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1、城市能源系統的熱電氣協同模式 清華大學付林 2019年3月29日 目錄目錄 1. 背景背景 2. 熱電協同熱電協同 3. 氣熱協同氣熱協同 4. 氣電協同氣電協同 5. 城市能源系統的熱電氣協同模式城市能源系統的熱電氣協同模式 6. 案例案例 背景 電力、燃氣和熱力是未來城市能源的主體 煤、油逐步退出城市 城市能源系統追求的目標是什么？ 安全低碳（高效）清潔經濟 低碳清潔 經濟 背景 案例 某生態城的能源方案，如何實現20%可再生能 源目標？ 規劃 十年過去了，現實呢？ 可再生 能源 城市 電網 分布 式能源 熱電聯產 天然氣 余熱 可再生能源可再生能源熱電聯產熱電聯產余熱余熱 分布式能源分布2、式能源天然氣天然氣城市電網城市電網 三聯供 太陽能 熱水 風光垃圾 光伏 風力發電 熱泵 城市電網 太陽能熱水熱泵城市電網 風力發電光伏發電風光互補 垃圾三聯供污泥發電 污水源熱泵 北塘熱電廠 地源熱泵 水源熱泵 三聯供 地熱 北疆余熱 北疆電廠 道路能源 北塘 余熱 北塘熱電廠北疆電廠北疆余熱 地源熱泵地熱水源熱泵 三聯供污水源熱泵道路能源 北塘余熱 背景 城市是能源消費主體，占社會能源總消費量的80%，但不是能源生產主 體，如何實現低碳？ 氣，如何低碳？ 電，如何低碳？場地限制 熱？ 節能（提高能效，降低需求），柔性電力負荷 電力系統面臨的挑戰 電力系統需要大力發展可再生能源發電 到2053、0年我國的碳排放總量要降低到目前的1/3，為滿足我國社會和經濟持續發展，既要實現我 國建成現代化強國、實現中國夢的目標，又要控制二氧化碳排放總量 發展可再生能源發電對電網調峰提出更高要求 可再生能源發電具有隨機性，發電出力不可調節 不可調節電源占比增加，電網調峰更加困難，導致近年來棄風、棄光頻發 供熱系統的問題 城市仍存在大量燃煤鍋爐 截至2016年底，燃煤鍋爐在北方城鎮供熱熱源中仍占32% “煤改氣”、“煤改電”成本高，多數城市難以承受，清潔、低碳、經濟的熱源是什么？ 冬季學生操場曬太陽上課冬季學生操場曬太陽上課 1471 1692 1786 1932 2058 2386 0 500 1004、0 1500 2000 2500 3000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 201220132014201520162017 消費量（億立方米） 時間（年） 生產量進口量消費量 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 2017/3/15 2017/3/30 2017/4/14 2017/4/29 2017/5/14 2017/5/29 2017/6/13 2017/6/28 2017/7/13 2017/7/28 2017/8/12 2017/8/27 2017/9/11 2017/9/26 2017/10/11 2017/10/26 5、2017/11/10 2017/11/25 2017/12/10 2017/12/25 2018/1/9 2018/1/24 2018/2/8 2018/2/23 2018/3/10 （用氣量）萬Nm3 時間 北京市年度用氣曲線 峰谷差接近峰谷差接近8/18/1 高峰日用氣量突破高峰日用氣量突破1 1億億NmNm3 3/h/h 8% 7% 16% 3% 18% 31% 0 0.1 0.2 0.3 0.4 201520162017 增速（%） 時間（年） 天然氣消費量和進口量增速 消費量 進口量 應從綜合能源系統的角度看城市能源問題 城市電力、供熱、天然氣系統相互聯系又相互制約 充分認識熱、電、6、氣各自的特征，綜合考慮并充分發揮它們各自的優勢 領域，使得熱電氣相互協同，才能實現清潔低碳、高效安全的城市能源 系統 電 熱 氣 氣熱協同 目錄目錄 1. 