周俊飛華東理工大學(xué)工程設(shè)計研究院

燃煤供熱電廠采用燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組清潔生產(chǎn)改造案例分析

周俊飛
華東理工大學(xué)工程設(shè)計研究院

燃?xì)廨啓C(jī)組三聯(lián)供模式進(jìn)行集中供冷、供熱具有節(jié)約能源、改善環(huán)境、提高供熱質(zhì)量、增加電力供應(yīng)等綜合效益。利用天然氣清潔能源替代燃煤鍋爐，是治理大氣污染和提高能源綜合效率、節(jié)能減排的有效途徑。通過實際案例對燃煤供熱電廠采用燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組清潔生產(chǎn)改造模式進(jìn)行了分析和探討。

天然氣替代傳統(tǒng)煤燃料；熱負(fù)荷；熱源選址；熱網(wǎng)敷設(shè)；熱平衡；節(jié)能效益；經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)《上海市人民政府辦公廳關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)市發(fā)展改革委等六部門制訂的上海市燃煤(重油)鍋爐清潔能源替代工作方案和專項資金扶持辦法的通知》(滬府辦發(fā)<2012>36號)、《關(guān)于進(jìn)一步加大力度推進(jìn)燃煤(重油)鍋爐和窯爐清潔能源替代工作的實施意見》的通知（即市政府66號文），由此利用天然氣清潔能源替代傳統(tǒng)化石燃煤能源已經(jīng)安排細(xì)致的時間節(jié)點，即2015年底拆除所有非熱電廠的燃煤鍋爐，2017年對所有300 MW以下的熱電廠進(jìn)行天然氣清潔能源替代。本案例即為上海市清潔能源替代的典型性項目，也是上海市首個天然氣清潔能源三聯(lián)供的標(biāo)桿項目。

實施燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組-燃?xì)鉄犭娎淙?lián)供集中供能，是以天然氣為燃料產(chǎn)生電力，并利用余熱進(jìn)行集中供冷、供熱。具有節(jié)約能源、改善環(huán)境、提高供熱質(zhì)量、增加電力供應(yīng)等綜合效益。用節(jié)能環(huán)保的天然氣能源替代工業(yè)區(qū)燃煤鍋爐，是治理大氣污染和提高能源綜合效率，節(jié)能減排的有效途徑，也是節(jié)能減排的大勢所趨。

1 項目情況

1.1 熱負(fù)荷

熱負(fù)荷是工業(yè)區(qū)集中供熱的基礎(chǔ)。區(qū)域內(nèi)需有穩(wěn)定可靠的熱負(fù)荷，即年負(fù)荷變化不大，不會隨季節(jié)的變化而大幅度的變化。晝夜負(fù)荷變化小。一般工業(yè)生產(chǎn)工藝上用的負(fù)荷比較穩(wěn)定且量較大，星級賓館和醫(yī)院的負(fù)荷也相對穩(wěn)定。而辦公樓宇、商場、學(xué)校、體育等公共場所的負(fù)荷變化較大且不穩(wěn)定。因此替代后的集中供熱的熱負(fù)荷須穩(wěn)定、持續(xù)和有一定的量。

1.2 地理位置

熱源地理位置的確定是工業(yè)區(qū)集中供熱的必要條件。熱源位置既要滿足熱源自身所需的要求，同時也必須滿足離熱用戶近的條件。熱源離熱用戶近，在熱量輸送過程中熱損失小，管道的建設(shè)投資省，符合節(jié)能減排的原則，并能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。反之如熱源離熱用戶遠(yuǎn)，在熱量輸送過程中熱損失大，管道的建設(shè)投資大，使熱源的能量在輸送過程中白白的浪費(fèi)，不符合節(jié)能減排的原則，而且沒有較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此替代后的集中供熱的熱源須靠近熱用戶。

1.3 熱網(wǎng)

