常珊珊 范 磊 趙璽靈 李自勇 金 凱

(1.北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100085;2.福建福清核電有限公司,福建 福州 350321;3.清華大學(xué),北京 100084)

1 工業(yè)園區(qū)零碳發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn)

2021年9月,中共中央、國(guó)務(wù)院出臺(tái)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》,把碳達(dá)峰、碳中和納入經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局,堅(jiān)定不移走綠色低碳的高質(zhì)量發(fā)展道路,確保如期實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

2021年,福建省全社會(huì)能源消費(fèi)總量1.5億TCE,其中,工業(yè)能源消費(fèi)量占66%;從能源種類看,煤炭占比48%,油類占23%,高化石能源導(dǎo)致了嚴(yán)重的污染和碳排放[1]。2019年,福建省碳排放2.78億TCE,其中,51%的碳排放產(chǎn)生于電力、熱力生產(chǎn)行業(yè)(圖1)[2]。由此可見,福建省節(jié)能降碳的關(guān)鍵在于電力、工業(yè)用熱兩方面。電力方面,除構(gòu)建以核能、風(fēng)光等新能源為主體的新型電力系統(tǒng)外,還需要提高源側(cè)和末端的靈活性,從而解決供需側(cè)日間、季節(jié)性的不平衡問(wèn)題;工業(yè)用熱方面,目前福建省工業(yè)用熱主要來(lái)自燃煤熱源(自備燃煤鍋爐和大型熱電聯(lián)產(chǎn)),其零碳化的關(guān)鍵在于熱源需要向高效、零碳轉(zhuǎn)變。

圖1 2019年福建省碳排放構(gòu)成

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)低碳或零碳綜合能源系統(tǒng)均是圍繞“電力和熱力(冷)”展開,電力側(cè)構(gòu)建以“風(fēng)+光電+儲(chǔ)能”為主的新型能源系統(tǒng),冷熱側(cè)以清潔電力或燃?xì)馊?lián)供為主。一方面,受到光伏投資、燃?xì)鈨r(jià)格及儲(chǔ)能投資影響,無(wú)法大規(guī)模推廣作為地區(qū)主要的能源主力,限制了系統(tǒng)的發(fā)展;另一方面,沒(méi)有解決電力系統(tǒng)調(diào)峰問(wèn)題。

作為天然的零碳資源,我國(guó)核電廠裝機(jī)達(dá)到56993.34 MWe[3],分布在東部沿海地區(qū)。2021年,國(guó)際首創(chuàng)“水熱同產(chǎn)”技術(shù)在山東海陽(yáng)核電示范工程得到成功應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)零碳供熱,是我國(guó)核能綜合利用領(lǐng)域科研攻關(guān)的一次重大突破,為核能綜合利用指明了新的方向[4]。目前,核電廠仍有60%的余熱排放到海水中,沒(méi)有得到充分的利用,造成了能源的極大浪費(fèi)[5]。若進(jìn)行余熱回收,每1億kW 核電可供熱1.5億kW,全年按運(yùn)行300 d計(jì)算,年可供熱39億GJ,折合當(dāng)量標(biāo)煤1.47億t。我國(guó)南方地區(qū)工業(yè)園區(qū)分布以經(jīng)濟(jì)更為發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)為主,與核電廠的分布區(qū)域基本一致。通過(guò)突破性的核能綜合利用技術(shù),實(shí)現(xiàn)園區(qū)零碳用熱、零碳用電,是我國(guó)“雙碳”目標(biāo)下能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和發(fā)展的重要方向。

2 基于核能的熱電協(xié)同綜合能源系統(tǒng)

本文提出一種基于核能的熱電協(xié)同綜合能源系統(tǒng),如圖2所示。該系統(tǒng)以核能高溫輸水末端制汽技術(shù)解決工業(yè)用熱為核心,核電、光伏提供零碳電力。此外,在末端利用儲(chǔ)熱罐構(gòu)建熱電協(xié)同供熱模式,以光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)為補(bǔ)充,提高電力側(cè)柔性化水平,解決供需側(cè)日間電力不平衡問(wèn)題,進(jìn)而提高電力系統(tǒng)的安全性[6]。

圖2 基于核能的熱電協(xié)同綜合能源系統(tǒng)

