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雄安新区供暖模式漫谈
时间: 2018-5-22 来源: 中国能源 作者: 康慧
导读
      雄安新区规划是中国新城市规划的重点任务,应具有引领新城市规划的作用,是各行业人员所关注的焦点。本文对雄安新区供暖模式进行了探讨,希望能对雄安新区的《区域能源规划》编制起到参考作用。

      2017年4月,中共中央、国务院决定在河北省中部设立雄安新区后,新区的规划就成为了各行业人员所关注的焦点,新区的规划和建设必将成为中国将来的城市规划典范。整个规划工作分为三部分:第一部分是总体规划,第二部分是为总体规划服务的专项规划,第三部分是城市设计的国际咨询,目前各项规划工作都在稳步推进。各有关行业的技术人员希望总体规划能够尽快出来,以便加快开展下一步的专项规划工作。雄安的建设是“ 千年大计、国家大事”, 其规划工作不能急于求成,时间必须服从于质量,很多问题需要在规划和建设的前期研究工作中得到明确的方案。

      本文对雄安新区供暖模式,包括雄安新区的用能特点、可采用的供暖热源、与供暖有关的因素、可采用的技术路线,提出了思考和建议,希望能对雄安新区的《区域能源规划》和供热规划的编制起到参考作用。

1、雄安新区的基本情况
      本文根据公开资料,将对与雄安新区(简称“新区”)用能有关的情况进行了全面的阐述。

1.1 新区的规划总人数
      新区规划的起步区为100km^2。按照中国城市建设用地标准,大体上就是100万人,再加上当地现有的100多万人,外来人口100万人,一共不超过300万人;雄安将来会不会发展到500万人,现在难以断言。因此,在规划300万人的合理规模时,也应该在空间上留有余地。总人口是估算起步区建筑面积的主要依据。

1.2 新区的建筑形式
      城市建设坚决做到“三个不建”:不建高楼大厦,不建水泥森林,不建玻璃幕墙。高层住宅的弊端,现在已经越来越明显,其后期维修以及消防都是问题。高层住宅以后会是沉重的社会负担。雄安的建筑将以多层小高楼为主,不会建设高层建筑,不会是水泥森林。新区的建筑形式决定了其建筑采暖耗能密度不高。

1.3 新区布局
      新区拟采用组团式布局, 每一个组团不大,而且相对独立,组团内部有住宅区、有产业区、有公共服务设施,发展一个是一个。每个组团的规模大概是20~30万人, 占地20~30km^2, 相当于一个小城镇的规模。在每个组团内部,又细分为若干空间单元。每一层空间都注重功能混合、自我平衡。组团式布局对集中供热管网形式有较大的影响。

1.4 新区的用能特点
      国家要求新区建成一座以新发展理念引领的现代新型城区,其建设突出的七个方面重点任务中有两个与能源行业相关,一是提出建设绿色智慧新城, 二是打造优美生态环境,构建蓝绿交织、清新明亮、水城共融的生态城市。中央对新区的要求是不发展工业,工艺用汽少,工业用电少,主要是建筑耗能,以夏季空调,冬季采暖为主。根据当地气候特点和运行惯例,夏季空调的主要方案为:民宅采用分散式分体电空调,公商类建筑采用集中电空调。因此,新区用能主要有以下两方面的特点。

      (1)重点是冬季建筑供暖方面,需认真考虑可再生能源、常规能源(主要是燃气、煤炭)在雄安新区的清洁供暖中的定位和作用;应关注供暖热源的选择和热网的建设规模。

      (2)用电主要负荷是夏季建筑空调,可能会出现较大的用电峰谷差。

2 、可采用的供暖热源
     按供暖燃料分类,本文就目前我国各类常用的供暖热源的特点、大气污染物排放情况、使用的典型工程案例等进行简短概述。

2.1  燃煤热电厂
      燃煤热电联产项目环保排放要求高,成本优势大,对城镇居民的清洁取暖以及减少大气污染物排放起到主力作用。

      大中型燃煤热电厂的单机容量在135MW以上,由电力行业运营。目前,300MW级的是我国集中供暖的主流机组,燃用环渤海动力煤(发热量5300kcal/kg)。燃煤热电厂采用高烟囱排放,环保设施齐备,当地环保部检测严格,采用超净排放措施,完全可以做到达标排放。燃煤热电厂的国家排放标准见表1。

