基于能源条件的青岛市清洁供热发展策略

2023-10-14李琳红林晓红郑淑晶

煤气与热力 2023年9期

王伟, 李琳红, 林晓红, 郑淑晶

(青岛市城市规划设计研究院,山东青岛266022)

1 概述

青岛市于2014年发布实施《青岛市清洁能源供热专项规划(2014—2020年)》,是国内较早全面推动清洁供热的城市。通过挖掘大型热电联产供热潜力、渐进式煤改气、推广可再生能源供热等措施,积极推动城市供热能源转型,在控制供热燃煤增量、减少大气污染物排放方面取得了显著成效。双碳目标下,传统的以污染物减排为主要目标的清洁供热向低碳化清洁供热演进[1]。在既有集中供热体系基础上,进一步整合优质供热资源[2],发展“资源有保障、经济可承受”的清洁供热,是青岛城市供热实现可持续发展的必由之路。本文分析青岛的清洁供热能源条件,对青岛清洁供热发展策略进行探讨,对推进青岛清洁供热发展提出建议。

2 清洁供热探索与实践

2013年9月,环境保护部(现生态环境部)等部委印发《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》,对包括山东省在内的京津冀及周边地区的大气污染防治提出明确目标和任务。2013年7月,山东省人民政府印发《山东省2013—2020年大气污染防治规划》和《山东省2013—2020年大气污染防治规划一期(2013—2015年)行动计划》,提出用8年左右时间,分3期实现全省环境空气质量基本达标。为切实改善大气环境质量,落实国家和山东省相关政策文件关于控制煤炭消费总量、大力发展清洁能源的要求,青岛市人民政府在2014年12月发布实施《青岛市清洁能源供热专项规划(2014—2020年)》,全面推进实施清洁供热,并同时发布《青岛市加快清洁能源供热发展的若干政策》,从特许经营、财政补贴、税收优惠等方面提供支持。2023年1月,为适应双碳目标下清洁供热面临的新形势、新任务,青岛市人民政府印发新版《青岛市加快清洁能源供热发展的若干政策》,进一步明确青岛清洁供热类型、范围,规范规划建设流程,加大建设资金支持力度,优化运行管理。

经过多年努力,青岛清洁供热得到长足发展。截至2022年底,市区清洁供热面积约27 993×104m2,其中清洁燃煤集中供热面积约19 448×104m2、天然气供热面积6 303×104m2、电供热(主要为各类热泵)面积1 365×104m2、生物质供热面积877×104m2。本文涉及的供热对象主要为青岛市区:市南区、市北区、李沧区、崂山区、城阳区、黄岛区、即墨区。

3 清洁供热能源条件

清洁供热能源通常包括清洁化燃煤(以大型热电联产利用为主)、余热、核能(以核热电联供利用为主)、天然气、电、地热、生物质能、太阳能等[3]。现阶段,青岛供热能源结构以燃煤为主体,供热行业在寻求替代燃煤的清洁能源时,需要充分考虑资源支撑能力[4]。

3.1 大型热电联产

山东省人民政府办公厅关于严格控制煤炭消费总量推进清洁高效利用的指导意见提出,到2025年底,青岛将淘汰全部30×104kW以下抽凝机组及中温中压机组。届时,青岛中小型燃煤热电联产热源将全部转型发展,仅保留华电青岛电厂、大唐黄岛电厂、华能董家口热电厂3家大型热电厂的30×104kW及以上机组。2025年3家大型热电厂装机规模、供热潜力见表1。由表1可知,到2025年,3家大型热电厂总供热潜力可达到3 658 MW。

表1 2025年3家大型热电厂装机规模、供热潜力

3.2 工业余热

以化石能源作为燃料或原料的工业企业,如钢铁、石油加工、化工企业等企业余热资源通常较为丰富[5]。青岛市区工业企业逐步退市入园,将呈现集聚发展态势。以区位、开发潜力、现状管网条件为综合评价因素,青岛大型工业余热资源主要存在于青岛特钢、青岛海湾金能化学、青岛炼化3家大型工业企业。根据调研,采用间壁换热、热泵串联回收等技术,上述3家大型工业企业近期工业余热供热潜力约1 386 MW。3家大型工业企业余热资源概况、供热潜力见表2。

