周 勇，郝日鵬，魏 航，李永田

(1.陜西新奧新能能源發(fā)展有限公司，陜西 西安 710065； 2.光伏科學與技術國家重點實驗室，江蘇 常州 321031)

近年來，我國城鎮(zhèn)化高速發(fā)展，從2000年到2019年，我國城鎮(zhèn)化率從36.22%增長至60.6%，城鎮(zhèn)人口增加了約一倍左右，達到8億人，但城鄉(xiāng)發(fā)展不平衡的問題仍然突出[1-2]。從2001年到2019年，我國建筑建設速度逐年增長，城鄉(xiāng)建筑面積大幅度增加，自2005年起竣工面積開始快速增加，從2013年至2019年每年的建筑竣工面積均超過40億m2，這將導致北方省份冬季供暖需求大幅度增長。2011年全國集中供熱面積為4 713百萬m2，至2025年將達到11 957百萬m2[3]，集中供暖面積的增加帶動了能源需求的增加。根據相關文獻統計[4]，在2017年我國建筑行業(yè)總共消耗了9.47億t標準煤，占我國總體能源消費的21%以上，而其中北方采暖能耗占建筑能耗的23%左右。

在北方城鎮(zhèn)的集中供暖方式中，熱電聯產是能源綜合利用效率最高的一種方式[5]。在我國大部分小型或區(qū)域熱電聯產機組凝汽乏汽潛熱沒有得到回收利用，該部分余熱還具有較大的回收利用價值。燃煤電廠凝汽潛熱回收方式主要有：低真空回收乏汽熱量供熱、大溫差低溫回水回收乏汽熱量供熱及吸收式熱泵回收乏汽熱量供熱等技術[6]。為了最大幅度地提升區(qū)域熱電廠的凝汽潛熱，提升原設計管網系統的輸送能力，需要盡可能地降低一次網回水溫度，付林等[7]提出了吸收式熱泵可以大幅度地降低回水溫度，并對傳統換熱器和吸收式換熱器進行了效率分析，吸收式換熱過程較傳統的板式換熱過程熱力學完善度有所提高，充分利用熱流體高溫段的有效能，作為驅動力，使低溫向高溫傳熱，進而降低回水溫度。

本文結合某城鎮(zhèn)的供暖現狀及規(guī)劃，因地制宜，擬對可采用的采暖技術路線的技術可行性和經濟可行性進行對比分析，并確定采用高背壓大溫差供熱的技術路線，解決某城鎮(zhèn)清潔供暖遇到的問題。

1 城鎮(zhèn)供熱現狀分析

1.1 供熱現狀

某城鎮(zhèn)總面積208.5 km2，可建設面積131 km2，中心規(guī)劃區(qū)50 km2，其中城市建成區(qū)20.5 km2。目前該城鎮(zhèn)采用集中供熱為主，集中供熱面積占全鎮(zhèn)供熱面積的約2/3，集中供熱面積約180萬m2，剩余供熱采用燃氣分布式供熱與燃氣壁掛爐供熱相結合的方式，當前集中供熱熱源點為當地熱電廠。某熱電廠為該城鎮(zhèn)唯一規(guī)劃熱源點，由于受關中地區(qū)減煤、限煤的影響，近幾年不會再新增燃煤鍋爐，因此，最高效地利用該熱電廠余熱資源是解決該城鎮(zhèn)集中供熱問題的重要方式。

1.2 熱負荷延續(xù)曲線繪制分析

以熱負荷為縱坐標，室外空氣溫度為左方橫坐標，可繪制熱負荷曲線圖，我國一般居民建筑起始臨界溫度為5 ℃，由于該地區(qū)供暖天數為120 d，實際起始供暖溫度大于5 ℃，約為6 ℃。以溫度為橫坐標(一般溫度為負值，在橫坐標的0點左側)先繪制熱負荷曲線圖，然后以橫坐標右側作為室外溫度的延續(xù)小時數(本方案為2 880 h)，繪制出當年供暖熱負荷延續(xù)曲線。由于獲得氣象資料有困難，可以采用哈爾濱建筑大學提出的數學方法，只要知道當地供暖室外計算溫度、供暖期室外平均溫度、供暖期天數，則可以繪制出延續(xù)曲線，曲線在工程誤差范圍內。具體計算方法如下：

(1)

(2)

Q=Q′N≤5

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

分別對現狀、近期及遠期熱負荷曲線進行繪制(見圖1)。

圖1 熱負荷延續(xù)曲線

當前燃煤電廠鍋爐總對外供汽量約為210 t·h-1，通過熱電聯產機組后，對外供應低壓蒸汽的能力約為150 t·h-1，除去最近幾年約50 t·h-1的工業(yè)蒸汽負荷，冬季供暖最大供應負荷約為100 t·h-1，約71 MW。

