中国城镇供热协会
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2020年7月31日,中国城镇供热协会通过直播形式召开了“供热百家讲坛(四):中国清洁供热2025模式与工程实践”主题会议。


清华大学教授、协会城市能源规划专业委员会主任委员付林作了关于“中国清洁供热2025及工程实践”的主题演讲。他介绍了“中国清洁供热2025”模式提出的背景,电厂余热利用技术路线演变过程、烟气余热回收历程,近年来“中国清洁供热2025”的应用案例以及效果等。“中国清洁供热2025”近三年已得到迅速推广,涉及供热面积超过10亿平米。未来,到2050年中国北方城镇200亿供热面积中有80%采用“中国清洁供热2025”,相比常规清洁供热方案,将会节能50%,供热的大气污染物排放降低80%,综合成本降低25%。

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各位大同仁们大家好,我借这个机会给大家汇报一下我们这些年来做的一些工作。清洁供热2025是我们多年来从工程实践中一步步积累总结出的一套解决中国城镇清洁供热的模式。



这个模式的几个方面,我主要从它产生的背景和一些经历上去分享一下现在和未来这个技术存在或者发展的一个可能性。



第一个,我们清洁供热的最终追求的目标是什么?我们国内实际面临两个问题,一个是应对气候变化,还有一个是我们国家的大气污染相对还是比较严重,比如说雾霾问题,是能源方面的问题,也是供热需要面临的严重问题。



在这个背景下,我们要锁定清洁供热的目标,一就是从环境上来讲要低排放,还有一个是清洁低碳。光有这个目标还不够,还要在经济性上可行,要低成本,如果把这两个目标放在一起的话我们该怎么办?



欧洲现在搞集中供热的主要还在欧洲,北欧、前苏联这些地区现在发展的目标,从能源结构上来讲,主要以低碳或者零碳为目标发展可再生能源和工业余热。为了保障能源能够在供热里边能够运用,他们提出低温供热技术,也就是低温供水低温回水,这样的话能够高效的低成本的把这些热量,包括工业余热可再生能源的热量利用起来。


这种低温供热的技术,在我们国家能不能使实现?因为我们城市体量比较大,对应的供热规模也比较大,在用小温差的情况下输送能力问题就得不到解决,因此这种低成本模式就无法实现。所以欧洲的这种模式,在中国现在发展的趋势来讲,我们国家应该有所不同。



实际上这20年来,中国清洁供热工作一直在努力做着,印象最深的是在2000年前后,我在搞热联产集中供热的时候,清华力学系有位老师就提出要采用地源热泵的形式供热。延续到现在所谓的地源热泵、水源热泵已经20年了,虽然推广的规模一直在增长,大家看这个图就绿色的部分就是我们说的是其他的供热方式这块,实际上多数指的是电供热电采暖,地源热泵、水源热热泵发展很慢,总加起来不到5%。


从现在这个图里面看,电采暖在城市的利用空间还是有限。另外一个途径就是大概在2000年初开始的煤改气,国家有大量的政策补贴来做这个事情,用天然气来供暖这种模式大概是10%~15%。为什么这种模式不能作为一个主流的模式在中国进行大面积的推广?主要的原因我认为是一个成本的问题。虽然它比煤要要干净,但它的成本还是很高,我们国家产的气比较少,大量的需要外采,另外还包括污染问题、冬天缺气等其他问题。


目前看来仍然还有接近80%是天然气、燃煤为主的模式。因此我们提出了一种“中国清洁供热2025”这种模式,这个模式主要目的就是为了围绕回收电厂和工业的余热。



归纳起来5个特征。



第一个特征:低品位余热利用。包括两个方面的,一个是电厂的余热,一个是工业的余热。



电厂是燃煤电厂的资源,燃煤电厂在中国无论是现在还是未来相当长的一段时间,这种燃煤电厂作为我们国家的发电的一个重要组成部分是不可或缺的。


大家知道能源革命首当其冲的发电的能源结构的调整革命,我想各个大热力公司也都能深深感受到,现在很多火力发电厂,包括热电厂冬天供热的压减负荷发电负荷,为什么压减,实际上不是因为我们电量需求量减少了,而是我们能源结构调整了大量的风电太阳能上网,挤压了燃煤发电的上网,但是这种常规的火力发电,对于电力结构来讲,它可以承担为可再生能源调峰的这种作用,这个作用是其他的这种可再生能源或者叫新能源发电是不能替代的。


