天然氣作為城市集中供熱熱源的可行性探究

陳淑靜

摘 要：燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)是我國(guó)集中供暖的主要熱源，這種能源結(jié)構(gòu)給大氣污染治理帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。在該背景下，清潔能源取代傳統(tǒng)化石能源的需求愈加迫切。本文從天然氣作為城市集中供熱熱源的安全性、成本以及輸送及使用等方面探討天然氣作為城市集中供熱熱源的可行性。研究表明：天然氣不能大規(guī)模應(yīng)用于城市集中供熱;城市集中供熱應(yīng)在以煤炭為主的基礎(chǔ)的前提上，逐步提高天然氣等清潔能源的比重。

關(guān)鍵詞：集中供熱;天然氣;供熱安全性

中圖分類號(hào)：TU995文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）16-0137-03

Abstract： Coal-fired cogeneration is the main heat source of central heating in China. This energy structure brings great challenges to air pollution control. In this context， the need for clean energy to replace traditional fossil energy is becoming increasingly urgent. This paper discussed the feasibility of using natural gas as a heat source for urban central heating from the aspects of safety， cost， transportation and use of natural gas as a heat source for urban central heating. The research shows that natural gas can not be used in large-scale urban central heating; urban central heating should gradually increase the proportion of clean energy such as natural gas on the premise of coal as the main basis.

Keywords： district heating;natural gas;heating safety

近年來(lái)，我國(guó)多地區(qū)頻繁出現(xiàn)嚴(yán)重的霧霾天氣，空氣中有毒污染物增加，尤其是京津冀地區(qū)，空氣污染指數(shù)已突破可吸入顆粒物濃度上限。該現(xiàn)象引起了全社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的高度關(guān)注及對(duì)我國(guó)能源發(fā)展方式的深刻反思。大氣中的污染物主要包括PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2等[1]，其中，PM2.5可直接被吸入肺中，從而嚴(yán)重影響人的身體健康。相關(guān)研究表明，PM2.5主要來(lái)源于能源行業(yè)，其中火電燃煤所產(chǎn)生的PM2.5約占全國(guó)PM2.5總量的36.1%[2]。因此，為降低能源行業(yè)的PM2.5污染排放，各方已經(jīng)提出了多種解決方案，但這些方案基本上都集中在末端污染物的技術(shù)減排上，只能“治標(biāo)”而難以“治本”。為了從根本上降低能源行業(yè)PM2.5污染的排放，需要加快推進(jìn)清潔能源代替煤炭方案的實(shí)施，以減少污染物的排放量，達(dá)到國(guó)家要求的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)[3]。天然氣作為一種清潔能源，在能源結(jié)構(gòu)中的地位不斷上升，天然氣取代煤炭的呼聲越來(lái)越高。由此，本文主要探討天然氣作為城市集中供熱熱源的可行性。

1 天然氣作為城市集中供熱熱源的安全性

1.1 能源發(fā)展形式分析

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是“富煤貧油少氣”，一次能源以煤炭為主，大約占64%，石油次之，占18.1%，而天然氣所占份額最低，僅為5.9%[4]。傳統(tǒng)能源產(chǎn)能結(jié)構(gòu)性過(guò)剩的問(wèn)題依然突出，天然氣消費(fèi)水平明顯偏低。因此，積極拓展天然氣消費(fèi)市場(chǎng)，擴(kuò)大天然氣消費(fèi)規(guī)模，實(shí)施天然氣消費(fèi)提升行動(dòng)，是能源發(fā)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要任務(wù)。