熱網(wǎng)是集中供熱的生命線。是一條連接熱源和熱用戶的通道。由于輸送熱量有別與輸送天然氣、水、油、電等其他介質(zhì)，特別是蒸汽熱網(wǎng)輸送的條件比較苛刻。當(dāng)管道的輸送距離較長，而熱用戶的流量相對較小或不太穩(wěn)定時，管道內(nèi)的蒸汽會逐漸冷卻變成飽和水，并隨著管道的長度增加，水量也在增加。在管道沿線除了不斷排除凝結(jié)水，在輸送過程中也將產(chǎn)生不安全的因素。同時送到用戶時可能發(fā)生帶較多水的蒸汽，對用戶的生產(chǎn)工藝有較大的影響，甚至影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。因此替代后的集中供熱的熱網(wǎng)與熱源的距離不宜太長。

1.4 效益

替代后的集中供熱要有社會效益也要有經(jīng)濟(jì)效益。由于使用清潔能源替代，社會效益顯著，即達(dá)到了節(jié)能減排的目標(biāo)，又產(chǎn)生了較好的大氣環(huán)境和周邊區(qū)域清潔的環(huán)境。但清潔能源的價格高于傳統(tǒng)能源的價格，選擇使用于該區(qū)域的集中供熱方式和機(jī)組的配置，將使經(jīng)濟(jì)效益得到充分的體現(xiàn)。

2 天然氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)三聯(lián)供案例

為落實國家節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)政策，上海某工業(yè)區(qū)及周邊的供熱工程實施燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組-燃?xì)鉄犭娎淙?lián)供改造。項目以天然氣清潔能源為燃料產(chǎn)生電力，并利用余熱進(jìn)行集中供冷、供熱。項目不僅局限于工業(yè)區(qū)，還對周邊地區(qū)形成覆蓋，使該區(qū)域關(guān)停燃煤鍋爐實施清潔能源替代。目前熱源的一期工程已順利投產(chǎn)，各項指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期的效果。

2.1 穩(wěn)定的熱負(fù)荷

2.1.1 一期熱負(fù)荷

熱源的一期工程主要替代原有工業(yè)區(qū)的集中供熱站和分散鍋爐房，熱負(fù)荷是現(xiàn)有的，用熱蒸汽壓力均為1.3 MPa。一期工程的熱負(fù)荷表詳見表1，一期工程典型日熱負(fù)荷曲線圖詳見圖1，一期工程熱負(fù)荷持續(xù)曲線圖詳見圖2。

曲線表明熱負(fù)荷在某個季節(jié)時段是較穩(wěn)定的。

2.1.2 二期熱負(fù)荷

二期主要是工業(yè)區(qū)周邊已有分散的燃煤鍋爐的熱負(fù)荷，二期工程熱負(fù)荷表詳見表2，二期工程2.5 MPa典型日熱負(fù)荷曲線圖和年熱負(fù)荷圖詳見圖3和圖4。

注：0.7 MPa等級蒸汽熱負(fù)荷已包括正在建設(shè)用戶的預(yù)測熱負(fù)荷，暫無熱負(fù)荷曲線圖。

表1 一期工程熱負(fù)荷表

圖1 一期工程典型日熱負(fù)荷曲線圖

圖2 一期工程熱負(fù)荷持續(xù)曲線圖

圖3 二期工程2.5 MPa典型日熱負(fù)荷曲線圖

圖4 二期工程2.5 MPa典型年熱負(fù)荷曲線圖

表2 二期工程熱負(fù)荷表

2.1.3 民用冷熱負(fù)荷

緊鄰熱源有一個綜合商務(wù)區(qū)。是工業(yè)區(qū)向都市型綜合產(chǎn)業(yè)園區(qū)的轉(zhuǎn)型，有公共設(shè)施的配套，包括生產(chǎn)服務(wù)與生活服務(wù)。規(guī)劃建設(shè)現(xiàn)代服務(wù)業(yè)聚集區(qū)，集中安排總部經(jīng)濟(jì)、外包服務(wù)、專業(yè)服務(wù)、科技孵化和金融服務(wù)功能，并輔以商業(yè)、文化娛樂等公共設(shè)施，形成以服務(wù)本區(qū)企業(yè)為主，并承接部分市中心服務(wù)功能外溢的綜合配套區(qū)。初期將于2015年投入運(yùn)行。根據(jù)有關(guān)專業(yè)的預(yù)測，初期的冷熱負(fù)荷為42 t/h（主要是夏季空調(diào)制冷，冬季采暖）。

