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產業報告2020丨地區篇:一、北方嚴寒地區城市清潔供熱規劃與方案選擇

發布者:CHIC | 日期:2021-08-16 | 來源:CHIC | 閱讀:163

第四篇 地區篇

清潔供暖本質上是在滿足建筑物內冷暖舒適的條件下消耗最少的化石能源、排放最少的污染物,這就要求從建筑物用熱末端、集中供熱管網和供暖熱源等環節分別努力:通過選擇高效清潔熱源,通過建筑保溫降低對熱量的需求,通過高效和智能的輸配系統降低輸配過程損失和過量供熱損失,最終實現清潔取暖。我國北方地域遼闊,緯度覆蓋范圍大,不同地區的氣候特征以及當地資源稟賦的差異,決定各地區清潔供熱路線的不同。

從地理位置上看,“秦嶺-淮河線”劃分了傳統意義上的北方地區和南方地區,也一直以來作為是否采用集中供熱的判斷依據。隨著人們生活水平的提高,各地對冬季供暖的需求不斷增長,以往沒有供暖的夏熱冬冷地區也表達了對供熱的強烈期望。在“清潔供熱”要求下,各地供熱環保壓力劇增。由于各地資源稟賦和供需關系存在較大差異,應該采取何種方式供暖,未來規劃的清潔供熱技術如何,都需結合地區特點確定。

城市、小城鎮和農村在供熱熱源、管網敷設、居民可承受能力上有較大的差別。城市供熱系統的能效提升主要是集中供熱管網和用戶的熱效率提升,而農村供熱應強調因地制宜,用戶易操作、可接受,因此在清潔供熱模式上有較大差異。根據《民用建筑熱工設計規范》GB50176中的相關規定,將北方地區劃分為寒冷和嚴寒地區,寒冷地區冬季寒冷,2000≤HDD18<3800,嚴寒地區冬季時間長,氣候異常寒冷,HDD18≥3800。因此可以按照地域位置將城市供熱分為北方嚴寒地區、中部寒冷地區和夏熱冬冷地區(見表4-1)。

表4-1 清潔供熱地區劃分

一、北方嚴寒地區城市清潔供熱規劃與方案選擇

1. 嚴寒地區清潔供熱一般概述

典型的嚴寒地區,即泛東北區域。從地理位置上看,泛東北區域包括東北三省及蒙東地區的通遼市、興安盟和呼倫貝爾市。該區域冬季氣候寒冷且漫長,集中供熱時長除南部遼寧省為5個月外,普遍都長于6個月,最北部呼倫貝爾地區供熱時長甚至達到8個月。

表4-2 北方嚴寒地區各省省會城市耗熱量指標與實際值

泛東北區域主要是傳統供熱模式,熱電聯產與鍋爐房作為主要熱源。隨著清潔供熱工程的實施,大量鍋爐房被拆除。在熱負荷逐年穩步增長的情況下,諸多地區出現熱源不足的情形。尋找清潔高效的熱源,平穩渡過熱源的替代階段成為了該區域內清潔供熱的主題。

2017年,該區域內實際供熱城市中燃煤鍋爐占比60%,城鎮中鍋爐占比84%,熱源形式較為單一。從裝機容量上看,該區域內熱電聯產總供熱能力為92GW,占城市與城鎮的總供熱負荷峰值的68%。

圖4-1 東北區域清潔取暖資源供熱潛力與城鎮需求對比(單位:GW)

對于其他清潔熱源形式,遼寧省是傳統工業大省,工業余熱資源豐富;而吉林和黑龍江地區以種植業、林業和畜牧業為主。在豐富的農業資源的基礎上,東北地區整體生物質資源較為豐富,除農民自用后仍可以滿足城市的供熱需求。根據該區域內工業產品產量和農作物產量,估計工業余熱資源15GW,生物質資源61.8GW。

綜合熱電聯產、生物質資源和工業余熱三類清潔熱源,即可滿足目前該區域內所有供熱負荷,城市污水與生活垃圾占比較小,可以集中處理作為城市熱源的補充??傮w上看,該地區的清潔供熱首先應該充分發揮現有熱電廠供熱能力,推廣熱電廠乏汽余熱回收,增加電廠供熱能力。同時,因地制宜,盡可能開發生物質資源,用生物質鍋爐代替現有的燃煤鍋爐供熱,并在工業余熱豐富的大型工廠附近考慮采用工業余熱供暖。

