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    热电联产应在我国清洁供热持续、健康发展中担当“主力军”
    发布时间:2018年01月09日 点击数: 【字体: 收藏 打印文章

    热电联产应在我国清洁供热持续、健康发展中担当“主力军”

     

     

    “清洁供热”, 是指通过消耗可再生的或非再生的 (天然气等) 及经洁净技术处理过的能源,如洁净煤、油等,在供热生产全生命周期中,不产生有害物质或尽量少产生污染排放的供热方式。

    近年来,随着雾霾治理标准不断提升,中央和地方各级政府在原有的能源政策、供热政策的基础上,又出台了一系列有关“清洁供热”的政策、管理办法和指导意见。全国能源、供热等行业的人士高度关注,各种观点层出不穷。

    有人说,清洁供热就是要优先选用地热、太阳能、生物质等可再生能源;有人说,应该全面禁止燃煤供热,用天然气才是清洁供热;有人说,丰富的地热资源,是我国未来清洁供热的主流方向;还有人说,电是最清洁的能源,使用方便又无污染排放。

    笔者从事供热30余年,认为以上观点有些以偏概全。供热工作作为一个城镇或区域能源基础设施的重要保障,既是一个系统工程,又是一个关乎民生、环保节能的社会问题。仅从某一个角度理解“清洁供热”,缺乏系统性、科学性。

    随着人民生活水平的提高,目前,全国冬季采暖面积不断增大。数据统计显示,全国综合能耗中建筑能耗占比30%,而采暖、空调能耗又占建筑能耗的60%~70%。可见,如果能控制好建筑供热用能,即可实现节能减排。

    而建筑用热有两个突出特点。一是供热能耗虽然大,但所需要的供热能源品位并不高。简单地说,能源分化石能源和非化石能源,同时按其产生的热能温度的高低又分为高品位能源和低品位能源。天然气、煤、油等都属于高品位能源,而一些太阳能或表层地热等都属于低品位能源。对于建筑采暖来说,把30摄氏度~60摄氏度的热水送到散热片或地板散热管里,就可满足室温20摄氏度的取暖需求。从这个角度说,那些低品位的可再生能源也是很好的选择。二是用热建筑的环境、条件和用途差异较大。比如,目前“三北”地区大中型城市或乡村,建筑密度、人口密度、冬季气候、建筑的节能保温情况不同,导致居民和公建的用热时长、特点也各不相同。

    一个城镇或区域,采取何种方式才能实现清洁供热,应当辩证分析、综合考虑,片面理解,不仅会使清洁供热难以持续发展,而且从长远来考虑,还会对当地的能源、生态资源带来一些不可逆转的负面影响。

    热电联产应该在我国清洁供热持续、健康发展中担当“主力军”

    热电联产是大规模实现能源转换技术中转换效率最高的一种科学的用能方式。煤炭、天然气都属于高品位的化石能源,燃烧时温度可达几百摄氏度至上千摄氏度。热电联产将高温热能用来发电,同时把余热用来供热取暖,实现了高品位能源的梯级利用;使用高品位能源来取暖,从能源品位的角度上说,是“大材小用”,远远不如热电联产来得“物尽其用”。

    北京是我国最早发展热电联产余热供热的城市。北京热力集团从1958年成立至今,集中供热面积已达2.5亿平方米,是全球较大的利用热电联产余热集中供热的企业。从“十五”到“十二五”期间,热电联产余热供热,对于北京这座2000多万人口密度的大都市来说,可谓功不可没。热电联产余热供热为北京百姓供热6.1亿GJ(10的九次方焦耳),这使得北京城区减少了6000多座锅炉房。

    不可否认,热电联产在发展中出现一些问题,为“热电联产过时论”提供了一些佐证。比如,一些地方以热电联产节能减排的名义上马发电机组,发电容量迅速攀升,却缺乏配套的热网,余热供热并未发挥出应有的作用;燃煤发电机组改为燃气后,由于热电比下降,使得同样的热量却要燃烧更多的燃料;还有一些地方为完成“上大压小”的目标,将一些小型热电厂关停,结果,退回到使用分散锅炉房为城镇供热的时代。“十二五”期间,北京市把城区的热电联产厂全部搬迁至郊外,形成了四大热电中心,并且全部改成了天然气。但近几年,由于电力需求减少,原来“以热定电”而建设的四大热电中心遇到了发展瓶颈。于是,有人对“热电联产”为城市提供集中供热的方式产生了质疑。