背景背景 2. 熱電協同熱電協同 3. 氣熱協同氣熱協同 4. 氣電協同氣電協同 5. 城市能源系統的熱電氣協同模式城市能源系統的熱電氣協同模式 6. 案例案例 熱電協同 熱電協同將發電與供熱相結合，發電廠變為熱電廠，熱電聯產 長輸供熱，經濟輸送半徑已超過100公里，絕大多數電廠可成為熱電廠 城市及周邊現有熱電廠挖潛，包括一部分乏汽及煙氣，超過現有供熱量40% 冷卻塔 電廠鍋爐 汽輪機 回收電廠 余熱供熱 煙氣余熱7% 乏汽余熱55% 發電7、32%G 供熱成本與輸送距離的關系 熱電協同模式 供熱系統為電力調峰優于蓄電調峰 熱是產品，過剩電量轉化為熱可直接使用，減少能量轉化環節，蓄能效率高 儲熱成本遠低于儲電 儲熱：60元/kWh 儲電：1000元/kWh 熱電協同 熱電聯產 發電 供熱 熱用戶 儲熱 改變發電與供熱的比例，并通過儲 熱平衡供熱波動 電熱泵供熱 儲熱 低谷期消耗過剩電力，并儲存熱量 高峰期釋放熱量減少電力消耗 熱電協同 讓整個供熱系統成為電力的蓄能體 電源側： 熱電廠“熱電協同”運行，熱電廠為可再生能源發電調峰，同時穩定高效地供熱 需求側： 電熱泵結合儲熱裝置，接受電網調度運行，實現電負荷削峰填谷 電網 熱電廠 儲 8、熱 電熱泵 熱用戶 儲 熱 電熱泵低 谷期運行 削峰填谷 熱電廠為 電網調峰 熱網 熱電協同 熱電廠的“熱電協同”模式 高峰期電廠不供熱，純發電 供熱負荷由儲熱承擔 低谷期熱電聯供，發電量減少 熱量一部分供給熱用戶，一部分儲 存起來 純凝發電 儲 熱 熱用戶 用儲存的 熱量供熱 電網 降低發電 儲 熱 熱用戶 電網 儲存熱量 供給熱用戶 實現熱電廠“熱電協同”的各種方式將 在之后的報告中詳細介紹和比較 熱電協同 電熱泵“熱電協同”模式運行 電熱泵是高效的供熱方式，結合蓄熱裝置可為電網調峰 電熱泵“熱電協同”供熱 熱用戶 高峰期電熱泵 停機不耗電 電熱泵 熱用戶 儲電 耗電 1份 耗電 1.259、份 電熱泵 熱用戶 電熱泵 耗電 1.1份 耗電 1份 低 谷 期 高 峰 期 電熱泵 熱用戶 儲電 放電 1份 耗電 1份 儲能過程損失20% 蓄熱罐散熱損失5% 斜溫層增加熱泵電耗5% 儲能效率 電熱泵：90% 蓄電：80% 單位調峰量投資 （元/kW） 電熱泵3000 抽水蓄能8000 供熱系統為電力調峰的潛力 到2050年，4億kW裝機容量的火電廠改為熱電聯產承擔120億平米供熱面積，這些熱電廠可產 生約3.2億kW的電力調峰能力 電熱泵承擔約10億平米供熱面積，產生0.5億kW電力調峰能力 供熱系統可提供3.7億kW調峰能力，超過全國火電裝機容量的30% “熱電協同”模式解決了電力系10、統的調峰問題，同時實現了高效清潔的供熱 熱電協同 電網 熱電廠 儲 熱 電熱泵 熱用戶 儲 熱 0.5億kW 調峰能力 3.2億kW 調峰能力 130億平米 供熱面積 熱網 目錄目錄 1. 背景背景 2. 熱電協同熱電協同 3. 氣熱協同氣熱協同 4. 氣電協同氣電協同 5. 城市能源系統的熱電氣協同模式城市能源系統的熱電氣協同模式 6. 案例案例 供熱調峰 燃氣鍋爐 初投資小，運行費用高 用于承擔尖峰負荷，提高 整體經濟性 調峰熱源容量占比根據整 體供熱系統的經濟性定量 分析確定 熱電聯產余熱供熱系統投資大，運行成本低，應長時間穩定運行，需要調峰 燃氣調峰宜采用分布式 燃氣比熱易于輸送，燃氣11、調峰應放在末端 調峰燃氣使用已有的居民用氣管道即可滿足要求 分布式燃氣調峰可與熱泵相結合 可進一步降低回水溫度，進一步提高管網輸送能力，提高 管網利用率 降低回水溫度可降低熱電聯產的供熱成本，從而提高整個 供熱系統的經濟性 增設天然氣季節性儲存 