北方城鎮(zhèn)供熱碳中和發(fā)展模式

吳彥廷

我國擁有非常豐富的各類低品類余熱，包括火電、工業(yè)余熱和未來新興產(chǎn)業(yè)的余熱。同時(shí)，有世界上覆蓋率非常高的集中供熱管網(wǎng)。采用以低品位余熱為主的零碳清潔供熱模式是實(shí)現(xiàn)供熱碳中和目標(biāo)的途徑。余熱供熱需要解決以下三個(gè)問題：第一是余熱和供熱負(fù)荷需求地理位置不匹配問題，第二是余熱產(chǎn)生和供熱需求時(shí)間不匹配問題，第三是不同余熱熱源的溫度和熱用戶需求溫度的不匹配問題。

余熱資源目前大多遠(yuǎn)離城市負(fù)荷區(qū)，如何經(jīng)濟(jì)高效地把熱量輸送到熱負(fù)荷的位置是需要解決的問題。長距離輸熱管網(wǎng)具有距離長、高差大的特點(diǎn)，其沿程管道阻力和高差之合遠(yuǎn)超現(xiàn)在管道的承壓等級(jí)，需要新的水力安全保障方法。采用多級(jí)熱網(wǎng)泵的配置技術(shù)，用多級(jí)泵循環(huán)串聯(lián)加壓工藝解決管道承壓等級(jí)問題，并通過一系列的安全保障措施，保證長輸管網(wǎng)供熱過程中不汽化、不超壓，保證管網(wǎng)安全運(yùn)行。另外，長輸管道輸送距離長，散熱損失大。為減少管道散熱損失，針對管道自身的保溫、局部熱橋和局部管道組件，采用成套的保溫技術(shù)控制沿程熱量損失。而對于遠(yuǎn)距離輸送投資大、成本高的問題，利用大溫差供熱技術(shù)降低熱網(wǎng)回水溫度，把回水溫差擴(kuò)大到100℃以上。相比傳統(tǒng)熱網(wǎng)，其熱量輸送能力提高60%以上，從而大幅降低了熱量的輸送成本。此外，降低回水溫度還提高了熱源回收余熱的效率，降低熱量成本。與燃?xì)夤嵯啾龋?jīng)濟(jì)供熱距離可以達(dá)到200公里以上。

另外，對于沿海核電和火電，將余熱利用與海水淡化相結(jié)合，采用水熱同產(chǎn)技術(shù)，利用電廠余熱產(chǎn)生熱淡水，并通過一根長輸管線輸送到城市附近，實(shí)現(xiàn)單管同時(shí)輸送淡水和熱量，相比傳統(tǒng)的長輸供熱管道，省去了回水管道，從而進(jìn)一步降低了輸送成本。水熱同送的輸送成本相比長輸供熱管網(wǎng)降低40%，不考慮輸水成本情況下，水熱同送經(jīng)濟(jì)供熱半徑為300公里以上。上述兩個(gè)技術(shù)解決了熱量長距離經(jīng)濟(jì)輸送的問題。

長輸供熱技術(shù)已經(jīng)有比較多的應(yīng)用。以山西太原太古長輸供熱工程為例，該長輸供熱工程從古交興能電廠到中繼能源站建設(shè)了37.8公里長的直連管道，高差180米，通過6級(jí)加壓循環(huán)工藝設(shè)計(jì)，采用2.5MPa承壓級(jí)別的管道，安全地實(shí)現(xiàn)了沿程阻力加高差共超過500米壓差的壓力需求。并且，采用了全套保溫技術(shù)，大幅減少了散熱損失，實(shí)現(xiàn)了37.8公里管道（有40%架空部分）沿程溫降不到1℃。未來長途輸熱技術(shù)將廣泛應(yīng)用于余熱資源的跨區(qū)域輸送，以京津冀為例，通過長輸管線把河北曹妃甸電廠余熱及北疆電廠的余熱回收利用，并通過200余公里長的長輸管道輸送，就可以很好地幫助解決北京市零碳熱源短缺難題。

低品位余熱利用的另外一個(gè)問題是時(shí)間上的不匹配。主要有兩個(gè)方面：一是工業(yè)余熱受到主要產(chǎn)品生產(chǎn)的影響。余熱是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所必須排放的熱量，余熱利用也應(yīng)當(dāng)保證不影響其主要產(chǎn)品生產(chǎn)。因此，當(dāng)工廠產(chǎn)量變化的時(shí)候會(huì)引起余熱量的波動(dòng)。二是與特定工業(yè)的生產(chǎn)工藝過程有關(guān)系。流程工業(yè)全年的產(chǎn)量變化不大，因此其余熱量也變化不大，而夏季沒有供暖需求，因此這部分寶貴的余熱沒有得到利用。這時(shí)候如果有大型跨季節(jié)儲(chǔ)熱裝置，就可以充分有效地回收全年的余熱，平衡余熱和供熱負(fù)荷之間時(shí)間上不匹配問題。對于熱源側(cè)，不管余熱什么時(shí)候產(chǎn)生，我們都可以儲(chǔ)存在跨季節(jié)儲(chǔ)存罐里，對于用戶側(cè)來說，不管什么時(shí)候需要熱都可以從跨季節(jié)儲(chǔ)熱裝置取熱，從而大幅度提高了供熱系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

