1、城市能源系统的热电气协同模式 清华大学付林 2019年3月29日 目录目录 1. 背景背景 2. 热电协同热电协同 3. 气热协同气热协同 4. 气电协同气电协同 5. 城市能源系统的热电气协同模式城市能源系统的热电气协同模式 6. 案例案例 背景 电力、燃气和热力是未来城市能源的主体 煤、油逐步退出城市 城市能源系统追求的目标是什么？ 安全低碳（高效）清洁经济 低碳清洁 经济 背景 案例 某生态城的能源方案，如何实现20%可再生能 源目标？ 规划 十年过去了，现实呢？ 可再生 能源 城市 电网 分布 式能源 热电联产 天然气 余热 可再生能源可再生能源热电联产热电联产余热余热 分布式能源分布2、式能源天然气天然气城市电网城市电网 三联供 太阳能 热水 风光垃圾 光伏 风力发电 热泵 城市电网 太阳能热水热泵城市电网 风力发电光伏发电风光互补 垃圾三联供污泥发电 污水源热泵 北塘热电厂 地源热泵 水源热泵 三联供 地热 北疆余热 北疆电厂 道路能源 北塘 余热 北塘热电厂北疆电厂北疆余热 地源热泵地热水源热泵 三联供污水源热泵道路能源 北塘余热 背景 城市是能源消费主体，占社会能源总消费量的80%，但不是能源生产主 体，如何实现低碳？ 气，如何低碳？ 电，如何低碳？场地限制 热？ 节能（提高能效，降低需求），柔性电力负荷 电力系统面临的挑战 电力系统需要大力发展可再生能源发电 到2053、0年我国的碳排放总量要降低到目前的1/3，为满足我国社会和经济持续发展，既要实现我 国建成现代化强国、实现中国梦的目标，又要控制二氧化碳排放总量 发展可再生能源发电对电网调峰提出更高要求 可再生能源发电具有随机性，发电出力不可调节 不可调节电源占比增加，电网调峰更加困难，导致近年来弃风、弃光频发 供热系统的问题 城市仍存在大量燃煤锅炉 截至2016年底，燃煤锅炉在北方城镇供热热源中仍占32% “煤改气”、“煤改电”成本高，多数城市难以承受，清洁、低碳、经济的热源是什么？ 冬季学生操场晒太阳上课冬季学生操场晒太阳上课 1471 1692 1786 1932 2058 2386 0 500 1004、0 1500 2000 2500 3000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 201220132014201520162017 消费量（亿立方米） 时间（年） 生产量进口量消费量 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 （用气量）万Nm3 时间 北京市年度用气曲线 峰谷差接近峰谷差接近8/18/1 高峰日用气量突破高峰日用气量突破1 1亿亿NmNm3 3/h/h 8% 7% 16% 3% 18% 31% 0 0.1 0.2 0.3 0.4 201520162017 增速（%） 时间（年） 天然气消费量和进口量增速 消费量 进口量 应从综合能源系统的角度看城市能源问题 城市电力、供热、天然气系统相互联系又相互制约 充分认识热、电、6、气各自的特征，综合考虑并充分发挥它们各自的优势 领域，使得热电气相互协同，才能实现清洁低碳、高效安全的城市能源 系统 电 热 气 气热协同 目录目录 1. 背景背景 2. 热电协同热电协同 3. 气热协同气热协同 4. 气电协同气电协同 5. 城市能源系统的热电气协同模式城市能源系统的热电气协同模式 6. 案例案例 热电协同 热电协同将发电与供热相结合，发电厂变为热电厂，热电联产 长输供热，经济输送半径已超过100公里，绝大多数电厂可成为热电厂 城市及周边现有热电厂挖潜，包括一部分乏汽及烟气，超过现有供热量40% 冷却塔 电厂锅炉 汽轮机 回收电厂 余热供热 烟气余热7% 乏汽余热55% 发电7、32%G 供热成本与输送距离的关系 热电协同模式 供热系统为电力调峰优于蓄电调峰 热是产品，过剩电量转化为热可直接使用，减少能量转化环节，蓄能效率高 储热成本远低于储电 储热：60元/kWh 储电：1000元/kWh 热电协同 热电联产 发电 供热 热用户 储热 改变发电与供热的比例，并通过储 热平衡供热波动 电热泵供热 储热 低谷期消耗过剩电力，并储存热量 高峰期释放热量减少电力消耗 热电协同 让整个供热系统成为电力的蓄能体 电源侧： 热电厂“热电协同”运行，热电厂为可再生能源发电调峰，同时稳定高效地供热 需求侧： 电热泵结合储热装置，接受电网调度运行，实现电负荷削峰填谷 电网 热电厂 储 8、热 电热泵 热用户 储 热 电热泵低 谷期运行 削峰填谷 热电厂为 电网调峰 热网 热电协同 