩下的部分蒸汽仍進(jìn)入低壓缸發(fā)電，其冷凝熱量在20~40℃的溫度下由冷卻塔或空冷島排出，排出余熱約為機(jī)組總熱量的20%~30%。

　　近年來，部分電廠進(jìn)行多種形式的背壓改造，雖然消除了冷端損失，但同時也減少了發(fā)電量。按照火用分?jǐn)偡椒ò央姀S消耗的燃煤分?jǐn)偨o輸出的電力和熱力，這兩種方式輸出熱量的煤耗在20~30公斤標(biāo)煤/吉焦之間。

　　前述熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)熱折合煤耗仍然偏高的主要原因是進(jìn)入電廠的熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度太高（50℃以上），只能用較高的熱源加熱。通過在供熱系統(tǒng)末端采用新的吸收式換熱器等技術(shù)，可以使回水溫度降低到10~30℃。這時再采用新的熱電聯(lián)產(chǎn)熱回收工藝，就可以回收全部冷端余熱，而不會進(jìn)一步減少發(fā)電量。在循環(huán)水溫度仍加熱到120℃的條件下，輸出熱量所分?jǐn)偟拿汉目山抵?0~15公斤標(biāo)煤/吉焦。

　　低回水溫度使熱網(wǎng)的供回水溫度從120/50℃的70開爾文溫差提高到120/15℃的105開爾文溫差，這就使得同樣的熱網(wǎng)循環(huán)水流量所輸送的熱量提高50%，降低了熱網(wǎng)輸送熱量的初投資和運(yùn)行成本。低溫回水還可進(jìn)入冶金、有色、化工、建材等工廠去有效回收工業(yè)生產(chǎn)過程排放的低品位余熱。這一技術(shù)從2010年開始陸續(xù)在山西、河北、寧夏等多地推廣，已在可靠性、經(jīng)濟(jì)性、可實(shí)施性等多方面得到全面證實(shí)，引起供熱界的高度關(guān)注。

　　北方城鎮(zhèn)供熱方式亟須改變

　　未來，我國北方城鎮(zhèn)需要供熱的民用建筑總量將達(dá)到200億平方米，其中160億平方米可由熱電聯(lián)產(chǎn)和工業(yè)余熱提供基礎(chǔ)熱源。由4億千瓦發(fā)電能力的熱電廠供應(yīng)130億平方米，由冶金、有色、建材等生產(chǎn)過程排放的低品位工業(yè)余熱供應(yīng)30億平方米。在此基礎(chǔ)上，這160億平方米建筑每年只需要再消耗150億立方米天然氣和450億千瓦時電力作為終端調(diào)峰和循環(huán)水泵用電，就可以滿足供熱要求，綜合耗能每平米每年9公斤標(biāo)煤以下。

　　要實(shí)現(xiàn)這一供熱規(guī)劃，就必須回答未來我國是否還會保留這樣多的燃煤電廠，同時還要考察這些熱源的地理位置是否與需要熱量的城鎮(zhèn)位置相匹配，熱量輸送成本是否可接受。

　　我國北方采暖區(qū)域內(nèi)目前已有熱電廠裝機(jī)超過6億千瓦。未來大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電、光電，需要有足夠的蓄能能力和靈活電源，以適應(yīng)風(fēng)電、光電的大幅度日波動和電力負(fù)荷側(cè)的日變化。水電和抽水蓄能電站是最好的蓄能和靈活電源。然而，由我國地理資源決定的水電和抽水蓄能電站總量很難超過3億千瓦，考慮未來發(fā)展1億~1.5億千瓦的核電，還需要8億千瓦以上容量的熱電廠作為調(diào)峰電廠，才可能與風(fēng)光電互動，滿足未來我國的電力需求。

　　此外，冬季北方受枯水期限制和避免黃河冰凌的影響，水力發(fā)電能力大幅下降，也需要額外的1億千瓦火電來補(bǔ)充冬季水電的不足。這樣，我國北方冬季應(yīng)有5億千瓦以上的火電和核電運(yùn)行，才能在大比例發(fā)展風(fēng)電、光電、水電的前提下滿足未來的電力供應(yīng)，大于供熱所要求的4億千瓦火電的裝機(jī)容量。

