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余热回收在城市清洁能源供热规划中的应用李永红北京清华同衡规划设计研究院有限公司能源所2018.3目录1.城市清洁能源供热需求及发展2.基于吸收式换热的热电联产集中供热技术3.全热回收的天然气高效利用供热技术4.应用城市案例简介5.总结及建议北方城镇清洁采暖供热意义重大民生工程冬季清洁采暖是关乎百姓民生的大事节能减排某市区逐月污染等级分布冬季全国建筑能源消耗比例冬季采暖是大气污染主要来源之一，是北方城市治理大气污染的主要对象占全国建筑总能耗约40%，是建筑节能的重中之重技术发明背景国家高度重视清洁采暖工程实施党中央和国务院要求加快推进冬季清洁取暖工作财政部、环保部、住建部、国家能源局正部署2017年北方地区冬季清洁取暖试点城市天津、石家庄、唐山、保定、廊坊等12个城市技术发明背景供暖需求不能完全满足，大中城市普遍存在热源缺口城镇化速度快，热源建设相对滞后。城市冬季热电需求不匹配。供热系统各环节损失大。清洁热源比例低，管网和末端能效低清洁取暖成本高清洁燃煤、天然气、以及生物质等部分可再生能源的运行成本均高于普通燃煤供暖（例如天然气的燃料成本高出普通燃煤的3-5倍）。各类电热泵（如空气源热泵、地源热泵）、余废热、地热、太阳能的运行成本虽低于普通燃煤供暖但初投资过高，且能源来源不稳定。通过“节流”方式，减少供暖所需热量，也要针对建筑物、热力管网等进行改造，对供热企业运行调节也提出更高要求。清洁供暖面临问题北方城镇清洁供暖技术路线推进清洁热源建设和改造，提升清洁热源比例推行以超低排放燃煤热电联产为主的热源形式，充分利用机组的烟气和乏汽余热，“热电协同”运行提升火电灵活性充分挖掘城镇周边高耗能企业低品位余热，作为集中供暖热源的重要补充逐步淘汰小型供暖用燃煤锅炉跨区域热量输热管网建设对于城市周边集中供暖系统不可及的区域，宜气则气，宜电则电，提升能源利用效率鼓励条件适宜的地区采用可再生能源供暖各种热源方式的单位供热能耗北方供暖整体情况（2016）北方城镇采暖面积141亿平米热电联产集中供热是城市主要采暖方式，占到42%热电联产集中供热是北方采暖的主要方向热电联产能效最高北方城镇集中供热占76%左右热电联产能源利用效率高、污染物排放少技术发明背景北方城镇采暖组成比例燃气锅炉8%其他方式5%热电联产42%燃煤锅炉45%目录1.城市清洁能源供热需求及发展2.基于吸收式换热的热电联产集中供热技术3.全热回收的天然气高效利用供热技术4.应用城市案例简介5.总结及建议常规热电联产集中供热系统存在的问题热网输送能力的瓶颈热电厂尚有大量余热未被利用技术发明背景余热回收难点回收难:温度20-40℃输送难330MW153MW发明点1:基于吸收式换热的集中供热新工艺流程针对热力站和热电厂加热环节,提出大幅度降低一次网回水温度的吸收式换热和回收汽轮机乏汽余热的梯级加热方法突破常规换热的温差极限,一次网回水温度显著低于二次网温度(达到20℃以下）提高热网输送能力50%以上热网回水温度的降低同时也为回收电厂余热创造了有利条件充分利用一次网回水温度降低的有利条件汽轮机采暖抽汽驱动，回收乏汽余热，梯级加热热网水提高热电厂供热能力30%以上，降低供热能耗40%以上热力站热电厂设计原则基础技术元素：热网低温回水、提高机组背压、热泵技术1）保障电厂的发电水平，尽量利用发电后蒸汽（抽汽和乏汽）的供热能力2）在相同供热量的情况下，对发电的影响最小3）优化调整各机组的背压、抽凝比供热首站设计抽汽-水换热凝汽-水换热供水回水Method3热泵技术120℃~130℃15℃90℃~100℃Method1提高背压0.3~1.0MPa抽汽乏汽吸收式换热4~70kPaMethod2降低回水温度供热首站：余热供热系统回收机组乏汽余热，并利用蓄能系统增加电厂供热期发电上网负荷调节能力。