大型跨季節(jié)儲(chǔ)熱直接采用水作為介質(zhì)對于供熱是比較合適的，因?yàn)楣嵯到y(tǒng)本身就用水作為熱量傳輸?shù)慕橘|(zhì)，同樣利用水作為儲(chǔ)存介質(zhì)可以減少換熱引起的損失，提高供熱系統(tǒng)能效。并且水容易獲取且成本低，相比其他跨季節(jié)儲(chǔ)熱方式，儲(chǔ)熱密度也比較高。大型跨季節(jié)儲(chǔ)熱水池可采用坑式儲(chǔ)熱水池。這種方式在很多國家都有比較廣泛的應(yīng)用，儲(chǔ)熱水池容積越大投資越低。例如2015年建成的丹麥跨季節(jié)儲(chǔ)熱水池，容積21萬立方米，是目前全世界最大的跨季節(jié)儲(chǔ)熱水池，每立方米的總建設(shè)成本約24歐元，折合人民幣不到200元/立方米。大型跨季節(jié)儲(chǔ)熱容積越大投資越低，因此建設(shè)跨季節(jié)儲(chǔ)熱應(yīng)盡可能提高其建設(shè)規(guī)模，這樣就導(dǎo)致跨季節(jié)儲(chǔ)熱的占地較大，需要土地配套資源，因此需要政府部門的支持。大型跨季節(jié)儲(chǔ)熱是未來城市低碳能源系統(tǒng)非常重要的一環(huán)，應(yīng)該參考水庫的建設(shè)機(jī)制，推動(dòng)大型跨季節(jié)儲(chǔ)熱的發(fā)展。

低品位余熱利用的第三個(gè)問題是溫度的不匹配。不同種類熱源的余熱溫度各不相同。并且，不同散熱末端的采暖溫度需求也不一樣。此外，回收低品位余熱還可以給非流程工業(yè)提供蒸汽。為了滿足不同溫度余熱的采集和用戶的使用，需要研發(fā)并應(yīng)用各種吸收式換熱和吸收壓縮復(fù)合式的熱變換器，實(shí)現(xiàn)熱量在不同溫度間的變換和傳遞。對于非流程工業(yè)等蒸汽用戶，通過高溫?zé)岜美脽峋W(wǎng)輸送過來的熱量產(chǎn)生低參數(shù)的蒸汽，各個(gè)工業(yè)再根據(jù)自己對于蒸汽壓力的需求，使用蒸汽壓縮機(jī)產(chǎn)生所需蒸汽。

未來北方城鎮(zhèn)以余熱為主的零碳清潔供熱模式，將具備以下幾個(gè)特征：降低熱網(wǎng)回水溫度，以高效回收各類余熱供熱;采用大溫差長距離輸熱和水熱同送技術(shù)，進(jìn)行跨區(qū)域的余熱輸送;建設(shè)跨季節(jié)儲(chǔ)熱調(diào)峰回收利用各類熱源全年的余熱;通過以上技術(shù)，全面充分地回收低品位余熱，解決北方城鎮(zhèn)建筑冬季采暖熱源和一些類型的工業(yè)生產(chǎn)過程的全年生產(chǎn)用熱需求。

接下來亟需開展的一項(xiàng)非常重要的工作就是全面降低熱網(wǎng)回水溫度。通過降低熱網(wǎng)回水溫度，可以回收各熱源的余熱，提高熱源供熱能力，從而及時(shí)有效地解決城市快速發(fā)展過程中所增加的熱量需求。并且，這項(xiàng)工作也是未來實(shí)現(xiàn)供熱碳中和所需要完成的工作之一。

綜上，我國北方城鎮(zhèn)應(yīng)該發(fā)展以低品類余熱為主的零碳清潔供熱模式，需要解決空間、時(shí)間和溫度三個(gè)不匹配問題：發(fā)展長輸供熱解決空間不匹配問題，建設(shè)大型跨季節(jié)儲(chǔ)熱解決時(shí)間不匹配問題，采用熱量變換器解決溫度不匹配問題。應(yīng)盡快開展全面降低熱網(wǎng)回水溫度的工作，為實(shí)現(xiàn)供熱碳中和奠定基礎(chǔ)。