付林，李永紅

（清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心，北京100084）

0 引言

為減少大氣霧霾，實現(xiàn)清潔采暖，長期以來各地紛紛進(jìn)行“煤改氣”或“煤改電”，但推廣困難?！懊焊臍狻惫岢杀靖咔掖嬖跉庠窗踩Ｕ系葐栴}；“煤改電”采用電鍋爐方式，能源利用效率低且供熱成本高昂，而采用電熱泵（如地源熱泵、水源熱泵等）方式則受低溫?zé)嵩促Y源條件和成本限制，目前規(guī)模仍然相對較小。截至2016年，我國北方城鎮(zhèn)供暖中燃煤熱源占比仍然高達(dá)近80%，而天然氣熱源占比僅約15%，電熱泵等其他形式熱源占比為5%［1］，因此，需要提出一個可持續(xù)發(fā)展的、適應(yīng)未來中國低碳轉(zhuǎn)型的清潔供熱方案。

現(xiàn)階段，我國電廠余熱具有很大的回收利用潛力，對于大型燃煤熱電廠，乏汽余熱和煙氣余熱分別為現(xiàn)有供熱能力的30%～40%和15%，這些余熱占燃煤熱電廠總熱量的50%以上且未得到利用［2-3］。北方地區(qū)多數(shù)火力發(fā)電廠仍然是純凝電廠，由于距離城市較遠(yuǎn)，未實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。目前，我國北方地區(qū)各省、市、自治區(qū)300 MW 以上火電機(jī)組的裝機(jī)容量為500 GW，若將乏汽和煙氣余熱回收，可滿足120 億㎡以上供熱面積的采暖，而目前我國北方城鎮(zhèn)供暖面積約為150 億㎡，電廠余熱完全可作為北方供暖的主力熱源。

電廠余熱利用的難點(diǎn)在于：電廠往往遠(yuǎn)離城市，余熱輸送困難；余熱品位低，回收成本高。解決該困難的關(guān)鍵是降低熱網(wǎng)回水溫度：一方面回水溫度降低會提高熱網(wǎng)輸送能力，降低余熱輸送成本；另一方面，低回水溫度還可以為回收低品位余熱創(chuàng)造有利條件。為此，本文給出了以低回水溫度為特征的大溫差長輸供熱模式，使大規(guī)模利用電廠余熱的清潔供熱方式經(jīng)濟(jì)可行。

1 構(gòu)建大溫差長輸供熱模式

1.1 熱網(wǎng)的大溫差實現(xiàn)

我國城市集中熱網(wǎng)目前主要為燃煤熱電廠或鍋爐房熱源供熱，以兩級的間供網(wǎng)為主，一級網(wǎng)供/回水溫度一般為120/50 ℃，考慮建筑采暖末端水力平衡、供熱安全等方面，熱力站后的二級網(wǎng)一般小溫差運(yùn)行，供/回水溫度為60/45 ℃。目前，歐洲正在積極推廣第4 代供熱技術(shù)，其核心是發(fā)展低溫供熱方式，以余熱和可再生能源利用為主［4-6］。歐洲熱網(wǎng)規(guī)模不大，供、回水溫度都較低，供回水溫差較小，而我國的余熱熱源規(guī)模更大，距離城市較遠(yuǎn)，需要發(fā)展大溫差供熱模式。

大溫差供熱模式是建設(shè)長輸熱網(wǎng)、城市熱網(wǎng)、庭院管網(wǎng)組成的三級熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)，逐級降低回水溫度，回收低品位余熱。長距離供熱熱網(wǎng)（零級熱網(wǎng)）溫差大（供/回水溫度為120/10～20 ℃），通過調(diào)峰熱源驅(qū)動熱泵，熱網(wǎng)回水溫度最低可降至10 ℃，提高了長輸熱網(wǎng)的輸配能力。城市熱網(wǎng)（一級熱網(wǎng)）為低熱網(wǎng)供/回水溫度（60～90/30 ℃），便于接入城市熱網(wǎng)附近的各種低品位余熱。庭院熱網(wǎng)（二級熱網(wǎng)）溫差小（供/回水溫度為50/40 ℃），避免因水力失調(diào)而造成熱損失，如圖1所示。

圖1 多源互補(bǔ)的熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Multi-source complementary heat-supply network structure

