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某区域集中供热系统耗热量分析及不同供热方式对比李雪,池航航,李彬,李源(郑州热力集团有限公司,河南 郑州 450000)摘要:通过分析 20212022 年采暖期郑州市某多热源联网区域能耗逐日变化曲线图,认为该区域在电厂调峰或因故障导致供热量不足时,燃气锅炉房可充分发挥其灵活性的特点,作为调峰热源补充热量。同时对比供热量相同时燃气锅炉、热电联产和燃气锅炉+热电联产三种不同供热方式下标准煤耗量、污染物排放量和购热成本的差别,为供热系统热源结构的选择提供依据。关键词:不同供热方式;能耗;煤耗量;污染物排放量DOI 编码:10.16641/11-3241/tk.2023.04.0020 引言我国能源消费总量逐年攀升,建筑总能耗在全国能源消费总量中的占比不断增长,而采暖能耗在建筑总能耗中占有较大的比重。随着我国城镇化水平的不断提升,城市集中供热系统的规模也不断扩大,集中供热行业日新月异。人们已经不仅仅满足于室内温度的舒适性,还对污染物排放量、能耗等提出了新的要求。国家出台一系列政策以保障供热,同时降低其对环境的影响,对我国能源结构产生重要影响,并将推进供热行业热源种类持续变革。集中供热系统供热能耗与室外气候密切相关,因此针对特定地区分析集中供热系统能耗更符合该运行区域的实际情况。本文基于郑州市某供热区域分析该区域集中供热系统能耗特点,并通过对比不同供热方式对标准煤耗量、污染物排放量及成本的影响,来探究合适的供热方式。1 简要介绍1.1 供热情况介绍郑州热力集团有限公司主要采用热电联产、燃气锅炉房及热电联产+燃气锅炉房三种方式供热,有 8 家供热分公司,6 座热电联产配套隔压站,9 座燃气锅炉房。在 20212022 年采暖季,郑州热力供热主干管网超过2 900 千米、热力站系统 2 900 余座(套)。其中,北区供热分公司负责北区、高新区供热,其整体供热管网分布如图 1 所示。北区供热分公司供热热源为北郊热源厂(北郊一期+北郊二期)和与国电荥阳配套的化工隔压站、高新隔压能源站。高新隔压能源站由燃气锅炉房和隔压站两种供热热源组成,主要负责向高新区供热。北区的供热面积 2 602.62 万 平 方 米,高 新 区 供 热 面 积1 023.93 万平方米。北区供热分公司热源基本参数汇总情况见表 1。1.2 热源介绍集中供热系统由热源、热力网、热用户三部分组成,目前应用最广泛的热源有热电厂6区域供热 2023.4 期表1 热源基本参数汇总热源国电荥阳北郊一期北郊二期化工隔压站 高新隔压能源站设计参数供热能力/MW9002902907311708供回温/130/75130/70130/70120/65110/50循环流量/th-15 0002 汽动 2 5004 电动 2 3002+1 1502 2 6002+1 30022 40063 5004综合供热能力/MW900510700472图1 北区、高新区供热管网图和区域锅炉房。集中供热的热源包括热电联产、燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、生物质锅炉、核能、电能、地热、工业余热等多种形式 1。热电联产是利用燃料的高品位热能发电后,将其低品位热能用来供热的综合利用能源的技术。热电联产供热有利于节约一次能源,改善环境污染问题,提高供热质量,但长距离输送的管网初投资高 1。区域锅炉房集中供热可以采用燃煤、燃气、燃油或电锅炉方式,但都需要通过管网经过热水循环向建筑供热。热量输送距离较热电联产更短,但水泵电耗较高,热源效率低于热电联产。燃气锅炉房是指利用燃烧天然气把炉水加热从而满足采暖需求的供热系统。燃气锅炉房供热可实现集中管理,维修方便,可实现污染物高空排放;在供热量不高的情况下,燃气锅炉房单台炉故障对整体供热影响较小 1。2 2 0 2 12 0 2 2年采暖期能耗数据分析图 2 为 20212022 采暖期(2021 年 11 月15 日2022 年 3 月 14 日)北区、高新区以及北区+高新区总能耗逐日变化曲线和供热气温(以预报气温为基础进行气象修正得出次日供热气温)的逐日变化曲线。可以看出,在运行期间,供热气温随着时间先降低后升高,12 月 25 日寒潮来临使得供热气温突降低到-3.5。北区、高新区和北区+高新逐日能耗曲线变化趋势基本一致,但因北区供热面积远大于高新区,所以其每日能耗远大于高新区。1 月 21 日供热气温为-1.5,总能耗达到最大值为 12.5 万吉焦,当日北区能耗达到最大值 8.7 万吉焦,高新区能耗达到最大值 3.8 万吉焦。