如何解决大城市区域集中供暖难题?

如何解决大城市区域集中供暖难题?内容摘要：

如何解决大城市区域集中供暖难题？ 华贲 1 熊永强 1、2 罗向龙 1、3 李亚军 1 1 华南理工大学天然气利用研究中心，2 暨南大学化学系，3 广东工业大学 壱、 大城市中心供暖面临的高污染、低能效的严峻挑战 近十多年来我国经济增长突飞猛进，另世人瞩目。但与主要发达国家不同， 支撑中国经济快速增长所耗用的一次能源 70%是煤。近年来几乎每年净增燃煤 2--3 亿吨。中国的煤碳消耗已超过全世界耗量的一半；致使碳排放过快增加。按 最近 bp 公司发布的 2012 年 CO2 排放数据，中国已达 92 亿吨，几乎等于占世界 第二、第三、第四位的美国（57 亿吨）俄罗斯（18 亿吨）印度（17 亿吨）排放 总量之和。另方面，工业和供暖锅炉以燃煤为主所导致的 PM2.5 的排放已到了 严重危害人民健康，难以容忍的地步。国家环保总局数据显示，600 多个城市之 中只有少部分 PM2.5 达标。华北地区许多城市大气质量达标的日数只占 1/3。这 使得我国北方大城市以燃煤为主的供暖格局面临终结。各个城市纷纷提出并实施 了各种替代燃煤供暖的方案。这个历史性的趋势已不可避免。 按照住建部统计，北方供暖需求总面积为 400 亿 m2, 2011 年底全国城镇和 部分乡镇集中供暖面积供 57.57 亿 m2。其中热电联产供暖只占 37%。“十二五”规 划到 2015 年全国 CHP 装机达到 2.5 亿 kW，集中供暖普及率达到 65%，其中 CHP 占 50%。也就是说，CHP 供暖仍只占总供暖负荷的三成左右；其余的分散 或集中供暖还是依靠热水锅炉 即使达到了“十二五”规划的上述目标，问题依然存在。按照科学用能的 “高 能高用、低能低用，温度对口、梯级利用”原则，保障 18-20°C 的室内环境温度， 用 60-45°C（散热片）或 45-30 的循环水（辐射供暖）已经足够。完全可以利用 一次能源转换、利用最末端、“低级”温位的热量作为热源。而目前的 CHP 供暖从 汽轮机抽出约 0.5—1.0 MPa、饱和温度约 150--180°C 的蒸汽，通过 130—65°C 的 循环热媒水加热 80-50°C 不等的采暖循环水，保障 18-20°C 的室内环境温度；这 其实也是“高能低用”。而热水锅炉用燃烧温度可达 1400°C 的天然气直接加热热 水，更是极端的“高能低用”。这是中国能源利用效率比世界平均低 13 个百分点 的重要原因之一。 弐、 目前的天然气替代燃煤供暖模式面临的能效和经济性问题 北京、沈阳、大连等城市为解决 PM2.5 问题已经着手天然气替代燃煤供暖的 改造。以北京市为例，方案的主旨是 1）、迁出六环路以内的所有燃煤电站 ， 2）、建设 4 个大型天然气热电联产机组集中供暖，3）、不足部分辅以天然气热 水锅炉。其它城市以天然气为主的供暖方案也大同小异。 这种供暖方案存在着三个致命的问题： 1）、天然气机组的热电产出与实际需求比率严重不匹配。根据住建部的统 计，我国建筑物终端耗能中空调和供暖占 65%，热水占 15%，电占 14%，炊事 占 6%，即热电比约为 80/14，大于 5。而大型天然气联合循环机组发电效率已达 50%，抽汽供暖模式的热负荷即使达到燃料热值的 20%，热电产出比都不到 0.5。既不能满足供热需求而必须大量依靠锅炉供暖；大量多余电力上网又严重 亏损。 2）、我国终端消费的天然气与燃煤的等热值比价高于 2，天然气发电成本 比煤电高近一倍，大多数亏损。