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低碳能源时代中国热电联产的发展趋势
2013年第一期    发布时间:2013-6-13 14:31:24

低碳能源时代

中国热电联产的发展趋势

华南理工大学 天然气利用研究中心     华 贲

      作者简介: 华   贲 ( 1937 - ) ,男 ,沈阳人 ,教授 ,博士生导师 ,国家重点基础研究规划项目 ( 973 )“高效节能的关键科学问题 ”首席科学家 ;教育部传热强化过程节能重点实验室学术委员会主任 ;中国能源研究会热力学及工程应用专业委员会常务副主任 ;中国建筑业协会建筑节能专业委员会专家组成员 ;中国住宅商会能源高级顾问 ;国际设计与工程科学协会 ( SDPS) 资深会员 ( Fellow ) ;广州能源学会副理事长 ;《石油化工 》杂志编委 ;《华南理工大学学报 》编委. 主要从事过程系统能量分析和综合优化的理论和工程研究。

 

 

      摘要 : 在分析低碳时代中国乃至世界的能源结构将向以可再生能源和天然气为主转型 ,煤将通过 CCS的方式清洁利用的发展趋势和中国热电联产 ( CHP ) 30年进展及其存在的问题的基础上 ,指出了中国热电联产 ( CHP ) 的 2大趋势 : ①燃煤 CHP将以大 、中型煤气化多联产为主流 ; ②天然气 CHP将发展为分布式冷热电联供能源系统 (DES /CCHP) ,并替代煤成为工业和城市商住建筑物能源供应的主体. 中国需借鉴西方 CCHP成熟技术 ,结合国情集成创新 ,抓住工业化和城镇化的历史机遇 ,把发电与向工业用户供蒸汽 ,向公共建筑供暖 、供冷和向民居供暖及生活热水结合起来 ;在 10~20年内把能效提高到世均水平。
      关键词 : 低碳能源 ;热电联产 ;煤气化多联产 ;天然气冷热电联供 ;集成创新
      1、气候变化约限下未来 10 ~20 年的中国能源格局[1]
2009年 12月召开的哥本哈根会议以世界 192 个国家的声音 ,在《哥本哈根协议 》中达成了 2个重要的共识 :第一 ,“承认这一科学观点 ”,即全球平均气温不应比工业化开始前高出 2 ℃. 第二 ,重申了“共同但有区别的责任 ”,明确了减排的长期目标 ,即全球排放量减到 1990年 ( 209亿吨碳当量 )的一半 ;发达国家则应至少减排其 1990 年排放量的 80%. 尽管在中期减排目标上还未达成一致 ,但这已经具有重大的历史意义.因为这实际上宣告了人类发展模式的重大改变. 首先是人类一次能源利用第三次大转型 : 煤和石油从占65%降到 40%以下 ;天
然气和洁净的核能及可再生能源由 30%多增加到 60%左右. 文献 [ 2 ]分析了这个长期目标所约限的到 2020 ~2030 年世界碳减排的中期目标 IEA“450情景方案 ”与“丹麦方案 ”的 2 种情景,见表1 .
             

         以煤为主要一次能源的中国 ,要达到 2020年的中期减排目标 ,其能源构成转型的任务更为艰巨。 表 2是哥本哈根协议约束的中国的一次能源构成。按照规划 ,中国要完成到 2020年 GDP比 2005年翻两番 ,继续并基本完成工业化,人均 GDP达到 1 万美元这样宏大的发展任务 ,仅有比 2007年耗量略多一点的 30亿 t/ a煤炭支持 ,这怎么可能呢. 然而 ,这是气候变化碳减排所限定的硬约束. 2020年中国人口占世界 18% ,按表 2的数据 ,碳排放 74亿 t/ a,已经占世界的 24% ;人均 513 t/ a也超过了世均的 410 t/ a,不大可能再多排. 因此 ,中国必须从产业结构 、能源科技 、能源利用效率等方面下功夫 ,把低碳增长作为转变经济增长模式的创新机遇. 初步分析表明 ,这是可以做到的。