表2 3家大型工业企业余热资源概况、供热潜力

3.3 城市污水热能

城市污水由于水温水量相对稳定、便于规模化集中利用的特点,是热泵系统优质的冷热源,污水源热泵是目前投资比较低、运行效果稳定且良好的热泵技术之一[6]。若采用热泵技术回收污水厂低品位热能用于城市供热,按照污水供回水温差5 ℃、热泵制热性能系数4.0计算,1×104t/d的污水取水量可实现约3.2 MW供热能力[7]。

随着人口规模增加和污水收集处理率提高,青岛污水处理规模快速增长。根据《青岛现代水网建设规划》提供的数据,青岛市区远期污水处理规模将达到370.7×104t/d。考虑污水量波动、设施利用率等因素,按照污水处理规模的60%计算热泵系统可利用水量,仍按1×104t/d的污水取水量可实现约3.2 MW供热能力考虑,可计算得到青岛市区远期污水源热泵供热潜力为711.7 MW。青岛市各区污水处理规模和污水源热泵供热潜力见表3。

表3 青岛市区污水源热泵供热潜力

3.4 天然气

青岛自身无天然气资源,所需天然气全部需要外部输入,青岛现由长输管道和海上LNG双气源联合供气。依据《山东省能源发展“十四五”规划》中天然气发展利用规划,未来青岛不论长输管道气源还是海上LNG气源均有充足的保障,将形成以淄青线、泰青威线、山东LNG接收站、山东管网东干线为主,中世管线为辅的气源体系。随着海陆并进气源方案的推进,青岛已成为国家天然气管网的重要枢纽和气源节点,未来青岛天然气可利用规模将达到111×108m3/a。青岛可利用天然气气源见表4。在燃气供热设施方面,青岛市区范围内已建成燃气供热锅炉36台,总热功率为1 094 MW。十四五期间青岛将建设华电、大唐两个燃气-蒸汽联合循环热电联产项目,装机规模均为2×500 MW,供热能力分别为700、437 MW。

表4 青岛可利用天然气气源

3.5 垃圾焚烧发电余热

青岛是全国46个垃圾分类试点城市之一,入选全国第二批“无废城市”试点,在垃圾减量化、无害化、资源化处理方面处于全国前列。2021年,全市生活垃圾无害化处理率已达到100%,其中市区生活垃圾全部进入垃圾综合处理园区焚烧处理。目前,市区范围内共有垃圾综合处理园区3个,建有垃圾焚烧发电厂4座,垃圾焚烧处理能力6 900 t/d,2022年实际处理生活垃圾309×104t。郊区县市垃圾焚烧发电厂远离市区,本次研究未予考虑。

各垃圾焚烧发电厂均采用垃圾焚烧炉+凝汽式汽轮发电机组的配置,在无害化处理垃圾的同时实现垃圾焚烧热能的资源化利用[8]。垃圾焚烧发电厂的凝汽式汽轮发电机组循环冷却水水温恒定、水量较大,具备进一步余热利用的潜力[9],采用厂内蒸汽型吸收式热泵机组提取热量后,可作为城市集中供热热源。青岛市区垃圾焚烧发电余热供热潜力见表5。由表5可知,青岛市区垃圾焚烧发电余热供热潜力可达到460 MW。

表5 青岛市区垃圾焚烧发电余热供热潜力

3.6 核热电联产

核能供热具有低碳、清洁、规模化的优势,目前主要有低温核供热、核热电联产两种方式。核热电联产的综合能源利用率能够达到80%,具备较高的节能优势[10],结合大温差长输供热技术,可为核电厂周边城市提供安全稳定的热能[11]。山东省依托沿海核电项目,加快核能供热、海水淡化等综合利用,积极推进海阳核电厂向烟台市区、青岛等地供热。

海阳核电厂规划建设6台AP1000型GW级核电机组[12]。目前,1、2号机组已建成投运。3、4号机组已于2022年7月开工建设,预计2028年全部建成投产。5、6号机组已取得开展前期工作许可。海阳核电厂是国内首个实现核能供热商用的项目,截至2021年底,已实现为核电厂周边和海阳市供热520×104m2。根据现场调研了解,海阳核电厂2～6号机组均为热电联产机组,单台机组供热能力为900 MW。在综合考虑烟台、威海地区供热需求的情况下,海阳核电厂在2030年后可为青岛提供供热能力4 200 MW,见表6。