供热首站蒸汽轮机凝结水发电机凝汽器热网回水～20℃热网供水125℃～热泵机组热网加热器疏水疏水抽汽蓄热装置乏汽凝结水吸收式换热机组热水型和补燃型吸收式换热机组热泵驱动源直接换热制冷段热量转换一次水二次水中继能源站：充分利用现状供热区域热水管网，由于承压耐温限制，利用原有小型热电厂用地、燃煤锅炉房、大型换热站用地改造为能源站，进一步降低回水温度至15～20℃，燃气调峰或用现状燃煤锅炉调峰，能源站内设大温差机组中继能源站建设供水温度95~120℃回水温度15℃大温差机组调峰热源供水温度120℃回水温度25~45℃燃煤或燃气热源长输管网侧一次管网侧能源站电力目录1.城市清洁能源供热需求及发展2.基于吸收式换热的热电联产集中供热技术3.全热回收的天然气高效利用供热技术4.应用城市案例简介5.总结及建议北方供暖方式天然气采暖方式占北方城镇供热面积8%是某些大城市的主要采暖方式，北京采暖用气量占总用气量的80%，用气量116亿m3天然气供热现状情况烟气余热未充分回收排烟温度高（露点50℃）水蒸汽含量大，带走热量多，相当于20亿m3，且形成冒白烟现象，影响城市景观技术发明背景全热回收的天然气高效供热方式烟气温度降低到20℃左右供热效率提高10%～40%天然气供热技术发明背景燃气锅炉余热回收新流程燃气热电冷联供新流程燃气电厂余热供热新流程传统的燃气蒸汽联合循环热电厂天然气供热技术发明背景解决了困扰燃气热电厂供热能力不足（热电比小）、燃气消耗量大的问题天然气供热目录1.城市清洁能源供热需求及发展2.基于吸收式换热的热电联产集中供热技术3.全热回收的天然气高效利用供热技术4.应用城市案例简介5.总结及建议采暖供热方式的比较全年当地大气污染物排放量供热成本（系统总初投资折算+运行费用）050100150200250废热电动热泵电采暖燃气锅炉燃气热电燃煤锅炉燃煤热电当地大气污染物（g/m2）PM10SO2NOx00181451392150注：天然气采暖3.15元/Nm3，标煤600元/tce，燃气热电厂天然气价2.3元/Nm3，供热成本为扣除发电收益后的折算（由于燃气热电厂投建的主要目的为供热，上网发电价格参照燃煤发电上网价格0.4元/kWh计算）。电采暖谷电价格0.292元/kWh，电热泵电价，居民电价0.467元/kWh，一般工商业电价0.676元/kWh020406080100120废热电动热泵电采暖燃气锅炉燃气热电燃煤锅炉燃煤热电供热成本（元/GJ）45～60103102402825～4081供热方式分析小结全面取代主城区内各种分散小锅炉；燃煤热电联产和大型锅炉房应避免设在主城区，特别是上风向，尽可能选择在城市远郊发展；燃气热电联产全年NOx排放量大，加之冬季气源保障和价格因素，在城市周边发展从环境影响、安全保障和经济性上并无优势；天然气锅炉成本过高，且冬季保障难度大，现阶段不宜大规模使用，适宜作为调峰热源。工业余热可实现无污染供热，具备规模后经济性尚好，应优先考虑。24参考比较对象由燃煤锅炉房变为燃气锅炉房供热半径通过降低热网回水温度，使电厂可以大幅度地利用乏汽余热，使余热占整个电厂输出热量的55%以上，从而显著降低了近一半的电厂供热成本;通过增大热网供回水温差，即热网供回水温度由传统的130/70℃变为130/～20℃，提高长距离供热管线的输送能力70%以上，使得长途管线能输送更多的热量，从而降低单位热量的投资折旧成本；通过采取调峰措施，使长途输送管网在整个供热期承担基本供热负荷，提高了该长输管网的利用率，进一步降低了长途管网的供热输送成本。