热电厂的“热电协同”模式 高峰期电厂不供热，纯发电 供热负荷由储热承担 低谷期热电联供，发电量减少 热量一部分供给热用户，一部分储 存起来 纯凝发电 储 热 热用户 用储存的 热量供热 电网 降低发电 储 热 热用户 电网 储存热量 供给热用户 实现热电厂“热电协同”的各种方式将 在之后的报告中详细介绍和比较 热电协同 电热泵“热电协同”模式运行 电热泵是高效的供热方式，结合蓄热装置可为电网调峰 电热泵“热电协同”供热 热用户 高峰期电热泵 停机不耗电 电热泵 热用户 储电 耗电 1份 耗电 1.259、份 电热泵 热用户 电热泵 耗电 1.1份 耗电 1份 低 谷 期 高 峰 期 电热泵 热用户 储电 放电 1份 耗电 1份 储能过程损失20% 蓄热罐散热损失5% 斜温层增加热泵电耗5% 储能效率 电热泵：90% 蓄电：80% 单位调峰量投资 （元/kW） 电热泵3000 抽水蓄能8000 供热系统为电力调峰的潜力 到2050年，4亿kW装机容量的火电厂改为热电联产承担120亿平米供热面积，这些热电厂可产 生约3.2亿kW的电力调峰能力 电热泵承担约10亿平米供热面积，产生0.5亿kW电力调峰能力 供热系统可提供3.7亿kW调峰能力，超过全国火电装机容量的30% “热电协同”模式解决了电力系10、统的调峰问题，同时实现了高效清洁的供热 热电协同 电网 热电厂 储 热 电热泵 热用户 储 热 0.5亿kW 调峰能力 3.2亿kW 调峰能力 130亿平米 供热面积 热网 目录目录 1. 背景背景 2. 热电协同热电协同 3. 气热协同气热协同 4. 气电协同气电协同 5. 城市能源系统的热电气协同模式城市能源系统的热电气协同模式 6. 案例案例 供热调峰 燃气锅炉 初投资小，运行费用高 用于承担尖峰负荷，提高 整体经济性 调峰热源容量占比根据整 体供热系统的经济性定量 分析确定 热电联产余热供热系统投资大，运行成本低，应长时间稳定运行，需要调峰 燃气调峰宜采用分布式 燃气比热易于输送，燃气11、调峰应放在末端 调峰燃气使用已有的居民用气管道即可满足要求 分布式燃气调峰可与热泵相结合 可进一步降低回水温度，进一步提高管网输送能力，提高 管网利用率 降低回水温度可降低热电联产的供热成本，从而提高整个 供热系统的经济性 增设天然气季节性储存 气热协同实现城市供热无煤化 城市供热无煤化不能简单地采用“煤改气”、“煤改电” 耗气量大，能效低、经济性差 回收火电厂余热为基础热源，用天然气锅炉为火电厂余热调峰，并用电 热泵回收优质低温热源余热供热，才能形成真正经济可行的城市无煤化 供热系统 城市供热无煤化 到2050年，我国北方城镇 200亿平米的供热面积，利用 燃气锅炉承担其中约20%的 调峰负12、荷，仅需要消耗天然 气110亿立方米 而这还不到北京市2017年燃 气电厂和燃气锅炉的耗气量 （133亿m） 热电厂 电热泵 热用户 热网 电厂余热承担 基础负荷 燃气调 峰锅炉 不增加电厂煤耗 燃气消耗减少60%以上 燃气 热泵 目录目录 1. 背景背景 2. 热电协同热电协同 3. 气热协同气热协同 4. 气电协同气电协同 5. 城市能源系统的热电气协同模式城市能源系统的热电气协同模式 6. 案例案例 天然气为电力调峰 燃气热电联产应慎重发展 燃气热电厂在“以热定电”的运行模式下，其灵活性高的优势丧失 燃气热电联产的燃气消耗量大，相同供热量下，耗气量比燃气锅炉多5倍以上 燃气电厂启停快、调13、节灵活，是电力调峰的最佳选择 应发展燃气电厂为电网调峰 某燃气热电厂采暖季发电曲线 0 50 100 150 200 燃气电厂燃气锅炉 耗气量（Nm/GJ） 冬季耗气量 全年耗气量 燃气热电联产“热电协同” 已建成的燃气热电厂应深度回收余热供热，并采用“热电协同”的运行模式，承担 电力调峰任务 天然气总耗量不变，燃机变负荷运行，实现热电解耦 低谷期发电压减至30%，高峰期提高到100% 通过回收余热增加供热能力40%以上 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0246810121416182022 负负 荷荷 率率 热电协同 现状 高温 罐 120 20 烟气 90 烟气 烟气 1014、 烟 囱 一次网 余热回收 机组 低温 罐 喷淋 塔 热网加热器 抽汽 目录目录 1. 背景背景 2. 热电协同热电协同 3. 气热协同气热协同 4. 气电协同气电协同 5. 城市能源系统的热电气协同模式城市能源系统的热电气协同模式 6. 