对比供热气温逐日变化曲线图,可知供热气温变化趋势与能耗变化趋势基本成反比,但在供热气温波动较大时,能耗曲线波动平缓,这是为了保障管网稳定性。12 月 25 日,北区耗热量曲线突降,这是因为管网泄漏,电厂降负荷运行,对北区影响较大。1 月 5 日,高新区耗热量突降,这是因为高新区主管网爆管。1 月 22 日2 月 5 日,7区域供热 2023.4 期图2 北区、高新区以及北区+高新区总能耗逐日变化曲线和供热气温的逐日变化曲线图3 北区、高新区电厂与燃气能耗逐日变化曲线平均供热气温 0,北区日均耗热量 7.9 万吉焦,高新区日均耗热量 2.5 万吉焦,北区耗热量低于理论需求热量,高新区耗热量满足理论需求热量,这是因为在此期间国电荥阳2#锅炉过热器泄漏,导致 2#锅炉停运,电厂仅能维持单台炉运行,期间增大燃气锅炉房出力,尽力弥补北区、高新区热量缺口。因此,可得出发生管网故障和热源故障时,都会8区域供热 2023.4 期对供热量造成影响,但管网故障只影响单个区域供热,电厂故障则影响每个供热区域;同时,电厂故障导致供热量降低时,增大燃气锅炉房出力可在一定程度上弥补欠缺供热量。图 3 是 20212022 年采暖期北区、高新区电厂与燃气能耗逐日变化曲线。北区多为热源联网运行,供热面积大,采用质调节方式,由图 3(a)可以看出北区热电联产和燃气耗热量曲线变化趋势基本一致。由图 3(b)可以看出 11 月 15 日12 月 17 日高新区多次启停燃气锅炉,这是因为在供暖初期供热气温较高,国电荥阳电厂和北郊燃气提供的热量可以满足北区和高新区需求,但在此期间,电厂频繁调峰使得电厂供热量大大降低,为了应对电厂调峰、保障供热,高新区燃气锅炉多次在电厂调峰阶段启动以补充热量。1 月22 日2 月 5 日,国电荥阳发生故障导致单台炉运行,因此北区和高新燃气锅炉在该阶段增大用气量,燃气能耗增大。3 不同供热方式对比分析 本文选取郑州市集中供热常用的三种供热方式,即燃气锅炉、热电联产和燃气锅炉+热电联产,以北区+高新区这一特定区域为研究对象,从经济性、环境影响、能源性三方面评价不同供热方式。3.1 不同供热方式标准煤耗量对比分析集中供热系统供热方式对能耗影响很大,集中供热系统标准煤耗量直接影响整个集中供热系统的节能性与经济性。当热源供热量相同时,通过对比燃气锅炉、热电联产和燃气锅炉+热电联产三种不同供热方式的总耗煤量,分析不同供热方式供热系统的节能性。(1)热电联产机组供热煤耗计算方法本文在计算热电联产机组供热煤耗时采用直接反算法,即在考虑管道效率和锅炉效率的前提下,把 1 GJ 的供热量直接折算成34.1 kg 标准煤,计算公式 2如下:B1=Q34.112(1)式中:B1热电联产机组供热系统标准煤耗量,kgce;Q热电 联 产 机 组 供 热 系 统 供 热量,GJ;1锅炉效率,取 90%;2管道效率,取 95%。(2)燃气锅炉供热煤耗计算方法本文在计算燃气锅炉供热煤耗时按照燃气锅炉提供 1 GJ 热量需要消耗约 29.21 m3天然气(天然气平均热值 34.23 MJ/m3),由GBT 25892020 综合能耗计算通则 可知,1 m3天然气可折算成 1.2143 kg 标准煤,计算公式如下:B2=Q29.211.2143(2)式中:B2燃气锅炉供热标准煤耗量,kgce。图4 三种供热方式标准煤耗量9区域供热 2023.4 期 图 4 为分别利用燃气锅炉、热电联产和燃气锅炉+热电联产三种供热方式来满足北区+高新区所需总热量时,每日耗标准煤量的变化曲线。对比三种供热方式可知,在供热量相等的情况下,耗标准煤量由高到低依次为热电联产热电联产+燃气锅炉房燃气锅炉。2021 年 11 月 15 日2022 年 3 月14日期间,仅通过燃气锅炉房供热耗标准煤39.53 万吨,比用热电联产供热所耗标准煤节省 4.95 万吨,比通过燃气锅炉+热电联产供热所耗标准煤节省 3.36 万吨。3.2 不同供热方式污染物排放量对比(1)热电联产燃煤供热系统 2,3燃煤产生的 SO2、NOx、烟尘等排放量利用折算的标准煤量计算,公式如下:FS O2=1.6B11(1-SO2)(3)式中:FSO2SO2排放量,kg;1燃煤全硫分,取 1.14%;SO2热电厂脱硫效率,取 95%。FN Ox=B1210-3(4)式中:FNOxNOx排放量,kg;2NOx排放系数,取 10.1 kg/t。Fy c=B13(1-yc)10-3(5)式中:Fyc烟尘排放量,kg;3烟尘排放系数,取 50.14 kg/t;yc热电厂除尘效率,取 98%。(2)燃气供热系统天然气燃烧会产生多种污染物,包括SO2、NOx,设备运行时还会夹带部分烟尘。