抽汽供热的成本也远远高于燃煤供暖。为避免增 加居民负担，地方政府需支付数十到数百亿元计的补贴。仍占多数的天然气热水 锅炉辅助供暖，不仅能源利用效率更低，亏损更多。 3）、由于能效低，单位供暖耗天然气量过大，致使城市天然气耗量冬夏季 节差高达 10 倍以上，给天然气上、中游生产、运输和贮存系统运行带来极大的冲 击和负担。导致冬季北方天然气价格上涨，进一步加剧了供暖的经济负担。 参、 其它替代方案和先进供暖模式的探索和分析评价 迄今各地对解决供暖热源问题做出了许多努力和探索。北方许多地方采用了 地源热泵，即利用大面积浅层土壤和地下水的蓄热能力，冬季用作热源取热并 采用热泵升温供暖，地（水）温有所降低；夏季制冷用作热阱把热量回传，再 使其温度回升。成功的案例系统投资约为 400 元/m2，但热泵的 COP 可达 4 左右； 总体的供暖成本与燃煤机组抽汽供暖差不多。不过这种模式受到地质条件，城市 中心可供打井的面积和成本的很大限制，并不是到处可用。特别是大城市打井更 难。而且有冬夏供/取热不平衡，埋管传热系数衰减等问题。 沿海有的城市也学习瑞典经验，采用海水源热泵。冬季北方海岸附近水温 34°C。即使采用 50 多°C 的循环水温，因提升温度差高达 50°C，热泵的功耗也很 大，COP 只有 2-3 左右。大连等地的试点项目表明，供暖费用十分昂贵。 利用汽轮机乏汽冷凝潜热的尝试和创新不的涌现。早在 20 年前，北方电厂 小机组就已经有“破坏真空”供暖的部分推广。即藉降低冷凝器的真空度（也就是 适当提高背压到 50kPa 左右）提高凝气温度到 70--75°C 左右，用于直接加热 68 —50°C 的供暖循环水。虽然因背压提高减少了发电，但因 “温度对口”，有效能 损失大大减小，与抽汽供暖相比，电力损失小得多。既经济、能效也高。 2009 年，清华大学江亿、付林等提出了采用大温差（130—20°C）循环热媒 水，远端采用“吸收式换热器”使之与 60—45°C 的供暖循环水换热，20°C 的回 水加上利用 0.25MPa 抽汽吸收式热泵、回收部分复水器低温冷凝潜热的专利技 术，并在大同等地实施。全供暖季将近一半的热量可取自乏汽冷凝废热。 近年来一些大型 GW 级超超临界燃煤机组也开始尝试抽汽供热。与蒸汽管线 输送技术创新相结合，已经有了供热半径延伸到 20—30km 的用例。 此外，在我国北方，越来越多地方采用辐射供暖，即把交联聚乙烯水管大 面积预埋设在地板或天花板中。由于辐射传热均匀、高效，不仅人体感觉更舒适 而且室内温度也可比散热片方式低 1-2°C。供暖循环水温也可以大幅度降低。北 京某奥地利设计的公寓供暖水温只有 35°C 左右。使得利用废热的比率可以进一 步提高。正在规划建设的陕西某新城区规定，在严格执行住建部建筑节能标准基 础上，所有新建住宅都必须采用辐射供暖模式；成为使规划的区域能源利用效 率达到 84%以上的一项重要举措。 这些探索和创新为解决我国大城市供暖难题提供了技术基础；指出了“梯级 利用”低温余热、废热供暖，降低供暖能耗，全面提高总体能源利用效率的方向。 四、 供暖能源利用方式革命：大城市科学用能，系统优化的供暖方案 1、利用远程燃煤 CHP 机组的余热 “十一五”和近几年在国家政策支持下，在我国各地建设了一大批 2×300MW 或 2×350MW 燃煤热电联产机组。2012 年 CHP 装机已经达到火 电装机容量 7.96 亿 kW 的 25%。按规划到 2015 年将达 2.5 亿 kW，占火电装 机容量的 32--35%。 为什么规划到 2015 年 CHP 供暖只能占集中供暖的一半呢？