江亿：发电和工业余热实现北方城镇清洁供热

我国建筑运行能源可分为四个部分:北方城镇供热能源、北方采暖以外的住宅建筑能源、公共建筑能源和农村住宅建筑能源。

北方城镇供热能源之所以单独列出，是因为它的不同特点。此外，在四种建筑运行能耗中，北方采暖的总能耗最大，对空气污染的影响最大，同时也具有最高的节能潜力，这是我国建筑节能工作的重点。

热电联产和工业余热利用的技术突破

目前，我国北方城镇的民用建筑总数为145亿平方米。其中80%采用不同规模的集*热方式，其中约60%的热源由热电厂提供，其余为大型燃煤和燃气锅炉以及一小部分工业余热。其余20%的建筑通过燃气壁挂式锅炉、地源或空气源热泵进行分配。

目前，热电联产、燃煤燃气锅炉和分散供热的冬季平均供热能耗分别为每平方米12、18和14公斤标准煤，北方城镇145亿平方米建筑的冬季供热总能耗为2.1亿吨标准煤。

热电联产利用发电产生的废热作为热源。不同的热电联产工艺有不同的热量输出能耗。目前，我国大多数热电联产电厂都是抽凝机组，抽凝机组抽取约0.5兆帕的蒸汽，原进入低压缸继续发电，并将热网中的循环水加热至50~60℃至110~125℃。其余蒸汽仍进入低压缸发电，其冷凝热在20-40℃时从冷却塔或空冷岛排出，排出的余热约占机组总热量的20%-30%。

近年来，一些电厂进行了各种形式的背压改造，消除了冷端损失，但同时减少了发电量。根据(火用)分配法，电厂消耗的煤被分配给输出功率和热量，两种方法输出热量的煤耗在20-30千克标准煤/吉焦之间。

上述热电联产仍有较高煤耗的主要原因是进入电厂热网的循环水回水温度过高(50℃以上)，只能用较高的热源加热。供热系统末端采用新型吸收式换热器(AHE)等技术，回水温度可降低至10~30℃。此时，可以采用新的热电联产热回收工艺来回收冷端的所有废热，而不会进一步减少发电量。在循环水温度仍加热到120℃的情况下，输出热量所分摊的煤耗可降低到10-15公斤标准煤/GJ。

低回水温度将热网的供回水温度从120/50℃的70K温差提高到120/15℃的105K温差，使同一个热网的循环水流量输送的热量增加了50%，降低了热网输送热量的初投资和运行成本。低温回水也可进入冶金、有色金属、化工、建材等工厂，有效回收工业生产排放的低品位余热。自2010年以来，该技术已在山西、河北、宁夏等地逐步推广。它已经在可靠性、经济性和可行性方面得到充分证明，并引起了供暖行业的极大关注。

北方城镇供暖方式需要改变

未来，中国北方城镇需要供暖的民用建筑总数将达到200亿平方米。根据目前城市热网的发展情况，160亿平方米可通过热电联产和工业余热提供基本热源。其中，发电量4亿千瓦的火力发电厂供应130亿平方米，冶金、有色金属和建材生产过程中排放的低品位工业余热供应30亿平方米。在此基础上，160亿平方米的建筑每年只需再消耗150亿立方米的天然气和450亿千瓦时的电力作为终端调峰和循环水泵用电来满足供热需求，综合能耗低于9公斤标准煤/平方米/年。

为了实现这一供热计划，我们必须回答中国将来是否会保留这么多燃煤电厂，还要检查这些热源的地理位置是否与需要供热的城镇的位置相匹配，以及热传输的成本是否可以接受。

目前，中国北方采暖地区火力发电厂装机容量超过6亿千瓦。未来风力发电和光伏发电的大规模发展需要足够的储能能力和灵活的电源供应，以适应风力发电和光伏发电的大规模日波动和电力负荷侧的日变化。水电和抽水蓄能电站是最好的储能和柔性电源。然而，由中国地理资源决定的水电和抽水蓄能电站的总量很难超过3亿千瓦。考虑到100万至1.5亿千瓦核电的未来发展，还需要8亿千瓦以上的火力发电厂作为调峰电厂，与风能和太阳能相互作用，以满足中国未来的电力需求。

此外，由于旱季的限制和冬季北部黄河不结冰，水力发电能力大大下降，需要增加1亿千瓦的火力发电来补充冬季水电的短缺。这样，在大规模发展风力发电、光伏发电和水力发电的前提下，中国北方冬季应该有超过5亿千瓦的火电和核电来满足未来的电力供应，这大于供热所需的4亿千瓦火电装机容量。

然而，这些在冬季按照热电联产模式运行的热电厂必须同时承担电网的快速峰谷调节任务，而不是按照传统的“热电决定”模式运行。当进入发电厂的热网回水温度低于20℃时，发电厂设置大容量蓄热装置和电热泵，在需要发电时，进行全功率发电，蓄热槽供热，储存发电余热；然而，在电力需求低的时期，大量的空气被泵送，并且大容量的电热泵被启动，以增强在电力需求高峰时期存储的低品位废热。通过优化工艺流程，火力发电厂全天总热效率可达95%以上，输出功率可在35%~100%范围内快速调整，全天输出功率与输出热量之比不低于45%。

对于沿海建设的核电和火电，可以利用发电余热进一步进行海水淡化，通过改变取气量、蓄热和使用电热泵来提高低温余热品位，实现全年大规模的电力峰谷调节和高效余热利用。北部沿海地区也是淡水资源稀缺的地区。热电水联产可以实现全年灵活的用电调节和余热的充分利用。

多热源联合供热是大势所趋

我国北方90%以上的县级以上城镇已经建成相对完善的城市供热网络，这是发展余热供暖的必要条件，在世界上大多数发达国家还不具备。对北部县级以上城镇地理位置的详细调查表明，80%的城镇在半径100公里范围内可以找到足够的余热资源，并有利用潜力。当输送距离增加到150公里时，热源与热负荷的匹配度大于90%。

采用低回水温度技术，传热经济距离可提高50%。同时，单位热量的运输成本也随着容量的增加而降低，单位热量管道的热损失也与管径成反比。输送5000兆瓦热量的管网的经济输送距离是500兆瓦管网的3倍。实现大温差传输，传输容量可达几十亿瓦，经济传输距离是传统几百兆瓦温差网络的4-5倍。

自20世纪80年代以来，中国已建成了许多30~40公里的热传输网络，这些网络仍在安全运行。因此，采用大温差、大容量技术，可接受的运输距离为100~150公里。目前，北方大部分城镇都可以在该半径范围内找到与建设规模相匹配的热电联产或工业废热源。近年来，我国先后在太原、银川、石家庄等地建设了40-60公里的大容量长距离热网，其建设和运行实践也证实了这一点。目前，更多规模更大、距离更远的供热管网正在规划、设计和建设中，并将在未来2-3年内建成投产。

冬季供热是一项重要的民生工程。当单个工厂或发电厂被用作向区域供热的热源时，很难实现高的安全性和可靠性。实现大规模区域联网、多热源联合供热和终端天然气调峰，可以实现多源互补和优化运行，从而保证系统的可靠性和安全性。

完善建设覆盖北方大部分城镇的区域热网，综合收集各种余热资源，发电、调峰、供热、供气之间相互补充、协调，将是低碳要求下中国未来城市能源系统最适合的模式。这就要求统一规划、分散建设，在*统一规划的协调下，充分发挥地方*的积极性，依靠市场机制动员逐步实施，同时也要求相应制定合理的定价机制，平衡热、电、气价格，充分考虑各种调峰对系统的贡献。(作者是中国工程院院士)