氣熱協同實現城市供熱無煤化 城市供熱無煤化不能簡單地采用“煤改氣”、“煤改電” 耗氣量大，能效低、經濟性差 回收火電廠余熱為基礎熱源，用天然氣鍋爐為火電廠余熱調峰，并用電 熱泵回收優質低溫熱源余熱供熱，才能形成真正經濟可行的城市無煤化 供熱系統 城市供熱無煤化 到2050年，我國北方城鎮 200億平米的供熱面積，利用 燃氣鍋爐承擔其中約20%的 調峰負12、荷，僅需要消耗天然 氣110億立方米 而這還不到北京市2017年燃 氣電廠和燃氣鍋爐的耗氣量 （133億m） 熱電廠 電熱泵 熱用戶 熱網 電廠余熱承擔 基礎負荷 燃氣調 峰鍋爐 不增加電廠煤耗 燃氣消耗減少60%以上 燃氣 熱泵 目錄目錄 1. 背景背景 2. 熱電協同熱電協同 3. 氣熱協同氣熱協同 4. 氣電協同氣電協同 5. 城市能源系統的熱電氣協同模式城市能源系統的熱電氣協同模式 6. 案例案例 天然氣為電力調峰 燃氣熱電聯產應慎重發展 燃氣熱電廠在“以熱定電”的運行模式下，其靈活性高的優勢喪失 燃氣熱電聯產的燃氣消耗量大，相同供熱量下，耗氣量比燃氣鍋爐多5倍以上 燃氣電廠啟停快、調13、節靈活，是電力調峰的最佳選擇 應發展燃氣電廠為電網調峰 某燃氣熱電廠采暖季發電曲線 0 50 100 150 200 燃氣電廠燃氣鍋爐 耗氣量（Nm/GJ） 冬季耗氣量 全年耗氣量 燃氣熱電聯產“熱電協同” 已建成的燃氣熱電廠應深度回收余熱供熱，并采用“熱電協同”的運行模式，承擔 電力調峰任務 天然氣總耗量不變，燃機變負荷運行，實現熱電解耦 低谷期發電壓減至30%，高峰期提高到100% 通過回收余熱增加供熱能力40%以上 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0246810121416182022 負負 荷荷 率率 熱電協同 現狀 高溫 罐 120 20 煙氣 90 煙氣 煙氣 1014、 煙 囪 一次網 余熱回收 機組 低溫 罐 噴淋 塔 熱網加熱器 抽汽 目錄目錄 1. 背景背景 2. 熱電協同熱電協同 3. 氣熱協同氣熱協同 4. 氣電協同氣電協同 5. 城市能源系統的熱電氣協同模式城市能源系統的熱電氣協同模式 6. 案例案例 城市能源系統的熱電協同模式 天然氣給電和熱調峰 給電調峰燃氣發電電力短時間動態調節 給熱調峰調峰熱源供熱季節性調峰 熱給電調峰 熱電廠熱電協同電力短時間動態調節 電動熱泵結合蓄熱電力短時間動態調節 熱力、天然氣服從于電力，創造柔性城市能源的大環境， 為高比例可再生能源城市能源系統提供保障 城市能源系統的熱電協同模式 供熱為電力調峰，電力系統可實現高15、比例可再生能源發電 熱電廠熱電協同運行，為電網大幅度調峰 電熱泵進一步消耗低谷綠電供熱 熱、電、氣協同的效果 高比例可再生能源發電 電力調峰需求 電熱泵供熱 熱電廠發電調峰 城市能源系統的熱電協同模式 充分利用低谷綠電供熱 熱電廠在純凝電廠壓低負荷后，進一步 減少發電，制取熱量 熱電廠比純凝電廠減少的發電量均由綠 電彌補 電熱泵在低谷期消耗綠電制取熱量 上述熱量一部分進入熱網供給熱用戶， 另一部分儲存起來用于高峰期供熱 高峰期供熱來源于低谷期蓄熱，也是綠 電供熱 熱、電、氣協同的效果 電熱泵消耗綠電供熱 熱電協同“消耗”綠電供熱 城市能源系統的熱電協同模式 天然氣為供熱系統調峰 調峰運行方式大16、幅提高了以電廠余熱為基礎熱源的供熱系統的能源利用效率和經濟性 天然氣消耗量縮減至獨立燃氣鍋爐供熱的1/3以下 天然氣為電力系統調峰 充分發揮燃氣電廠的調節幅度大、調節速度快的靈活性優勢，為電網調峰調頻 天然氣作為電力、熱力的調峰能源，是保障低碳能源的救火隊，真正起到能源領域 的“巴黎香水”作用 熱、電、氣協同的效果 目錄目錄 1. 背景背景 2. 熱電協同熱電協同 3. 氣熱協同氣熱協同 4. 氣電協同氣電協同 5. 