暫不考慮生物質資源在城鎮間的運輸。計算到東北區域整體供熱結構,并與現狀進行對比,由圖4-2可以看出,大城市與小城鎮有很大的差異。大城市中擁有熱電聯產資源和工業余熱資源的相對較多,通過中低溫余熱可以顯著提升供熱能力,生物質補熱僅占20%左右。而小城鎮中現狀大多以燃煤鍋爐為主,規劃后生物質供熱量提高到占近60%,可以使燃煤鍋爐用量大幅度降低。

圖4-2 東北區域熱源結構對比


2. 呼和浩特供熱規劃與運行

呼和浩特市地處內蒙古自治區的中部,東、北與烏蘭察布市相連,西與包頭市接壤,南與鄂爾多斯市和山西省相鄰。呼和浩特屬中溫帶大陸性季風氣候,四季氣候變化明顯,冬季漫長嚴寒,夏季短暫炎熱。呼市中心城區含玉泉區、新城區、回民區、賽罕區和兩個國家級經濟開發區(金川開發區、如意開發區)。

2019年,呼和浩特全市常住人口為313.68萬人,其中城鎮人口為220.99萬人,城市建設用地260平方公里。規劃遠期2020年,呼和浩特中心城區建設用地規??刂圃?10平方公里以內,城鎮人口達258萬人。

(1)熱源現狀與供熱格局。

截至2017年底,呼市總供熱面積為14417萬平方米,其中熱電聯產供熱面積5493萬平方米,占總供熱面積的38.1%;燃煤鍋爐供熱面積5668萬平方米,占總供熱面積的39.3%;天然氣鍋爐供熱面積3186萬平方米,占總供熱面積的22.1%;電供熱等清潔能源供熱面積70萬平方米,占總供熱面積的0.5%(如圖4-3所示)。

圖4-3  呼和浩特市2017年底供熱面積

呼市有熱電廠4座、大型熱源廠5座、燃煤區域鍋爐房55座、燃氣鍋爐房772座及少量熱泵機組、壁掛爐、電供熱等。

1)熱電聯產。呼和浩特市的熱電廠4座,分別是呼和浩特市電廠、金橋熱電廠、金山熱電廠、京能盛樂熱電廠。

呼和浩特市電廠位于市區西部,現裝機容量為2×200MW+2×350MW熱電機組,截至2017年底供熱面積達到1793萬平方米;金橋熱電廠位于金橋經濟技術開發區南部,現裝機容量為2×300MW熱電機組,截至2017年底供熱面積為1650萬平方米;金山熱電廠位于呼和浩特市西部金山開發區境內,現裝機容量為2×300MW熱電機組,截至2017年底供熱面積約1100萬平方米;京能盛樂熱電廠位于呼和浩特市南約26km的和林格爾縣,現裝機容量為2×350MW熱電機組通過長輸管道至城發公司辛家營熱源廠,已于2017年下半年與辛家營熱源廠完成并網正式投運,目前供熱面積950萬平方米。

表4-3 呼和浩特城區供熱現有熱電廠(截至2017年底)

圖4-4  呼市現有熱電廠供熱區域

2)燃煤鍋爐房。截至2017年,呼市有55座燃煤鍋爐房,供熱面積5668萬平方米。單臺裝機全部在40蒸噸/小時的鍋爐房18座67臺,供熱面積4197萬平方米;單臺裝機在20~40噸的燃煤鍋爐房有19座54臺,供熱面積1057萬平方米;單臺裝機全部在20噸及以下的燃煤鍋爐房有18座,36臺,供熱面積為414萬平方米。大型熱源廠5座,分別為三合村、橋靠、辛家營、巴彥、光明熱源廠。其中辛家營熱源廠供應區域于2017年底被盛樂熱電廠長輸供熱取代。