    事实上,上述问题既涉及到热电联产行业规范管理的问题,也涉及到热电联产行业进行技术创新以适应新形势的问题。

    近年来,国内外不断涌现的供热行业新技术已为这些问题提供了很好的解决思路。比如,吸收式热泵低温回水技术应用于山西省古交兴能燃煤热电厂余热利用中,为40公里以外的太原市提供清洁供热面积3000万平方米,占到该市供热面积的近1/4。再比如,山东聊城和邹平的两家企业,现有电厂机组在满足当地需求前提下,通过长输管线为济南供热。“外热入济”过程中主要问题是长距离输热的热能损耗,通过保温一体的直埋管道让热损耗降到最低。此外,在为济南市章丘区余热输送过程中,新设计的能源站、中继泵站类似中转站,把长输管网中的热水再度升温,然后输送到居民家中,使热量得到最大限度的利用。

    蓄热储热技术在热电联产的发展中也急需加以应用。在芬兰、丹麦等北欧国家,热电联产设有大型储热罐已经作为一种技术标准,在每一家电厂形成了标配。蓄热器将热负荷低谷时热源的部分供热量蓄存,在热负荷高峰时段与热源共同向热用户供热。蓄热器的投资远低于建设调峰热源,它可以最大限度地发挥热电联产以及最经济热源的优势,降低供热系统的运营成本,使热电厂与热力公司在经济与运行方面获得最大的收益。

    当前,我国热电联产在东北地区大中型城市的占有率已达60%,但纵观全国,所有的热电机组基本上都未配置储热蓄热罐。以北京为例,现有的四大热电中心年总供热能力约6000万GJ,竟无一例大型储热蓄热装置,从而使得当发电需求量受到限制时,对外网的供热量骤减。以高井电厂为例,电网调度负荷瞬变,会使供热出口温度在10分钟之内从110摄氏度降至75摄氏度。不仅影响供热质量,给整个管网安全也带来了隐患。

    蓄热储热装置在中国目前尚未大规模应用,其原因在于,蓄热罐用于热负荷低谷时段蓄存热量,而近年来,供热领域存在着新增供热量低于新增供热面积所需热量的问题。简单地说,就是供热处于供不应求的状态。近年来,国家提倡风电全额消纳,而热电联产机组“以热定电”运行所导致的调峰能力不足,导致“三北”电网大量放弃风能。随着我国供给侧结构性改革成效的显现,电力需求减缓,通过配置蓄热装置来提高机组调峰能力的消纳方案应当得到重视。

    除此以外,我国的热电联产主要使用的是燃煤或燃气,而在北欧多国,主要使用生物质热电、垃圾焚烧热电等,并且配备有一定规模的储热蓄热装置,作为调节手段。

    热电联产余热其实是工业余热的一部分。以钢铁、电解铝行业为例,生产过程中均会产生余热排放。过去,由于工业余热能量密度低,难以提取利用,大多排入大气,造成能源浪费和污染。近几年,随着各种热泵技术的成熟发展,回收工业余热已不是难以解决的问题。

    事实上,工业余热的优势在于温度品位适合向城市建筑供热。清洁供热首先应该考虑,将城市周边的各种工业余热回收利用。对余热视而不见,反而新建其他供热设施的做法,实际上是一种巨大的浪费。通过诸如吸收式热泵、长输管线或者蓄热方式将部分能源利用起来,变废为宝,使城市少建分散锅炉房,从而减少大量的能源消耗和污染排放。因此,热电联产等工业余热在清洁供热中,不应该被抛弃,反而会成为我国清洁供热可持续、健康发展的“主力军”。

    杜绝“一刀切”,因地制宜用好现有能源

    长期以来,我国主要能源依赖于煤炭。近年来,随着雾霾现象的加重,煤炭能源受到越来越多的诟病,很多人对煤炭的燃烧利用持反对意见,认为燃煤具有重污染属性,是空气污染的源头之一。各级地方也不断出台各种政策限制煤炭的使用,大力推广“煤改气”。