根據(jù)《全國(guó)煤炭資源潛力評(píng)價(jià)》的初步成果，我國(guó)煤炭資源總儲(chǔ)量為59 100億t，其中累計(jì)探明資源量20 200億t，預(yù)測(cè)資源量38 800億t。2002—2010年，全國(guó)煤炭產(chǎn)量由15.5億t增加到34.3億t，年均增長(zhǎng)2.09億t，年均增長(zhǎng)高達(dá)13.5%，是改革開(kāi)放以來(lái)增長(zhǎng)最快的時(shí)期。2015年，煤炭產(chǎn)量達(dá)到37.5億t，比2010年增加3.2億t，年均增長(zhǎng)1.5%。1981—2010年，我國(guó)煤炭消費(fèi)量由6.1億t增加到33.3億t，2016年，世界煤炭消費(fèi)量達(dá)到74.6億t，其中中國(guó)占50.6%。到2016年底，中國(guó)已探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)存量5.4萬(wàn)億m3，年均增長(zhǎng)0.58萬(wàn)億m3。中國(guó)天然氣的產(chǎn)量由2010年的990.1億m3增長(zhǎng)到2016年的1 384億m3，年均增長(zhǎng)超過(guò)50億m3，年均增率達(dá)到5.7%。2000年之前，中國(guó)的天然氣消費(fèi)水平較低：1990—1995年，天然氣消費(fèi)年均增量為5億m3，年增長(zhǎng)速度為3.1%;1995—2000年，天然氣消費(fèi)速度略有增長(zhǎng)，年均增量為14億m3，年均增長(zhǎng)量6.7%。2010年以來(lái)，天然氣消費(fèi)量由1 112億m3快速增長(zhǎng)到2016年的2 103億m3[5]。

1.2 天然氣在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的地位

天然氣是化石能源中較為清潔的能源，每燃燒1GJ天然氣，二氧化碳排放量為50.4g，低于燃燒1GJ煤炭的890g，也低于燃燒1GJ石油的70.6g。將天然氣與煤炭統(tǒng)一換算，1t煤的熱量相當(dāng)于730m3的天然氣。從儲(chǔ)量和消費(fèi)量來(lái)看，天然氣完全取代煤炭是不夠用的。中國(guó)天然氣探明儲(chǔ)量具有“由陸相向海相拓展，由常規(guī)向復(fù)雜轉(zhuǎn)移，有淺層向深層推進(jìn)”的特點(diǎn)，資源稟賦較差，有效勘探開(kāi)發(fā)難度較大。此外，隨著開(kāi)發(fā)歷程的逐步延伸，相當(dāng)一部分氣田已進(jìn)入中后期開(kāi)發(fā)階段，氣藏地層壓力水平較低，采出程度較高，剩余氣分布認(rèn)識(shí)難度加大。天然氣是綠色優(yōu)質(zhì)能源，其用途廣泛，應(yīng)精細(xì)使用。天然氣供熱廠長(zhǎng)期運(yùn)行、直接燃燒供熱，這是一種較低效的能源利用模式。有限的天然氣資源應(yīng)當(dāng)優(yōu)先供給城市居民生活用氣與工業(yè)生產(chǎn)用氣。隨著石油、天然氣資源的日漸短缺和潔凈煤技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，煤炭的重要性和地位還會(huì)逐漸提升。根據(jù)我國(guó)資源狀況和煤炭在能源生產(chǎn)及消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例，以煤炭為主體的能源結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變[3]。因此，天然氣不能大規(guī)模應(yīng)用于城市集中供熱。

2 天然氣用于集中供熱的成本分析

我國(guó)天然氣資源豐富，但與國(guó)外產(chǎn)氣國(guó)相比，氣田規(guī)模小，儲(chǔ)存豐度低，開(kāi)采成本高，氣價(jià)較高。隨著天然氣使用量不斷增加，2012年后，我國(guó)天然氣進(jìn)口量逐年上升，到2015年，進(jìn)口天然氣量已經(jīng)占總需求量的31.7%，而到2020年將占44.4%。我國(guó)天然氣年消費(fèi)量和需求量預(yù)測(cè)如表1和表2所示。