綜合商務(wù)區(qū)與熱源相鄰，最有利于實行集中供熱供冷。

從以上的熱負(fù)荷表和熱負(fù)荷曲線圖說明該區(qū)域有較大和較穩(wěn)定的冷熱負(fù)荷。

2.2 熱源位置

由于是老工業(yè)區(qū)，在熱負(fù)荷的中心已沒有地塊可利用，只能選在盡量靠近熱用戶、又符合建熱源的有限的空地塊內(nèi)。該項目的熱源設(shè)在老工業(yè)區(qū)內(nèi)，離原熱網(wǎng)的供熱站為1km；離綜合商務(wù)區(qū)僅隔一條河；離最遠(yuǎn)的也是最大的熱用戶距離為7.5 km。

2.3 熱網(wǎng)

2.3.1 原有熱網(wǎng)

工業(yè)區(qū)原有的熱網(wǎng)全部可以利用，只需對原有的供熱站管道稍作改造。從原有熱網(wǎng)延伸出去部分原來是分散鍋爐用戶的管道。

2.3.2 新建熱網(wǎng)

新建熱網(wǎng)主要是配合熱源的二期工程。一期工程中部分原有熱網(wǎng)無法延伸到分散鍋爐的用戶，而需重新敷設(shè)管道。新建的熱網(wǎng)有三個壓力等級：2.5 MPa、1.3 MPa、0.7 MPa分別向不同壓力要求的用戶供熱。使能源得到合理的使用。新建熱網(wǎng)的路由已得到有關(guān)部門的許可，基本上實施在已拓寬的河道綠化帶內(nèi)和已拓寬后的道路綠化帶內(nèi)。在熱源內(nèi)同類壓力等級的管道設(shè)聯(lián)通管，不同壓力的管道也設(shè)聯(lián)通管，并加控制裝置使各類管道能互為切換，保證熱源機(jī)組穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.4 機(jī)組配置及熱平衡

2.4.1 機(jī)組配置

根據(jù)以上熱負(fù)荷的情況和建設(shè)場地的限制，熱源選擇燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組比較合適。該項目共配置了6套燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組分二期建設(shè)。

一期工程主要替代工業(yè)區(qū)的燃煤鍋爐。建設(shè)2套60 MW級燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，總額定提供1.3 MPa壓力的蒸汽53.7 t/h為工業(yè)用。同時可為綜合商務(wù)區(qū)初期提供0.7 MPa壓力的蒸汽28 t/h為熱電冷能源服務(wù)。選用每套機(jī)組由一臺燃?xì)廨啓C(jī)、一臺余熱鍋爐和一臺抽汽凝汽式蒸汽輪機(jī)組成，燃?xì)廨啓C(jī)為室外布置，蒸汽輪機(jī)為室內(nèi)布置。另配一臺20 t/h的燃?xì)忮仩t作為應(yīng)急備用。從上面的工業(yè)區(qū)熱負(fù)荷曲線可以看出，工業(yè)區(qū)內(nèi)的日熱負(fù)荷、季節(jié)熱負(fù)荷有較大變化，選用抽汽凝汽式蒸汽輪機(jī)組可根據(jù)熱負(fù)荷的變化而調(diào)節(jié)，保證向熱用戶穩(wěn)定地供熱，但效率相對較低。