　　然而，這些冬季按照熱電聯(lián)產(chǎn)方式運(yùn)行的火電和核電必須同時承擔(dān)電網(wǎng)的快速峰谷調(diào)節(jié)任務(wù)，而不能按照傳統(tǒng)的“以熱定電”模式運(yùn)行。當(dāng)進(jìn)入電廠的熱網(wǎng)回水溫度低于20℃后，通過在電廠設(shè)大容量的蓄熱裝置和電動熱泵，可以在需要發(fā)電時全功率發(fā)電，用蓄熱罐的熱量供熱，并蓄存發(fā)電余熱；而在電力需求低谷期最大量抽氣，并開啟大容量電動熱泵，提升電力高峰期蓄存的低品位余熱。通過工藝流程優(yōu)化，可以使熱電廠全天的綜合熱效率高于95%，輸出電力在35%~100%范圍內(nèi)快速調(diào)節(jié)，而全天輸出電力與輸出熱量之比不低于45%。

　　對于沿海修建的核電和火電，還可以進(jìn)一步利用發(fā)電余熱進(jìn)行海水淡化，從而通過改變抽氣量、蓄熱量和使用電動熱泵提升低溫余熱的品位，在全年都可實(shí)現(xiàn)大范圍的電力峰谷調(diào)節(jié)和高效余熱利用。北方沿海地區(qū)同時也是淡水資源匱乏區(qū)，熱、電、水聯(lián)產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)全年的電力靈活調(diào)節(jié)和余熱的充分利用。

　　多熱源聯(lián)合供熱是大勢所趨

　　我國北方90%的縣以上城鎮(zhèn)都已建成較完善的城區(qū)供熱管網(wǎng)，這是發(fā)展余熱供熱的必備條件，在世界上絕大多數(shù)發(fā)達(dá)國家都不具備。具體考察北方各縣以上城鎮(zhèn)地理位置，可發(fā)現(xiàn)80%的城鎮(zhèn)都可以在100公里半徑的范圍內(nèi)找到足夠的潛在可利用的余熱資源。當(dāng)把輸送距離提高到150公里時，則熱源與熱負(fù)荷的匹配度高于90%。

　　采用低回水溫度技術(shù)，熱量輸送的經(jīng)濟(jì)距離可增長50%。同時，單位熱量的輸送成本也隨容量增大而下降，單位熱量管道熱損失亦與管徑成反比，輸送5000兆瓦熱量的管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)輸送距離是500兆瓦熱量管網(wǎng)的3倍。實(shí)現(xiàn)大溫差輸送，輸送容量達(dá)幾千兆瓦，經(jīng)濟(jì)輸送距離是常規(guī)溫差、容量為幾百兆瓦管網(wǎng)的4~5倍。

　　自上世紀(jì)80年代起，我國建設(shè)了不少輸送距離達(dá)30~40公里的熱網(wǎng)，至今仍在安全運(yùn)行。由此，采用大溫差和大容量技術(shù)，可接受的輸送距離就是100~150公里。目前北方大多數(shù)城鎮(zhèn)在這個半徑內(nèi)都可以找到與建筑規(guī)模相匹配的熱電聯(lián)產(chǎn)或工業(yè)余熱熱源。

　　近年來，我國已在太原、銀川、石家莊等地相繼建成40~60公里的大容量長距離熱網(wǎng)，其建設(shè)和運(yùn)行實(shí)踐也證實(shí)了這一點(diǎn)。目前又有多地正在規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造規(guī)模更大、距離更長的熱網(wǎng)，并將在未來2~3年內(nèi)完工投運(yùn)。

　　冬季供熱是重要的民生工程，以單一的工廠或電廠為熱源，為一個區(qū)域供熱，很難達(dá)到高安全、高可靠。實(shí)現(xiàn)區(qū)域大聯(lián)網(wǎng)，多個熱源聯(lián)合供熱，再加上終端的天然氣調(diào)峰，就可以實(shí)現(xiàn)多源互補(bǔ)、優(yōu)化運(yùn)行，保證系統(tǒng)的可靠與安全。

　　構(gòu)建覆蓋北方大多數(shù)城鎮(zhèn)的區(qū)域熱網(wǎng)，全面采集各種余熱資源，相互補(bǔ)充，并實(shí)現(xiàn)發(fā)電、調(diào)峰、供熱、供氣之間的協(xié)同，這將是在低碳要求下我國未來城市能源系統(tǒng)的最佳模式。這需要統(tǒng)一規(guī)劃，分散建設(shè)，在中央統(tǒng)一規(guī)劃協(xié)調(diào)下發(fā)揮地方的積極性、依靠市場機(jī)制調(diào)動逐步實(shí)施。另外，還需要制定合理的定價機(jī)制，均衡熱、電、氣價格，并充分考慮各種調(diào)峰對系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。（■中國工程院院士 江億）