    然而,实际国情是“富煤、贫油、少气”,煤炭在全国化石能源资源总储量中占94.2%,石油、天然气合计占全国化石能源总资源量的比例不足6%。从眼前来说,很难找到一种储量更大、更清洁的能源取而代之。但是,为了减少不能充分燃煤造成的污染,我国陆续建设了几乎横跨半个中国的输油、输气管道,每年天然气进口总量达到600亿立方米,来缓解发展与污染治理不能同步之痛楚。

    欧美发达国家,例如美国和英国,其能源结构中天然气的比例分别高达30%和35%,采用燃气热电联产等方式取暖无可厚非。但是我国的能源结构以煤为主,煤的消费占能源总消费量的68%,而天然气仅占5%。因此,对于我国来说,优化能源利用的首要目标是清洁高效地利用煤炭。

    从技术层面看,中国目前煤炭行业的高效开采和清洁燃烧技术已走在了世界的前列。如中国煤炭工业协会选煤分会会长张绍强在ICPC(世界选煤大会)上表示:一方面,发电机组采用燃煤超低排放发电技术,烟尘的除尘效率已达99.8%~99.9%,接近“零”排放,烟气二氧化硫脱硫效率达95%以上、氮氧化物脱除效率达70%~80%,三氧化硫排放浓度可小于等于5毫克/标准立方米、汞及其化合物可以降低到3微克以下,而大气污染物排放的清洁化程度不亚于天然气发电的清洁化程度;另一方面,我国已经有不少高效高清洁化燃煤锅炉,如水煤浆锅炉、中小型煤粉型工业锅炉,再配套高效净化装置,完全能达到清洁化排放水平,进行改造和运行所增加的成本,也在可承受的范围,而运行操作的便捷性和治理后的大气污染物排放水平接近于天然气。更为重要的是,高效煤粉锅炉单位热值的燃料采购成本仅为天然气锅炉的1/3左右。近年在兰州、天津等地,高效环保煤粉锅炉作为国家推广的重点节能技术项目均有良好的示范案例,受到供热企业的关注。

    此外,天然气虽然相比煤炭是更清洁的化石能源,但也存在清洁燃烧的其他问题。主要是燃烧过程中会产生大量氮氧化物。环保部门公布的天然气锅炉运行情况检测资料显示,燃气工业锅炉运行中,氮氧化物排放浓度小于200毫克/立方米的只占35%,小于400毫克/立方米的占94%,大部分天然气锅炉氮氧化物排放浓度约为300毫克/立方米。

    除了氮氧化物排放,天然气燃烧还存在一个问题——水蒸气,俗称白雾。由于天然气主要成分为甲烷(CH4),每立方米天然气的密度为0.7174千克/立方米,燃烧后会产生约1.6公斤的水蒸气,大量的水蒸气进入大气环境,为氮氧化物转化为硝酸盐提供了良好条件,可能会加重污染。解决办法是烟气消白,采用各种热泵工艺,消耗电能,降低排烟温度。这进一步增加了能源消耗和电网供电压力,特别是白天用电高峰的供电压力。

    我们必须认识到,煤炭本身没有污染,有问题的是“直接燃烧、敞开排放”已经超过了环境容纳和自净修复的能力。与其高价购买我们缺乏的清洁能源,不如因地制宜,用好现有能源。比如,在可开采石油的沿海城市的辽宁省盘锦市,天然气资源相较于其他地区丰富,可采用“煤改气”供热,而地热资源丰富的吉林省长白山地区可采用热泵技术进行供热。

    作为世界第一人口大国和第二大经济体,我国的能源消费体量巨大。国家统计局发布的《2016年国民经济和社会发展统计公报》显示,2016年,我国全年能源消费总量43.6亿吨标准煤,其中煤炭消费量占能源消费总量的62%,水电、风电、核电、天然气等清洁能源消费量占能源消费总量的19.7%,合计8.6亿吨标煤。目前,我国居民生活能源消耗水平仅为美国的1/5左右,即便未来进行节能改造,大幅度提高能效,随着经济的发展,能源消费也不会大幅度减少,