      目前,燃煤热电厂是供暖的主力热源,其运行成本低,安全可靠,可以做到达标排放。在采取超低排放措施后,可以达到10mg/m^3、35mg/m^3、50mg/m^3的排放标准,即达到天然气发电的排放标准。



2.2  燃气热电厂
      燃气热电厂一般采用蒸汽-燃气联合循环方式,原动机的单机容量大于60MW,多采用E级以上机组。采用高烟囱排放,环保措施齐全(含脱氮),具有燃烧效率较高、基本不排放烟尘和二氧化硫的优势。燃气热电厂燃气轮机组的国家排放标准见表1。目前,我国进口天然气项目多为管输,且多采用20年照付不议的供气合同,这就需要下游有若干大宗稳定的用户,这类热源的燃气来源需要与燃气供应企业签定合同,需考虑冬夏季用气量平衡问题。

2.3 地热
      地热供暖是利用地热资源,使用换热系统提取地热资源中的热量向用户供暖的方式。地热是稳定、清洁的零排放绿色供暖热源。雄县具有得天独厚的适于供暖的中深层地热能资源。

      2017年6月14日,国土资源部中国地质调查局支撑服务雄安新区规划建设的地质调查工作正式拉开帷幕。地质调查提出的四大目标之一就是“打造全球地热利用样板”。根据中国地质局8月23日公布的雄安新区地质调查第一阶段结果,起步区地热资源可满足3000万m^2的建筑面积供暖。

      使用的典型工程案例:雄县95%的现有建筑实现了地热能供暖(约450万m^2),已开发90余口采热井和回灌井。

2.4 电供暖
      电供暖是利用电力,使用电锅炉等集中式供暖设施或发热电缆、电热膜、蓄热电暖器等分散式电供暖设施,以及各类电驱动热泵向用户供暖的方式,布置和运行方式灵活,有利于提高电能占终端能源消费的比重。蓄热式电锅炉还可以配合电网调峰,促进可再生能源消纳。蓄热式电锅炉系统形式:加储热罐,峰谷时电锅炉运行,余热储存。

      使用前提:每个电锅炉房承担的供暖面积在3000~50000m^2谷电价0.15元/kWh以下,谷电运行时间10h/d以上。

2.5 清洁燃煤锅炉房
      清洁燃煤集中供暖是实现环境保护与成本压力平衡的有效方式,未来较长时期内,在多数北方城市城区、县城和城乡结合部应作为基础性热源使用。由市政部门的供热企业管理,燃料成本略低于燃煤热电厂。目前采用循环流化床、层燃等清洁燃烧锅炉,使用的清洁煤燃料为水煤浆及煤粉等。这种供暖热源的主要问题是需满足当地的环保排放标准,表2是燃煤、燃气锅炉的国家排放标准。



2.6 燃气锅炉房
      燃气锅炉房可以做到容量随意,越分散布置越好,一般用于大中城市的环境敏感区。例如:禁煤区的北京市五环内。在采用脱氮措施后,可以达标排放。

      由于燃气锅炉只在冬季运行,燃气供应不易做到季节平衡。燃气是优质能源,应阶梯利用,如果只用于供暖,属于优质低用,燃气宜用于作为调峰热源的燃料,可以起到5倍的能效价值。

2.7 燃气分布式冷热电供能站
      燃气分布式冷热电供能站有区域型(原动机单机容量50MW以下)和楼宇型(单机容量10MW以下)两种。由于受经济承受力问题影响,该供暖方式一般用于我国经济发达地区(珠三角、长三角、京津冀)的具有稳定冷热电需求的楼宇或建筑群,适用于政府机关、医院、宾馆、综合商业及办公、机场、交通枢纽等公用建筑,是我国目前政策支持的供能项目,是目前能源行业发展的重点。