表4-4 呼和浩特城區大型燃煤熱源廠


圖4-5 呼和浩特城區現狀大型燃煤熱源廠分布圖

圖4-6 呼和浩特城區現狀分散燃煤鍋爐房分布圖

3)燃氣供熱。截至2019年,呼市天然氣供熱面積為3186萬平方米,占總供熱面積的22.1%,其中政府主導的“煤改氣”天然氣供熱鍋爐房153座,供熱面積1275萬平方米;商業自建天然氣供熱鍋爐房619座,供熱面積1661萬平方米;天然氣壁掛爐用戶2.6萬戶,供熱面積約250萬平方米。

圖4-7 呼和浩特城區現狀燃氣鍋爐房分布圖

4)電供熱。呼市目前通過電供熱等清潔能源供熱總供熱面積為70萬平方米,電供熱大部分采用空氣源熱泵供熱方式,主要分布在供熱管網、燃氣管網達不到的區域。呼市供熱格局匯總如表4-5所示。

表4-5 呼和浩特市城區供熱熱源格局匯總

根據目前熱源分布情況,呼和浩特市公管局將城市總體規劃范圍劃分為8個供熱區域,各區域范圍如圖4-8所示。

圖4-8  呼和浩特市現狀供熱分區

8個分區的熱源情況如表4-6所示。

表4-6 呼和浩特市城區各供熱分區熱源

(2)供熱系統運行數據。

庭院管網中的供暖能耗主要分為耗熱量和耗電量兩部分,其中耗熱量主要用于滿足用戶的熱負荷,耗電量主要用于承擔輸配熱量到用戶中的循環水泵電功。內蒙古自治區對應的耗熱量約束值為0.36GJ/(㎡·a),引導值為0.27 GJ/(㎡·a)。供暖期為6個月的集中供熱管網水泵電耗指標約束值為2.5kWh/(㎡·a),引導值為1.5 kWh/(㎡·a)。

以呼和浩特市代表性熱力企業——富泰熱力公司為例,對其下屬部分供熱區域2017-2018整個供暖季的運行參數進行分析。

1)熱耗。呼市富泰熱力公司2017-2018供暖季25個熱源區域(含新華西街、光明、巴彥、海拉爾分公司)的單位面積耗熱量統計如圖4-9所示。

圖4-9 富泰熱力公司單位實供面積耗熱量統計(2017-2018采暖季)

采暖時間為2015年10月11日至2016年4月16日,天數為188天(2017-2018年數據缺失)。計算熱耗時以熱源出口數據為準,計算時使用的供熱面積為熱源在本供暖季的實供面積。

圖4-10  富泰熱力公司單位實供面積耗熱量分布

從以上兩圖中我們可以看到,呼市富泰熱力公司各熱源區域的耗熱量差異較大,且大部分供熱面積的熱耗都超過了建筑耗熱量指標約束值。不存在耗熱量在引導值以下的供熱區域;耗熱量在引導值和約束值之間的供熱面積占3%;而耗熱量高于約束值的供熱面積達到了97%。平均熱耗水平為0.5 GJ/(㎡.a) ,為約束值的1.4倍。

以富泰熱力公司下屬新華西街分公司供熱區域為例。熱源為呼市熱電廠,單位面積耗熱量0.49 GJ/(㎡.a),計算逐日熱耗如圖4-11所示,新華西街供暖區域整個供暖季尖峰供熱量為42.5W/㎡。

圖4-11  新華西街供暖區域逐日供熱量(2017-2018供暖季)

2)電耗。通過富泰熱力公司各熱力站耗電量統計數據,對各熱力站電耗水平進行分析,共收集到183個熱力站數據,單位為kWh/(㎡·a)。

圖4-12 富泰熱力公司熱力站單位面積耗電量統計(2017-2018采暖季)

圖4-13 富泰熱力公司熱力站電耗分布

由上面兩圖可得,各熱力站供暖季單位面積耗電量存在較大的差異。換熱站耗電量普遍超標,在引導值以下的面積比僅為5%,在引導值和約束值之間的面積比31,%,而高于約束值的面積比則達到了64%,平均值為3kWh/(㎡·a)。

(3)清潔供熱方案探究。

呼和浩特市政府目前現有供熱規劃中預測2020年供熱面積19302萬平方米。根據調研所計得到的呼和浩特市耗熱量指標,取單位面積熱負荷指標為42.5W/㎡,則現狀(2017-2018供暖季)熱負荷為6127MW,2020年熱負荷為8203.35MW