那么这一部分的电厂的余热,目前的电厂大概北方地区装机容量能够8亿千瓦,就是我北方地区这些电厂即便卡了一半,只用他的50%,那么这些电厂的这种余热仍然可以承担120亿平米的供热面积,因为我们现在从全全国北方地区城镇供热现在是一百四五十亿平米,也就是说这个热量就完全可以承担80%以上的城镇供热负荷的需求。


那么除了燃煤电厂,现在还有燃气电厂、核电厂,还有一些生物质的这些电厂、垃圾焚烧电厂等等,加起来完全能够满足北方地区整个城镇供暖的需求了,这是电厂余热。


另外还有同样巨大潜力的是工业余热,我们初步的统计很保守的,我们用他3/1的热用起来也能够承担50亿平米,所以这个量是非常大的。



对于电厂余热这块,我们率先做出了示范工程,做出了世界大规模应用的这种工程。那么电厂余热是分了两块,一个是汽轮机排的乏汽,另外一个就是烟气的热量。



热电联产实质上它是一种利用乏汽余热,表现形式就是汽轮机的抽气,这是一种常规的热电联产。但即便这样受技术条件的限制,抽气完之后仍然还有大量的余热没有抽完,最开始的时候我们把这些二三十度的余热,拿管道引到小区,再用电动热泵把它提出来,这种模式仍然比打井、用水源热泵要经济便宜,所以我们就按照这个方式做了一个示范工程,2005年的时候在枣庄一个十里泉电厂,我们在那儿率先有10万平米左右,应用效果还不错。



到了2006年年底的时候,我们找到一种更好的方式,在电厂用吸收式热泵,利用它先驱动一个吸收热泵,回收一部分的汽轮机的乏汽的余热,然后把50度升到80度,一份的抽取带0.7份的余热,利用吸收热泵来去加热热网,不额外消耗电或其他动力,只需要增加一个吸收热泵,增加一部分投资就能回收余热,比直接在电厂上地源热泵也节省了成本。


在2008年的时候,在山西省的某一个电厂开始用吸收热泵的路线来做余热回收,大概到了2011年之前,这个技术在若干个电厂进行了实施,包括大型电厂,但是带来一个问题,在电厂装吸收热泵,占地很大,投资也比较大。



到了2012年的时候,华电国际有专家提出要改造汽轮机,换转子来做这个事情,我认为从经济性和能源的功效来讲比吸收式热泵有优势,于是在华电国际的枣庄十里泉电厂做了个135的机组,做了一个光轴改造,也叫换转子。再后来用切钢技术把低压钢切除,直接把中压钢的气抽出来,不要低压缸或者极少的是低压缸,这种技术比换原子更加进一步。无论是切钢也好,换转子,如果单纯从电厂里面去改造,而不考虑热网和热源,不一体考虑的话就不是最优的。



相比热力电厂里边,电厂的锅炉出的蒸汽在汽轮机做完之后变成了乏汽,然后上了一台冷凝完之后最终变成了冷凝水,大概环境温度是三四十度,三十度是水再进锅炉的,它并不是直接就进锅炉了,因为锅炉里面的蒸汽的饱和温度大概都在200多度甚至300多度。进去之后低温的高温的一混,它是一种温差大的损失,为了解决损失,我们采用回加热,也就是说水进锅炉之前,要经过7级到8级梯级的回加热上去,每加1段有二三十度的温差上去,这样的话实际也减少了换热的不可逆损失。



用乏汽梯级加热是未来的发展方向。这种模式我们从2010年开始所做的这个电厂改造的,凡是经过我做的改造工程,无一例外的都是按照这种梯级加热的思路来做的这种余热回收。



在2010年,电厂乏汽余热回收采用梯级利用这种概念在大同第一热电厂实施了,我们把回水温度降低到比如四十度以下,在电厂里先经过直接换热,再经过一个吸收热泵,再加一个调峰的抽汽加热,三级以上的加热使整个的效率大幅提高。



后来在云冈电厂也是这么做的。古交电厂就更多,6台汽轮机梯级加热,这种梯级加热的方式,只有传统的热电联产的1/3的能耗,彻底改变了传统的热电联产,是真正的实践意义上的一个比较大的突破,已经经过了多个电厂的实践验证。



第二大块是烟气余热,烟气余热下一步在十四五期间可能会是发展的新的热点重点。


燃气电厂排烟温度我们进行过论证,天然气里边其实大量的余热集中在烟气排放中,因为天然气是甲烷,燃烧完生成大量的水蒸气。对于这种烟气的余热对天气来讲,锅炉大概占了10%以上,全是这种水蒸气的潜热。而对于燃气电厂余热量更大,大概占整个的供热能力的40%都是这种扔掉的这种烟气余热,所以余热回收意义很大。