二期工程主要替代工業(yè)區(qū)周邊的燃煤鍋爐。建設(shè)4套30 MW級燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，總額定提供2.5 MPa的蒸汽74.4 t/h；提供1.3 MPa的蒸汽69.2 t/h。同時可為綜合商務(wù)區(qū)初期提供0.7 MPa的蒸汽14 t/h為熱電冷能源服務(wù)。選用每套機(jī)組由一臺燃?xì)廨啓C(jī)、一臺余熱鍋爐和一臺背壓式蒸汽輪機(jī)組成，燃?xì)廨啓C(jī)為室外布置，蒸汽輪機(jī)為室內(nèi)布置。其中設(shè)置兩臺燃?xì)廨啓C(jī)配2臺高背壓式汽輪機(jī)以及兩臺燃?xì)廨啓C(jī)配2臺中背壓式汽輪機(jī)。從二期熱負(fù)荷的曲線可以看出，日和年的熱負(fù)荷都較為穩(wěn)定。選用背壓式汽輪機(jī)的排汽對外供熱，沒有冷源損失，熱效率高。由于熱負(fù)荷大且穩(wěn)定，背壓式機(jī)組在此工況下可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)性。2.4.2 熱平衡

該項目實現(xiàn)燃?xì)饫錈犭娙?lián)供替代煤燃料的鍋爐。因區(qū)域內(nèi)用戶多、供熱參數(shù)品種多、供熱管線距離較長，所以熱源內(nèi)的一期和二期的蒸汽需分級聯(lián)通，各蒸汽網(wǎng)之間的平衡可由控制裝置解決，一方面是保證背壓機(jī)組的基本負(fù)荷。另一方面是確保熱用戶用熱的穩(wěn)定和安全。并在靠近主要熱用戶附近建設(shè)一套燃?xì)忮仩t備用，以徹底解決用戶的后顧之憂。

2.5 效益分析

2.5.1 減排效益

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組采用清潔的天然氣為燃料。該項目選用的燃?xì)廨啓C(jī)在燃燒天然氣時，采用低氮燃燒技術(shù)，使排放煙氣中NOx和SO2排放濃度低于GB13223-2011標(biāo)準(zhǔn)的排放濃度50 mg/ Nm3和35 mg/Nm3以下。年排放SO2量不超過45 t；年排放NOx不超過285 t。煙氣經(jīng)40 m高煙囪排放。

經(jīng)分析與計算實現(xiàn)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組三聯(lián)供后，該地區(qū)每年可以減少煤燃料的消耗量約18萬t標(biāo)煤，每年可減少SO2的排放量1 164 t；減少NOx的排放量749 t；減少CO2的排放量48萬t；不產(chǎn)生煙塵；不產(chǎn)生灰渣等固體廢棄物。大大改善該地區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量。根據(jù)對已投入運(yùn)行的一期燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組測定，SO2的排放濃度為21.3 mg/m3，NOx的排放濃度為32 mg/m3，均低于國家標(biāo)準(zhǔn)的排放范圍。

2.5.2 供能效益

隨著一次能源由燃煤向天然氣等清潔能源的轉(zhuǎn)變，用熱企業(yè)獲得蒸汽價格必然上升。根據(jù)測算，使用燃煤鍋爐生產(chǎn)蒸汽的成本約為180元/t ，使用天然氣鍋爐生產(chǎn)蒸汽的成本約為400元/t。大幅上漲的蒸汽成本必然會給企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營帶來沖擊。而采用燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組生產(chǎn)的蒸汽的成本約為278元/t。用熱企業(yè)不用改造原有鍋爐就能使用天然氣產(chǎn)生的價廉的蒸汽。使熱源企業(yè)和用熱企業(yè)得到雙贏。