    这是刚性需求,可再生能源全面替代煤炭的消费体量是很不现实的。

    以风电和太阳能为例,我国“三北”地区风电资源丰富,西北地区太阳能资源丰富,而东部地区经济发达,用电需求旺盛。二者的需求匹配需要克服距离的难题。即便是成本较低的水电,外送到用电负荷区域,用户的成本也会大幅攀升,更不用说每千瓦时0.5~1.0元的风电和光伏电。被业界视为绿色能源推动者的西班牙,曾对太阳能推出巨额补贴,后来受到经济危机影响,逐步削减补贴,最终导致相关行业从业人员损失惨重。巨额补贴不可持续的教训说明,并不是说只要是清洁能源就意味着可以“通行无阻”,就可以不计代价地发展。

    此外,水电、风电、光电、光热等稳定性、可靠性、可控性都比较差,很难满足电力消费的稳定性要求,需要大量煤电予以保障。

    不考虑新能源发电的远距离输送,回到清洁能源供热就地消纳,依然有大量的问题。针对常见的清洁能源供热方式有电采暖、天然气采暖炉、太阳能采暖、地源热泵、空气源热泵、污水源和水源热泵等。各种采暖方式都有各自的适用范围,以农村地区为例:电采暖系统,对电增容和经济要求高,适用于经济条件好、电力设施完善的新建、翻建农民住宅或建成年代近的既有农民住宅。

    天然气系统,受市政基础设施条件限制,对安全条件要求较高,适用于已经连通市政管道天然气的新建翻建农民住宅和既有农民住宅;或规划连通市政管道天然气的新建翻建、整村迁移的农民住宅。

    太阳能系统,对太阳能照射时数有要求,对农民住宅屋面结构稳固性要求高,适用于无设施和绿化遮挡、当地太阳能照射时数不少于4小时的农民住宅。

    地源热泵系统,对地质、经济条件要求高,适用于前期进行地质勘察可行性分析后的整村新建、翻建、迁建的农民住宅。

    空气源热泵系统,对经济条件、机组性能、室外环境、温度要求高,适用于靠近北京市城区平原区且独户采暖、经济条件好的农民住宅。

    污水源热泵和普通水源热泵,要求项目附近有污水处理厂、中水源或河道沟渠等,适用于各种水源丰富的住宅区域

    在城区人口密集区,上述新能源利用方式限制条件更多。以北京市海淀区大力推广的空气源热泵为例,其主要优点在于COP值(能效比)较高,输入1份电能能够获取3份甚至更多热能。缺点在于,空气源热泵系统受室外空气环境温度影响较大。在常规工况下,COP值约为3~4,但在室外温度低于零下5摄氏度时,机组转换效率会大幅下降;在零下10摄氏度时,空气源热泵系统主要依靠辅助电伴热系统,接近电采暖系统,节能效果下降明显。对于整栋楼宇供热而言,为应对极寒天气,就需要配置较高的电力容量且多台热泵聚集会形成冷岛,相互干扰,影响制热效果。此外,空气源热泵系统的初期投资较高,不适宜大范围推广。

    针对单个新能源技术路线无法满足个性化供热需求的问题,近年来,供热领域开始推广能源的互联互通,以解决新能源波动性和不稳定性问题。由于热泵和太阳能等新能源往往供热品位较低,如地源热泵和空气源热泵的供水温度多在45摄氏度,家用太阳能热水器出水温度多为50摄氏度~60摄氏度。白天太阳能资源丰富,可以多利用太阳能;夜间气温较低,谷电充足,可以开启热泵供热,供热初期热负荷小,太阳能收集的热量足够满足供热需求。站在多能互补、互联互通的角度,如果有市政管网,平时由可再生能源独立满足周边供热面积的需求;当存在多余热量的时候,可以向供热管网提供富裕的热量,从而节约燃气锅炉房用气量;当可再生能源系统供热量不足时,优先采用效率比较高的市政大网补充供热,就可以充分发挥新能源供热的作用,也不需要配置过多的辅助电加热设施,还可以节约供热管网的燃料消耗,是一种真正清洁的供热方式。

    供热作为一个系统性工程,从热源厂产生的高温热水,经过热力一次管线传输,送到热力站换热,再经二次管线送入热用户家中,最后由散热器将热量散发到室内,满足热用户的需求。不仅包含供热能源的开发利用,还应包括整个系统的全过程。

