“雙碳”背景下港區能源中心技術路線研究*

厲 溟

（大連港油品碼頭公司，遼寧 大連 116601）

國家發改委等十部門發布《“十四五”全國清潔生產推行方案》，提出“加大清潔能源推廣應用，提高工業領域非化石能源利用比重。對以煤炭、石油焦、重油、渣油、蘭炭等為燃料的工業爐窯、自備燃煤電廠及燃煤鍋爐，積極推進清潔低碳能源、工業余熱等替代。因地制宜推行熱電聯產‘一區一熱源’等園區集中供能模式，替代小散工業燃煤鍋爐，減少煤炭用量，實現大氣污染和二氧化碳排放源頭削減”。“雙碳”目標已升級為國家戰略。到2030年，單位國內生產總值CO2排放將比2005年下降65%以上。交通運輸業是國家節能減排的三大重點領域之一，在生態文明建設中肩負著重要責任。港口作為綜合交通運輸樞紐，其綠色發展對于支撐交通行業綠色發展有著重要意義。2019年，《交通強國建設綱要》和《關于建設世界一流港口的指導意見》發布，為交通綠色發展和綠色港口發展指明了方向；2020年，中共中央關于碳達峰、碳中和目標的設定對港口低碳發展提出了更高要求[1]。綠色港口建設已成為推進港口進入世界一流行列、港口高質量發展、提升港口競爭力的關鍵行動。

Y公司CO2排放的主要來源是燃煤鍋爐房，其主要功能是為區域日生產供應蒸汽及冬季生活供暖。在周邊熱源相對固定、遠期集中熱源規劃不明的前提下，為保證港區用能安全，本文提出能源中心概念，替代原有燃煤熱源。

1 港區熱源現狀

1.1 燃煤鍋爐房

燃煤鍋爐房總占地面積22 855 m2，總建筑面積11 016.34 m2，共分兩期建設。一期工程主要建設內容包括1臺10 t/h蒸汽鍋爐（已停用）、1臺14 MW熱水鍋爐、60 m高煙囪以及鍋爐主廠房、風機房、煤倉、渣倉等；二期工程主要建設內容包括2臺20 t/h蒸汽鍋爐、2臺35t/h蒸汽鍋爐，于2006年12月投產使用。燃煤鍋爐房環保設施主要包括布袋除塵設備、雙堿法脫硫塔、PNCR脫硝設備、防風抑塵網等。

鍋爐房職工人數90人，司爐、除渣、電氣、輸煤等班組實行四班二轉運制，管理及其他人員實行正常工作班制，每班工作均為8 h，全年生產365 d。油化品港區管線伴熱、儲罐維溫加熱以及遠端區域廠房、辦公樓采暖功能，是L集團在該地域唯一自有熱源支撐點。

1.2 電廠供熱管線

電廠供熱管線從大孤山區域遠端電廠敷設一條DN600蒸汽管線至Y公司罐區，經分氣室減溫、減壓后供燃煤鍋爐房原有DN500蒸汽管線聯網區域使用。管線供汽約150 t/h，介質為過熱蒸汽，出口壓力P=0.9 MPa，設計溫度T=265℃，總長度約7.1 km，整個管線于2009年12月正式投產。

1.3 熱源存在的問題

設備老化及維修費用逐年上升。燃煤鍋爐自2006年使用至今，主機和輔助設備進入故障多發期，鍋爐房系統的完好率和可靠性逐年下降。每噸蒸汽維修成本達到了9.67元，在其總成本中占比達到3.3%，且呈逐年上升趨勢；電廠供熱管線運行近13年，因與周邊單位存在溝通協調問題，管線本身的維修保養工作開展困難，供氣量維持在35 t/h以內，僅為設計能力的1/5。

人工成本較高。自2020年以來煤炭價格持續上漲，實際價格已超1 500元/t，遠超過往年同期水平。經測算，人工成本在總成本中的占比較高，可達50～60元/t，高于同等規模燃氣鍋爐房蒸汽27元/t的人工成本。

環保壓力較大。隨著國家環保政策的日益嚴苛，對燃煤鍋爐的排放標準要求也越來越高。現有鍋爐雖經多次環保設施的升級改造，但受制于場地空間有限等因素，已無法再安裝新的環保設備，目前既有環保治理系統難以達到比煙氣特殊排放限值要求更高的超低排放標準。因此不排除數年之后，鍋爐房面臨關停或繳納巨額罰款的風險[2]。