2.1 工業(yè)用熱零碳化

本系統(tǒng)通過(guò)高溫輸水末端制汽技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)用熱的零碳化。傳統(tǒng)的工業(yè)蒸汽供應(yīng)方式是蒸汽直接輸送,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛,但是輸送系統(tǒng)受高參數(shù)、長(zhǎng)距離的應(yīng)用限制,且部分負(fù)荷工況易凝水,導(dǎo)致系統(tǒng)熱損失高,難以將核能的巨大潛力發(fā)揮[7-8]。高溫?zé)崴斔湍┒酥破鞒探Y(jié)合了電廠側(cè)的余熱回收梯級(jí)利用、熱水管網(wǎng)輸送、蒸汽生產(chǎn)設(shè)備(包括蒸汽發(fā)生器和壓縮機(jī))三部分[9],如圖3所示。一方面,輸送側(cè)采用高溫?zé)崴芫W(wǎng)實(shí)現(xiàn)了熱量的長(zhǎng)距離輸送,可以為更遠(yuǎn)的用戶供汽,為核能余熱遠(yuǎn)距離輸送提供了基礎(chǔ),解決了零碳資源和工業(yè)熱需求地理位置間的不匹配問(wèn)題;另一方面,系統(tǒng)通過(guò)末端設(shè)備可實(shí)現(xiàn)根據(jù)需求生產(chǎn)不同參數(shù)的蒸汽。負(fù)荷變化容量范圍廣,啟停方便,與蒸汽系統(tǒng)相比,適合用汽企業(yè)較為分散、負(fù)荷不穩(wěn)定、參數(shù)需求差異大的園區(qū),解決了核電余熱與用熱參數(shù)不匹配問(wèn)題,為核能余熱的潛力挖潛提供了基礎(chǔ)。

圖3 高溫?zé)崴斔湍┒酥破鞒?/p>

2.2 柔性化零碳用電

零碳電力方面,本系統(tǒng)除了利用核能、光伏等零碳電力解決園區(qū)需求外,還在末端利用儲(chǔ)熱罐構(gòu)建熱電協(xié)同供熱模式,同時(shí),采用光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)提高電力側(cè)柔性化水平,以提高電力系統(tǒng)的安全性。

①在高溫輸水末端制汽的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步通過(guò)在用戶端儲(chǔ)熱的方式實(shí)現(xiàn)園區(qū)工業(yè)電力調(diào)節(jié)。在電力低谷期,通過(guò)熱水管網(wǎng)制取蒸汽。此外,通過(guò)消耗多余的低谷期電力,將低溫罐中熱量提升溫度存儲(chǔ)到高溫罐中;在電力高峰期,利用高溫罐中的熱水制取蒸汽,從而減小高峰期電力消耗。同時(shí),將熱網(wǎng)水的熱量通過(guò)低溫罐中的低溫水存儲(chǔ),以便在高峰期使用[9]。

基于熱電協(xié)同的核能供熱技術(shù)方案,可助力實(shí)現(xiàn)工業(yè)側(cè)用電負(fù)荷的柔性化,可利用低谷電替代部分高峰電,進(jìn)一步降低工業(yè)蒸汽成本。

②在末端融合光儲(chǔ)直柔系統(tǒng),大力發(fā)展光伏作為清潔電力的補(bǔ)充。同時(shí),設(shè)置V2G智能雙向充電樁作為儲(chǔ)能裝置,實(shí)現(xiàn)電力削峰填谷,增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性。

3 案例分析

3.1 園區(qū)概況及能源需求預(yù)測(cè)

閩臺(tái)(福州)藍(lán)色經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園(以下簡(jiǎn)稱藍(lán)色產(chǎn)業(yè)園)位于福清市,核心區(qū)規(guī)劃面積22.69 km2,其中,工業(yè)用地面積占10.45 km2,均以發(fā)展非流程工業(yè)用熱為主。目前,該園區(qū)還處于規(guī)劃發(fā)展階段。福清核電廠距離園區(qū)15 km,裝機(jī)4×1089 MW+2×1161 MW,年發(fā)電能力達(dá)到500億kW·h。考慮余熱回收,目前裝機(jī)具有15000 t/h的供熱潛力,完全可承擔(dān)園區(qū)的電力和熱力需求。