     这种供暖热源以分散布置为好,适宜建在冷热负荷附近(供冷水半径2km以内、供热水半径5km以内、供汽半径6km以内),燃气分布式冷热电供能站的排放标准与燃气热电厂相同。

2.8 其它热源
      包括太阳能、各类热泵等供暖系统,这类热源无燃料燃烧问题,不会在当地产生污染物。但在应用中需综合考虑水源资源状况、初投资成本、运行成本等诸多因素。这类供暖热源,宜作为其他主流供暖热源的辅助热源,适用于供暖负荷低密度区的局部供暖或分散式供暖。

2.9 供暖热源选择原则
      上述供暖热源共存,互为补充,但应注意限制性条件。

      在供暖热源选择时,应按照“集中为主、分散为辅”,“宜电则电、宜煤则煤、宜气则气”的基本原则,并遵守以下6个具体原则。

      (1)凡是在热电联产供热管网覆盖的地区,优先使用热电联产供暖热源。
      (2)当地有可再生能源的,应优先使用。
      (3)不在热电厂供暖范围,但具有一定供暖建筑规模,且环境不敏感的城乡结合区域,可使用清洁燃烧的燃煤锅炉作为热源。
      (4)在冷热电负荷集中、冬夏负荷平衡时,适宜建设燃气分布式供能站。
      (5)农村、平房等供暖负荷低密度区,适于用电供暖、空气源热泵、水源热泵、地源热泵等辅助性供暖方式。
     (6)燃气锅炉房适宜于用作供暖调峰热源。

3、与供暖有关的因素
3.1 基础热源与辅助热源
      基础热源是指大型集中供暖系统中的主力热源,具有两个特点:一个是其容量约在总供热量的55%以上,二是在供暖期连续满容量运行,不参与调峰。基础性热源的确定是大型集中供暖系统的关键性问题。

      辅助热源是指非大型集中供暖系统而供局部、分散式供暖系统的热源。

3.2 调峰热源
      大型城市集中供暖系统应考虑设置调峰热源,供暖系统调峰热源(也称尖峰热源)在大型城市集中供暖系统中起到两个作用:一是根据室外温度变化调峰运行以保证集中供暖系统的经济运行,二是作为备用热源以保证供暖系统的安全可靠性。

      调峰热源在整个供暖期中,只在最冷的2个月内运行,由于调峰热源运行亏损,无人愿意投资建设和运营,应与基础性热源捆绑建设运营。

      2017年底,我国北方集中供暖区曾发生天然气气源供应紧张的问题,其中最重要的一个原因就是天然气供应系统的季节调峰能力不足,缺少足够的地下储气库容量,缺少LNG接受能力。

      调峰热源的建设运营问题在雄安新区的集中供暖系统中应予以重点关注。

3.3 供热热网
      大型城市的集中供暖系统应具有应对突发性事件(自然、人为、黑天鹅事件)的弹性。需要统一建设热网,把各类多个热源连接起来,使多个热源联网运行,互为备用,互相扶持,使整个供热系统坚强、安全可靠。

      对于供暖面积超过千万平方米的新区,是建设一个统一的集中供热管网,把较大的供暖热源联网,还是按每一组团各建设较小的管网,各自调峰,各自运行,是一个需要重点研究的问题。

3.4 参与的建设运营方
      由于新区的集中供暖规模大、投资高,运行管理复杂,对于可能参与的建设运营方,应考虑以下5个方面的问题。

      (1)集中供热系统的投资建设与运营方应是同一单位,即谁投资建设,就由谁管理运营。
      (2)建设运营方的经济实力、社会责任感、口碑。
      (3)建设运营方采用的技术应成熟、可靠、安全。
      (4)建设运营方应有与新区供暖规模相应的多项工程建设运营业绩。
      (5)新区是考虑引入一个大的建设运营方,还是多个建设运营方。

3.5 供暖系统的管理体制
      管理体制是制约行业健康发展的重要要素。目前,城市采暖供暖系统的管理体制有两种方式。

      (1)基础热源(热电厂或供暖锅炉房)由投资方管理,热网由热力公司管理(一般由政府组建),热源公司向热力公司趸售热(按热量计收费),热力公司再向热用户售热(按面积收费)。这种管理方式,优点是有利于专业化管理,缺点是调峰热源运行亏损,热源与热力公司管理单位均不愿采用调峰方式运行。