2021年，規(guī)劃熱負荷為121 MW，當前熱電廠供熱能力已經無法滿足規(guī)劃熱負荷需求，熱負荷缺口達50 MW。2025年，規(guī)劃熱負荷為161 MW，相比現狀，熱負荷缺口將進一步加大，達到90 MW。

2 清潔供暖方案研究

2.1 常規(guī)汽輪機抽汽供熱方案

1)流程描述

抽凝式汽輪機抽汽為參數1.0 MPa過熱蒸汽，進出口溫差按照60 ℃估算(130 ℃→70 ℃)，一次網回水先進入抽汽加熱器加熱，熱量不足部分由燃氣鍋爐作為補充，原則流程見圖2。

圖2 原則工藝流程圖

2)熱源改造

規(guī)劃至2021年、2025年，采暖熱負荷分別為121、161 MW，根據供熱鍋爐配置的基本原則和熱水鍋爐選型參數，對熱水鍋爐的數量和參數選擇如下：

近期規(guī)劃2021年采用2臺29 MW燃氣熱水鍋爐，總供熱負荷能力為121 MW；遠期規(guī)劃2025年采用2臺17.5 MW燃氣熱水鍋爐，總供熱負荷能力為161 MW。

3)能源成本分析

近期2021年，總熱量中，熱電聯產供熱量占75%，燃氣鍋爐供熱量占25%，燃氣鍋爐主要起調峰作用；遠期2025年，總熱量中，熱電聯產供熱量占56%，燃氣鍋爐供熱量占44%。

汽輪機抽汽熱量價格按照37元·GJ-1計算，燃氣鍋爐熱價按照70元·GJ-1計算，通過熱量占比計算出近期熱量成本為45.3元·GJ-1，遠期熱量成本為51.5元·GJ-1，如表1所示。

表1 汽輪機抽汽供熱方案熱量占比及熱量成本分析

2.2 高背壓吸收式大溫差供熱方案

1)流程描述

在各熱力站處安裝吸收式換熱，利用一次網高溫熱水作為驅動力，驅動吸收式換熱機組，降低一次網回水溫度。

對熱電廠一臺抽凝式汽輪機進行高背壓改造，將凝汽背壓提升至33 kPa，對應的飽和溫度為71 ℃，可將一次網回水加熱至更高溫度。

原則流程為，一次網供水通過吸收式換熱機組換熱后，冷卻至20 ℃左右，冷卻后的回水通過熱網返回至熱電廠后，先進入一臺抽凝式汽輪機凝汽器加熱至43 ℃，再經過一臺高背壓改造的抽凝式汽輪機凝汽器加熱至66 ℃，最后根據供暖負荷情況，通過調整汽輪機抽汽換熱器和燃氣鍋爐，將供水加熱至一定溫度送至各換熱站。通過充分回收熱電廠的凝汽潛熱，可提升熱電廠50%左右的供熱能力。詳見圖3。

圖3 原則工藝流程圖

2)熱源改造

通過提高抽凝式汽輪機凝汽背壓的方式，采用凝汽器回收凝汽潛熱，用于給一次網回水加熱，當凝汽背壓在33 kPa時，對應飽和溫度為71 ℃左右。汽輪機的凝汽潛熱主要提供熱網的基礎負荷，在采暖中期，熱負荷較大時，為了保證采暖效果，在一次網上設置熱網尖峰加熱器，利用抽汽和燃氣鍋爐來提供尖峰負荷，在采暖初期和末期，主要利用回收的凝汽潛熱來供暖。

規(guī)劃至2021年、2025年，采暖熱負荷分別為121、161 MW，根據供熱鍋爐配置的基本原則和熱水鍋爐選型參數，對熱水鍋爐的數量和參數選擇如下：

近期規(guī)劃2021年建設2臺17.5 MW燃氣熱水鍋爐，總供熱負荷能力為121 MW；遠期規(guī)劃2025年建設1臺17.5 MW燃氣熱水鍋爐，總供熱負荷能力為161 MW。

3)能源成本分析

2021年總熱量中，40 ℃以下熱電聯產供熱量占33.97%，40 ℃以上熱電聯產供熱量占64.79%，燃氣鍋爐供熱量占1.24%，燃氣鍋爐主要起調峰作用，詳見圖4；遠期2025年，總熱量中，40 ℃以下熱電聯產供熱量占25.33%，40 ℃以上熱電聯產供熱量占60.44%，燃氣鍋爐供熱量占14.23%，詳見圖5。