              
      2007 年中国的能源构成是 : 煤 69%、石油 18%、天然 气 3.7%、 化 石 能 源 9.3% ; 高 排 碳 能 源 占非87% ;天然气远远低于世均的 23%. 进一步分析煤的利用途径 ,统计数据表明 ,发电 6.8万亿 kW ·h,煤电占 78% ,耗煤 10.5亿 tec / a,占总耗煤量 19亿 tec / a的55% (其余 15%的煤 , 2.85亿 tec / a用于水泥 ,占世界的 50% ; 30%用于工业和其他 ) 。
 气候变化推动的世界科技发展和一次能源构成转型的几大要点是 :
      1 ) 核能和可再生能源比率大大增加 ,化石能源比率递减。
      2 ) 二氧化碳捕捉和封存技术 ( CCS ) 取得突破 ,2020年可达 10%。
      3 ) 煤的富氧气化 /多联产技术大规模应用并成为CCS的主力。
      4 ) 天然气将超过石油 ,成为 2030 年之前提高能效和减排的主力。
      这几个要点对中国完全适用而且发展速度必将领先于世界. 可以预料 ,在上述 2) 、3) 方面的进展 ,将使2020年中国煤炭利用的途径发生重大改变 : 21. 5 亿tec / a的煤炭之中 ,发电与多联产化工可能占绝大部分( 17亿 tec / a,约占 80% ) ,水泥耗煤应当略少 ,例如 2亿 tec / a;作为工业燃料的煤在东南沿海大城市的部分将被天然气冷热电联供 ( CCHP ) 取代 ,其余的则很有可能采用最近突破的带 CCS的常压煤气化路线 ,耗煤约 3亿 tec / a。
      根据国家电网公司的规划 , 2020 年电的装机为170万 MW ,其中煤电占 65% ,即 110万 MW. 届时将是以大型机组为主 ,并有相当一部分不再是超超临界 ,而是煤气化多联产 (即与煤化工有交叉 ) ; 这样 ,转换效率将有较大提高 ,按煤耗 320 g / kW h、 4000 h / a计 ,将共耗标煤 14亿 tec / a. 另一方面 ,到 2020年 ,能效和碳减排 2大因素要求天然气增加到 4000亿 m3 / a,其中至少 1 /4将作为主要的工业燃料 ,通过 CCHP系统利用 ,可替代 2 ~3 亿 tec / a 用于工业的煤. 同时 , 按照2008年制定的煤化工规划 , 2020年将用煤 4亿 tec / a;而从去年煤化工的进展来看 ,这个数据可能被超过。随着科技进步的日新月异 ,上述情景还有可能改变。