由文献 2 可得天然气燃烧产生污染物计算标准:1 万立方米天然气燃烧可产生 1 kg 的SO2,6.3 kg 的 NOx,2 kg 的烟尘。表 2 为采用燃气锅炉、热电联产和燃气锅炉+热电联产三种供热方式来满足北区+高新区所需总热量时,SO2、NOx和烟尘三种污染物日均排放量对比表。可以看出,供热量相等的情况下,热电联产供热的 SO2、NOx和烟尘污染物排放量分别是燃气锅炉供热污染物排放量的 12.5 倍、2.2 倍、69 倍,即较之于热电联产供热,燃气锅炉供热可以大大减少污染物的排放量,尤其是烟尘量。供热量相等的情况下,燃气锅炉+热电联产供热方式的污染物排放量介于燃气锅炉、热电联产之间,主要取决于燃气锅炉和热电联产供热量的比例。表2 不同供热方式污染物日均排放量对比表热源污染物SO2/kgNOx/kg烟尘/kg热电联产3 3803 71637 433燃气锅炉2711 709543燃气锅炉+热电联产2 2562 99924 0763.3 不同供热方式购热成本分析热电联产供热是按电厂热价计费,1 GJ热量 37 元,燃气锅炉供热暂按照 20202021采暖期用气价计费,1 m3天然气 3.29 元。表 3为采用燃气锅炉、热电联产和燃气锅炉+热电联产三种方案来满足北区+高新区所需总热量时,日均购热成本对比表。由此可知,提供热量相等时,燃气锅炉房成本约为热电联产的 2.6 倍。因此较之于燃气锅炉房集中供热,热电联产供热可以大大节省购热成本。表3 不同供热方式日均购热成本对比表热源热电联产 燃气锅炉 燃气锅炉+热电联产日均成本/万元3448935474 总结 本文通过分析北区、高新区以及北区+高新区总能耗变化情况发现,电厂调峰和电厂故障时热电联产供热量往往达不到实际需求量,此时燃气锅炉房可以充分发挥其灵活性的特性,作为调峰热源,及时补充电厂欠缺的热量。本文以北区+高新区供热区域为对象,通过对比三种供热方式得出:(1)供热量相等时,三种供热方式标准煤耗量对比:热电联产热电联产+燃气锅炉燃气锅炉。(下转第 71 页)01区域供热 2023.4 期on the performance of a new solar air collector with different surface shapes J.Applied Thermal Engineering,2017,114:639-644.42李水莲,马新灵,魏新利.正弦波纹太阳能空气集热器数值模拟分析 J.郑州大学学报(工学版),2014,35(3):35-38.43程友良,杨国宁,王月坤.太阳能空气集热器吸热板结构优化及其数值模拟 J.可再生能源,2016,34(7):949-954.44程友良,王月坤.新型太阳能空气集热器瞬时效率影响因素分析 J.热能动力工程,2017,32(8):122-129+153.44MANJUNATH M S,KARANTH K V,SHARMA N Y.Numerical investigation on heat transfer enhancement of solar air heater using sinusoidal corrugations on absorber plate J.International Journal of Mechanical Sciences,2018,138-139:219-228.45 KOLB A,WINTER E R F,VISKANTA R.Experimental studies on a solar air collector with metal matrix absorber J.Solar Energy,1999,65(2):91-98.46黄月明,黄威,杨昆.多孔介质太阳能吸热器性能分析 J.热 能 动 力 工 程,2018,33(1):120-128.47RAJARAJESW ARI K,PRA VEEN A,SREEKUMAR A.Simulation and experimental investigation of fluid flow in porous and non-porous solar air heaters J.Solar Energy,2018,171:258-270.48DHIMAN P,SINGH S.Recyclic double pass packed bed solar air heaters J.International Journal of Thermal 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