我这种发展历程不仅是天然气的,燃煤的也有这问题。以前烟气余热回收存在一个什么问题?因为烟气到一定温度就会冷凝,会有酸,有腐蚀的问题,这个问题这个一直没有得到很好的解决。


后来我们觉得天然气的这种烟气,必须冷到一定的温度下才能够把大量热量释放出来,比如天然气大量的释放的热量在40度到50度之间,而我们一般的排烟温度都八九十度排出去了,热量是回收不过来,那么回收热量怎么办呢?最好是加热泵。

2000年我们课题组开始走从加热泵深度回收烟气的余热这个路线,从2000年到2002年,我们用热泵加间壁式换热器这种模式来去做研究。当时承担是北京市科委的课题,包括分布式能源天然气热电联产,我们节能楼用的第一个小的发电机,就是采用这种模式。但是间壁式换热器腐蚀的问题比较难解决,包括我们在北京南站也做了这种模式,也是有这个问题存在。


直到2012年感觉到热泵制出来冷水没有必要再加换热器换热,直接和烟气喷淋接触就可以了。所以在2012年我们提出用热泵加喷淋式换热来解决烟气的腐蚀问题,同时投资也降下来了,占地空间也省下来了。



所以我们2012年的时候提出喷淋塔直接喷淋加吸收热泵来去解决天然气的烟气余热回收问题,当时完了之后这个项目最早的是在北京市的总后锅炉房来实施的,项目非常成功, 后来大量推广,经济性也相当的好。



在示范工程影响下,北京现在的四大热电中心,甚至更多的热电中心也在按照这个模式做。这样能够解决超过3000兆瓦以上的烟气余热,北京市大概能够增加1亿平米左右的供热能力,占相当大一部分了。这个项目北京市政府也在推动。现在正在前期过程中,十四五可能会大量的使用烟气余热回收这种模式。



2015年,燃煤烟气的回收。烟气余热回收不仅仅解决了清洁供热问题,而且通过喷淋我们发现它对净化烟气还起到极大的作用。所以十四五期间对于供热是一个推动,更重要的是将来从环保上来讲意义非常大,已成为主流的烟气余热回收模式。



工业余热方面,在2015年改委等4部委联合发文推动余热暖民工程,但并没有尽如人意。很关键的一点是从技术来讲没有找到更合理的技术路线,问题在余热回收和输送问题能不能很好的解决。



如何解决?第一个模式是利用大温差的模式,低的回水温度先去回收工业余热,然后再回收电厂余热这种串联的方式,回收成本相当低。第二种模式没有电厂和余热这种资源条件,没有他俩相配合这种条件,只有工业余热怎么办?要从城市热网的参数上下功夫,和工业余热有个衔接。



迁西的有钢厂在2014年使用了大温差的理念,仍然还有局限性,钢厂里面大部分的余热是品位更低的那些循环冷却水,怎么去利用值得下一步探讨。



重点就是降低热网回水温度这个特征。如果大规模的实施,前提是热网回水温度降下来。



总结起来,降低回水温度是多方面的,可以分布式降温、集中降温,也可以调峰和回水温度相结合。综合的考虑该去怎么做?



实际上真正的大幅度降温是2007年在做实际工程项目中提出的。在天津中心生态城我负责做规划。考虑能不能用吸收式热泵解决问题,我们做了一些简单热力计算和分析觉得可行,后来做了示范实验,利用高温的120度的热提高供水温度,热力站放完热之后只有五六十度,那么这个热量是损失的,高温120度我们怎么办呢?利用吸收热泵把自己回水温度降下来,全部扔到二次网里面去,来后在江老师的率领下,我们在2017年做了示范工程第一次验证了可行性。特别要感谢富龙集团。到2019年年初,确认这个事从实践上是可以实施的。



直到2010年的时候,我们在大同市解决棚户区的供暖的问题,提出这个技术,得到当地政府支持实施,在2010年下半年才实施这个项目,到了2010年的年底,第一台135的机组投入运行,2011年1月4号,第二台投入运行,这是个标志性的。把200多万平米所有的热力站都改成了大温差。 



这里我要阐述一下我本人的一个观点,应该优先分散降温。因为第一是我们分散降温,是热力站面对的放热量的时候,放给二次网,二次网供回水温度都比较低,降温的代价比较小,效果也好,能够温度降得更彻底。第二个是在末端降温,不仅可以提高长输热网的输送能力,还可以提高市内的一次管网的输送能力。实在不行还要再做进一步降温措施,结合现在的调峰锅炉,有蒸汽的地方,比如旁边电厂联合降温,优点是易于实施。缺点是降温幅度有限,投资代价这方面效果还是不如分散的。