       2 中国热电联产的进展和问题
      经过 30年的努力 ,中国的热电联产 ( CHP )有了长足的发展. 根据中国电机工程学会的统计 ,2009 年热电机组装机已达 10万 MW ,约为火电装机的 1 /5;在集中供 热 的 负 荷 中 , 供 蒸 汽 的 占 80% , 供 热 水 的 占20%[4] 。近年来 ,中国的 CHP不仅在数量和规模上取得了长足的进步 ,而且在其他方面也有所进展和创新。
      1 ) 原来多以城市采暖供热为主 ,目前 ,特别是在南方地区 ,正在向工业用户供应蒸汽的领域拓展。
      2 ) 原来采暖多以 012 ~1 M Pa蒸汽为供热载体 ,现已逐渐转向热水. 采暖热水温度原为 90 ~70 ℃,现在不少地方 ,在采用辐射供暖等末端技术配合下 ,大部分时间降低到 65 ~40 ℃或更低 ,并以适当降低真空度、牺牲少量发电为代价 ,采用汽轮机凝汽器冷凝潜热 ,大大提高了能量梯级利用效率。
      3 ) 部分特大城市开始采用天然气联合循环为基础的 CHP系统 ,并开始走向冷热电联供 ( CCHP ) ;采用溴化锂吸收制冷供应空调冷水 ,采用热泵技术供暖以平衡天然气联合循环机组供热 /发电与采暖需求的巨大差值。
     4 ) 在国家发改委制定的煤机 2 × 300MW 准入门300槛下 , CHP正在走向大型化.但是 ,中国正在继续工业化进程 ,在四季分明的气候条件和以煤为主的一次能源构成下 ,与日本和欧洲的发达国家等比较 ,和与气候变化推进的低碳发展目标比较 ,目前中国的 CHP进展还存在着一些问题。
     1 ) 供暖为主的 CHP机组运行时间短 ,即使在东北和内蒙古的大部分地区 ,满负荷供热时间也不超过2 500 h / a,加上低供热负荷的 500~2 000 h / a,也还有一半时间无热负荷 ,全年联产效率低。
     2 ) 煤机 CHP的 2 × 300MW 准入门槛太高 ;蒸汽300总发生量约 2000 t/ h,除北方特大城市采暖外 ,没有多少工业园区有这样大的蒸汽负荷需求 ;已批准或建设的项目中有相当部分蒸汽负荷只有 100 ~300 t/ h,联产效率也很低。
     3 ) OECD 国家近 30年来伴随天然气的大规模采用 ,已经由 CHP 发展成为分布式的冷热电联供系统(DES /CCHP ) ,能效大大提高. 而中国由于天然气起步晚 ,相应的政策 、 法规 规划和支撑条件未能及时配套 ,因而至今发展缓慢。
     4 ) 在低碳能源格局下 ,如上所述 ,可以肯定的是 ,大部分煤炭将必须采用 CCS技术转化为电和有机化工产品 ;到那时 ,工业燃料和城市供热 (冷 ) 也必将走向分散的天然气 DES /CCHP。目前的 50 MW 左右的CHP机组能否适应 CCS的经济规模 ; 迄今中国发展CHP的思维和模式何去何从 ,都面临着巨大的挑战。
     3 低碳能源格局下燃煤 CHP的新思维和走势  如上所述 , OECD 国家从燃煤 CHP发展到天然气DES /CCHP, 30年之后才迎来碳减排的挑战 ;而中国则是从燃煤 CHP直接进入低碳能源时代。不言而喻 ,中国燃煤 CHP将受到碳减排的直接冲击. 对此 ,其未来可能的发展趋势有以下几个方面。
     1 ) 煤气化热  、电 化学品多联产。 20 年前发达国家开始发展的 IGCC (整体煤气化联合循环 ) 原来是着眼于环境保护和提高转换效率的 ; 是从煤发电的视角出发 ,把煤转化成气体燃料 (合成气 CO + H2 或氢气 ) ,然后用作燃气轮机联合循环燃料的. 可是从能源利用的全局来看 ,既然已经获得了昂贵的合成气CO + H2 或氢气 ,单纯用来发电并不经济. 而近年来在中国兴起的“煤化工热 ”,则着眼于替代短缺的石油来生产甲醇或烯烃等有机化工品和交通燃料. 但哥本哈根会议之后 ,两者都面临减排 CO2 的约束 ,因而必须考虑 CCS了. 而从能源利用的角度来看 ,两者都是燃煤热电联产的主要发展方向 ,但必须是以煤资源的最优化利用为目标 ,把联产电  、热 化学品集成在一起的 ,才叫做“煤气化多联产 ” 迄今中国规划或建设的无论.IGCC、煤化工或“煤气化多联产 ”,规模都是很大的 ,一般在数百 MW 电力装机或数百万 tec / a煤. 迄今所掌握的大规模 CO2 捕集途径中较为经济的是煤炭富氧气化 、产生纯 CO2 的回收 ,封存途径是回注于地下用于驱油或封存于废弃的油气田及其他适当地层中,但项目联产的电 、蒸汽和热 ,多半与化工产品生产装置能源供应相配套 ,较难满足一般工业或城市供热的需求。