长距离供热系统的技术思路供热规划方案总体思路•远郊常规热电联产+工业余热为主，其他清洁能源为补充，建立清洁、安全、稳定的供热系统–由远郊常规热电联产及工业余热承担基础负荷–热电联产通过大温差运行的长输管线向主城区大热网输配–工业余热就近供热，低温网低供低回–利用燃气承担尖峰负荷，大型热源厂作为备用安全保障基于吸收式换热的热电联产模式改造后的单台典型机组的供热功率、发电功率以及改造前后的热电比机型装机容量供热功率（MW）发电功率（MW）改造后热电比改造前热电比300MW燃煤机组49724721.5300MW燃煤纯凝改供热机组4662631.80.94600MW燃煤纯凝改供热机组8545231.60.71000MW燃煤纯凝改供热机组13008461.40.79F燃气机组(400MW)3503750.90.7热源供给侧热电比与需求侧热电比的不平衡引出的问题300MW燃煤机组热电比1.5~2左右（随着乏汽余热回收利用的程度增加）燃气蒸汽联合循环机组热电比1（随着烟气余热回收利用程度增加）城市供热面积（亿m2）热负荷（MW）最小电负荷（万kW）最大电负荷（万KW）最小热电需求比最大热电比哈尔滨1.939651993063.154.85长春2.2811401953003.805.85沈阳2.814002884433.164.86通辽0.452251201851.221.87乌鲁木齐1.788903194901.822.79呼和浩特1.36501031584.116.33银川14501632501.802.77兰州15002834351.151.77西安1.788013485361.492.30太原1.89002343602.503.85张家口0.844621251932.393.68北京8.53400102815822.153.31天津4.12185478012001.552.38保定0.974373124800.911.40唐山1.346071511000.420.64石家庄29203635581.652.54济南1.56753255001.352.08青岛1.67204236501.111.70烟台0.94054066240.651.00济宁0.562522604000.630.97淄博0.62702083200.841.30郑州1.25405278100.671.03热源供给侧热电比与需求侧热电比的不平衡引出的问题城市热电需求比热源供给侧热电比与需求侧热电比的不平衡引出的问题华北南方东北西藏台湾西北石家庄北京华中徐州无锡上海华东长沙荆州恩施×武汉长春哈尔滨沈阳郑州乌鲁木齐银川呼和浩特太原张家口天津保定烟台济南淄博济宁青岛西安兰州通辽新疆四川热电比小于1热电比1～2热电比2～3热电比3～4热电需求比城市分布工业比例高的城市热电需求比小唐山东北地区/山西等地产业结构调整，导致需求侧热电比大，导致出现窝电等电力过剩现象，若对热电联产机组限电，则出现供热不足现象热电联产供给侧热电比因煤改气变小，当电力负荷需求变小时，影响供热出力（北京），若要求增加供热，则热电机组发电出力大，会挤压风电上网空间需求侧热电比小时，电需求较大，东部城市受大气污染防治影响，限制建设燃煤发电厂，要求更多地从北部和西部输入电力热源供给侧热电比与需求侧热电比的不平衡引出的问题热电联产供热，热电需求比大于2热电联产机组承担基本热负荷，调峰锅炉承担尖峰热负荷，调峰锅炉的供热能力按最大热负荷的25%～40%考虑城市周边现役纯凝发电机组优先实施供热改造，并作热电协同改造开发各种低品味余热热源电力负荷需求偏小的城市，热力就近平衡，把电力送往热电需求比小的城市热电联产供热，热电需求比小提高热电联产集中供热覆盖率，增加热网敷设区域小燃煤锅炉的集中供热替代可以从外地输入电力，输入风电则要求热电联产电厂具备调峰能力，消纳风电回收利用乏汽余热通过长输热网向周边区域供热热源供给侧热电比与需求侧热电比的不平衡引出的问题太原供热规划2020年热源含调峰供热面积（万㎡）备注新太一电厂（4×350MW）3000旧址拆除，异地重建太二电厂（4×300MW）2700拆除四五期，新建七期，七期兼顾工业用汽古交电厂（2×300MW+4×600MW）7600新建三期2×600MW，新建向市区供热长输管线太钢3000含自备电厂及工艺余热嘉节燃气电厂（2×9F）1000现状瑞光电厂（2×300MW
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