電廠資源方面,除目前已經投入供熱的呼市、金山、金橋、盛樂熱電廠外,距呼和浩特市南約70km有一內蒙古托克托電廠,現已裝機8×600MW+2×300MW發電機組,正在籌建五期兩臺600MW機組(已經核準)。

圖4-14  呼和浩特市電廠分布圖

根據調研得到的各電廠設計參與熱平衡圖,對各電廠的供熱能力進行計算,其供熱能力如表4-7所示。

表4-7 呼和浩特市電廠情況和最大供熱能力


在工業余熱方面,呼和浩特市無煉鋼企業,無鋼鐵余熱利用潛力;有若干水泥企業,但正在面臨逐步遷出呼市的趨勢,不具有長遠的供熱潛力。

在農業生物質方面,根據統計數據估算得到呼市年秸稈產量186.5萬噸,呼市行政區內農村戶數達33萬余戶以上,若按照每戶每日30千克的供暖秸稈需求量,則呼市秸稈量不足以滿足農村供暖需求,故不考慮農業生物質向城區供熱。

由以上分析可以得出,呼市雖然工業余熱、農業生物質資源較為匱乏,但電廠資源較為豐富。一方面,現有熱電廠仍有較大的供熱潛力可以挖掘;另一方面,通過采用長輸形式充分利用周邊電廠(盛樂、托克托),可以大大增加熱電聯產供熱能力,使其完全可以滿足呼市供熱需求。

基于清潔供暖基本思想,結合呼和浩特市清潔熱源資源特點,呼和浩特市供熱熱源規劃應遵循的原則是:以熱電聯產為基本熱源,以燃氣為調峰熱源,盡可能停用燃煤鍋爐。

呼和浩特市現狀和2020年末的熱負荷和電廠、燃氣供熱能力如圖4-15、圖4-16所示。呼市目前已經投入供熱的四座熱電廠(呼市、金山、金橋、盛樂熱電廠)在充分利用電廠余熱的前提下,供熱能力最大可達5115MW,供熱能力目前尚未得到充分的挖掘。若充分挖掘現狀熱電廠供熱能力、聯通各區域熱網,采用“已有熱電廠承擔基礎負荷、燃氣鍋爐承擔尖峰負荷”的改進方案,則現有熱電廠和燃氣鍋爐完全能夠滿足現狀熱需求,燃煤鍋爐可不啟用。而對于未來如2020年的負荷,則可引入托克托電廠長輸供熱,電廠供熱能力滿足熱負荷,無需啟用燃煤鍋爐。

圖4-15  呼和浩特市供熱能力及熱負荷

圖4-16  改造前后呼市逐日供熱情況

分別計算現狀運行方案與改進方案的一次能源消耗量和碳排放量、污染物排放量,如表4-8所示,可見改進方案下一次能源消耗量與各類排放量均明顯下降.

表4-8 呼市供熱方案改進前后能源消耗與排放量對比


初投資主要為電廠改造費用,約為66300萬元,方案的運行費用如表4-9所示,運行費用節省54.33%。

表4-9 呼市供熱方案改進前后運行方案費用對比(單位:萬元)

3. 包頭供熱規劃

包頭是內蒙古自治區的制造業、工業中心及最大城市,是連接華北和西北的重要樞紐。包頭市下轄5個市轄區、1個縣、2個旗及一個國家級開發區。2017年末全市常住總人口287.8萬人,比上年末增加2.0萬人,其中城鎮人口239.7萬人。

(1)熱源現狀與供熱格局。

2015年底包頭市全面完成主城區燃煤鍋爐拆除并網,基本實現熱電聯產集中供熱和清潔能源供熱的全覆蓋。2017年底,包頭市主城區供熱總面積為9710萬平方米,其中集中供熱面積9408萬平方米;熱電聯產供熱面積8659萬平方米,熱電聯產比重達到89.18%,燃氣供熱面積993萬平方米,地源熱泵、太陽能等其他方式供熱面積58萬平方米。

圖4-17 包頭供熱面積現狀(2017-2018供暖)