對應(yīng)三級熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)，常規(guī)的換熱站變?yōu)橹欣^能源站、分布式能源站或樓宇能源站梯級降低熱網(wǎng)回水溫度的方式，如圖2 所示。為了降低一級網(wǎng)和二級網(wǎng)傳熱造成的不可逆損失，進(jìn)一步提高熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)的能源利用效率，清華大學(xué)發(fā)明了基于吸收式換熱的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱新技術(shù)［7］：在不改變二級網(wǎng)供、回水溫度的前提下，以一、二級熱網(wǎng)之間溫差傳熱所形成的有用能為驅(qū)動力，大幅度降低一次網(wǎng)回水溫度（顯著低于二次網(wǎng)溫度）。吸收式換熱機(jī)組主要由熱水型吸收式熱泵和水-水換熱器組成，一次網(wǎng)高溫供水首先作為驅(qū)動能源進(jìn)入吸收式熱泵發(fā)生器中加熱濃縮溶液，然后進(jìn)入水-水換熱器直接加熱二次網(wǎng)熱水，最后再返回吸收式熱泵作為低位熱源，在其蒸發(fā)器中降溫后返回一級網(wǎng)回水管；二級網(wǎng)回水分為2路進(jìn)入機(jī)組，一路進(jìn)入吸收式熱泵的吸收器和冷凝器中吸收熱量，另一路進(jìn)入水-水換熱器與一級網(wǎng)熱水進(jìn)行換熱，2 路熱水匯合后送往熱用戶。能源站的調(diào)峰還可與降低回水溫度相結(jié)合，充分利用調(diào)峰熱源的高品位做功能力進(jìn)一步降低回水溫度。中繼能源站是利用天然氣、蒸汽、電能等能源，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離熱網(wǎng)大溫差與城市熱網(wǎng)小溫差之間的傳熱，集中降低回水溫度，利用現(xiàn)有熱網(wǎng)條件用長輸余熱熱源替代燃煤鍋爐等低能效高污染熱源。分布式能源站是用吸收式換熱器代替常規(guī)的熱力站板式換熱器來降低回水溫度。為了解決運(yùn)輸與安裝問題，可采用分體式、模塊化機(jī)組和小容量樓宇吸收式換熱機(jī)組，實際項目中，在不影響二級熱網(wǎng)供熱參數(shù)的情況下，一級熱網(wǎng)回水溫度可達(dá)20～30 ℃，如圖3 所示。以某地的熱網(wǎng)大溫差改造為例，熱力站進(jìn)行吸收式換熱器替代常規(guī)板式換熱器改造，大約增加15 元/m2的投資，一級熱網(wǎng)設(shè)計供/回水溫度為125/25 ℃，單位耗熱量按0.35 GJ/m2計，原熱價為27 元/GJ，由于50%以上的熱量為低品位余熱，熱價可降為15 元/GJ，3.5 a 即可收回改造投資；同時，實現(xiàn)熱網(wǎng)大溫差輸送還可減少管線投資和熱網(wǎng)泵耗；此外，開發(fā)低溫采暖方式、建設(shè)保溫性能好的低能耗建筑、增加采暖末端傳熱面積等降低回水溫度的措施也很重要。

圖2 三級網(wǎng)換熱站的變革Fig.2 Transformation of heating substations with three heating sections

圖3 分布式能源站吸收式換熱器形式及工程應(yīng)用效果Fig.3 Types of absorption heat exchangers and their performances in engineering cases

電廠乏汽余熱的最大化利用是解決北方城市熱源不足問題、降低城市空氣污染、替代城市中小型燃煤鍋爐房的有效途徑［8-9］。在低熱網(wǎng)回水溫度條件下，采用汽輪機(jī)多級串聯(lián)供熱方式，凝汽器串聯(lián)，背壓梯級升高，盡可能減小各加熱環(huán)節(jié)的不可逆損失，降低供熱能耗，逐級加熱至120 ℃，如圖4所示。與傳統(tǒng)加熱工藝相比，多級加熱工藝可顯著降低熱源側(cè)的平均溫度，使不可逆加熱損失較小，如圖5 所示。目前，西山煤電古交電廠的6 臺機(jī)組已按此多級串聯(lián)供熱方式向太原市區(qū)供熱。

圖4 電廠余熱回收流程Fig.4 Waste heat recovery process of a power plant

圖5 電廠梯級加熱余熱回收流程的t-Q圖Fig.5 t-Q diagram for the waste heat recovery process with cascade heating in a power plant

1.2 長途輸送熱網(wǎng)