與實施“雙碳”目標相悖。燃煤鍋爐碳排放量巨大，根據國家“3060”雙碳目標，減少CO2排放已是大勢所趨。未來企業生產碳排放量將直接與企業利益掛鉤，減排任務艱巨。

2 能源中心配置策略及技術路線

綜合區域能源結構，最終考慮采用天然氣作為主要能源。天然氣具有低碳、清潔、高效、靈活、相對易儲的特性，其“清潔低碳”特性決定“燃煤替代”，“靈活易儲”決定“與新能源融合”，可實現以日、月、年為周期的存儲，在1 h內從啟動到完全運行，同等產出下與煤炭相比減碳50%左右，熱效率高10%～20%，CO2和粉塵減排100%，氮氧化物減排50%～80%。

2.1 中期燃氣鍋爐供能系統

2.1.1 主蒸汽鍋爐配置原則

燃氣鍋爐總裝機規模以近3年實際用氣規模為依據，并略大于實際用氣規模，裝機設備負荷可隨氣溫變化靈活調節的同時保證極寒天氣下港口供熱的安全。燃氣鍋爐宜采用臥式多級壓力蒸汽系統，降低排煙溫度，提高廢熱利用率，臺數及容量參數根據油品碼頭蒸汽負荷季節波動情況綜合確定，采用一級連續排污擴容系統，系統有切換至定期排污擴容器的旁路。

2.1.2 調峰設備選型原則

調峰鍋爐在低負荷運行下蒸汽供應連續穩定，供熱介質及參數與主蒸汽鍋爐保持一致，臺數不超過兩臺，采用新建以燃氣鍋爐為蒸汽生產熱源的能源中心替代燃煤鍋爐房和電廠外購蒸汽。

2.1.3 燃氣鍋爐臺數和容量確定原則

根據廠區情況，選用的燃氣鍋爐容量以及臺數按照所有運行的鍋爐在額定最大工況下，可滿足廠區最大供熱負荷進行計算，同時兼顧最高及最低負荷情況，同時鍋爐臺數、額定出力情況和其他輔機的性能有效適應廠區用氣負荷變化，尤其重要的是應兼顧夏季低負荷波谷期鍋爐機組的運行要求。要求燃氣鍋爐運行中最低效率不低于30%，且不能長期以低于60%的負荷運行[3]。

鍋爐系統的布置按以下原則進行：選用不同額定蒸發量的鍋爐機組不宜超過兩種。綜合考慮廠區情況并結合現場實際情況，采用兩臺主鍋爐作為持續供汽用，一臺調峰鍋爐在故障或調峰時使用，當其中一臺主鍋爐發生故障時，另一臺主鍋爐及調峰鍋爐能滿足生產用氣最低熱負荷量。鍋爐機組采用全自動可調節鍋爐，燃燒器采用自動比例調節方式，并具有同時調節燃氣量和燃燒空氣量的功能。如后續因應急油種或燃氣量變化導致總用氣負荷量增加時，也應考慮在新建鍋爐房預留位置新增鍋爐，新舊鍋爐采取并聯形式使用，保持系統一致。

2.2 遠期燃氣輪機供能系統

遠期采用燃氣輪機+余熱鍋爐組合，一對一替換中期建設的40 t燃氣鍋爐，保留10 t調峰鍋爐，組成新的供汽和發電相結合的能源供應體系。

2.2.1 技術原則

能源中心設置嚴格執行國家有關設計規范和規程，力求負荷與布局合理，采取可靠、合理的流程，達到節約能源、節省投資、節約占地的目的，設計中選用運行可靠的節能產品，采用先進技術，氣候補償系統、設備變頻、低氮燃燒、煙氣冷凝器、分時供熱、鍋爐群控等節能技術。能源中心按具有先進水平設計，方便運行管理和維護，保證較高的供熱質量，采取有關環保措施，使煙塵排放、噪聲等達到國家有關標準。

2.2.2 供能技術方式

燃氣輪機分布式供能系統主要由燃氣輪機驅動發電系統和排氣余熱回收系統組成，排氣余熱以蒸汽形式回收利用，其系統特點如下。

排氣余熱可以生產高參數的蒸汽，為區域提供生產工藝用汽，經濟性較高，尤其采用供熱型燃氣輪機，可以根據生產用汽和用電需求調節負荷。燃氣輪機發電機組在無外界電源的情況下可以快速啟動和加載，適合作為緊急備用電源和電網中尖峰負荷的調峰電源，能較好地保障電網的安全運行，其運行噪聲屬于高頻噪聲，較為容易采取防噪防振動措施。運行成本、日常維護費用較燃氣內燃機組低，余熱排放集中，氮氧化物含量較低。

