發展長輸供熱解決空間不匹配問題,建設大型跨季節儲熱解決時間不匹配問題,采用熱量變換器解決溫度不匹配問題。

我國擁有非常豐富的各類低品類余熱,包括火電、工業余熱和未來新興產業的余熱。同時,有世界上覆蓋率非常高的集中供熱管網。采用以低品位余熱為主的零碳清潔供熱模式是實現供熱碳中和目標的途徑。

余熱供熱需要解決以下三個問題:第一是余熱和供熱負荷需求地理位置不匹配問題,第二是余熱產生和供熱需求時間不匹配問題,第三是不同余熱熱源的溫度和熱用戶需求溫度的不匹配問題。

地理位置不匹配問題

余熱資源目前大多遠離城市負荷區,如何經濟高效地把熱量輸送到熱負荷的位置是需要解決的問題。

長距離輸熱管網具有距離長、高差大的特點,其沿程管道阻力和高差之合遠超現在管道的承壓等級,需要新的水力安全保障方法。采用多級熱網泵的配置技術,用多級泵循環串聯加壓工藝解決管道承壓等級問題,并通過一系列的安全保障措施,保證長輸管網供熱過程中不汽化、不超壓,保證管網安全運行。

另外,長輸管道輸送距離長,散熱損失大。為減少管道散熱損失,針對管道自身的保溫、局部熱橋和局部管道組件,采用成套的保溫技術控制沿程熱量損失。而對于遠距離輸送投資大、成本高的問題,利用大溫差供熱技術降低熱網回水溫度,把回水溫差擴大到100℃以上。相比傳統熱網,其熱量輸送能力提高60%以上,從而大幅降低了熱量的輸送成本。

此外,降低回水溫度還提高了熱源回收余熱的效率,降低熱量成本。與燃氣供熱相比,經濟供熱距離可以達到0公里以上。

另外,對于沿海核電和火電,將余熱利用與海水淡化相結合,采用水熱同產技術,利用電廠余熱產生熱淡水,并通過一根長輸管線輸送到城市附近,實現單管同時輸送淡水和熱量,相比傳統的長輸供熱管道,省去了回水管道,從而進一步降低了輸送成本。

水熱同送的輸送成本相比長輸供熱管網降低40%,不考慮輸水成本情況下,水熱同送經濟供熱半徑為300公里以上。

上述兩個技術解決了熱量長距離經濟輸送的問題。

長輸供熱技術已經有比較多的應用。以山西太原太古長輸供熱工程為例,該長輸供熱工程從古交興能電廠到中繼能源站建設了378公里長的直連管道,高差180米,通過6級加壓循環工藝設計,采用25MPa承壓級別的管道,安全地實現了沿程阻力加高差共超過500米壓差的壓力需求。并且,采用了全套保溫技術,大幅減少了散熱損失,實現了378公里管道(有40%架空部分)沿程溫降不到1℃。

未來長途輸熱技術將廣泛應用于余熱資源的跨區域輸送,以京津冀為例,通過長輸管線把河北曹妃甸電廠余熱及北疆電廠的余熱回收利用,并通過0余公里長的長輸管道輸送,就可以很好地幫助解決北京市零碳熱源短缺難題。

需求時間不匹配問題

低品位余熱利用的另外一個問題是時間上的不匹配。主要有兩個方面:一是工業余熱受到主要產品生產的影響。余熱是產品生產過程中所必須排放的熱量,余熱利用也應當保證不影響其主要產品生產。因此,當工廠產量變化的時候會引起余熱量的波動。

二是與特定工業的生產工藝過程有關系。流程工業全年的產量變化不大,因此其余熱量也變化不大,而夏季沒有供暖需求,因此這部分寶貴的余熱沒有得到利用。這時候如果有大型跨季節儲熱裝置,就可以充分有效地回收全年的余熱,平衡余熱和供熱負荷之間時間上不匹配問題。

對于熱源側,不管余熱什么時候產生,我們都可以儲存在跨季節儲存罐里,對于用戶側來說,不管什么時候需要熱都可以從跨季節儲熱裝置取熱,從而大幅度提高了供熱系統的靈活性和可靠性。

大型跨季節儲熱直接采用水作為介質對于供熱是比較合適的,因為供熱系統本身就用水作為熱量傳輸的介質,同樣利用水作為儲存介質可以減少換熱引起的損失,提高供熱系統能效。并且水容易獲取且成本低,相比其他跨季節儲熱方式,儲熱密度也比較高。

大型跨季節儲熱水池可采用坑式儲熱水池。這種方式在很多國家都有比較廣泛的應用,儲熱水池容積越大投資越低。例如15年建成的丹麥跨季節儲熱水池,容積21萬立方米,是目前全世界最大的跨季節儲熱水池,每立方米的總建設成本約24歐元,折合人民幣不到0元/立方米。大型跨季節儲熱容積越大投資越低,因此建設跨季節儲熱應盡可能提高其建設規模,這樣就導致跨季節儲熱的占地較大,需要土地配套資源,因此需要部門的支持。

大型跨季節儲熱是未來城市低碳能源系統非常重要的一環,應該參考水庫的建設機制,推動大型跨季節儲熱的發展。

需求溫度的不匹配問題

低品位余熱利用的第三個問題是溫度的不匹配。不同種類熱源的余熱溫度各不相同。并且,不同散熱末端的采暖溫度需求也不一樣。此外,回收低品位余熱還可以給非流程工業提供蒸汽。

為了滿足不同溫度余熱的采集和用戶的使用,需要研發并應用各種吸收式換熱和吸收壓縮復合式的熱變換器,實現熱量在不同溫度間的變換和傳遞。對于非流程工業等蒸汽用戶,通過高溫熱泵利用熱網輸送過來的熱量產生低參數的蒸汽,各個工業再根據自己對于蒸汽壓力的需求,使用蒸汽壓縮機產生所需蒸汽。

未來北方城鎮以余熱為主的零碳清潔供熱模式,將具備以下幾個特征:降低熱網回水溫度,以高效回收各類余熱供熱;采用大溫差長距離輸熱和水熱同送技術,進行跨區域的余熱輸送;建設跨季節儲熱調峰回收利用各類熱源全年的余熱;通過以上技術,全面充分地回收低品位余熱,解決北方城鎮建筑冬季采暖熱源和一些類型的工業生產過程的全年生產用熱需求。

北方城鎮零碳供熱模式

接下來亟需開展的一項非常重要的工作就是全面降低熱網回水溫度。通過降低熱網回水溫度,可以回收各熱源的余熱,提高熱源供熱能力,從而及時有效地解決城市快速發展過程中所增加的熱量需求。并且,這項工作也是未來實現供熱碳中和所需要完成的工作之一。

綜上,我國北方城鎮應該發展以低品類余熱為主的零碳清潔供熱模式,需要解決空間、時間和溫度三個不匹配問題:發展長輸供熱解決空間不匹配問題,建設大型跨季節儲熱解決時間不匹配問題,采用熱量變換器解決溫度不匹配問題。應盡快開展全面降低熱網回水溫度的工作,為實現供熱碳中和奠定基礎。(本文作者吳彥廷系清華大學建筑節能研究中心助理研究員,有改動)

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