    因此,清洁供热的内涵不应当局限于清洁的能源来源,源头清洁了不意味着整个供热过程是清洁的,整个供热管线的高效传输、热力站的经济运行、用户建筑的节能保温和用热过程中的主动调节都是实现“清洁供热”的不可缺少的重要环节。

    受前苏联的供热经验影响,我国一次供热管网往往采用较高的供回水温度,管线长期处于高温区段运行,容易出现腐蚀泄漏现象。同时,较高的供回水温度导致散热损失较高,这是典型的不经济、不“绿色”的供热方式。

    热力站是承载一次管线和热用户的中转站。过去,由于老旧居民楼没有实施节能改造,热指标较大,楼宇设计不合理,容易出现水力失调和热力失调问题。设计单位对热力站的设计,往往本着“但求无过、不求节能”的心态,采用冗余设计,将换热面积增大,按照超过所需供热能力1倍以上的要求设计。在少数极寒天气里,此类设计的问题还不明显,但气温较高时,此类保守设计产生的问题就会凸显。由于设计参数过大,为保证设备正常运行,无法大幅度降低换热量以合理调节供热量,白白造成浪费。

    在用户侧,最常见的是不采用热计量的小区。高层居民由于热力失调,家中温度过热,直接采取窗户大开的方式主动散热;低层居民反而温度不达标,为尽量多获取热量,就私接串联多组散热器,导致整栋楼宇供热质量下降。老旧居民小区还存在由于产权不清,大量供热管网长期无人维护,“滴漏跑冒”严重的现象;更有一些老旧房屋,没有采取保温措施,采暖热负荷远高于设计标准。

    很多供热设备本身还存在水质问题。例如,水源热泵供热瓶颈是结垢和腐蚀的问题。水在系统内长期循环,容易沉积结垢,导致换热效果变差,还容易腐蚀换热设备。采用空气源热泵等新能源供热方式,供热温度较低,还容易导致细菌滋生。特别是许多中央热水和冷水设施,在水淤塞处,或水温长期保持在55摄氏度时,非常适宜军团菌大量繁殖。因此,要做好相关的维护工作。

    综上所述,我国的清洁供热首先要符合国情,一个城市、乡镇或区域,选择何种供热方式应该因地制宜。“因地制宜”地进行清洁供热关键在于“宜”字,是否“宜”,不能只看用热建筑单体本身,还应站在所属区域的全局来衡量。

    主要应考虑三方面因素:一是结合所处区域的能源结构现状,关注能源品位的梯级利用;二是要考虑所处区域的地理环境特点,分析当地是否具有地热、太阳能等可再生能源的潜力;三是要分析所处区域的用热规模和热负荷的大小,从源、网、站、热用户通盘考虑,确保供热全流程的清洁、高效。

    一般来说,大中型城市宜以热电联产集中供热为主,如果新开发的居民小区就在城镇已有的电厂余热集中的供热管网旁边,小区住户却安装燃气壁挂炉取暖,氮氧化物排放浓度很难控制,这不能称为科学的清洁供热;如果当地有大量发电余热或其他工业余热,白白排掉,反而投资地热、太阳能或电供热,从全局性上讲,这也不是科学的清洁供热。

    中小型城镇或区域没有工业余热资源条件的,宜考虑独立区域锅炉供热。但是不论烧煤还是烧天然气都得严格执行排放标准。

    地热、太阳能等可再生能源则适合更小一些区域或独立建筑的供热。但是如果地源热仅用于冬季取暖,没有考虑地表水的回灌或不同时采用夏季制冷利用,使土壤冷热平衡,那么,地热能源也会受到破坏,这种清洁供热模式从长远来说,未必具有可持续性。

    农村地区则更适合以电作为驱动能源的空气源热泵、燃烧生物质沼气或结合太阳能等供热。但“火电”作为一种由化石能源转换而来的高品位的二次能源,原则上是不应该直接用于供热的,除非在上述各种能源条件均不具备的特殊地区。

    近年来,国家出台电力改革相关政策,为风电的远距离大客户直供开拓了良好的发展空间,风电加蓄热,才是利用电能提供热能的真谛。

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