案例案例 城市能源系统的热电协同模式 天然气给电和热调峰 给电调峰燃气发电电力短时间动态调节 给热调峰调峰热源供热季节性调峰 热给电调峰 热电厂热电协同电力短时间动态调节 电动热泵结合蓄热电力短时间动态调节 热力、天然气服从于电力，创造柔性城市能源的大环境， 为高比例可再生能源城市能源系统提供保障 城市能源系统的热电协同模式 供热为电力调峰，电力系统可实现高15、比例可再生能源发电 热电厂热电协同运行，为电网大幅度调峰 电热泵进一步消耗低谷绿电供热 热、电、气协同的效果 高比例可再生能源发电 电力调峰需求 电热泵供热 热电厂发电调峰 城市能源系统的热电协同模式 充分利用低谷绿电供热 热电厂在纯凝电厂压低负荷后，进一步 减少发电，制取热量 热电厂比纯凝电厂减少的发电量均由绿 电弥补 电热泵在低谷期消耗绿电制取热量 上述热量一部分进入热网供给热用户， 另一部分储存起来用于高峰期供热 高峰期供热来源于低谷期蓄热，也是绿 电供热 热、电、气协同的效果 电热泵消耗绿电供热 热电协同“消耗”绿电供热 城市能源系统的热电协同模式 天然气为供热系统调峰 调峰运行方式大16、幅提高了以电厂余热为基础热源的供热系统的能源利用效率和经济性 天然气消耗量缩减至独立燃气锅炉供热的1/3以下 天然气为电力系统调峰 充分发挥燃气电厂的调节幅度大、调节速度快的灵活性优势，为电网调峰调频 天然气作为电力、热力的调峰能源，是保障低碳能源的救火队，真正起到能源领域 的“巴黎香水”作用 热、电、气协同的效果 目录目录 1. 背景背景 2. 热电协同热电协同 3. 气热协同气热协同 4. 气电协同气电协同 5. 城市能源系统的热电气协同模式城市能源系统的热电气协同模式 6. 案例案例 西部热网供热西部热网供热 0.640.64亿亿平方米平方米 东部热网供热东部热网供热 1.241.24亿17、亿平方米平方米 北京市供热现状 北京市现状总供热面积85416万平米 天然气供热为主导的供热模式，占比超过 90% 天 然 气 热 电 联 产 供 热 面 积 15160万平方米，占比17.7%； 天然气锅炉（含燃气壁挂炉） 供热面积61916万平方米，占 比72.5%； 注：外热燃煤热电联产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济南市石家庄市哈尔滨市东京市 立方米立方米/ /人人 北京市天然气人均资源占有量大 问题1：北京供热以气为主造成供气保障危机 和煤相比供热成本高，巨额的政府18、财政补贴，且燃气电厂供热成本最高 其它城市能耗成本=381*0.47+2.36*45=285亿元 北京市能耗成本=381*0.65+2.36*84=446亿元 北京市因此每年多付出代价：161亿元 73亿Nm3 用于电厂 发电 381亿kwh 供热 4700万GJ 60亿Nm3 用于锅炉 供热 18900万GJ 供热 2.36亿GJ 问题2：天然气供热经济代价昂贵 0 10 20 30 40 50 60 70 80 燃煤电厂燃气电厂燃气锅炉 排放量( g/GJ ) 烟尘 SO2 NOx 燃气和燃煤电厂超低排放比较污染物排放情况（采暖季折算） 71.67 34.1133 问题3：天然气供热仍然有19、大量污染排放 清洁能源天然气并不“清洁” 燃气电厂和锅炉共计排放NOx仅次于交通的排放源。 问题4：以燃气锅炉为主的供热方式，造成能源的巨大浪费 天然气锅炉高能低用，效率低，仅为是燃气电厂的三分之一 燃气锅炉：1份天然气转化为0.9份热 燃气热电厂：1份天然气转化为0.57份热和0.48份电，该电用于热泵回收低温热量（污水、工业余热等 COP平均取5）转化为2.4份热，总计2.97份热 燃气锅炉占北京市供热的四分之三 北京市集中供热的热电联产比例非常低，仅为17.7% 1. 热电厂热电协同与烟气余热利用相结合 供热工况下的出力偏低，没充分发挥能力 燃气热电厂采暖季负荷率仅65%左右，造成设备 20、闲置和能源浪费（相当于5000万的电直热采暖） 北京市供热发展思路 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 11/1512/151/152/153/15 负荷率 高井电厂采暖季负荷率 逐日值平均值 0.67 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 11/1512/151/152/153/15 负荷率 华能电厂采暖季负荷率 逐日值平均值 0.65 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 11/1512/151/152/153/15 负荷率 太阳宫电厂采暖季负荷率 逐日值平均值 0.66 北京市供热发展思路 1. 