微型熱電聯(lián)產(chǎn)在小區(qū)集中供暖場(chǎng)景的應(yīng)用

劉 偉

上海航天智慧能源技術(shù)有限公司

0 背景

近年來(lái)隨著我國(guó)城市化快速發(fā)展，新建小區(qū)快速增多，但供暖也出現(xiàn)了問(wèn)題。在集中供暖的北方地區(qū)，一些遠(yuǎn)離熱源中心的小區(qū)由于周邊沒(méi)有供熱管網(wǎng)而面臨采暖的困境［1］。在沒(méi)有集中供暖的南方地區(qū)，居民采用分戶采暖方式，零散的采暖導(dǎo)致能源利用率低、能耗高，其供暖設(shè)備單位能耗是北方集中供暖的2.89 倍［2］。因此探討先進(jìn)的供熱技術(shù)，加快小區(qū)集中供暖建設(shè)，對(duì)實(shí)現(xiàn)市政供熱、清潔供暖、增進(jìn)人民生活質(zhì)量有著重要的意義。

1 我國(guó)采暖市場(chǎng)分析

我國(guó)采暖以秦嶺-淮河為分界線，分界線以北以集中供暖為主，分界線以南以分戶為主。北方地區(qū)清潔供暖市場(chǎng)發(fā)展迅速，總采暖面積從2016年的206 億m2增長(zhǎng)到2021 年283 億m2，清潔取暖率從34%增長(zhǎng)到了70%，清潔能源供暖構(gòu)成見(jiàn)圖1［3］。清潔供暖后環(huán)境污染治理取得顯著成效，2020年京津冀及周邊地區(qū)優(yōu)良天數(shù)達(dá)63.5%，比2019年上升了10.4 個(gè)百分點(diǎn)［4］。南方地區(qū)居民普遍采用電暖或其他分戶取暖，且隨著生活水平的提高，供暖需求不斷增大，供暖市場(chǎng)潛力巨大，預(yù)計(jì)到2030 年，供暖家庭將達(dá)到3 246 萬(wàn)～6 577 萬(wàn)戶，累計(jì)新增投資822 億～9 476 億元，累計(jì)新增消費(fèi)1 442 億～4 033億元［2］。

圖1 北方清潔能源供暖結(jié)構(gòu)圖

供暖市場(chǎng)的快速發(fā)展也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：一是集中供熱比例逐年下降［5］。新建小區(qū)快速增加使很多小區(qū)位于熱源末端或熱源無(wú)法覆蓋，面臨無(wú)采暖保障的困境；二是供熱企業(yè)由于燃料成本增加成本壓力增大。以燃?xì)忮仩t為例，燃料價(jià)格約占總供熱成本的74%（如圖2所示）。隨著冬季天然氣價(jià)格的增長(zhǎng)，企業(yè)供熱成本增加，而北方地區(qū)城市居民供暖有一定的公益屬性，存在供熱企業(yè)成本倒掛現(xiàn)象，如果沒(méi)有財(cái)政補(bǔ)貼，供熱企業(yè)面臨虧損風(fēng)險(xiǎn)［6］。

圖2 燃?xì)忮仩t供熱成本組成比例

2 微型熱電聯(lián)產(chǎn)適用性分析

微型熱電聯(lián)產(chǎn)是小型化、模塊化、布置在用戶側(cè)、能同時(shí)發(fā)電和供熱的系統(tǒng)，通常發(fā)電功率≤50 kW。與其他燃?xì)鉄嵩聪到y(tǒng)相比具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低、運(yùn)行安全等特點(diǎn)。燃?xì)鉄嵩丛O(shè)備性能對(duì)比如表1所示。

表1 燃?xì)鉄嵩丛O(shè)備性能對(duì)比

微型熱電聯(lián)產(chǎn)在發(fā)電的同時(shí)生產(chǎn)熱量，實(shí)現(xiàn)了能源梯級(jí)利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。由于微型熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在運(yùn)行費(fèi)用低，因此方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使系統(tǒng)處于滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行工況。在采暖應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)我國(guó)地域差別，供暖季一般3-5 個(gè)月，微型熱電聯(lián)產(chǎn)通常按最低連續(xù)熱負(fù)荷配置容量，并與鍋爐或熱泵等常規(guī)熱源聯(lián)合供熱，如此既可避免采暖初期鍋爐或熱泵低負(fù)荷工況下效率低的問(wèn)題，也可發(fā)揮微型熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)急電源的作用，解決在電網(wǎng)停電時(shí)循環(huán)水泵停運(yùn)問(wèn)題。

