天然气热电联产调峰锅炉房存在问题的探讨

2023-01-09金芳

中国工程咨询 2022年7期

文/金芳

一、前言

温室气体的排放，增加了地球的温室效应，在一定程度上破坏了全球生态系统。我国已全面确立了“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的目标，加速绿色转型发展势在必行。

一般的火力发电厂都是以煤炭作为供应，而且只能发电。在整个系统过程中，循环水把大量的热能带走，未进行再利用就排放到大气中，造成了很大的浪费。燃烧一吨煤炭（标准煤）可产生约2.8吨的碳排放。因此，在环境保护和节能减排的背景下，热电联产厂应运而生，热电联产厂在生产电能的同时，将热能进行充分利用，具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电力供应等综合效益。

热电联产供热网设置调峰锅炉对提高热电厂供热面积，充分利用热电厂优质热源起到了非常好的作用。随着调峰锅炉装机规模的持续扩大，未来天然气调峰锅炉将是发展趋势。本文以天津市为例，探讨设置燃气调峰锅炉的背景、影响因素及优化建议。

二、设置燃气调峰锅炉的背景分析

（一）燃气调峰锅炉发展潜力大

在热电联产项目中，调峰锅炉一般在冬季供暖期投入运行，具有季节性连续运行的特点。热电联产机组与调峰锅炉联网运行，热电联产机组为基础热源，锅炉为调峰热源。传统调峰锅炉通常为燃煤锅炉，随着国家政策的影响，以天然气作为气源的调峰锅炉将会获得大力的推广。

（二）污染气体和二氧化碳排放量更低

在《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021）》中，明确指出热电联产机组和城市城区的燃煤锅炉必须达到超低排放标准（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10、35、50毫克/立方米）。而使用天然气的调峰锅炉所排放的氮氧化物、二氧化硫等空气污染气体和二氧化碳排放量更低，同等条件下，天然气的调峰锅炉比煤电的调峰锅炉，氮氧化物排放量少30%，二氧化碳排放量少58%。

（三）碳达峰、碳中和的政策持续推进

国家发展和改革委员会发布的《关于2021年国民经济和社会发展计划执行情况与2022年国民经济和社会发展计划草案的报告》中列出了2022年积极稳妥推进碳达峰碳中和、提升能源资源安全保障能力方面的重点工作。火电增速下降，燃气发电以调峰为主，碳达峰碳中和目标倒逼能源发展加速转型，能源新模式新业态不断涌现。清洁能源大幅增长，清洁取暖、多元竞争成为趋势。

三、以天津市为例，设置燃气调峰锅炉存在的一些问题

（一）天然气气源问题

1.能源供给不能满足能源持续增长的需求

天津承担着推进京津冀协同发展、服务“一带一路”建设等重大国家战略任务，实现“一基地三区”城市定位，打造天津能源革命先锋城市目标，为能源高水平改革开放、高质量发展搭建了重要平台，能源需求持续增长。预计2025年，全社会用电量1125亿千瓦时，最大负荷23000兆瓦；天然气需求约133亿立方米；供热面积将有较大幅度的增长。到2025年，电力占终端能源消费比例达到38%，天然气占一次能源消费比例达到20%，清洁供热将成为主要方式，新增可再生能源装机约3000兆瓦，非化石能源发电装机比重超过20%。至2020年底，天津市天然气年用气量达到92亿立方米，天然气占一次能源消费总量的比例约为16%。目前，对天然气能源的投资跟不上未来日益增长的能源需求。随着经济的逐步恢复和旅游市场的重新开放，能源需求已经飙升到新冠肺炎疫情大流行前的水平，这一缺口只会进一步扩大，也使能源市场供需矛盾更加紧张。

2．储气调峰设施建设滞后

目前，天津市市域内只有地下储气库2座，分别为大张坨地下储气库和版南地下储气库，其产权为中石油所有，主要用于满足北京市季节储气调峰和天津、河北少量调峰需求。到目前为止，上游供气企业承诺给天津市的日最大供气量仅为全年日平均供气量的1.2倍。按此计算，季节储气调峰设施的不足会成为影响设置燃气调峰锅炉的重要因素。

3.天然气产业配套能力不足

近年来，天然气产业在全国范围内得到了快速发展，但随着天然气产业的快速发展，产业链发展不均衡、不协调的问题逐步显现，供应增加与配套设施能力不足的矛盾、管网快速发展与储气能力建设滞后的矛盾、市场开发与配套能力落后的矛盾日益突出。

4.燃气设施基础建设难达预期

为保证燃气调峰锅炉的正常稳定运行，需大量建设天然气管道、调峰站等基础设施，工程涉及面广、投资大、工程进度不好控制，气源供应难以保证。另外，如“十四五”期间实际燃气供热面积超出计划面积，气源的供应可能也会出现问题。