      (2)热源和热网统一由热源公司管理,热源公司统一考虑售热、系统安全、调峰运行方案。由于是一家管理,易于内部平衡调峰热源运行亏损。这是一种有益于调峰热源运行的体制。

      由于历史原因,目前采用第一种管理方式的较多,实现第二种管理方式有一定难度,需要由热电厂注资收购管网(包括换热站)。但由于对提升热电厂的经济效益极有益处,第二种体制已得到了国内大型发电集团的重视,由于把城市供暖行业交由大型发电集团管理有安全保证,也得到了当地政府的支持。

      组建城市热源管理公司。统一管理热源和热网,运行亏损可以从内部予以平衡,这是解决调峰热源投资、管理和集中供暖系统经济运行的关键措施。目前,国内已有发电集团公司向下延伸业务,投资热网,管理热网,这是一个很好的发展趋向。

3.6 环保标准问题
      目前,国家有关部委以及部分地区已制定出台了有关大气污染物排放标准:①国家环保部已对燃气和燃煤的民用锅炉、火电厂锅炉制定了大气污染物排放的国家标准,见表1和表2。②有些地方政府亦根据本地的具体情况制定了当地的地方标准,其中北京市和山东省的地方标准见表3。③十部委文件所认定的清洁燃煤和燃气集中供暖的超净排放标准,即在基准氧含量6%条件下,烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10mg/m^3、35mg/m^3、50mg/m^3。

      应注意的是:①不论采用什么燃料,只要能够达标排放,就是清洁供暖。②对于某一具体供暖工程,应由地方环保部门确定执行的排放标准。

3.7 智慧供热
      随着我国能源互联网、多能互补、智能手机的快速发展,供热企业的管理工作已呈现了精细化、复杂化、无人值守的趋势。这就需要对集中供热系统中各类设备采用统一的编码来标识,形成一个能够贯穿集中供热系统生命周期全过程的编码体系,使设备从设计开始到运行维护直至退役的每一过程,都能采用现代信息技术手段进行监控,实现智慧供热。新区供热系统的热源、热网、热用户的设备,从初步设计阶段开始就应考虑采用现行的国家标准《电厂标识系统编码标准》GB/T50549进行编码,为智慧供热打好基础。

3.8 清洁供暖热源
      毫无疑问,应优先利用地热、生物质、太阳能等多种可再生清洁能源供暖。同时,对于常规清洁能源在新区供暖的作用也应注意。

      (1)天然气作为清洁供暖燃料,不受规模及地点限制,使用灵活方便,具有其他燃料难以替代的作用,应发挥其在具有稳定冷热电需求的楼宇(或建筑群)和调峰热源中的重要作用。

      (2)在《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021年)》文件中,已把可超净排放的燃煤热电厂和燃煤锅炉当作清洁供暖热源,应发挥其在城乡结合部位作为供暖热源的重要作用。



4、新区供暖可采用的技术路线
      根据新区规划300万人的合理规模,按其中50%的建筑采用集中供暖,新区的集中供暖面积约在5000万m^2。

4.1  技术路线一:热电联产+的模式
4.1.1 模式介绍
      在新区适宜地点新建一个热电厂(燃气或燃煤均可)分三期建设(最终规模约可供暖3200万m^2),一期2×350MW,二期和三期均为1×350MW级。热电厂向新区供热水,冬季供水温度100/45℃,夏季供水温度120/90℃(用于热水型溴化锂吸收式制冷机)用于向新区工商业用户集中空调。供水半径10km,超过10km的可采用中继泵。

      热电厂承担新区的基础性供暖负荷,建燃气锅炉房作为调峰热源。

      以热电厂为主的供暖系统建设一个大型集中热网。新区的工业生产用户应布置在热电厂附近(半径6km内)。热电厂、调峰热源、大型热网由建设运营方投资、建设、运营。

      除了热电厂外,对于不同的供热对象,应采用多种其他热源:①有理想地热条件的区域采用地热供热。②城区的工商业建筑,冬夏负荷平衡的用户采用燃气分布式供能体。③城乡结合部的区域采用水煤浆锅炉房供热。④在适宜的区域采用电锅炉、可再生能源供热。