①工業(yè)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)。根據(jù)《城市供熱規(guī)劃規(guī)范》(GB/T 51074—2015)中規(guī)定的工業(yè)熱負(fù)荷指標(biāo),結(jié)合現(xiàn)狀企業(yè)發(fā)展情況,計(jì)算得近期核心區(qū)工業(yè)需求為250 t/h。非流程工業(yè)主要為紡織業(yè)、造紙業(yè)、農(nóng)副產(chǎn)品加工等其他制造業(yè),主要能源需求集中在電力、熱力。其中,對(duì)熱力需求分為中低溫?zé)崃?<150 ℃)和高溫?zé)崃?根據(jù)實(shí)際調(diào)研,園區(qū)近期核心區(qū)工業(yè)用汽最高參數(shù)0.8 MPa/180 ℃。

②電負(fù)荷預(yù)測(cè)。根據(jù)《城市電力規(guī)劃規(guī)范》(GB/T 50293—2014)計(jì)算園區(qū)的用電負(fù)荷為1161 MW,典型日波動(dòng)曲線如圖4所示,年總耗電量為66.4億kW·h。目前,園區(qū)分時(shí)電價(jià)如表1所示,平均電價(jià)為0.51元/kW·h。

圖4 園區(qū)電力負(fù)荷日曲線

表1 藍(lán)色產(chǎn)業(yè)園分時(shí)電價(jià)

3.2 熱電協(xié)同綜合能源系統(tǒng)

3.2.1 工業(yè)用熱零碳化分析

結(jié)合園區(qū)工業(yè)用熱需求(250 t/h,0.8 MPa/180 ℃),輸送和末端運(yùn)行電價(jià)按照?qǐng)@區(qū)峰谷日平均電價(jià)0.51元/kW·h計(jì)算,分析高溫輸水末端制汽方案。總投資28693.4萬(wàn)元,以熱水管網(wǎng)投資和末端制汽設(shè)備為主,占比98%;電廠側(cè)只通過(guò)換熱器加熱熱網(wǎng)水,投資僅占比2%?？傉羝杀緸?30元/t,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃?xì)夤岢杀?如圖5所示。蒸汽成本以電廠側(cè)運(yùn)行成本和末端運(yùn)行成本為主,電廠側(cè)由于抽汽減少了上網(wǎng)電量,成本占到30%;末端由于需要對(duì)蒸汽進(jìn)行壓縮,耗電量大,運(yùn)行成本占比超過(guò)50%。如果運(yùn)行電價(jià)降低到0.4元/kW·h,蒸汽成本可以進(jìn)一步降到112.5元/t。

圖5 蒸汽成本構(gòu)成

3.2.2 柔性化零碳用電

①熱電協(xié)同技術(shù)。末端增加儲(chǔ)熱罐打造熱電協(xié)同模式,相比平期,經(jīng)計(jì)算高峰期用電量降低50%,低谷期用電量增加67%,如圖6所示,可以助力工業(yè)用電側(cè)的柔性化,且隨著工業(yè)負(fù)荷的增加,對(duì)電力調(diào)節(jié)的能力越強(qiáng)。此外,由于增加了低谷電的消耗,還可以進(jìn)一步降低蒸汽成本。經(jīng)計(jì)算,系統(tǒng)增加了高溫罐和低溫罐,且增加了一部分低谷期的制汽設(shè)備容量,導(dǎo)致折舊成本相比常規(guī)方案增加5.6元/t,但運(yùn)行成本降低7.3元/t,總蒸汽成本降低1.7元/t,如表2所示。

圖6 生產(chǎn)1 kg/s蒸汽用戶側(cè)耗電功率

表2 1 t熱電協(xié)同蒸汽成本 單位:元

未來(lái),隨著可再生能源電力占比的增加,電力市場(chǎng)還將進(jìn)一步增加峰谷電價(jià)差帶動(dòng)用戶調(diào)峰,熱電協(xié)同技術(shù)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)將更加突出。假設(shè)當(dāng)日平均電價(jià)不變的基礎(chǔ)上,將峰谷價(jià)差從目前的0.36元/kW·h逐步增大到0.76元/kW·h后,蒸汽成本可降低到117元/kW·h,如表3所示。