（二）燃气管网问题

以14座调峰锅炉的燃气配套工程为例，设置14座燃气调峰锅炉房，总容量为2583MW,供热面积5166万㎡。

1.调峰锅炉用气负荷较高，现状管网规模不足

14座锅炉房为调峰锅炉房，其作用是当气温较低（一般低于采暖期的平均温度）且热力管网能力不能满足采暖实际需要时，启动燃气锅炉为热力管网补充热能。燃气锅炉运行时间取决于采暖期内气候条件、热力管网的设计能力及其所带负荷等因素。根据津能集团提供的调峰锅炉运行方式的有关数据，调峰锅炉一般自每年12月21日开始运行至次年的2月6日前后，每采暖季运行时间约为48天左右，折合满负荷运行时间为24天。根据14座调峰锅炉房5166万㎡的规划供热面积推算（按锅炉最终容量推算），当其满负荷运行时，燃气高峰每小时用气量为27.6万m³，高峰日用气量为874万m³，调峰期平均日用气量为445万m³，年用气量为2.14亿m³。为满足调峰锅炉的用气需求，除利用燃气的管网外，还需新建3座16万m³LNG储气罐，4座高调站，高中压管线约80公里。

2.管网建设按其高峰用能需求为基础，投资较高

燃气调峰锅炉年运行时间短，其能源消耗量仅为同规模正常运行的燃气锅炉的30%，但其自身建设和气、水、电等各项配套设施的建设规模均以满足其高峰用能需求为目标。

燃气配套设施按照满足5166万㎡供热面积的高峰负荷进行配置，燃气工程投资约25.58亿元，投资较高。无论锅炉按调峰锅炉运行还是按一般供热锅炉运行，燃气设施的配置均相同，燃气工程的投资不会减少。

（三）燃气配套设施的运行成本较高

以上述14座调峰锅炉燃气配套设施运行成本为例，调峰锅炉运行时调峰气源占总用气量的85%左右，调峰气源从储气到应用需要经过液化（或外购）-低温储存-气化-升压-输送-降压-输送等过程，整个过程生产成本较高。另外，调峰锅炉年用气量小，每年运行时间只有1个半月左右，其燃气配套设施使用效率仅有12.5%左右。

综合上述情况进行测算，14座调峰锅炉燃气配套设施年运行成本为14亿元，折合到每立方米天然气，其成本为6.76元/ m³（其中含动力费、工资及福利费、修理费、摊销费用、其他费用，不含燃气购入费用），远远超过现在天然气（天津市集中供热用气价格为3.43元/m³）的售气价格。

（四）运行风险较大

在供热系统方面，热电联产设置燃气调峰锅炉形成的供热系统过于庞大，热电联产机组承担基本热负荷，燃气调峰锅炉承担尖峰热负荷。燃气调峰锅炉除自身寿命损耗外，还会遇到如下问题：

1.满负荷运行，加重了锅炉受热面的磨损。正常运行的燃气调峰锅炉在75%-85%负荷运行时最为经济，锅炉的效率也最高，当负荷增至满负荷，锅炉效率则随负荷的增加而下降。同时锅炉内烟气流加快，使烟气侧对流放热系数增大，从而加重了锅炉受热面的磨损，加大了运行风险。

2.频繁启停，引起疲劳损伤。燃气调峰锅炉频繁的启停，系统内金属部件会受到剧烈的温度变化，由此产生交变热应力，引起部件疲劳损伤。

结合上述问题，系统中热电厂、调峰锅炉等任何一个环节出现问题都可能导致整个系统无法安全稳定运行。

四、建议和措施

（一）天然气气源，需优先进行可靠性分析

积极利用本地区及周边的气源，以弥补自身季节储气调峰配套设施的不足。天津南港工业区的LNG接收站是中国石化最大的LNG资源地，因此，天津市在冬季燃气调峰锅炉负荷高峰期间，外购中国石化LNG气源，以满足需求。2021年11月供暖季以来，日单最高输气量4000万m³。

由于调峰锅炉一般在冬季供暖期投入运行，具有季节性连续运行的特点。天然气气源季节储气调峰设施的能力，是否满足燃气调峰锅炉的需要，需优先进行可靠性分析。结合燃气供热面积和气源的供应能力，需综合考虑燃气管网等设施、储气调峰设施等，各地区需结合自身情况进行计算分析。

（二）结合燃气管网现状优化工程投资

天津市在之前的燃气配套工程中，建设了大量的管网及设施，其主干管网的配置除自身需求外，还为今后预留部分发展空间。调峰锅炉燃气配套设施部分就利用了这部分的设施，不足部分按新建考虑，以达到优化投资的目的。

在燃气管网建设中，要科学合理的对现状管网进行水力计算，根据本地区自身管网设施情况，一部分利用现状管网设施，另一部分新建管网及设施，减少工程投资。

（三）综合考虑运行成本，合理确定气费收取模式

天津市14座调峰锅炉燃气配套设施年运行成本为14亿元，折合到每立方米天然气，其成本为6.76元/ m³（其中含动力费、工资及福利费、修理费、摊销费用、其他费用，不含燃气购入费用），远远超过现在天然气（天津市集中供热用气价格为3.43元/m³）的售气价格。按供热项目基准收益率计算，5166万平米每年的供热面积需收费29.70元/㎡才可保本，因此按照供热项目基准确定气费收取模式更为合理。

建议对热电联产设置调峰锅炉进行可行性分析时，进行全方面的成本分析，以便与热电联产用户进行良好商榷，最终确定以供热面积收取还是以现行销售气价格收取。