目前,包頭市集中供熱方式主要以熱電聯產為主,清潔能源為輔,逐漸形成“八源一網雙備,多元補充”的供熱格局?!鞍嗽础敝赴^城市供熱的八所熱電聯產熱源,包括包頭第一熱電廠新廠(昆都侖電廠)及老廠、包頭第二熱電廠、包頭第三熱電廠、東華熱電廠、華電河西熱電廠、希望鋁業自備電廠、包鋁自備電廠和包鋼余熱回收首站,總裝機容量6345MW,目前通過實施技改項目后(包頭第一熱電廠、包頭第二熱電廠、東華熱電廠實施余熱回收、高背壓機組改造)實際供熱能力達到9960萬平方米?!耙痪W”指各個熱源聯網互為備用,實現供熱資源的充分分配與調節;“雙備”值兩大燃氣熱源廠青山熱源廠和阿爾丁東熱源廠,作為供熱尖寒期調峰備用。

圖4-18  包頭熱源分布圖

1)包頭第一熱電廠。老廠全廠現有裝機容量為1×100MW+2×125MW供熱機組。2015年包頭第一熱電廠對一臺125MW供熱機組進行了高背壓技術改造。主要為昆區范圍內供熱,是市熱力總公司熱源之一。

新廠(昆都侖電廠)全廠現有裝機容量為2×300MW供熱機組,設計供熱能力780萬平方米。2015年昆都侖電廠對一臺300MW供熱機組進行了高背壓技術改造。為市熱力總公司提供熱源。

2)包頭第二熱電廠。全廠現有裝機容量為2×200MW+ 2×300MW,設計供熱能力為1500萬平方米,2012年包頭第二熱電廠對供熱機組進行了冷凝熱余熱回收技術改造, 2014年進行高背壓技術改造。主要為青山區范圍內供熱,為二電供熱公司、市熱力總公司、滿都拉供熱公司、廣潔源熱力公司、一機福利區提供熱源。2014年通過青山聯絡干線與包三電廠熱源實現聯網。

3)包頭第三熱電廠。主要為九原區以及新都市區、青山職教園區范圍供熱,直營二O二區域供熱,同時為華融熱力公司、中晟熱力公司和晶瑞物業公司提供熱源。2014年通過青山聯絡干線與包二電廠熱源實現聯網。

4)東華熱電廠。全廠現有裝機容量為2×300MW供熱機組,設計供熱能力860萬平方米,2012年通過對供熱機組進行冷凝熱余熱回收技術改造。主要為東河區范圍供熱,是華源熱力公司熱源。2014年與包鋁自備電廠實現聯網。

5)華電河西熱電廠。

全廠現有裝機容量為2×600MW供熱機組,設計供熱能力800萬平方米,2015年實施了熱泵改造項目,目前已投入使用,主要向濱河新區供熱及替代阿爾丁熱源廠,為市熱力總公司和富磊熱力公司提供熱源。

6)希望鋁業自備電廠。

一期裝機容量為4×155MW供熱機組,設計供熱能力600萬平方米,二期裝機容量2×350MW。主要為昆區南部區和開發區范圍供熱,為市熱力總公司和金達立熱力公司提供熱源。

7)包鋁自備電廠。全廠現有裝機容量2×300MW供熱機組,負責為糖廠、鋁廠廠區及生活區供熱。2014年與東華熱電廠聯網。

8)包鋼余熱回收首站。2014年由中節能公司實施包鋼余熱回收項目,包含兩個板塊:

①熱電廠凝汽器乏汽余熱回收和煉鐵廠燒結環冷機煙氣余熱回收。

電廠乏汽余熱市政供熱能力140MW,同時回收煙氣余熱給包鋼廠區內選礦換熱站和煉鐵換熱站供熱能力50MW。市政實際供熱面積290萬平方米。

圖4-19  包鋁電廠余熱回收流程圖

②高爐水沖渣余熱回收。

提取4號、6號高爐沖渣水和放散蒸汽的廢熱,將廢熱供給包鋼新體系原料庫采暖,本版塊提取總熱量約60MW。

表4-10 包頭市城區供熱現狀熱電廠信息匯總

另外,包頭還有兩應急備用熱源:一是青山熱源廠,隸屬包頭市熱力總公司,原有4×29MW熱水鍋爐,2014年實施“煤改氣”項目,新建4×29MW燃氣鍋爐,設計供熱能力200萬平方米,2016年已完成改造,作為供熱尖寒期調峰備用。二是阿爾丁東熱源廠,隸屬包頭市熱力總公司,原有4×29MW熱水鍋爐,2015年實施“煤改氣”項目,新建4×29MW燃氣鍋爐,設計供熱能力200萬平方米,2016年完成改造,作為供熱尖寒期調峰備用。