4.1.2 存在的问题
      采用燃煤和燃气锅炉供热还存在着一定的问题:①燃煤、燃气均有大气污染物产生;②会增加当地的年耗煤量;③运营成本方面,燃煤热电厂供暖收费应不低于30元/m^2,燃气热电厂不低于45元/m^2;④当新区在用电峰谷时段、自用电量较少时,需考虑多余电量消纳的问题;⑤有冷却水耗水量,需考虑冷却水源问题。

4.1.3 关于建设运营方
      可以参与的建设运营方较多,均有大型集中供热电厂的建设运营业绩,且技术成熟、可靠、常规,其参与的积极性很高,从投融资、建设、运营管理的角度考虑,这对新区的政府管理部门是有利的。

4.2 技术路线二:地热+的模式
      (1)模式介绍
      “地热+”的多能互补方案是以地热作为基础热源(同时也作为调峰热源),其配套补充能源也依然以天然气、太阳能、风能等清洁能源为主。

      在中心城区,适合以规范化的水热型地热集中供暖为主,浅层地温能用于大型公共建筑的供暖和制冷;在城乡接合部,可利用浅部砂岩热储用于种植、养殖等第三产业。在农村地区,适合以浅层地温能利用为主,中深层水热型地热开发为辅。

      雄县地热水的温度高,常年在60~80℃之间,适合实现梯级利用;每个井的出水量平均为每小时50~70m^3,部分地区可达每小时120m^3;同时,地热水矿化程度低,基本可直接使用,不易对管道造成腐蚀。

      (2)存在的问题
      目前,我国在地热钻井成井工艺技术、地热尾水回灌技术、地热资源梯级利用技术及防腐除垢技术等方面,与国际地热行业领先者还存在一定差距。需要证明在大规模工程(一个供暖系统就超过千万平方米)中使用是可靠和稳妥的技术。

      (3)可参与的建设运营方
      水热型地热能开发因技术难度较高,存在政府支持、资源可靠性以及矿权等限制条件,能够实施规模化开发的,仅中石化新星公司一家。作为国内最大的常规地热资源开发利用企业,中石化新星公司开发区域已经扩展到16个省市区,涵盖京津冀、陕西关中、豫鲁、山西、东三省等5大区域。截至2016年底,地热供暖能力达4000万m^2,约占全国水热型地热资源供暖总面积的40%,并成功打造了企地合作的“雄县模式”。

4.3 两个技术路线的对比
      通过上述分析,可以认为,上述两个技术路线的优缺点都极为鲜明。

      (1)热电联产+
      热电联产+技术路线的优点:技术成熟、可靠、常规,调峰能力强,有多个成功运营业绩和经验,参与方多、实力强、具有积极性。缺点:有大气污染物排放,运营成本比地热+的技术路线高,有电力消纳和需冷却水源的问题。

      (2)地热+
      地热+技术路线的优点:无污染物排放、污染少,运营成本低,可利用当地特有的地热资源。缺点:尚待明确当地地热资源在大规模工程使用时的有效供热能力,钻井成井、尾水回灌技术在大型工程中的应用效果,可选择的参与建设运营方不如热电联产+的技术路线理想。
      为此,本文提出一个折中的技术路线。

4.4 技术路线三:热电联产和地热+
      该模式基础性的热源分二期建设。

      第一期:基础热源由热电厂(2×350MW级,预留再建一台的可能性)和地热共同构成,有理想地热源的组团采用地热作为基础热源,其他地区(含重要用户)采用热电厂并建大型集中热网和燃气调峰锅炉房。其他热源作为辅助性热源。

      第二期:根据热电厂、地热在第一期的使用效果,采用使用效果好的热源作为第二期的基础热源。

      该模式在基础性热源的建设上,综合了两个技术路线的特点,供热系统较为稳妥、可靠,可参与的建设运营方也较多。

 

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