與石油不同，世界天然氣價(jià)格沒(méi)有全球統(tǒng)一的市場(chǎng)，也不存在統(tǒng)一的價(jià)格。目前，全球有三個(gè)具有代表性的市場(chǎng)，即北美、亞太和歐美，三大市場(chǎng)的天然氣價(jià)格機(jī)制和價(jià)格水平根據(jù)各國(guó)天然氣供應(yīng)市場(chǎng)情況不同而存在明顯差異。我國(guó)進(jìn)口天然氣價(jià)格建立在可獲國(guó)際天然氣資源價(jià)格的基礎(chǔ)上。我國(guó)利用國(guó)外天然氣來(lái)源：一是管道氣，主要來(lái)自中亞與俄羅斯;二是LNG進(jìn)口，主要來(lái)自中東和南亞地區(qū)。隨著天然氣資源的壟斷以及消費(fèi)量的日益增加，天然氣價(jià)格的上漲將是長(zhǎng)期趨勢(shì)，基本不可能回調(diào)。我國(guó)集中供熱能源以煤炭為主，根據(jù)建設(shè)部2016年的統(tǒng)計(jì)顯示，目前全國(guó)供熱采暖耗能全年約為2.66億t煤。單位天然氣的價(jià)格約是煤炭的2.7倍，天然氣取代煤炭供暖，城市集中供熱的成本將大幅增加，難以承受[6]。以北京市為例，表3為北京市采暖熱源的構(gòu)成比例。

從表3可明顯看出，如果熱電聯(lián)產(chǎn)單位煤耗為1，則其余三種分別為熱電聯(lián)產(chǎn)供熱采暖的1.2、1.44和3倍，熱電聯(lián)產(chǎn)供熱采暖的節(jié)能量是顯著的。

為了治理嚴(yán)重霧霾天氣，北京市政府采取了熱電聯(lián)產(chǎn)“煤改氣”，即使用大型燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)全面替代大型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)的措施，在2016年實(shí)現(xiàn)了北京城五環(huán)以內(nèi)的燃煤設(shè)施全部由四大燃?xì)鉄狳c(diǎn)中心取代，并預(yù)計(jì)到2020年前實(shí)現(xiàn)所有郊區(qū)和縣全部無(wú)煤化，“煤改氣”替代量達(dá)到65億m3，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資金將超過(guò)500億元。

但是，將燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)改成燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)供熱，需要投入巨大的資源與能源，成本大幅度增加，且造成天然氣用氣矛盾。同時(shí)，提出的“煤制氣”項(xiàng)目本身效率低下，制氣過(guò)程中會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，消耗大量水資源。北京市目前推行的熱電聯(lián)產(chǎn)“煤改氣”措施并不能顯著降低PM2.5排放量，起到減排和緩解霧霾的作用，反而會(huì)大幅增加天然氣用量，造成用氣矛盾[7]。若全面推廣“煤改氣”，需要從國(guó)外大量進(jìn)口天然氣，國(guó)家能源安全受到威脅，能源形勢(shì)將會(huì)變得更加嚴(yán)峻。