热电厂热电协同与烟气余热利用相结合 尚有大量烟气余热没有得到利用，可使供热能力提高421、6.4%（烟气温度10） 燃气电厂烟气温度降低到10，烟气余热回收3196MW 序号项目简称燃机类型 装机容量 （万千瓦） 燃机供热 能力（MW） 烟气余热 量（MW） 1京丰热电（三热）1*9F级41116142 2京阳热电（太阳宫）2*9F级78549278 3华电郑常庄2*9E级50.8387171 4华润协鑫热电2*6B级157069 5电子城动力南厂2*6B级126869 6东南热电中心（高碑店） 2*9F级92.3650288 2*9F级99.8773288 7西南热电中心（草桥）2*9F级83.8592260 8西北热电中心京能项目（京西）3*9F级130.7883391 9 西22、北热电中心大唐项目（大唐高 井） 3*9F级138963406 10 东北热电中心京能项目（京能高 安屯） 2*9F级84.5596248 11 东北热电中心国华项目（国华高 安屯） 2*9F级95.1673289 12未来科技城区域能源项目1*9E级25.520897 13海淀北部区域能源项目1*9E级26.620297 14通州运河核心区区域能源项目3*6F级21.3153103 合计994.468833196 北京市供热发展思路 1. 热电厂热电协同与烟气余热利用相结合 保持天然气耗量不变，燃机变负荷运行以实现热电解耦 采暖季平均低谷期压负荷至30%，高峰期100%，平峰期60% 通过回23、收余热增加供热能力45%以上 高温 罐 120 20 烟气 90 烟气 烟气 10 烟 囱 抽汽 热网加热器 二次网 一次网 大温差 换热机组 余热回收 机组 低温 罐 喷淋 塔 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0246810121416182022 负负 荷荷 率率 热电协同 现状 北京市供热发展思路 2. 充分发展余热供热热源 通过蓄热+热泵，消纳谷电（绿电）回收余热供热 燕山石化余热 1000MW 中水 1000MW 垃圾焚烧厂 950MW 燃气锅炉余热 1000MW 域外余热 7435MW 0 20 40 60 80 100 120 140 0100200300400524、00 供供 热热 成成 本本 （元（元/GJ） 长输距离（长输距离（km） 长输供热 空气源热泵 中深层地埋管 燃气 DN1600 DN1400 DN1600 70km 北京市供热发展思路 供热半径的变化 参考比较对象由燃煤锅炉房变为电热泵和燃气锅炉房 长输DN1400管线，大温差供回水温度：130/20，调峰比例40%，电价0.6元/kWh，气价2.39元/m3 长输热网 空气源热泵 中深层地埋管 天然气锅炉 北京市供热发展思路 3.整合燃气锅炉，并入热网，作为调峰热源 燃气锅炉调峰比例太小，仅有21.8%，与合理调峰比例40%相差甚远 北京市供热发展思路 综合评价能耗 北京增加绿电消纳7325、.5亿kW.h，占北京全年用电量7% 依靠热电协同，冬季减少谷电发电量31.5亿kW.h 依靠蓄热冬季增加供热耗谷电量（绿电）42亿kW.h，其中本地16亿kWh 发挥热电厂剩余容量，冬季增加高峰发电量31.5亿kW.h 规划供热方案相比常规供热方案节能42亿m3，降低化石能源消耗47% 规划方案47亿m3，常规方案89亿m3 综合评价经济性 运行费运行费相比常规方案节省74亿，相对节省33% 投资增加368亿元 静态回收期5年 供热方 案 热电联产气耗 （亿m3） 热电联产发电 量（亿kWh） 锅炉气耗 量（亿m3） 长输耗电量 （亿kWh） 供热耗电量 （亿kWh） 长输管网外购 热量（亿26、GJ） 运行费用 （亿元） 常规方 案 39.616171 0.9929 0.1626225 新方案39.616131 6.3845 0.7523150 项目投资（亿元） 电厂烟气余热回收及热电协同改造11 锅炉烟气余热回收11 盘山电厂长输管线34 北疆电厂长输管线76 大温差改造106 长输供热区域热网管线100 中水余热供热13 燕山石化余热供热17 合计368 注：热电天然气价按2.39元/m3，锅炉天然气价按2.49元/m3，长输电价按0.6356元/kWh，其它电价0.8053元/kWh，发电上网电价0.47元/kWh，外购常规热按30元 /GJ，大温差模式热量按20元/GJ 谢谢！谢谢！