燃氣輪機分布式系統可以采用雙燃料，當天然氣壓力參數降低至允許值以下時，機組自動切換至其他備用燃料（LNG、柴油、重油等）運行模式，正常運行時也可手動切換至其他燃料模式，主要優點是體積小、質量輕。重型燃氣輪機單位功率的質量為2～5 kg/kW，航改機單位功率質量一般小于2 kg/kW，功率范圍廣，種類齊全，負荷適應范圍廣，但在低負荷區域運行時，效率下降幅度較大，出力隨環境溫度變化而變化，環境溫度升高，燃氣輪機出力下降。供能系統見圖1。

圖1 供能系統

2.2.3 補燃型余熱鍋爐

余熱鍋爐又被稱為熱回收蒸汽發生器，是指回收利用各種工業生產過程中的廢氣顯熱的裝置。對于分布式供能站配套的原動機，做功后排出的煙氣具有較高的溫度，在400℃～600℃，可以充分利用這部分熱量生產蒸汽，提高整體熱效率。一般情況下原動機燃氣輪機排煙中含14%～18%的O2，可以在余熱鍋爐安裝補燃燃燒器，補充天然氣進行燃燒，提高煙氣溫度，從而相應提高蒸汽參數和產汽量，改善機組變工況特性的同時滿足工藝用汽需求。

3 碳減排及煙氣污染防治

3.1 CO2減排

3.1.1 中期燃氣鍋爐功能系統

依據L集團“十三五”期間CO2排放計算公式，CO2排放量（t）=原煤質量（實物量，t）×2.493+液化天然氣體積（m3）/1 000×2.75，根據燃煤鍋爐房燃煤耗量統計數據計算，2020年全年總耗煤量為40 316.5 t，改造后燃氣鍋爐全年耗氣量1 022萬m3，通過以上公式計算可知：改造前，CO2排放量=40 316.5×2.493 t=100 509.034 5 t。改造后，CO2排放量=1 022×104/1 000×2.75 t=28 105 t。CO2減排量為71 404 t。

3.1.2 遠期燃氣輪機供能系統

僅考慮燃料消耗的減排量：改造前，CO2排放量=40 316.5×2.493 t=100 509.034 5 t。改造后，CO2排放量=1 440×104/1 000×2.75 t=39 600 t。CO2減排量為60 909 t。

考慮發電產出的減排量：根據近3年用蒸汽量，全部采用燃氣輪機+余熱鍋爐+燃氣調峰鍋爐的方式，生產蒸汽的同時燃氣輪機3年平均發電量為4 880.19萬kWh。按照2020年全國燃煤電廠平均1 kWh發電耗標煤量為0.308 kg，發電總耗標煤量=燃氣輪機3年平均發電量×0.308 t=4 880.19×104×0.308 t=15 030.99 t。根據國家發改委有關火電廠耗煤發電數據，工業鍋爐每燃燒1 t標準煤產生CO22 620 kg，根據中國碳排放交易網數據，標準煤的碳排放系數為0.682，計算可得：CO2排放量（t）=總發電折算標煤量×2.62 t=15 030.99×2.62 t=39 381.19 t。綜上，如果考慮將燃氣輪機發電量全部消納，可以減少CO2排放量（60 909+39 381.19）t=100 290.19 t。

3.2 煙氣污染物減排

天然氣的主要成分為CH4，其燃燒產物主要為CO2和H2O。由于天然氣中S元素含量極少，因此煙氣中基本檢測不到SO2，SO2排放濃度低于規范要求的排放濃度；天然氣完全燃燒后的煙氣中只有少量的煙塵，其排放濃度亦低于最高允許排放濃度；天然氣燃燒過程中會產生少量NOx，采用超低氮燃燒器可減少NOx產生量，使其排放濃度低于最高允許排放濃度。根據改造后的節約標煤量計算得到，可減少SO2排放106 t，減少NOx排放92.3 t，減少煙塵排放3.74 t。

4 結論

能源中心以天然氣供熱為主要供能形式，中期采用燃氣鍋爐替代燃煤鍋爐，遠期遵循“以熱定電”的供能原則，采用燃氣輪機簡單循環工藝，排氣余熱生產高參數的蒸汽，為區域生產提供清潔用汽，使得油品港區碳排放量、污染物排放量大幅降低，中期方案供應整個港區蒸汽和采暖負荷，遠期方案同時滿足整個港區用電需求，節省了電力采購和外購蒸汽的費用，人工成本和鍋爐煙氣處理成本也大為下降，在打造綠色低碳港口的同時保證了區域主要生產功能不受影響，同時燃煤鍋爐房與電廠供熱管線設備設施保留，與能源中心形成互為備用狀態，確保區域能源安全。