城市能源系統的熱電氣協同模式城市能源系統的熱電氣協同模式 6. 案例案例 西部熱網供熱西部熱網供熱 0.640.64億億平方米平方米 東部熱網供熱東部熱網供熱 1.241.24億17、億平方米平方米 北京市供熱現狀 北京市現狀總供熱面積85416萬平米 天然氣供熱為主導的供熱模式，占比超過 90% 天 然 氣 熱 電 聯 產 供 熱 面 積 15160萬平方米，占比17.7%； 天然氣鍋爐（含燃氣壁掛爐） 供熱面積61916萬平方米，占 比72.5%； 注：外熱燃煤熱電聯產1.7% 0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 北京市天津市上海市濟南市石家莊市哈爾濱市東京市 立方米立方米/ /人人 北京市天然氣人均資源占有量大 問題1：北京供熱以氣為主造成供氣保障危機 和煤相比供熱成本高，巨額的政府18、財政補貼，且燃氣電廠供熱成本最高 其它城市能耗成本=381*0.47+2.36*45=285億元 北京市能耗成本=381*0.65+2.36*84=446億元 北京市因此每年多付出代價：161億元 73億Nm3 用于電廠 發電 381億kwh 供熱 4700萬GJ 60億Nm3 用于鍋爐 供熱 18900萬GJ 供熱 2.36億GJ 問題2：天然氣供熱經濟代價昂貴 0 10 20 30 40 50 60 70 80 燃煤電廠燃氣電廠燃氣鍋爐 排放量( g/GJ ) 煙塵 SO2 NOx 燃氣和燃煤電廠超低排放比較污染物排放情況（采暖季折算） 71.67 34.1133 問題3：天然氣供熱仍然有19、大量污染排放 清潔能源天然氣并不“清潔” 燃氣電廠和鍋爐共計排放NOx僅次于交通的排放源。 問題4：以燃氣鍋爐為主的供熱方式，造成能源的巨大浪費 天然氣鍋爐高能低用，效率低，僅為是燃氣電廠的三分之一 燃氣鍋爐：1份天然氣轉化為0.9份熱 燃氣熱電廠：1份天然氣轉化為0.57份熱和0.48份電，該電用于熱泵回收低溫熱量（污水、工業余熱等 COP平均取5）轉化為2.4份熱，總計2.97份熱 燃氣鍋爐占北京市供熱的四分之三 北京市集中供熱的熱電聯產比例非常低，僅為17.7% 1. 熱電廠熱電協同與煙氣余熱利用相結合 供熱工況下的出力偏低，沒充分發揮能力 燃氣熱電廠采暖季負荷率僅65%左右，造成設備 20、閑置和能源浪費（相當于5000萬的電直熱采暖） 北京市供熱發展思路 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 11/1512/151/152/153/15 負荷率 高井電廠采暖季負荷率 逐日值平均值 0.67 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 11/1512/151/152/153/15 負荷率 華能電廠采暖季負荷率 逐日值平均值 0.65 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 11/1512/151/152/153/15 負荷率 太陽宮電廠采暖季負荷率 逐日值平均值 0.66 北京市供熱發展思路 1. 熱電廠熱電協同與煙氣余熱利用相結合 尚有大量煙氣余熱沒有得到利用，可使供熱能力提高421、6.4%（煙氣溫度10） 燃氣電廠煙氣溫度降低到10，煙氣余熱回收3196MW 序號項目簡稱燃機類型 裝機容量 （萬千瓦） 燃機供熱 能力（MW） 煙氣余熱 量（MW） 1京豐熱電（三熱）1*9F級41116142 2京陽熱電（太陽宮）2*9F級78549278 3華電鄭常莊2*9E級50.8387171 4華潤協鑫熱電2*6B級157069 5電子城動力南廠2*6B級126869 6東南熱電中心（高碑店） 2*9F級92.3650288 