王 偉, 李琳紅, 林曉紅, 鄭淑晶

(青島市城市規(guī)劃設(shè)計研究院,山東青島266022)

1 概述

青島市于2014年發(fā)布實施《青島市清潔能源供熱專項規(guī)劃(2014—2020年)》,是國內(nèi)較早全面推動清潔供熱的城市。通過挖掘大型熱電聯(lián)產(chǎn)供熱潛力、漸進式煤改氣、推廣可再生能源供熱等措施,積極推動城市供熱能源轉(zhuǎn)型,在控制供熱燃煤增量、減少大氣污染物排放方面取得了顯著成效。雙碳目標下,傳統(tǒng)的以污染物減排為主要目標的清潔供熱向低碳化清潔供熱演進[1]。在既有集中供熱體系基礎(chǔ)上,進一步整合優(yōu)質(zhì)供熱資源[2],發(fā)展“資源有保障、經(jīng)濟可承受”的清潔供熱,是青島城市供熱實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。本文分析青島的清潔供熱能源條件,對青島清潔供熱發(fā)展策略進行探討,對推進青島清潔供熱發(fā)展提出建議。

2 清潔供熱探索與實踐

2013年9月,環(huán)境保護部(現(xiàn)生態(tài)環(huán)境部)等部委印發(fā)《京津冀及周邊地區(qū)落實大氣污染防治行動計劃實施細則》,對包括山東省在內(nèi)的京津冀及周邊地區(qū)的大氣污染防治提出明確目標和任務(wù)。2013年7月,山東省人民政府印發(fā)《山東省2013—2020年大氣污染防治規(guī)劃》和《山東省2013—2020年大氣污染防治規(guī)劃一期(2013—2015年)行動計劃》,提出用8年左右時間,分3期實現(xiàn)全省環(huán)境空氣質(zhì)量基本達標。為切實改善大氣環(huán)境質(zhì)量,落實國家和山東省相關(guān)政策文件關(guān)于控制煤炭消費總量、大力發(fā)展清潔能源的要求,青島市人民政府在2014年12月發(fā)布實施《青島市清潔能源供熱專項規(guī)劃(2014—2020年)》,全面推進實施清潔供熱,并同時發(fā)布《青島市加快清潔能源供熱發(fā)展的若干政策》,從特許經(jīng)營、財政補貼、稅收優(yōu)惠等方面提供支持。2023年1月,為適應(yīng)雙碳目標下清潔供熱面臨的新形勢、新任務(wù),青島市人民政府印發(fā)新版《青島市加快清潔能源供熱發(fā)展的若干政策》,進一步明確青島清潔供熱類型、范圍,規(guī)范規(guī)劃建設(shè)流程,加大建設(shè)資金支持力度,優(yōu)化運行管理。

經(jīng)過多年努力,青島清潔供熱得到長足發(fā)展。截至2022年底,市區(qū)清潔供熱面積約27 993×104m2,其中清潔燃煤集中供熱面積約19 448×104m2、天然氣供熱面積6 303×104m2、電供熱(主要為各類熱泵)面積1 365×104m2、生物質(zhì)供熱面積877×104m2。本文涉及的供熱對象主要為青島市區(qū):市南區(qū)、市北區(qū)、李滄區(qū)、嶗山區(qū)、城陽區(qū)、黃島區(qū)、即墨區(qū)。

3 清潔供熱能源條件

清潔供熱能源通常包括清潔化燃煤(以大型熱電聯(lián)產(chǎn)利用為主)、余熱、核能(以核熱電聯(lián)供利用為主)、天然氣、電、地熱、生物質(zhì)能、太陽能等[3]?，F(xiàn)階段,青島供熱能源結(jié)構(gòu)以燃煤為主體,供熱行業(yè)在尋求替代燃煤的清潔能源時,需要充分考慮資源支撐能力[4]。

3.1 大型熱電聯(lián)產(chǎn)

山東省人民政府辦公廳關(guān)于嚴格控制煤炭消費總量推進清潔高效利用的指導意見提出,到2025年底,青島將淘汰全部30×104kW以下抽凝機組及中溫中壓機組。屆時,青島中小型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)熱源將全部轉(zhuǎn)型發(fā)展,僅保留華電青島電廠、大唐黃島電廠、華能董家口熱電廠3家大型熱電廠的30×104kW及以上機組。2025年3家大型熱電廠裝機規(guī)模、供熱潛力見表1。由表1可知,到2025年,3家大型熱電廠總供熱潛力可達到3 658 MW。