(2)供熱系統運行數據。

以包頭市代表性熱力企業——包頭熱力總公司為例,對其下屬供熱區域2017-2018供暖季的運行參數進行數據調研和分析計算。

1)熱耗。

選擇包頭熱力總公司2017-2018供暖季各分所代表性熱力站19個,各熱力站單位面積耗熱量統計圖4-20所示。當年采暖時間為10月15日至次年4月15日,共186天。計算時使用的供熱面積為換熱站在本供暖季的實供面積。

圖4-20  包頭熱力總公司熱力站單位面積耗熱量統計(2017-18采暖季)

2)電耗。

通過包頭熱力總公司各分所耗電量統計數據,對電耗水平進行分析,單位為kW·h/(㎡·a)。由圖4-21可得,包頭熱力總公司電耗水平整體較低,僅有一個分所的電耗水平超過了約束值。經計算,包頭熱力總公訴平均單位面積耗電量1.59kW·h/(㎡·a),略高于約束值。

圖4-21 包頭熱力總公司各分所單位面積耗電量統計(2017-2018采暖季)

(3)清潔供熱方案探究。

根據規劃,2020年包頭市供熱面積將達到12150萬平方米。取綜合熱指標40W/㎡,估算得2020年,包頭城市供熱負荷4860MW。

包頭市電廠資源極為豐富,目前包頭市區及周邊鄰近區域共8個電廠已全部投入供熱。對包頭市第二熱電廠進行了實地調研,了解到包頭第二熱電廠目前裝機為2×200MW為濕冷機組+2×300MW ,其中2×300MW直接式空冷機組(3號、4號機組)已進行乏汽余熱供熱系統進行增容改造,3號機采用熱泵回收,4號機采用背壓改造,對乏汽供熱進行深度回收利用。改造工程完成后,2×300MW機組供熱總負荷為769.7MW,新增供熱負荷314.7MW。

其他電廠由于時間和條件限制未能進行實地調研,通過政府了解其基本信息,對它們在全部回收乏汽余熱情況下的最大供熱能力進行估算。各電廠的最大供熱能力整理如表4-11所示。

表4-11 包頭各電廠供熱能力信息匯總

在工業余熱方面,包頭市鋼鐵產量較大,市區邊緣處存在一大型國營鋼廠——包頭鋼鐵(集團)有限責任公司鋼鐵廠,2014年由中節能公司實施包鋼余熱回收項目,目前僅對燒結環節的煙氣余熱、煉鐵環節高爐沖渣水余熱和熱電廠的乏汽余熱進行了回收,且高爐沖渣水余熱回收遇到了一定的實際困難,尚存在一定的供熱挖掘潛力。

在農業生物質方面,根據統計數據估算得到包頭市年秸稈產量162萬噸,包頭市行政區內農村戶數達16.4萬余戶以上,若按照每戶每日30千克的供暖秸稈需求量,則包頭所產秸稈在滿足農村供暖需求的前提下,可提供40.5萬噸左右富余量用于城鎮供熱,考慮到包頭市區電廠供熱能力十分充裕,富余的農業生物質應優先提供給旗縣的小城鎮使用,尤其是距離電廠距離遠、人口居住較為分散的達茂旗。

圖4-22  包頭市供熱能力現狀及2020供需對比

由圖4-24分析可以得出,包頭市熱電聯產發展形勢良好,電廠資源極為豐富,未來熱源較為充足。充分挖掘熱電廠供熱潛力和工業余熱供熱潛力,保持并進一步發展“以熱電聯產為主,其他清潔熱源為輔”的供熱格局。




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