---北京熱力集團有限責任公司 吳 星； 清華大學建筑學院建筑節能研究中心 付 林 胡 鵬

      緒論：盡管三十年來中國經濟發展迅猛，但是我們卻不得不面對這樣一個現實，當下中國經濟成果的取得一定程度上是以犧牲資源環境為代價換來的。由此產生了經濟發展的可持續性問題以及越來越大的國際輿論壓力。“節能減排”政策方針正是基于我國面臨的經濟可持續性發展因素、環境因素、國際政治因素而制定，是一項長期堅定不移執行的國策。
      北京是一個高耗能城市。隨著能源供需形勢的變化、經濟社會的發展，為了確保北京能源發展和社會經濟發展相適應，保障首都經濟社會安全，北京市制定了以改善環境質量為基本出發點的能源規劃和政策，這些規劃和政策的實施有賴于大力發展高效清潔能源技術。
      相關資料顯示，北京2004年建筑采暖用能占全市能源消費量的17.3%。今后幾年新建采暖建筑面積的擴大，北京冬季供暖能源需求將繼續增加。預計到2010年建筑采暖能耗需求為1519
萬噸標準煤，占北京市能源消費總量的23.4%。目前北京五大熱電廠和熱力集團所屬六個供熱廠的供熱能力都將達到極限，將滿負荷甚至超負荷運行。而新建大型熱源投資高、建設周期長，并受到城市環境容量的強烈制約。因此，開展能源的高效利用和循環利用，是降低建筑采暖能耗的重要途徑。

      目前北京熱電廠普遍采用大容量的抽凝式汽輪發電機組，即使在冬季最大供熱工況下，也必須有占電廠總能耗10～20％的熱量由循環水（一般通過冷卻塔）排放到環境。圖1所示為高井熱電廠3＃機組在冬季最大供熱工況下的能流圖，可以看出仍然有19％的熱量由循環水排放到環境中。根據調研，北京并入城市熱網的四大熱電廠冬季可利用的循環水余熱資源量就達1000MW以上，遠期規劃余熱資源量將達約1700MW。如果利用熱泵技術將這些余熱加以利用，僅僅考慮有效利用現有余熱量，就相當于在不新增電廠裝機容量和不增加當地污染物排放的情況下，可新增供熱面積3000萬平方米以上。同時節約大量因為蒸發而損失的循環冷卻水；因此這是一種極具吸引力的城市集中供熱新形式。

      循環水供熱系統技術方案：
      由于正常情況下循環水的溫度比較低（一般冬季20～35℃），達不到直接供熱的要求，要用其供熱，必須想辦法適當提高其溫度。中小型凝汽式汽輪機可以通過降低排汽缸真空從而提高循環水溫度（60～80℃）的方法進行供熱，即低真空運行循環水供熱，該技術在理論上可以實現很高的能源利用效率，國內外都有很多研究和成功運行的實例，技術已很成熟，特別在我國一些北方城市得到了廣泛的應用與推廣。但傳統的低真空運行機組類似于熱電廠中的背壓機組，其通過的蒸汽量決定于用戶熱負荷的大小，所以發電功率受用戶熱負荷的制約，不能分別地獨立進行調節，即其運行也是“以熱定電”，因而只適用于用戶熱負荷比較穩定的供熱系統。另外，機組低真空運行須對機組結構進行相應的改造，僅適應于小型機組和少數中型機組，對現代大型機組則是完全不允許的。在具有中間再熱式汽輪機組的大型熱電聯產系統中，凝汽壓力過高會使機組的末級出口蒸汽溫度過高，且蒸汽的容積流量過小，從而引起機組的強烈振動，危及運行安全。

      大型汽輪機組的循環冷卻水進口溫度一般要求不超過33℃（相應的出口溫度在40℃左右），如果供熱溫度在此范圍之內，則機組結構不需作任何改動，且適應于任何容量和類型的機組。但目前適應于該溫度范圍的供熱裝置只有地板低溫輻射采暖，因此其應用范圍受到比較大的限制。因此，針對北京市目前大型熱電廠內均為大型機組，不易改造的現狀，低真空運行提高循環水溫度的方法并不具備大規模應用的條件。
      提高電廠循環水溫度用于供熱的另一個方法是采用熱泵技術，即以電廠循環冷卻水為低位熱源、利用熱泵技術提取其熱量后向用戶供熱。電廠循環水與目前常用的熱泵熱源相比，具有熱量巨大、溫度適中而穩定、水質好、安全環保等優點，是一種優質的熱泵熱源。以電廠循環水作為熱泵低位熱源進行供熱，可以方便靈活的實現供熱量與用戶需求之間的“質”與“量”的匹配，也不會對發電廠原熱力系統產生較大影響。因此電廠循環水源熱泵是回收利用電廠循環水余熱進行供熱的一種較理想方式。

      目前常用的熱泵裝置，根據驅動能源的類型分類，主要有以熱能為驅動能源的吸收式熱泵和以電能（或機械能）為驅動能源的壓縮式熱泵。循環水供熱由于供回水溫差較小（為10～15℃左右），同樣供熱負荷下較城市熱網需要更大的管網投資和水泵電耗。因此循環水供熱的適用范圍為電廠周邊半徑3～5公里以內。理論上熱泵既可以設置在熱源端（電廠內），也可以設置在用戶端。但從減少管網輸送熱損失和熱泵規格的角度考慮，熱泵應盡量設置在靠近用戶端。循環水供熱系統基本方案如圖2所示，將熱電廠的循環冷卻水通過一次循環水管網輸送到設立在各個用戶處的熱力站，熱力站內分別安裝有吸收式熱泵機組或者電動壓縮式熱泵機組。電廠循環水在相應的熱泵機組中放熱降溫后，返回電廠凝汽器吸熱升溫后再輸送到熱力站。如此循環往復地將電廠凝汽器余熱輸送到用戶熱力站，熱泵機組從循環水吸熱并加熱二次側熱媒，通過二次管網輸送到用戶處的采暖末端設備。