表1 2025年3家大型熱電廠裝機規(guī)模、供熱潛力

3.2 工業(yè)余熱

以化石能源作為燃料或原料的工業(yè)企業(yè),如鋼鐵、石油加工、化工企業(yè)等企業(yè)余熱資源通常較為豐富[5]。青島市區(qū)工業(yè)企業(yè)逐步退市入園,將呈現(xiàn)集聚發(fā)展態(tài)勢。以區(qū)位、開發(fā)潛力、現(xiàn)狀管網(wǎng)條件為綜合評價因素,青島大型工業(yè)余熱資源主要存在于青島特鋼、青島海灣金能化學、青島煉化3家大型工業(yè)企業(yè)。根據(jù)調(diào)研,采用間壁換熱、熱泵串聯(lián)回收等技術(shù),上述3家大型工業(yè)企業(yè)近期工業(yè)余熱供熱潛力約1 386 MW。3家大型工業(yè)企業(yè)余熱資源概況、供熱潛力見表2。

表2 3家大型工業(yè)企業(yè)余熱資源概況、供熱潛力

3.3 城市污水熱能

城市污水由于水溫水量相對穩(wěn)定、便于規(guī)?；欣玫奶攸c,是熱泵系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)的冷熱源,污水源熱泵是目前投資比較低、運行效果穩(wěn)定且良好的熱泵技術(shù)之一[6]。若采用熱泵技術(shù)回收污水廠低品位熱能用于城市供熱,按照污水供回水溫差5 ℃、熱泵制熱性能系數(shù)4.0計算,1×104t/d的污水取水量可實現(xiàn)約3.2 MW供熱能力[7]。

隨著人口規(guī)模增加和污水收集處理率提高,青島污水處理規(guī)?？焖僭鲩L。根據(jù)《青島現(xiàn)代水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃》提供的數(shù)據(jù),青島市區(qū)遠期污水處理規(guī)模將達到370.7×104t/d。考慮污水量波動、設(shè)施利用率等因素,按照污水處理規(guī)模的60%計算熱泵系統(tǒng)可利用水量,仍按1×104t/d的污水取水量可實現(xiàn)約3.2 MW供熱能力考慮,可計算得到青島市區(qū)遠期污水源熱泵供熱潛力為711.7 MW。青島市各區(qū)污水處理規(guī)模和污水源熱泵供熱潛力見表3。

表3 青島市區(qū)污水源熱泵供熱潛力

3.4 天然氣

青島自身無天然氣資源,所需天然氣全部需要外部輸入,青島現(xiàn)由長輸管道和海上LNG雙氣源聯(lián)合供氣。依據(jù)《山東省能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》中天然氣發(fā)展利用規(guī)劃,未來青島不論長輸管道氣源還是海上LNG氣源均有充足的保障,將形成以淄青線、泰青威線、山東LNG接收站、山東管網(wǎng)東干線為主,中世管線為輔的氣源體系。隨著海陸并進氣源方案的推進,青島已成為國家天然氣管網(wǎng)的重要樞紐和氣源節(jié)點,未來青島天然氣可利用規(guī)模將達到111×108m3/a。青島可利用天然氣氣源見表4。在燃氣供熱設(shè)施方面,青島市區(qū)范圍內(nèi)已建成燃氣供熱鍋爐36臺,總熱功率為1 094 MW。十四五期間青島將建設(shè)華電、大唐兩個燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)項目,裝機規(guī)模均為2×500 MW,供熱能力分別為700、437 MW。

表4 青島可利用天然氣氣源

3.5 垃圾焚燒發(fā)電余熱

青島是全國46個垃圾分類試點城市之一,入選全國第二批“無廢城市”試點,在垃圾減量化、無害化、資源化處理方面處于全國前列。2021年,全市生活垃圾無害化處理率已達到100%,其中市區(qū)生活垃圾全部進入垃圾綜合處理園區(qū)焚燒處理。目前,市區(qū)范圍內(nèi)共有垃圾綜合處理園區(qū)3個,建有垃圾焚燒發(fā)電廠4座,垃圾焚燒處理能力6 900 t/d,2022年實際處理生活垃圾309×104t。郊區(qū)縣市垃圾焚燒發(fā)電廠遠離市區(qū),本次研究未予考慮。

各垃圾焚燒發(fā)電廠均采用垃圾焚燒爐+凝汽式汽輪發(fā)電機組的配置,在無害化處理垃圾的同時實現(xiàn)垃圾焚燒熱能的資源化利用[8]。垃圾焚燒發(fā)電廠的凝汽式汽輪發(fā)電機組循環(huán)冷卻水水溫恒定、水量較大,具備進一步余熱利用的潛力[9],采用廠內(nèi)蒸汽型吸收式熱泵機組提取熱量后,可作為城市集中供熱熱源。青島市區(qū)垃圾焚燒發(fā)電余熱供熱潛力見表5。由表5可知,青島市區(qū)垃圾焚燒發(fā)電余熱供熱潛力可達到460 MW。