3 天然氣用于集中供熱在輸送及使用環(huán)節(jié)的可行性研究

我國(guó)天然氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后已成為制約天然氣應(yīng)用的瓶頸，管線不足是一個(gè)明顯的制約因素，不但缺乏控制全國(guó)、聯(lián)絡(luò)主要?dú)鈪^(qū)與經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)的干線管網(wǎng)，也缺乏覆蓋用戶區(qū)的支線網(wǎng)絡(luò)。眾所周知，不能聯(lián)網(wǎng)的單管線長(zhǎng)距離供氣存在相當(dāng)大的安全隱患[8]，而另外值得注意的是，天然氣管網(wǎng)依然缺乏站在國(guó)家層面上的全面規(guī)劃。已有的初步規(guī)劃往往是由各公司提出的，互相之間缺乏有機(jī)配合，有的甚至相交叉。中、長(zhǎng)距離輸氣管線的安全運(yùn)行離不開(kāi)各種類型的氣庫(kù)[9]，我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)起步較晚，截至2018年底，我國(guó)地下儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量?jī)H為全國(guó)天然氣消費(fèi)量的3%，LNG接收站罐容占全國(guó)消費(fèi)量的2.2%。全國(guó)儲(chǔ)氣能力在天然氣年消費(fèi)量中占比不到6%，遠(yuǎn)低于國(guó)外10%～14%的平均水平[10]。受天然氣市場(chǎng)發(fā)展階段限制，我國(guó)天然氣儲(chǔ)氣調(diào)峰能力落后于市場(chǎng)發(fā)展速度，一旦天然氣需求在短期內(nèi)激增，必然造成供氣緊張。我國(guó)在2009年11月就曾出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重的氣荒情況，而近年來(lái)情況愈演愈烈。尤其是在我國(guó)天然氣利用結(jié)構(gòu)中，城市燃?xì)獗戎剌^大，安全穩(wěn)定供氣的要求較高，為了滿足戰(zhàn)略貯備和調(diào)峰的需要，我國(guó)需要建設(shè)相當(dāng)規(guī)模的儲(chǔ)氣庫(kù)[11]。此外，目前我國(guó)集中供熱使用的一次能源以煤炭為主，使用大型燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)全面替代大型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)，基礎(chǔ)設(shè)施及燃燒設(shè)備要全部更換，也需要投入大量的技術(shù)及資金支持。這也制約了天然氣大規(guī)模應(yīng)用于城市集中供熱。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了天然氣取代煤炭作為集中供熱熱源時(shí)在總量、輸送、技術(shù)等諸多方面的不足。大型城市的集中供熱熱源應(yīng)多樣化，天然氣供熱起動(dòng)快，宜用作熱負(fù)荷調(diào)峰，承擔(dān)采暖季供熱的尖峰負(fù)荷，每個(gè)采暖季只運(yùn)行一個(gè)半月時(shí)間，燃煤熱電廠承擔(dān)采暖季供熱的基本負(fù)荷。若完全由天然氣供熱構(gòu)成，一旦出現(xiàn)冬季連續(xù)寒冷天氣，各處用氣均告急，天然氣供應(yīng)峰值迭加，極有可能造成因供氣不足而停運(yùn)天然氣供熱廠的狀況[12]。燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)是我國(guó)集中供暖的主要熱源，以煤炭為主體的能源結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變，應(yīng)限制高硫分、高灰分煤炭的開(kāi)采，研究推廣煤炭清潔燃燒利用技術(shù)，同時(shí)提高天然氣等清潔能源的比重。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃曉虎，韓秀秀，李帥東，等.城市主要大氣污染物時(shí)空分布特征及其相關(guān)性[J].環(huán)境科學(xué)研究，2017（7）：1001-1011.

[2]莫華，朱法華，王圣，等.火電行業(yè)大氣污染物排放對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)及減排對(duì)策[J].電力信息與通信技術(shù)，2013（8）：1-6.

[3]國(guó)家統(tǒng)計(jì)局能源司.中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2018.

[4]國(guó)家發(fā)展改革委，國(guó)家能源局.能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃[R].2016.

[5]郭藝，李長(zhǎng)清.我國(guó)天然氣戰(zhàn)略布局探析[J].能源評(píng)論，2011（6）：98-107.

[6]嚴(yán)緒朝.中國(guó)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和天然氣的戰(zhàn)略地位與作用[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)，2010（3）：62-67.

[7]李文超.北京農(nóng)村地區(qū)冬季清潔取暖政策與工作開(kāi)展[J].建設(shè)科技，2017（18）：22-23.

[8]李宏勛，吳復(fù)旦.我國(guó)進(jìn)口天然氣供應(yīng)安全預(yù)警研究[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2018（4）：1-6.

[9]鄒才能，趙群，陳建軍，等.中國(guó)天然氣發(fā)展態(tài)勢(shì)及戰(zhàn)略預(yù)判[J].天然氣工業(yè)，2018（4）：1-11.

[10]潘月星，趙軍.中國(guó)液化天然氣（LNG）進(jìn)口貿(mào)易發(fā)展的新問(wèn)題與新舉措[J].對(duì)外經(jīng)貿(mào)實(shí)務(wù)，2018（4）：48-51.

[11]SAVIC D A， WALTERS G A. Genetic Algorithms for Least-Cost Design of Water Distribution Networks[J]. Journal of Water Resources Planning & Management， 1997（2）：67-77.

[12]阮立軍，楊芊.我國(guó)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)面臨的形勢(shì)和發(fā)展機(jī)會(huì)[J].煤炭加工與綜合利用，2018（2）：1-5.