      2 ) 中型煤气化多联产. 前几年我国兴建的 2个千万吨级炼油厂都曾经采用 POX方案 ,即富氧煤气化多联产制氢 ( 10~15万 t/ a ) 用于油品加氢装置 ,剩余的含 CO 较多的尾气用作燃气轮机 /余热锅炉系统生产构成所需要的蒸汽和动力 ;装机规模在 50 ~100 MW ,抽气量约为数百 t/ h. 当时虽未考虑 CCS的具体方案 ,但显然已具备了封存的条件. 目前看来 ,这不失为一个可以带 CCS的工业 CHP的可行途径. 因为原来用轻烃或天然气制氢的装置投资也很大 ,虽然 POX需要增加空分和煤气化装备 ,投资又增加很多 ,但是氢气成本低,所以经济上还是有竞争力的. 如果没有制氢需求 ,全部合成气 (或者经甲烷化转化为天然气以后 ) 都用于联产热和电的煤气化CHP,且规模在 50~100 MW 的项目可行 ,那将是燃煤CHP的发展方向。从目前来看 ,这类项目的投资经济性大大低于产氢气的项目. 但是如果国家开征碳排放税 ,或下达 、指派了 CO2 排放定额 ,也许仍会有对于传统燃煤 CHP 途径的竞争力. 现有的燃煤热电联产企业恐怕极少有想到这种前景的 ,但这已为期不远了. 因为 ,财政部的一个研究小组已经开始拟定可能的方案了  [5]。
      3 ) 常压煤气化 CHP。 为了直接获得 2 ~3 M Pa的氢气 ,上述煤气化装备都是在高压下运行的 ,因此投资费用高昂. 而从更普遍的燃煤 CHP项目用户的视角来看 ,常压煤气化可使投资大大降低. 目前这项技术只是研究开发的热门 ,如果能取得突破 ,有望为各种规模的燃煤 CHP提供碳减排的经济途径 [6]。
      4 ) 传统的集中供热 CHP的走势. 从表 1可见 ,按照 IEA 所预计 ,到 2020年燃煤 CCS可能占 10%. 届时首当其冲的应是大型煤电厂 ;最先实现的应是煤气化多联产 ; 还不会 对现 有 CHP 企业 压力 太大. 但 是从2020年到 2050年 ,这 30年中 CCS的比率是要从 10%达到 80%的. 而且不必等到那时 ,只要碳排放定额或税率一出台 ,科技取得突破 ,在经济压力下企业必然会积极主动地采用 CCS的。
       4 天然气 CHP和 DES /CCHP[7]
       1 ) 完成 CO2 减排的目标 ,一是靠节制用能和提高能效 ;二是靠提高不排碳和少排碳能源 (如核能 、可再生能源 、天然气等 ) 在一次能源中的比率. 核能 、可再生能源的发展 ,是一个渐进的 、稳步和长期的过程 ,到2050年才有可能占到总能耗的一半. 而对中国来说 ,在 2020~2030年之前 ,就必须把加速发展天然气作为节能减碳的主要战略 ,并作为把能效从 36% 提高到50%的世界平均水平的主要举措. 分析表明 ,中国能效低于世均的重要原因是发展天然气晚了 30年 ,目前仅为能源总量的 4% ,远低于世均的 23%. 这不是简单的“补课 ”,而是中国实施跨越式发展的一个重大机遇。
      2 ) 文献 [ 8 ]引述了中国到 2020 年各类一次能源3发展的规模 ;介绍了天然气耗量达到 4 000亿 m / a的供应来源和下游市场的需求和分布. 其中 ,作为主要工业燃料 ,应尽可能采用集约化的天然气 DES /CCHP替代燃煤 ,和采用天然气 DES /CCHP集约化高效联供占建筑物耗能 80%的采暖 、空调 、热水 ,这 2类用户将占天然气总耗量的一半以上. 采用 DES /CCHP不仅可使占能耗 80%的工业和建筑物能效大大提高 ,而且还是应对国际高气价格的主要手段. 这些技术在发达国家已经成熟应用 ,但还没有充分推广. 处于继续完成工业化和城镇化的中国 ,在自己的特色经济体制下 ,则可随着天然气的快速发展普及这些技术 ,发挥“后发优势 ”这也.是 2020年之前控制 CO2 排放总量的最重要手段。
      3 ) 中国城市居民的居住模式 ,工业园区 、住区 、以及中心商业区的空间布局都与西方国家完全不同 ,因此适合中国国情的天然气 DES /CCHP 也不能照搬它 们的模式 ,必须在学习借鉴的基础上集成创新 [ 9 - 10 ]。