遠(yuǎn)離城市的大型純凝火力發(fā)電機(jī)組和沿海核電廠余熱量巨大，通過長途輸送可成為未來城鎮(zhèn)新增供熱和低碳替代的主力熱源。采用大溫差、大管徑以及多級泵等技術(shù)進(jìn)行長輸供熱，可保障大規(guī)模利用余熱進(jìn)行供熱的經(jīng)濟(jì)性。

長輸供熱應(yīng)網(wǎng)源一體化考慮，降低熱網(wǎng)回水溫度不僅可以增大供回水溫差、提高管線的熱量輸送能力，還可以利用低溫?zé)峋W(wǎng)回水回收工業(yè)余熱和電廠余熱，提高熱源的供熱能力和能源利用效率，從而降低輸熱成本和電廠供熱成本。通過采取多熱源聯(lián)網(wǎng)或燃?xì)夥植际秸{(diào)峰措施，使長途輸送管網(wǎng)在整個供熱期承擔(dān)基本供熱負(fù)荷，可進(jìn)一步降低長輸熱網(wǎng)的輸熱成本，同時增加城市供熱系統(tǒng)的安全性。對于熱電聯(lián)產(chǎn)供熱潛力不足的城市，還可以考慮跨區(qū)域的長途輸熱。在考慮投資折舊及運(yùn)行成本的情況下，以大溫差和余熱回收為主要特征的長輸供熱系統(tǒng)換熱與輸送關(guān)鍵技術(shù)體系，保證了長輸供熱系統(tǒng)的低能耗和經(jīng)濟(jì)可行性。

以DN 1 400 管線為例（如圖6 所示，按熱電廠上網(wǎng)電價為0.42 元/（kW·h）、中繼泵站用電價格為0.65 元/（kW·h）、標(biāo)準(zhǔn)煤價格為700 元/t、燃?xì)鈨r格為2.68 元/m3計），與燃煤鍋爐相比，長輸熱網(wǎng)經(jīng)濟(jì)供熱半徑達(dá)80 km（燃煤鍋爐供熱成本按45.0 元/GJ計），與燃?xì)忮仩t相比，長輸熱網(wǎng)經(jīng)濟(jì)供熱半徑達(dá)240 km（燃?xì)忮仩t供熱成本按87.5 元/GJ計）。

圖6 大溫差供熱成本與輸送距離的關(guān)系Fig.6 Relationship between heating cost and transportation distance with large temperature difference

在確定長輸管線的經(jīng)濟(jì)流速和經(jīng)濟(jì)保溫后，對輸送成本進(jìn)行簡單估算，如圖7 所示。由圖7 可見，管徑越大，管道的輸送能力越強(qiáng)，輸送成本越低。對于目前廣泛使用的DN 1 400 管道，如果采用大溫差技術(shù)，供回水溫差達(dá)到100 ℃，則輸送10 km 的成本約為2.6 元/GJ，具有非常好的經(jīng)濟(jì)性。

圖7 不同管徑的最小輸熱成本及其構(gòu)成Fig.7 Minimum heat transportation cost and its composition under different pipe diameters

為了保證長輸管道的經(jīng)濟(jì)性，還需要盡量減小局部散熱損失。例如直埋管道中所用的閥門可以在工廠預(yù)制保溫，一次性補(bǔ)償器可采用補(bǔ)償器專用熱熔套現(xiàn)場發(fā)泡保溫等；而對于架空管道，更要嚴(yán)格控制長輸管道的散熱損失，可采用鋼板外護(hù)聚氨酯預(yù)制保溫管、預(yù)裝配分體式絕熱支座、隔熱管道用膨脹節(jié)、預(yù)制保溫固定節(jié)等成套技術(shù)減少熱損。

長輸管道系統(tǒng)在設(shè)計和建設(shè)過程中要進(jìn)行動態(tài)水力分析，尤其是多級泵系統(tǒng)［10］，需要充分考慮事故狀態(tài)的動態(tài)安全性，包括事故動態(tài)過程中管內(nèi)超壓、負(fù)壓和汽化問題，以及水擊波傳播過程中彎頭、固定支架、法蘭和補(bǔ)償器等的應(yīng)力動荷載問題。

2016 年太原市建成了我國首個大溫差長距離余熱供暖示范工程，回收西山煤電古交電廠的余熱并通過40 km 長輸熱網(wǎng)輸送至太原市，為全市40%的建筑供暖，供熱規(guī)模達(dá)7 600 萬㎡。該工程總投資67 億元，單位供熱面積投資不到100 元，綜合供熱成本僅為36 元/GJ［1］，低于現(xiàn)有燃煤鍋爐供熱成本，不到天然氣鍋爐供熱成本的一半，而污染物排放也不到天然氣鍋爐的20%（根據(jù)與同發(fā)電量的超超臨界電廠燃煤消耗量之差計算）。因此，利用電廠余熱取暖方式在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和能效上都比燃煤、天然氣鍋爐有明顯優(yōu)勢。