2.5.3 節(jié)能效益

圖5 供熱系統(tǒng)熱平衡圖

一般分散小型鍋爐的熱效率在50%～70%，發(fā)電廠的發(fā)電效率一般為30%～40%；而集中供熱采用燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，能量梯級利用，利用率高，該項目機(jī)組整體效率在88%以上。大型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組（采用背壓式汽輪機(jī)組）熱效率高，減少燃料消耗，具有明顯的節(jié)能效果。

該項目實現(xiàn)了燃?xì)馓娲喝剂虾蟮募泄峁├洳粌H節(jié)能效果明顯，更重要的是減少了對環(huán)境的污染。

2.5.4 經(jīng)濟(jì)效益

上海地區(qū)的燃?xì)鈾C(jī)組的運(yùn)行小時數(shù)基本在2000～3 000 h，由于該項目是熱電冷三聯(lián)供機(jī)組，機(jī)組利用小時數(shù)可達(dá)5 500 h以上。因此具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

2.5.5 氣電調(diào)峰效益

該項目所處的地區(qū)電網(wǎng)平衡一直有較大的電力缺口，供電較為緊張。燃?xì)鉄犭娎淙?lián)供機(jī)組采用自發(fā)電，可以作為調(diào)峰機(jī)組，避開電網(wǎng)用電高峰，可用于該地區(qū)的部分電負(fù)荷的需求，緩解地區(qū)電力峰谷差，在一定程度上減輕當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)供電壓力。

燃?xì)鉄犭娎淙?lián)供機(jī)組在夏季能夠協(xié)調(diào)天然氣富裕而電力緊張的平衡作用；燃?xì)鉄犭娎淙?lián)供機(jī)組另外一個作用是調(diào)節(jié)天然氣網(wǎng)的負(fù)荷，一般白天用戶的冷熱負(fù)荷和電力負(fù)荷較大，到晚上是較小，而天然氣負(fù)荷則相反，因此對天然氣網(wǎng)和電網(wǎng)具有雙向調(diào)峰作用，能夠減小電網(wǎng)峰谷差，優(yōu)化能源系統(tǒng)的運(yùn)行。

3 結(jié)語

以上的案例說明了燃煤供熱電廠采用燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組清潔生產(chǎn)改造模式是節(jié)能減排的有效途徑。該項目滿足工業(yè)區(qū)及周邊地區(qū)的工業(yè)用汽和采暖(制冷)的任務(wù)，成為該區(qū)域主要熱源之一，為工業(yè)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件；解決附近地區(qū)部分用電需求；降低整個能源結(jié)構(gòu)中的耗煤比重；減少環(huán)境污染，符合上海以環(huán)境友好方式利用資源、保護(hù)環(huán)境、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、提高能源的利用水平和走經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展之路的要求。

除了具有明顯的社會效益和環(huán)境效益外，在一定的冷熱負(fù)荷的支撐下還具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

長三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，實行集中供熱的小型燃煤熱電廠很多，而且大多具有較大和穩(wěn)定的熱負(fù)荷。燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)熱電冷三聯(lián)供機(jī)組替代小容量燃煤熱電機(jī)組和小鍋爐，不僅節(jié)約了能源，同時將有效地改善該區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量，具有良好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，宜復(fù)制推廣。

Case Analysis on App lying Gas and Steam Com bined Cycle Unit Clean Production Renovation at Coal-Fired Heating Pow er Plant

Zhou Junfei
East China Science and Engineering University Engineering Design Institution

Gas-fired turbine CCHP can provide heating and cooling with comprehensive benefits, such as saving energy, improving environment, enhancing heating quantity, increasing electric power supp ly etc. Using clean natural gas to replace coa l-fired boiler, which is effective measure to hand le air pollution and improve energy comprehensive efficiency and energy saving and em ission reduction. The author analyzes and discusses applying gas and steam combined cycle unit clean production renovation mode through p ractical cases.

Natura l Gas Rep lacing Traditiona l Coal，Heating Load, Heating Resource Site Selection, Heating Network Laying, Heating Balance, Energy Conservation Benefit, Econom ic Benefit

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.07.010