      ①采用各种燃气作功发电技术 、制冷技术 、热泵技术 ,再生能源利用技术 、强化传热技术 ,以及不断创新的各种能源转换、传递技术 ,运用现代系统科学 、信息科学、管理科学及工程科学综合集成建模和优化求解的方法 ,进行柔性的 、能适应外部经济 、技术 、气象等条件变化的规划和设计. 在技术经济优化条件下 ,使供冷 (热 )媒的温度尽可能接近目标温度 ,使传递 损耗最小。
      ②优化一次能源转换传递全过程. 以 CHP为基础 ,一次能源先高效发电 ,但不以上网为前提 ;装机容量不宜大于区域内总用电负荷 ,尽可能发挥就地直供的优越性 ;低品位的烟气和蒸汽冷凝潜热按用户温位高低梯级利用。
      ③与发展工业园区和城镇新区配套建立集成的能源供应系统. 可以将向工业用户供蒸汽及向厂房和公共建筑供暖 、供冷与向居民住区供生活热水相结合. 充分利用集中供热和区域供冷的大机组 、满负荷高效运行、不同用户负荷在时间和空间上互补的规模化优势。
      ④工业园区规模化的项目 ,可有大 ( 9F级燃机 )中 ( 9E级燃机 ) 小 ( 6B 级以下燃机或内燃机 ) 3类 ,规模以电 ,蒸汽 冷水 热水的经济输送距离为限 ;同时也不排除学校 、医院和 MW 级楼宇的 DES 另外 , 9F 级.CCHP机组还可与电网调峰相结合。
      5 CHP和 DES /CCHP在中国低碳经济中的地位
      1 ) CHP 和 DES /CCHP 在中国低碳能源中的比率。 在有限的化石能源终究有一天会耗尽的未来 ,也许人类可以全部使用核能和可再生能源转换成的电力来满足终端能源需求. 但是 ,至少在本世纪中期之前 ,气候变化所要求的能源转型 ,还容许使用一半的化石能源. 迄今在中国的总能耗中 ,工业和商住建筑物耗能占80% ~85% ,交通能耗仅占 10%多 (美国交通能耗占40% ) . 随着工业化和城镇化的完成 ,中国终端耗能分布也将逐渐变化 ,工业耗能比率将渐渐回落 ,交通和商住耗能比率增加大 (世界平均为 2 /3 左右 ) . 作为二次能源的电力消费 ,目前占中国一次能源的 45%左右。工业和商住耗能之中 ,大部分都是低品位的热能.例如占中国能耗首位的炼油 、石化行业 ,终端能耗热 /电比在 5 以上 ; 根据 建设 部统 计 , 中 国 建 筑 耗 能 中65%为采暖空调 , 15%为生活热水 ,电只占 14%. 另一方面 ,按照热力学第二定律 ,一次能源转换为电力的效率不可能为 100% ,必定有一部分以较低温位的热量形式传递到环境. 热电联产正是运用这个规律 ,同时产电和热 ,因而提高了能源转换效率. 而在终端利用最优的目标之下 ,热电联产已经发展为冷热电联供 ,不仅依照需求测温位的高低安排热量梯级利用 ,而且集成热泵、吸收制冷等技术 ,实现了能源利用效率最高. 因此可以说 ,只要人类还使用化石能源和生物质能 , CHP和 DES /CCHP就是科学用能的必然选择 ,永远不会过时. 目前丹麦全国通过 DES /CCHP产生的电力已经超过 50% ,美国 2000年就定下了 2020年达到 29%的目标. 而中国 CHP装机虽占 10% ,但产电量则远低于此 ,发展空间还很大。
      2 ) CHP和 DES /CCHP是科技带领低碳经济的一个增长点. CHP 和 CCHP在工业和商住能源供应领域的发展将带动一批新兴的低碳产业和就业机会 ,包括 :
      ①高效燃气发动机 、燃料电池 、各种热泵 、各种终端供能设施 、再生能源直接终端利用设施 ,各种能量载体大系统传输 、计量设施的研发和制造行业。 与作为“世界工厂 ”的中国目前大部分的低端制造业不同 ,这些属于高科技制造业. 而且中国自己是最大的市场 ,发展这些产业有助于中国经济从外向型向内需型的转化. 当然 ,也不排除出口到国际市场。
      ②各种新型节能建筑材料研发和制造行业 ,规模化的 DES项目需要的大量冷 、热水输送管网,隔热材料以及相关配件. 以水管为例 ,科技进步已使大部分温度、压力不太高的用项以塑料替代钢材 ,大幅度降低了成本和能耗.
     ③包括工业和商住的 CHP 和 CCHP 项目的规划 、设计 施工建设 ,以及城市和工业园区的能源规划 ,也是一个不断发展壮大的新型产业。
     ④相应的城市能源集约化供应服务和管理行业。参考文献
     [1 ] 华贲. 2020中国低碳能源中期目标解读 [ J ]. 沈阳工程学院学报 :自然科学版 , 2010, 6 ( 1 ) : 1 - 5.
     [ 2 ] 华 贲 低碳发展时代的世界与中国能源格局 [ J ]. 中外能源 , 2010, 15 ( 2 ) : 1 - 9.
     [ 3 ] IEA. 应用能源技术展望 [ EB /OL ]. [ 2009 - 11 - 06 ] , ht2 tp: / /www. china5e. com.
     [ 4 ] 王振铭. 我国热电联产分布式能源的新发展 [ C ]. 北京 :中国机电工程学会热电专委会 , 2009.
     [ 5 ] 财政部财科所课题组. 我国五年之内开征碳税 [ N ]. 经济参考报 , 2009 - 09 - 23 ( 1 ) .
     [ 6 ] 亚化咨询. 博地与巨点能源合作开发煤制天然气与煤制氢项目 [ EB /OL ]. [ 2010 - 02 - 22 ] http: / / blog 163. com / gaox2.ianrui0010126 / blog/ static /697860232010122235376031.
     [ 7 ] 华 贲 天然气冷热电联供能源系统 [M ]. 北京 :中国建筑工业出版社 , 2010.
     [ 8 ] 华 贲  中国低碳能源战略探讨 [ J ]. 能源政策研究 , 2009 ( 5 ) : 3 - 11.
     [ 9 ] 华 贲  低碳经济时代的中国房地产业 [ J ]. 南方房地产 , 2010 ( 3 ) .
     [ 10 ] 华 贲  建设工业园区冷热电联供的能源系统 [ J ]. 上海电力 , 2009 ( 3 ) : 3 - 6.
                                      
                                      注:此文摘自《沈阳工程学院学报》