近年來，石家莊、銀川、濟(jì)南、呼和浩特、西安、烏魯木齊、青島、大同及晉城等多個城市啟動了大溫差長輸供熱，供熱面積超過10 億㎡。

2 基于電廠余熱利用的北方城鎮(zhèn)清潔供熱方案

以我國北方地區(qū)城鎮(zhèn)未來供熱面積達(dá)200 億㎡的發(fā)展規(guī)?？紤]，以利用電廠余熱的長輸供熱模式為基礎(chǔ)，清潔供熱方式規(guī)劃思路如下。

（1）根據(jù)現(xiàn)階段余熱資源總量及分布情況，在大型熱電聯(lián)產(chǎn)熱源基礎(chǔ)上，充分回收利用電廠余熱及其他工業(yè)余熱，承擔(dān)北方城鎮(zhèn)140 億㎡的建筑供熱，其中電廠余熱承擔(dān)120 億㎡，其他工業(yè)余熱承擔(dān)20 億㎡。需要指出的是，這些回收余熱的電廠，近期主要是現(xiàn)有大型火力發(fā)電廠，未來隨著化石能源的減少，核電余熱將在部分地區(qū)逐步替代火力發(fā)電廠余熱成為主要的集中供熱熱源。

（2）在余熱熱源離城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)且周邊沒有其他供熱資源的地區(qū)（包括內(nèi)蒙古、東三省、新疆等地區(qū)的部分城市），新建生物質(zhì)、燃?xì)?、城市垃圾焚燒等熱電?lián)產(chǎn)熱源，這種供熱方式可發(fā)展約20 億㎡。

（3）在熱網(wǎng)難以覆蓋的少數(shù)地區(qū)，共計40 億㎡建筑，可考慮分散清潔供熱方式，包括以下幾種。

1）各類熱泵，供熱規(guī)模為19 億㎡，其中：擁有中深層地?zé)豳Y源的地區(qū)可采用中深層地源熱泵，加上具備冬夏熱平衡條件的淺層地源熱泵，這些地源熱泵的供熱面積可發(fā)展約10 億㎡；城市污（中）水源熱泵和江河湖海等地表水源熱泵，供熱面積可發(fā)展2億㎡；利用噴氣增焓、雙級壓縮等技術(shù)可保證空氣源熱泵在室外氣溫降至-20 ℃時仍可以工作，根據(jù)氣溫條件發(fā)展空氣源熱泵，供熱規(guī)?？蛇_(dá)7 億㎡。

2）小型燃?xì)夤岱绞剑ㄈ細(xì)忮仩t、燃?xì)獗趻鞝t等，承擔(dān)其余20 億㎡城鎮(zhèn)供熱面積。

3）發(fā)展與太陽能結(jié)合的清潔供熱1 億㎡。

按照以上供熱模式，通過進(jìn)一步大力發(fā)展城市熱網(wǎng)建設(shè)，我國北方城鎮(zhèn)80%以上的民用建筑完全有條件依靠城市熱網(wǎng)實現(xiàn)高效可靠供熱。對于剩余20%無條件接入城市熱網(wǎng)的建筑，可以采取電熱泵以及分散的燃?xì)獠膳确绞浇鉀Q采暖問題。根據(jù)以上原則規(guī)劃北方各省、直轄市、自治區(qū)不同供熱方式構(gòu)成（見表1），各供熱方式占比如圖8所示。

表1 北方各省、直轄市、自治區(qū)供熱方式構(gòu)成Tab.1 Heating method composition of provinces，municipalities and autonomous regions in Northern China %

圖8 各供熱方式占比（規(guī)劃方案）Fig.8 Proportion of different heating modes（the planning scheme）

若發(fā)展以煤改氣和煤改電為主的供熱方式，按照200 億㎡的供熱規(guī)模，參考方案的各供熱方式占比如圖9所示。

圖9 各供熱方式占比（參考方案）Fig.9 Proportion of different heating modes（the reference scheme）