      熱力站具體采用哪種形式的熱泵，需要結合電廠周邊用戶地區的能源供應狀況而定。吸收式熱泵技術主要是采用高溫熱水（120℃～130℃）、蒸汽（6bar）或天然氣驅動，吸收電廠循環水的低位熱量，產生45℃～55℃的中溫熱量用于采暖。對于電廠周邊熱水網采暖的用戶以及具備燃氣或蒸汽條件的用戶，可以將循環水通過管道引到熱力站，并在熱力站增設吸收式熱泵，從而實現相應地區周邊的高效供熱，節約用能一倍以上。蒸汽或天然氣沒有到達同時電力容量不受限制的電廠周邊地區，可采用壓縮式熱泵技術回收電廠循環水熱量。壓縮式熱泵系統綜合能源利用率略低于吸收式熱泵，但是壓縮式熱泵的一個優勢就是占地小，設置靈活，可以設施在熱力站甚至是設置在住戶家中，實現設備冬夏兩用，降低設備初投資。

      北京市循環水供熱潛力分析：
      表1分別給出北京市熱電廠現狀和規劃發電、供熱以及循環水余熱潛力的數量統計。如綜合考慮建筑采暖熱指標45W/m2，考慮高位能量以及一定的調峰容量，現狀循環水供熱潛力可實現3000～4000萬平米的供熱面積，規劃循環水供熱潛力可實現6000～7000萬平米的供熱面積。北京的熱電廠有著得天獨厚的優勢，周邊的負荷密度很大，像國華，鄭常莊這樣的熱電廠，供熱半徑3公里范圍內的熱負荷，就足以使循環水供熱發揮優勢了。

      循環水供熱成本分析：
      循環水供熱節能環保分析以下對熱水型吸收式熱泵、蒸汽型吸收式熱泵、電動壓縮式熱泵等不同循環水供熱方式與傳統的燃煤鍋爐、燃氣鍋爐及城市熱網供熱的能效和能源成本進行比較，如表2所示。可以看出，采用吸收式熱泵提取循環水熱量供熱成本接近于熱網和燃煤鍋爐房；而采用電動壓縮式熱泵提取循環水余熱供熱成本明顯高于燃煤鍋爐房，但遠低于燃氣鍋爐房的供熱成本。
      循環水供熱節能環保分析：
      假設按照40％余熱采用電動壓縮式熱泵利用，其余60％采用吸收式熱泵利用的方案。以北京市現有循環水余熱量為計算依據：整個采暖季實現供熱量1859萬GJ，回收循環水余熱約943萬GJ，共計消耗電能29935萬度，消耗蒸汽量為320.7萬噸，將該種方式與相同規模的燃煤鍋爐房和燃氣鍋爐房比較。由于三個方案所消耗的能源種類不同，為了能夠進行統一比較，需折算成同一種能源。北京市采用循環水供熱后年采暖節能量如表3所示。
      相對與燃煤鍋爐和燃氣鍋爐房，現狀循環水余熱供熱全部利用后，每年可以節約標煤33.9萬噸或節氣2.76億立方米；而規劃的循環水余熱全部利用后，每年可以節約標煤49.5萬噸或者節氣4.04億立方米。同時，考慮現狀循環水余熱全部利用，一個采暖季提取循環水余熱943萬GJ，每年可以減少的循環水蒸發損失1000～1200萬噸。

      本文主要通過對比各種污染物的排放量來評價不同供熱采暖方式的環保效益。主要的污染物有煙塵、SOx、NOx、CO2。循環水供熱方案中消耗的蒸汽屬于電廠原供熱能力的一部分，因此也不會額外增加北京市的當地污染物排放。根據一個采暖季供熱耗能量，可計算得到因采暖而造成的污染物排放總量見表4。

      可以看出，相對于燃煤鍋爐房，每年將減少CO2排放880507噸，減少SOx排放12918噸，減少NOx排放3830噸，減少煙塵排放5042噸；相對于燃氣鍋爐房，每年將減少CO2排放586672噸，減少SOx排放3噸，減少NOx排放334噸。另外因熱泵對循環水的冷卻作用可減小冷卻塔負荷，每年可減少電廠循環水蒸發損失1000～1200萬噸，弱化了循環水熱濕排放對電廠周邊環境的影響，因此該技術推廣后的環境效益非常顯著。

      結論及建議：
      循環水供熱技術先進，節能環保效益突出，對于北京城區熱電廠更有著應用上的優勢，且完全符合當前國家關于節能減排的方針政策，同時滿足北京市當前對“清潔高效”能源的迫切需求，能有效的緩解北京市突出的供熱能源供需矛盾。在推廣應用中，政府要加強引導，并給予強有力的政策支持與激勵機制做保障。應通過關鍵技術研發與科學合理的規劃，盡快有序地實施推廣電廠循環水余熱利用技術。