燃料價(jià)格對(duì)不同設(shè)備的成本影響很大。從圖3 可看出，微型熱電聯(lián)產(chǎn)和燃?xì)鉄岜眠\(yùn)行成本明顯低于燃?xì)忮仩t。受氣價(jià)、電價(jià)影響，微型熱電聯(lián)產(chǎn)與燃?xì)鉄岜眠\(yùn)行經(jīng)濟(jì)性存在交叉點(diǎn)，當(dāng)氣價(jià)低于3 元/m3、電價(jià)高于0.6 元/kWh，微型熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于燃?xì)鉄岜谩?/p>

圖3 燃?xì)鉄嵩丛O(shè)備經(jīng)濟(jì)性分析

圖4 NY40微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)接入圖

3 案例介紹

濟(jì)南某小區(qū)居民約1 000 戶，冬季供暖站承擔(dān)12 萬(wàn)m2的供暖，目前熱源為2 臺(tái)1 700 kW 的燃?xì)鉄崴仩t，供暖時(shí)間為每年11 月15 日至次年3 月15 日，約120 d，氣價(jià)1.71 元/m3，電價(jià)1.3 元/kWh。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，降低供熱站運(yùn)營(yíng)成本，根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況，增加4 臺(tái)22 kW NY40 微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多熱源供熱。NY40 微型熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 NY40微型熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備參數(shù)

1）改造方案

NY40 微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)并入低壓供熱區(qū)，采用再循環(huán)加熱模式，從原來(lái)循環(huán)水回水泵出口處引一路作為NY40 入口，經(jīng)加熱后匯入循環(huán)泵入口。NY40 所發(fā)電量并入供熱站配電柜，滿足供熱站用電負(fù)荷需求。NY40 微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程圖如圖4所示，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)圖5。

圖5 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)圖

2）運(yùn)行策略

4 臺(tái)NY40 燃?xì)獍l(fā)電熱水機(jī)與鍋爐聯(lián)合運(yùn)行，采暖初期和末期熱負(fù)荷低時(shí)，NY40 運(yùn)行，鍋爐停運(yùn)；中間時(shí)段和燃?xì)忮仩t聯(lián)合運(yùn)行，NY40 按設(shè)定工況連續(xù)運(yùn)行，鍋爐則根據(jù)熱負(fù)荷的波動(dòng)變工況運(yùn)行。

3）經(jīng)濟(jì)效益分析及節(jié)能減排計(jì)算

對(duì)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行測(cè)算（如表3 所示），建設(shè)4 臺(tái)NY40+燃?xì)忮仩t方案比原來(lái)僅燃?xì)忮仩t年運(yùn)行費(fèi)用低29.6 萬(wàn)元，項(xiàng)目投資按90 萬(wàn)元計(jì)算，投資回收期3年。

表3 年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

節(jié)能減排計(jì)算如表4 所示，可以看出NY40 具有良好的節(jié)能減排效益，與燃?xì)忮仩t相比，年節(jié)約58 tce，減少CO2排放136 t。

表4 NY40節(jié)能減排計(jì)算

4 結(jié)論

1）微型熱電聯(lián)產(chǎn)是小型化、模塊化、布置在用戶側(cè)、能同時(shí)發(fā)電和供熱的清潔、高效能源系統(tǒng)，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低、運(yùn)行安全等特點(diǎn)，可有效解決城市供暖末端沒(méi)有熱源小區(qū)的供熱，解決分戶供熱能耗高、成本高等問(wèn)題。

2）微型熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行工況。在采暖應(yīng)用場(chǎng)景，微型熱電聯(lián)產(chǎn)通常按最低連續(xù)熱負(fù)荷配置容量，與鍋爐或熱泵等常規(guī)熱源設(shè)備聯(lián)合供熱。采暖初期和末期微型熱電聯(lián)產(chǎn)單獨(dú)運(yùn)行，中間時(shí)段按設(shè)定工況與其他熱源設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行，有效解決了采暖初期鍋爐或熱泵低負(fù)荷工況下效率低、電網(wǎng)停電時(shí)循環(huán)水泵停運(yùn)無(wú)法供暖的問(wèn)題。

3）對(duì)濟(jì)南某小區(qū)集中供熱改造項(xiàng)目進(jìn)行了分析，建設(shè)4 臺(tái)22 kW 微型熱電聯(lián)產(chǎn)+燃?xì)忮仩t方案比僅燃?xì)忮仩t年運(yùn)行費(fèi)用低29.6 萬(wàn)元，增量投資回收期3 年，年節(jié)約58 tce，減少CO2排放136 t。微型熱電聯(lián)產(chǎn)在實(shí)際供暖中具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效益，可在類(lèi)似項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。