未來按城鎮(zhèn)采暖建筑均達(dá)到節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)并實現(xiàn)了按需供熱，平均年需熱量可控制在0.25 GJ/m2左右。北方城鎮(zhèn)建筑采暖季總需熱量為50 億GJ。表2 給出了2 個方案的能耗對比，回收電廠余熱的能耗按影響電廠發(fā)電量折算，回收工業(yè)余熱的能耗按提取相關(guān)行業(yè)低品位余熱用于采暖折算耗電量，規(guī)劃方案總供熱能耗約為0.9 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤。規(guī)劃方案供熱系統(tǒng)平均標(biāo)準(zhǔn)煤耗約為4.5 kg/㎡，僅為目前北方地區(qū)供暖能耗的1/3。參考方案熱電廠供熱影響的發(fā)電量和回收工業(yè)余熱所需的電量約為1 200億kW·h；熱網(wǎng)輸送水泵電耗約為380 億kW·h；各類電熱泵及電鍋爐電耗約為1 330 億kW·h；燃?xì)忮仩t及燃?xì)獗趻鞝t耗氣量約為460 億m3；燃煤鍋爐耗煤量約為2 300 萬t標(biāo)準(zhǔn)煤：以上各項折合總供熱能耗約為1.68 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤。規(guī)劃方案與參考方案相比，供熱能耗降低約7 770 萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)能約50%。

表2 規(guī)劃方案和參考方案能耗對比Tab.2 Comparison of energy consumption between the planning scheme and the reference scheme

規(guī)劃方案與參考方案的污染物排放如圖10 所示。規(guī)劃方案將純凝火電廠改造為熱電廠并回收其余熱供熱。改造前后電廠的燃煤量沒有增加，因此不增加污染物排放。規(guī)劃方案的污染物排放主要來自燃?xì)忮仩t以及生物質(zhì)燃料鍋爐。規(guī)劃方案的污染物總排放量約為57 000 t，總污染物排放量僅為參考方案的20%。規(guī)劃方案折算二氧化碳排放量為2.3 億t，比參考方案減少碳排放2.0 億t。

參考方案需要新建較多的燃?xì)鉄犭姀S和蓄熱式電鍋爐，規(guī)劃方案總投資與參考方案相當(dāng)，但由于規(guī)劃方案以回收電廠余熱和工業(yè)余熱作為主要供熱方式，因此綜合供熱成本比參考方案低25%，如圖11 所示（按標(biāo)準(zhǔn)煤價格為700 元/t、燃?xì)鈨r格為3 元/m3、熱泵耗電0.50 元/（kW·h）、影響電廠發(fā)電0.38 元/（kW·h）計）。

圖10 規(guī)劃方案與參考方案污染物排放對比Fig.10 Comparison of pollutant emission between the planning scheme and the reference scheme

圖11 規(guī)劃方案與參考方案綜合供熱成本對比Fig.11 Comparison of comprehensive heating cost between the planning scheme and the reference scheme

3 結(jié)論及建議

我國電廠余熱資源豐富，可滿足北方城鎮(zhèn)供熱需求，但距離熱負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，本文提出了大溫差長輸供熱模式，大幅提高熱網(wǎng)輸送能力并顯著降低回收余熱成本，使利用電廠余熱向遠(yuǎn)距離城市供熱成為可能。由于長輸供熱投資大且涉及多方，建議國家進(jìn)一步明確電廠余熱是我國北方城鎮(zhèn)清潔供熱主力熱源的地位并出臺相應(yīng)的政策和措施，鼓勵這一清潔高效供熱模式的發(fā)展，具體建議如下。

（1）國家從能源革命層面出發(fā)，組織多部門對能源系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)行綜合充分論證，在此基礎(chǔ)上，明確電廠余熱在北方城鎮(zhèn)清潔供熱的主導(dǎo)地位，明確北方5 億kW 的核電、煤電和氣電將是未來的主力電源或調(diào)峰電源，不會關(guān)閉，為熱電聯(lián)產(chǎn)改造和投資大容量長距離輸熱管網(wǎng)吃“定心丸”。

（2）國家和各省市對電廠余熱取暖進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，實現(xiàn)余熱資源優(yōu)化配置，解決各地區(qū)之間常見的資源壟斷或通過各種制約條件阻礙余熱資源開發(fā)利用的問題。

（3）突破《熱電聯(lián)產(chǎn)管理辦法》等文件關(guān)于供熱半徑20 km 的限制，根據(jù)項目的經(jīng)濟(jì)可行性，利用更遠(yuǎn)距離的電廠余熱全面替代城市燃煤和燃?xì)鉄嵩?，市區(qū)僅建設(shè)或保留少量天然氣調(diào)峰熱源，逐步實現(xiàn)北方城鎮(zhèn)供熱無煤化。