表5 青島市區(qū)垃圾焚燒發(fā)電余熱供熱潛力

3.6 核熱電聯(lián)產(chǎn)

核能供熱具有低碳、清潔、規(guī)?；膬?yōu)勢,目前主要有低溫核供熱、核熱電聯(lián)產(chǎn)兩種方式。核熱電聯(lián)產(chǎn)的綜合能源利用率能夠達到80%,具備較高的節(jié)能優(yōu)勢[10],結(jié)合大溫差長輸供熱技術(shù),可為核電廠周邊城市提供安全穩(wěn)定的熱能[11]。山東省依托沿海核電項目,加快核能供熱、海水淡化等綜合利用,積極推進海陽核電廠向煙臺市區(qū)、青島等地供熱。

海陽核電廠規(guī)劃建設(shè)6臺AP1000型GW級核電機組[12]。目前,1、2號機組已建成投運。3、4號機組已于2022年7月開工建設(shè),預(yù)計2028年全部建成投產(chǎn)。5、6號機組已取得開展前期工作許可。海陽核電廠是國內(nèi)首個實現(xiàn)核能供熱商用的項目,截至2021年底,已實現(xiàn)為核電廠周邊和海陽市供熱520×104m2。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研了解,海陽核電廠2～6號機組均為熱電聯(lián)產(chǎn)機組,單臺機組供熱能力為900 MW。在綜合考慮煙臺、威海地區(qū)供熱需求的情況下,海陽核電廠在2030年后可為青島提供供熱能力4 200 MW,見表6。

表6 海陽核電廠的供熱能力

3.7 氫能

氫能供熱具有能源利用效率高和零碳排放的特點,發(fā)展?jié)摿薮骩13]。2022年3月,國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》,提出探索氫能作為高品質(zhì)熱源的應(yīng)用。目前,我國在天然氣摻氫、氫燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)、氫氣鍋爐等氫能供熱領(lǐng)域均進行了有益探索[14]。青島本地工業(yè)副產(chǎn)氫資源比較豐富,具備開展氫能供熱的有利能源條件。調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前青島市可用大型氫氣資源主要有海灣化學、麗東化工、青島煉化、金能化學,可外供工業(yè)副產(chǎn)氫14.3×104t/a,折合高純氫氣(純度99.97%)為10.93×104t/a。青島工業(yè)副產(chǎn)氫資源見表7。根據(jù)《青島市加氫站布局專項規(guī)劃(2021—2035年)》,青島市遠期氫燃料電池汽車氫氣(純度99.97%)需求量為2.6×104t/a,氫氣來源主要為本地工業(yè)副產(chǎn)氫。則可用于氫能供熱的本地氫源(純度99.97%)規(guī)模為8.33×104t/a。隨著國內(nèi)氫能供熱技術(shù)的逐步成熟,青島市具備發(fā)展氫能供熱的巨大潛力。

表7 青島工業(yè)副產(chǎn)氫資源

3.8 綜合分析

綜上所述,青島市可利用的大型熱電聯(lián)產(chǎn)、工業(yè)余熱、城市污水熱能、垃圾焚燒發(fā)電余熱、核熱電聯(lián)供等清潔供熱資源供熱潛力達到10 415.7 MW。根據(jù)青島市熱力專業(yè)規(guī)劃,市區(qū)2035年規(guī)劃供熱面積約3.3×108m2,遠期規(guī)劃熱負荷為12 440 MW。上述清潔供熱資源經(jīng)整合開發(fā)后,供熱能力達到遠期規(guī)劃熱負荷的83.7%。青島市清潔供熱能源條件良好,大型熱電聯(lián)產(chǎn)、工業(yè)余熱、城市污水熱能、垃圾焚燒發(fā)電余熱、核熱電聯(lián)供等可作為青島清潔供熱的基礎(chǔ)熱源。