2*9F級99.8773288 7西南熱電中心（草橋）2*9F級83.8592260 8西北熱電中心京能項目（京西）3*9F級130.7883391 9 西22、北熱電中心大唐項目（大唐高 井） 3*9F級138963406 10 東北熱電中心京能項目（京能高 安屯） 2*9F級84.5596248 11 東北熱電中心國華項目（國華高 安屯） 2*9F級95.1673289 12未來科技城區域能源項目1*9E級25.520897 13海淀北部區域能源項目1*9E級26.620297 14通州運河核心區區域能源項目3*6F級21.3153103 合計994.468833196 北京市供熱發展思路 1. 熱電廠熱電協同與煙氣余熱利用相結合 保持天然氣耗量不變，燃機變負荷運行以實現熱電解耦 采暖季平均低谷期壓負荷至30%，高峰期100%，平峰期60% 通過回23、收余熱增加供熱能力45%以上 高溫 罐 120 20 煙氣 90 煙氣 煙氣 10 煙 囪 抽汽 熱網加熱器 二次網 一次網 大溫差 換熱機組 余熱回收 機組 低溫 罐 噴淋 塔 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0246810121416182022 負負 荷荷 率率 熱電協同 現狀 北京市供熱發展思路 2. 充分發展余熱供熱熱源 通過蓄熱+熱泵，消納谷電（綠電）回收余熱供熱 燕山石化余熱 1000MW 中水 1000MW 垃圾焚燒廠 950MW 燃氣鍋爐余熱 1000MW 域外余熱 7435MW 0 20 40 60 80 100 120 140 0100200300400524、00 供供 熱熱 成成 本本 （元（元/GJ） 長輸距離（長輸距離（km） 長輸供熱 空氣源熱泵 中深層地埋管 燃氣 DN1600 DN1400 DN1600 70km 北京市供熱發展思路 供熱半徑的變化 參考比較對象由燃煤鍋爐房變為電熱泵和燃氣鍋爐房 長輸DN1400管線，大溫差供回水溫度：130/20，調峰比例40%，電價0.6元/kWh，氣價2.39元/m3 長輸熱網 空氣源熱泵 中深層地埋管 天然氣鍋爐 北京市供熱發展思路 3.整合燃氣鍋爐，并入熱網，作為調峰熱源 燃氣鍋爐調峰比例太小，僅有21.8%，與合理調峰比例40%相差甚遠 北京市供熱發展思路 綜合評價能耗 北京增加綠電消納7325、.5億kW.h，占北京全年用電量7% 依靠熱電協同，冬季減少谷電發電量31.5億kW.h 依靠蓄熱冬季增加供熱耗谷電量（綠電）42億kW.h，其中本地16億kWh 發揮熱電廠剩余容量，冬季增加高峰發電量31.5億kW.h 規劃供熱方案相比常規供熱方案節能42億m3，降低化石能源消耗47% 規劃方案47億m3，常規方案89億m3 綜合評價經濟性 運行費運行費相比常規方案節省74億，相對節省33% 投資增加368億元 靜態回收期5年 供熱方 案 熱電聯產氣耗 （億m3） 熱電聯產發電 量（億kWh） 鍋爐氣耗 量（億m3） 長輸耗電量 （億kWh） 供熱耗電量 （億kWh） 長輸管網外購 熱量（億26、GJ） 運行費用 （億元） 常規方 案 39.616171 0.9929 0.1626225 新方案39.616131 6.3845 0.7523150 項目投資（億元） 電廠煙氣余熱回收及熱電協同改造11 鍋爐煙氣余熱回收11 盤山電廠長輸管線34 北疆電廠長輸管線76 大溫差改造106 長輸供熱區域熱網管線100 中水余熱供熱13 燕山石化余熱供熱17 合計368 注：熱電天然氣價按2.39元/m3，鍋爐天然氣價按2.49元/m3，長輸電價按0.6356元/kWh，其它電價0.8053元/kWh，發電上網電價0.47元/kWh，外購常規熱按30元 /GJ，大溫差模式熱量按20元/GJ 謝謝！謝謝！