表3 增大峰谷價(jià)差后的1 t蒸汽成本 單位:元

②光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)。在末端結(jié)合雙向智能充電樁、光伏,助力建筑用電的柔性化。藍(lán)色產(chǎn)業(yè)園可敷設(shè)光伏板面積達(dá)107萬(wàn)m2,光伏裝機(jī)157 MW,年總發(fā)電量16055萬(wàn)kW·h。同時(shí),大力發(fā)展新能源汽車,按照規(guī)劃未來(lái)電動(dòng)車2萬(wàn)輛左右,考慮60%的雙向智能充電樁,日儲(chǔ)能力將達(dá)到60萬(wàn)kW·h,日調(diào)節(jié)能力84 MW。

綜上,熱電協(xié)同綜合能源系統(tǒng)可以增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性,峰谷差從48%縮短至26%,電力增容也從1250.2 MW降低至1073 MW,助力打造柔性用電模式,如圖7所示。未來(lái),隨著工業(yè)熱負(fù)荷的增長(zhǎng),熱電協(xié)同模式柔性化能力也會(huì)逐步增加。

圖7 藍(lán)色產(chǎn)業(yè)園多日柔性用電曲線示意圖

3.2.3 與常規(guī)方案比較

將熱電協(xié)同綜合能源系統(tǒng)與常規(guī)方案作比較,假設(shè)常規(guī)方案基準(zhǔn)條件為藍(lán)色產(chǎn)業(yè)園熱負(fù)荷由各企業(yè)設(shè)置小型燃?xì)忮仩t承擔(dān);園區(qū)僅設(shè)置光伏發(fā)電作補(bǔ)充,其余全部由網(wǎng)上電力承擔(dān)。兩方案參數(shù)如表4所示。

表4 方案參數(shù)對(duì)比

經(jīng)計(jì)算,兩個(gè)方案總投資分別為110249萬(wàn)元和96201萬(wàn)元,如表5所示。考慮兩個(gè)方案供熱成本的不同,以供熱方案相同收益為基準(zhǔn),熱電協(xié)同綜合能源系統(tǒng)售汽價(jià)格可低至150元/t,常規(guī)能源方案售汽價(jià)格需要達(dá)到316元/t。計(jì)算得本系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期為5.3年,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)減少CO2排放390萬(wàn)t。若包含減碳效益,則靜態(tài)投資回收期為1.8年。

表5 規(guī)劃方案投資對(duì)比 單位:萬(wàn)元

基于核能的熱電協(xié)同綜合能源系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)色產(chǎn)業(yè)園能源系統(tǒng)的零碳化,更進(jìn)一步降低了企業(yè)用能成本,開啟了工業(yè)園區(qū)碳中和領(lǐng)先模式,與園區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和招商引資相互促進(jìn),助力將產(chǎn)業(yè)園打造為綠色低碳、安全高效的國(guó)際一流綜合園區(qū)。

4 結(jié)論

工業(yè)行業(yè)能耗高、碳排放量大,為支撐實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),必須在工業(yè)園區(qū)推動(dòng)清潔低碳能源的大規(guī)模替代。發(fā)揮核能天然的零碳優(yōu)勢(shì),突破單一發(fā)電模式,打造核能綜合利用,是促進(jìn)工業(yè)園區(qū)供熱低碳乃至零碳的重要方向。本文以藍(lán)色產(chǎn)業(yè)園為例,提出了一種熱電協(xié)同綜合能源系統(tǒng)模式,通過(guò)高溫輸水末端制汽技術(shù)實(shí)現(xiàn)園區(qū)的零碳供熱,同時(shí)解決了電力供需側(cè)日間不平衡的問(wèn)題,助力用戶側(cè)電力曲線柔性化,增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)年供零碳蒸汽量18萬(wàn)t,年供電66.4億kW·h,峰谷差從48%縮短至26%,減少CO2排放390萬(wàn)t,保證園區(qū)內(nèi)工業(yè)用戶產(chǎn)品都是零碳標(biāo)簽產(chǎn)品,與常規(guī)能源規(guī)劃方案相比具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)、環(huán)保優(yōu)勢(shì)及可靠性優(yōu)勢(shì),助力福建省綠色低碳與高質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。