本文第二节已 经分析：因控制 PM2.5 排放的需要而采用天然气联合循环机组抽汽供暖，热电 比很低；用天然气热水锅炉补充，不仅供暖成本更高而且严重“高能低用”。而在 城市中心地带采用本文第三节所述的地源热泵等技术也不具备条件。解决中国大 城市供暖需要战略性的考虑。 本文提出了以上述清华大学专利技术为基础，利用大城市远郊大型燃煤 CHP 机组的饱和压力<0.4MPa 的低温余热和乏汽冷凝潜热，与市区内天然气 CCHP 机组相结合的供暖方案，可使天然气 CCHP 机组的供暖能力成倍提高。 在距某特大城市新开发的副中心 20kM 处建有 2×300MW 燃煤热电厂。进 入汽轮机的总蒸汽量约 2000t/h。该机组不需改造就可以向外提供 0.4MPa 的 蒸 汽 热 量 300MW ； 1200t/h 凝 汽 提 供 15~25℃ 之 间 的 低 温 热 量 约 700MW；合计约 1GW。根据需要，在设计工况下利用其中的 500MW；采用 热泵技术提高其温位用于建筑物供暖。这比采用 3-4℃的海水或 10--14℃的浅 层土壤源热作为低温热源热泵提升的温度区间小得多，因而能效和经济性大大 提高。采用吸收式热泵利用 0.4MPa 低压抽汽作为驱动热源，提升上述排汽冷凝 热的温位，可藉 10--120℃的循环热媒水，把上述 500MW 热量送达 20kM 之 外的城市能源供应中心。然后通过 4 条 5 kM 的分输管线输送到 4 区域的热力站 在热力站，高温热媒水通过“吸收式换热器”将热量传递给 35--50℃的二次采暖 循环水，自身降温到 10℃；再返回 20km 外的 CHP 机组取热。“吸收式换热 器”能力不足部分可用电压缩式热泵补充，或者接力运行。即 125—25°C 的热 媒水采用吸收式换热器与二次采暖循环水换热；25-10°C 部分热媒水的低温段 热量采用电压缩式热泵升温供暖用于公共建筑物。由于系统结构和参数复杂、且 存在多种可能方案，必须建模优化。 在实际工程规划中，远程燃煤机组余热是与城市副中心天然气 CCHP 机组 汽轮机的余热一并统筹安排利用的；并且成为分布式冷热电联供能源供应服务 系统的一部分。该中心第一能源站近期规划 2×9E 联合循环机组，余热锅炉的 360t/h 蒸汽也可采用同样流程协同配合供暖。两管制的热泵供暖设施在夏季可 用于向公共建筑供冷。此外，利用这些低温位的热源，也可以全年为全区生活热 水系统供热。核算表明，这种模式的供暖成本与传统燃煤 CHP 机组抽汽供暖相 当，大大低于天然气 CCHP + 热水锅炉辅助供暖系统的成本。 在整个供暖季节，平均供暖负荷大约为设计负荷的 40%。通过调节热媒水 量和温度，可以减少 0.4MPa 蒸汽的用量，多用乏汽废热供暖。计算表明，采用 供/回水温差超过 100℃的热媒水远程供暖的经济距离可以达到 30km；此时泵 的功耗和散热损失都远远小于原来的主观想象。 我国北方多数大城市周边都已建设了 2×300 或 350MW 燃煤 CHP 电厂。 远离城市中心 30km 之外的燃煤 CHP 机组不会拆除。充分利用这些设施；解放 思想，改变必须抽 0.5—1.0 MP 蒸汽、加热 130-65℃热媒水供暖的思维定势； 大部分城市都有可能实现上述以燃煤 CHP 机组低温余热为主体、与天然气 CCHP 机组相结合的供暖模式，降低成本，节约大量天然气，并大大缩小冬夏 天然气耗量的巨大差值。图 1 给出了利用远程燃煤 CHP 汽轮机余热供暖的典型 流程。天然气 CCHP 中的汽轮机余热供暖流