4 清潔供熱發(fā)展策略

4.1 清潔能源利用策略

在能源、資源有保障的前提下,清潔供熱能源利用策略的確定還應(yīng)充分考慮技術(shù)成熟度、經(jīng)濟性、與既有供熱體系的兼容程度、地方政策等因素[15]。具體到青島的供熱能源選擇,現(xiàn)狀存量較大的燃煤供熱方式雖然投資和運行成本低,但碳排放高,雙碳背景下必然面臨被其他清潔供熱方式替代的結(jié)局。大型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)、核熱電聯(lián)產(chǎn)供熱規(guī)模大、供熱成本比較低,是當前替代傳統(tǒng)燃煤供熱的首選熱源。污水源熱泵、垃圾焚燒發(fā)電余熱綜合效益好,碳排放強度低,應(yīng)能用盡用、大力發(fā)展。其他熱泵供熱方式在運行成本和碳排放指標方面優(yōu)于化石能源,但投資較高,應(yīng)因地制宜、適度發(fā)展[16]。對于天然氣供熱,受限于上游氣源季節(jié)調(diào)峰保障能力的不穩(wěn)定性以及較高的運行成本,適合作為清潔供熱轉(zhuǎn)型過程中的過渡能源[17]。

綜合考慮多方面因素,提出青島各類清潔供熱能源利用策略。

① 煤炭(清潔化利用):充分發(fā)揮大型熱電聯(lián)產(chǎn)潛力,承擔基礎(chǔ)負荷,逐步替代燃煤鍋爐房。電能:主要作為熱泵驅(qū)動能源,電儲熱應(yīng)用為輔。天然氣:近期作為替代燃煤的過渡能源,遠期以調(diào)峰功能為主。

② 工業(yè)余熱、垃圾焚燒發(fā)電余熱:能用盡用,大力發(fā)展。

③ 生物質(zhì)能源:作為燃煤替代能源之一鼓勵發(fā)展。污水能:能用盡用,大力發(fā)展。空氣能:作為集中供熱補充,適度分散發(fā)展。海水能、地熱能:因地制宜,適度發(fā)展。太陽能:與其他能源方式聯(lián)合利用。

④ 核熱電聯(lián)產(chǎn):以長輸供熱為主,積極推進,充分利用,承擔基礎(chǔ)負荷。氫能:探索應(yīng)用,發(fā)展試點,以點帶面。

4.2 清潔供熱發(fā)展策略

在本地優(yōu)質(zhì)供熱能源(大型熱電聯(lián)產(chǎn)、工業(yè)余熱、城市污水熱能、垃圾焚燒發(fā)電余熱)和周邊優(yōu)質(zhì)核能基礎(chǔ)上,輔之與電網(wǎng)調(diào)峰協(xié)同的可再生能源熱泵、電儲熱[18]等分布式能源站和天然氣調(diào)峰鍋爐房,能夠滿足青島市清潔供熱發(fā)展需要。

綜合國家、省、市相關(guān)政策、規(guī)劃和青島的能源條件,青島市未來清潔供熱轉(zhuǎn)型發(fā)展應(yīng)采取“引熱、聯(lián)通、挖潛、減煤、拓氣”的策略:積極引入海陽核電廠余熱,與本地大型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)熱源共同作為城市集中供熱的主力。打通大型主力熱源之間的聯(lián)通管道,推動大溫差供熱改造,優(yōu)化管網(wǎng)運行參數(shù),深入發(fā)掘區(qū)域內(nèi)鋼鐵、石油化工等企業(yè)工業(yè)余熱和垃圾焚燒發(fā)電余熱潛力,納入集中供熱系統(tǒng)。優(yōu)先利用城市污水資源,充分發(fā)掘污水處理廠尾水供熱潛力,因地制宜、多能聯(lián)合發(fā)展可再生能源供熱和電儲熱,逐步推動天然氣替代燃煤承擔調(diào)峰熱源和補充熱源。

5 清潔供熱發(fā)展建議

① 統(tǒng)籌規(guī)劃,構(gòu)建全域一張網(wǎng)的供熱格局。打破行政區(qū)劃限制和以鍋爐房為中心的碎片化供熱體系,以大型熱電聯(lián)產(chǎn)、核熱電聯(lián)產(chǎn)、規(guī)?；酂崮茉凑緸楹诵墓?jié)點,整合既有管網(wǎng),打造互聯(lián)互通、統(tǒng)一調(diào)度的全域供熱管網(wǎng)架構(gòu)。

② 優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計,降低回水溫度,為回收利用低品位余熱創(chuàng)造條件,具備條件的分布式能源站全部接入集中供熱系統(tǒng)。

③ 全面推進供熱系統(tǒng)節(jié)能增效,包括提高熱源熱效率、管網(wǎng)輸送效率和實施用戶側(cè)節(jié)能改造等。

④ 打造智慧供熱平臺[19],提高供熱全過程的控制、診斷、維護、監(jiān)管水平。

⑤ 建立供熱價格形成和定期調(diào)整機制,完善包含碳價的成本核算方法,出臺并實施清潔供熱的補貼和稅收優(yōu)惠政策,激勵供熱行業(yè)主體推進清潔供熱的主動性和積極性。