圖4 近期熱負荷延續(xù)時間曲線圖

圖5 遠期熱負荷延續(xù)時間曲線圖

參考相關文獻[8]，熱力公司和熱電廠熱量分攤的方法可采用溫度為依據進行劃分，40 ℃以下的熱量可免費提供給熱力公司，提高熱力公司降低一次側回水溫度的動力，40 ℃以上的熱量按照熱電聯產采購價格37元·GJ-1進行結算。燃氣鍋爐熱量成本價格約為70元·GJ-1。通過熱量占比計算出近期熱量成本為24.8元·GJ-1，遠期熱量成本為32.3元·GJ-1，詳見表2。

表2 大溫差供熱方案熱量占比及熱量成本分析

2.3 方案對比

通過研究分析，吸收式熱泵換熱技術在降低一次網回水溫度，充分回收電廠凝汽潛熱方面得到了廣泛的研究和應用，是電廠余熱回收技術中值得推廣的一項技術。一次網回水溫度降低后，為充分回收各種低品位余熱創(chuàng)造了條件，如100 ℃以下，甚至在30～40 ℃溫度的余熱回收，另外還可以降低管網投資，并降低長距離輸送能耗。

從供熱量對比分析來看，由于回水溫度可以降低至20 ℃左右，可以全部回收汽輪機的凝汽潛熱，大溫差方案較常規(guī)方案可多回收熱量約36 M W，增加了約50%的供熱負荷，通過凝汽潛熱的回收，可以大大減少燃氣鍋爐的負荷，大溫差方案燃氣鍋爐供熱量占比從44%降低至14%，大大降低了供熱成本，燃氣鍋爐大部分時間為調峰運行，詳見表3。通過對兩種方案的供熱熱價對比分析，大溫差方案由于充分回收了凝汽潛熱，熱價較常規(guī)方案優(yōu)勢明顯，可作為本項目的首選方案。

表3 兩種供熱方案能源消耗對比

2.4 熱網運行方案

供暖熱負荷由于室外溫度、日照、通風等方面的變化，往往具有明顯的負荷波動特性，為了滿足用戶的熱需求，保證供熱質量，不過度供熱和供熱不足，同時使熱源和輸送過程經濟合理，就需要對供暖系統進行運行調節(jié)，即供熱調節(jié)，通常有如下幾種調節(jié)方式。

1)幾種常見的供熱調節(jié)方式

(1)質調節(jié)。熱源溫度隨室外溫度變化，當室外溫度升高，所需熱負荷變小，通過調節(jié)一次網供水溫度來調整熱源負荷，即主要是通過調整熱源溫度來調整負荷，而一次網流量一般不做調整。

(2)量調節(jié)。熱源流量隨室外溫度變化，當室外溫度升高，所需熱負荷變小，通過調節(jié)一次網供水流量來調整熱源負荷，即主要是通過調整熱源流量來調整負荷，而一次網溫度一般不做調整。

(3)質-量調節(jié)。熱源隨室外溫度變化，通過同時改變網路的供水溫度和流量，來調節(jié)熱負荷。

(4)分階段改變流量的質調節(jié)。用于鍋爐房，按投入鍋爐臺數確定系統流量，每個階段內不主動改變網路的循環(huán)水流量，只改變供水溫度。

(5)分階段的質-量調節(jié)。在某一階段只調節(jié)供水溫度，在另一階段只調節(jié)循環(huán)水流量。

2)本項目調節(jié)運行方式選擇及供熱分析

本項目在運行時，一次熱網主要采用質調節(jié)的方式，由于采用了吸收式換熱機組，為了保證換熱機組的運行效果，二次熱網也主要采用質調節(jié)的方式，根據前述分析，不改變熱網的循環(huán)熱水流量，只對供水溫度進行調節(jié)，來滿足供熱質量。即保證一次熱網和二次熱網的循環(huán)熱水流量不變，當供暖初期，首先采用凝汽器和高背壓凝汽器的熱量滿足初期供熱負荷，當氣溫逐步降低時，啟動抽汽換熱器進行加熱，提高供水溫度，當抽汽供熱無法滿足供暖需求時，啟動燃氣調峰鍋爐滿足尖峰負荷。當至采暖末期，氣溫逐步升高時，采用相反的順序來調節(jié)，逐步降低一次網供水溫度。

3 結 論

(1)在北方城鎮(zhèn)的清潔供暖方式中，熱電聯產是能源綜合利用效率最高的一種方式，采用吸收式熱泵技術能大幅度提高熱電廠供熱能力；

(2)采用熱負荷延續(xù)曲線對供熱現狀進行分析，可合理地制定熱源方案；

(3)結合吸收式熱泵技術，采用高背壓大溫差供熱方案能大幅度地降低供暖成本，具有很好的節(jié)能減排效果；

(4)采用大溫差供熱方案，一次網主要采用質調節(jié)的運營方式，可保證換熱機組的運行效果和余熱回收效果。