第三个就是长输供热。长输供热基于三点,第一是大温差,我们因为我那时候已经有大温差的技术了。第二是规模比较大,管径较粗,因为我们它是因为输送能力和流量成正比,所以供热管径越大,输送能力也就越大。第三,余热回收输送远了,回收余热越低了,因为你回收的余热而不是直接烧没了,那么它的回收余热的成本也降低了,这三个方面加在一起就会使得我们供热和天然气比起来200公里以上都合适。这是一个结论。



第四个特征就是热电协同。供热和发电相互支持,让发电能够参与电力调峰,我们提出了一种思路有别于现在的热电解耦。



现在的热电解耦是什么意思?就是说我们供热的时候,影响发电,如果发电发不出来就把它发出的电变成热。这些模式能够暂时能够解决热电之间的矛盾,但是由于它的效率比较低,不是将来的发展方向,应该有更好的发展方向。高效的回收余热加热电协同是其中一种模式。



热电协同从供热的角度看是什么概念?热电协同,我们专门消纳用不了的电来供热,我们认为它是一种弃掉的风电,弃掉的可再生能源电,这个角度来讲是零碳供热概念。



最后一个是燃气末端调峰。调峰是我们大供热系统所必须的,因为我们从一个项目的经济性分析来讲,多种方式要组合,因为热网是一个重资产,投资比较大,但是它效率比较高,运行成本比较小的一种供热模式。



如果说在承担供热的同时,重资产在严寒期运行折旧会特别高,所以我们组合在一起,用运营成本比较高的燃气锅炉,它的投资比较小,运行成本比较高,它去调峰,这样的话它就能够配合起来。整体的经济性是比较好。


当然这里您说我这燃气给调峰了,燃气出现的峰谁来给调,这就要看综合的一种能源模式,谁的储存能力强谁来调峰。



燃气通过储气把它夏天或非采暖季的热储起来,冬天的时候调峰,不光是给热力调峰还给温度调峰。这种模式现在具备这个条件,很多城市已经建起了独立的燃气锅炉房,现在看来运营成本比较高,大家都想接到热网里面去就具备条件了。



这5个特征就形成了4个改变。



第一个改变,我们用余热来取代燃煤。从发展角度来看,未来相当长的时间内火力发展仍然会有存在的价值,所以从全国的角度去统一规划,把电热统一进行规划,那么这个煤给煤电、气电、核电等等都产生余热。我们要定位好之后,我们利用它的发出电后的余热来去供热,这就是低品位热源。


天然气来替代实践证明在现有的条件下可能很困难。余热利用这种没有国家的特殊政策支持,很多地方纷纷在接受这种方式,这就说明他的路线的这种合理性。



第二个改变回收余热我们必须在网上进行配合。用低回水温度实现由原来的两级管网变成三级管网的这种模式。



第三个改变,热力站应该是能源站。把它变成降温的热力站。讲降温要么供水降温,要么调控降温,热站变成能源的能源站也可以是集中的,也可以是分散的,但我们觉得分散的更合理,集中的是作为辅助的配合。



第四个改变是热电气的协同多能互补。这个系统靠储能,储能是热网的热的储能,和燃气的气的储能。储能还有实现热电转换的或者品位转换的热泵,储能热泵相结合,实现热电气的协同。



做完之后效果是什么呢?能耗和锅炉比可以下降50%,污染排放和天然气比能降90%,实际上和天然气比起来降90%,10%是什么?主要是燃气,成本只有和燃煤锅炉相当。从经济性上、能耗上、环境排放上来讲都和其他清洁供热方式来比,都有非常突出的优势,而且能够作为一种主流的方式在整个北方地区进行推广。



那么这里我们做了一个规划,清洁供热2025的规划,全部城镇都按照这种模式来做。



为了实现这清洁工程2025的模式,这个模式制定了两个目标,低碳低成本的两个目标。当然刚刚才大家看了,我们这个模式下有三个效果,就是节能50%,减排了50%,成本和燃煤锅炉相当。如果实现这三个效果,我们要做4个创新,要能源结构的创新、网的结构创新,热力工况的三级网的模式,能源站的取代了热力站,而是用储能加热泵实现热电气的协同。


这几4个创新具体体现出5个特征,这模式正在逐步在实施在推广,而且是加速度的往前走,特别是见效的在近五六年之内,大家逐步的认可,我希望这个模式能够全面的实施,为咱们这个行业实现清洁供热作出贡献。这个模式并不是说包打天下,具体的项目还是需要具体的论证分析。



谢谢大家,我的介绍到此为止!