表6 海阳核电厂的供热能力

3.7 氢能

氢能供热具有能源利用效率高和零碳排放的特点,发展潜力巨大[13]。2022年3月,国家发改委、国家能源局发布《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》,提出探索氢能作为高品质热源的应用。目前,我国在天然气掺氢、氢燃料电池热电联产、氢气锅炉等氢能供热领域均进行了有益探索[14]。青岛本地工业副产氢资源比较丰富,具备开展氢能供热的有利能源条件。调研发现,目前青岛市可用大型氢气资源主要有海湾化学、丽东化工、青岛炼化、金能化学,可外供工业副产氢14.3×104t/a,折合高纯氢气(纯度99.97%)为10.93×104t/a。青岛工业副产氢资源见表7。根据《青岛市加氢站布局专项规划(2021—2035年)》,青岛市远期氢燃料电池汽车氢气(纯度99.97%)需求量为2.6×104t/a,氢气来源主要为本地工业副产氢。则可用于氢能供热的本地氢源(纯度99.97%)规模为8.33×104t/a。随着国内氢能供热技术的逐步成熟,青岛市具备发展氢能供热的巨大潜力。

表7 青岛工业副产氢资源

3.8 综合分析

综上所述,青岛市可利用的大型热电联产、工业余热、城市污水热能、垃圾焚烧发电余热、核热电联供等清洁供热资源供热潜力达到10 415.7 MW。根据青岛市热力专业规划,市区2035年规划供热面积约3.3×108m2,远期规划热负荷为12 440 MW。上述清洁供热资源经整合开发后,供热能力达到远期规划热负荷的83.7%。青岛市清洁供热能源条件良好,大型热电联产、工业余热、城市污水热能、垃圾焚烧发电余热、核热电联供等可作为青岛清洁供热的基础热源。

4 清洁供热发展策略

4.1 清洁能源利用策略

在能源、资源有保障的前提下,清洁供热能源利用策略的确定还应充分考虑技术成熟度、经济性、与既有供热体系的兼容程度、地方政策等因素[15]。具体到青岛的供热能源选择,现状存量较大的燃煤供热方式虽然投资和运行成本低,但碳排放高,双碳背景下必然面临被其他清洁供热方式替代的结局。大型燃煤热电联产、核热电联产供热规模大、供热成本比较低,是当前替代传统燃煤供热的首选热源。污水源热泵、垃圾焚烧发电余热综合效益好,碳排放强度低,应能用尽用、大力发展。其他热泵供热方式在运行成本和碳排放指标方面优于化石能源,但投资较高,应因地制宜、适度发展[16]。对于天然气供热,受限于上游气源季节调峰保障能力的不稳定性以及较高的运行成本,适合作为清洁供热转型过程中的过渡能源[17]。

综合考虑多方面因素,提出青岛各类清洁供热能源利用策略。

① 煤炭(清洁化利用):充分发挥大型热电联产潜力,承担基础负荷,逐步替代燃煤锅炉房。电能:主要作为热泵驱动能源,电储热应用为辅。天然气:近期作为替代燃煤的过渡能源,远期以调峰功能为主。

② 工业余热、垃圾焚烧发电余热:能用尽用,大力发展。

③ 生物质能源:作为燃煤替代能源之一鼓励发展。污水能:能用尽用,大力发展。空气能:作为集中供热补充,适度分散发展。海水能、地热能:因地制宜,适度发展。太阳能:与其他能源方式联合利用。

④ 核热电联产:以长输供热为主,积极推进,充分利用,承担基础负荷。氢能:探索应用,发展试点,以点带面。

4.2 清洁供热发展策略

在本地优质供热能源(大型热电联产、工业余热、城市污水热能、垃圾焚烧发电余热)和周边优质核能基础上,辅之与电网调峰协同的可再生能源热泵、电储热[18]等分布式能源站和天然气调峰锅炉房,能够满足青岛市清洁供热发展需要。

综合国家、省、市相关政策、规划和青岛的能源条件,青岛市未来清洁供热转型发展应采取“引热、联通、挖潜、减煤、拓气”的策略:积极引入海阳核电厂余热,与本地大型燃煤热电联产热源共同作为城市集中供热的主力。打通大型主力热源之间的联通管道,推动大温差供热改造,优化管网运行参数,深入发掘区域内钢铁、石油化工等企业工业余热和垃圾焚烧发电余热潜力,纳入集中供热系统。优先利用城市污水资源,充分发掘污水处理厂尾水供热潜力,因地制宜、多能联合发展可再生能源供热和电储热,逐步推动天然气替代燃煤承担调峰热源和补充热源。