天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)調(diào)峰鍋爐房存在問題的探討

文/金芳

一、前言

溫室氣體的排放，增加了地球的溫室效應，在一定程度上破壞了全球生態(tài)系統(tǒng)。我國已全面確立了“2030年前碳達峰、2060年前碳中和”的目標，加速綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展勢在必行。

一般的火力發(fā)電廠都是以煤炭作為供應，而且只能發(fā)電。在整個系統(tǒng)過程中，循環(huán)水把大量的熱能帶走，未進行再利用就排放到大氣中，造成了很大的浪費。燃燒一噸煤炭（標準煤）可產(chǎn)生約2.8噸的碳排放。因此，在環(huán)境保護和節(jié)能減排的背景下，熱電聯(lián)產(chǎn)廠應運而生，熱電聯(lián)產(chǎn)廠在生產(chǎn)電能的同時，將熱能進行充分利用，具有節(jié)約能源、改善環(huán)境、提高供熱質(zhì)量、增加電力供應等綜合效益。

熱電聯(lián)產(chǎn)供熱網(wǎng)設(shè)置調(diào)峰鍋爐對提高熱電廠供熱面積，充分利用熱電廠優(yōu)質(zhì)熱源起到了非常好的作用。隨著調(diào)峰鍋爐裝機規(guī)模的持續(xù)擴大，未來天然氣調(diào)峰鍋爐將是發(fā)展趨勢。本文以天津市為例，探討設(shè)置燃氣調(diào)峰鍋爐的背景、影響因素及優(yōu)化建議。

二、設(shè)置燃氣調(diào)峰鍋爐的背景分析

（一）燃氣調(diào)峰鍋爐發(fā)展?jié)摿Υ?/h3>

在熱電聯(lián)產(chǎn)項目中，調(diào)峰鍋爐一般在冬季供暖期投入運行，具有季節(jié)性連續(xù)運行的特點。熱電聯(lián)產(chǎn)機組與調(diào)峰鍋爐聯(lián)網(wǎng)運行，熱電聯(lián)產(chǎn)機組為基礎(chǔ)熱源，鍋爐為調(diào)峰熱源。傳統(tǒng)調(diào)峰鍋爐通常為燃煤鍋爐，隨著國家政策的影響，以天然氣作為氣源的調(diào)峰鍋爐將會獲得大力的推廣。

（二）污染氣體和二氧化碳排放量更低

在《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021）》中，明確指出熱電聯(lián)產(chǎn)機組和城市城區(qū)的燃煤鍋爐必須達到超低排放標準（即在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50毫克/立方米）。而使用天然氣的調(diào)峰鍋爐所排放的氮氧化物、二氧化硫等空氣污染氣體和二氧化碳排放量更低，同等條件下，天然氣的調(diào)峰鍋爐比煤電的調(diào)峰鍋爐，氮氧化物排放量少30%，二氧化碳排放量少58%。

（三）碳達峰、碳中和的政策持續(xù)推進

國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布的《關(guān)于2021年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃執(zhí)行情況與2022年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃草案的報告》中列出了2022年積極穩(wěn)妥推進碳達峰碳中和、提升能源資源安全保障能力方面的重點工作。火電增速下降，燃氣發(fā)電以調(diào)峰為主，碳達峰碳中和目標倒逼能源發(fā)展加速轉(zhuǎn)型，能源新模式新業(yè)態(tài)不斷涌現(xiàn)。清潔能源大幅增長，清潔取暖、多元競爭成為趨勢。

三、以天津市為例，設(shè)置燃氣調(diào)峰鍋爐存在的一些問題

（一）天然氣氣源問題

1.能源供給不能滿足能源持續(xù)增長的需求

天津承擔著推進京津冀協(xié)同發(fā)展、服務“一帶一路”建設(shè)等重大國家戰(zhàn)略任務，實現(xiàn)“一基地三區(qū)”城市定位，打造天津能源革命先鋒城市目標，為能源高水平改革開放、高質(zhì)量發(fā)展搭建了重要平臺，能源需求持續(xù)增長。預計2025年，全社會用電量1125億千瓦時，最大負荷23000兆瓦；天然氣需求約133億立方米；供熱面積將有較大幅度的增長。到2025年，電力占終端能源消費比例達到38%，天然氣占一次能源消費比例達到20%，清潔供熱將成為主要方式，新增可再生能源裝機約3000兆瓦，非化石能源發(fā)電裝機比重超過20%。 至2020年底，天津市天然氣年用氣量達到92億立方米，天然氣占一次能源消費總量的比例約為16%。目前，對天然氣能源的投資跟不上未來日益增長的能源需求。隨著經(jīng)濟的逐步恢復和旅游市場的重新開放，能源需求已經(jīng)飆升到新冠肺炎疫情大流行前的水平，這一缺口只會進一步擴大，也使能源市場供需矛盾更加緊張。

2．儲氣調(diào)峰設(shè)施建設(shè)滯后

目前，天津市市域內(nèi)只有地下儲氣庫2座，分別為大張坨地下儲氣庫和版南地下儲氣庫，其產(chǎn)權(quán)為中石油所有，主要用于滿足北京市季節(jié)儲氣調(diào)峰和天津、河北少量調(diào)峰需求。到目前為止，上游供氣企業(yè)承諾給天津市的日最大供氣量僅為全年日平均供氣量的1.2倍。按此計算，季節(jié)儲氣調(diào)峰設(shè)施的不足會成為影響設(shè)置燃氣調(diào)峰鍋爐的重要因素。

3.天然氣產(chǎn)業(yè)配套能力不足

近年來，天然氣產(chǎn)業(yè)在全國范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展，但隨著天然氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不均衡、不協(xié)調(diào)的問題逐步顯現(xiàn)，供應增加與配套設(shè)施能力不足的矛盾、管網(wǎng)快速發(fā)展與儲氣能力建設(shè)滯后的矛盾、市場開發(fā)與配套能力落后的矛盾日益突出。

4.燃氣設(shè)施基礎(chǔ)建設(shè)難達預期

為保證燃氣調(diào)峰鍋爐的正常穩(wěn)定運行，需大量建設(shè)天然氣管道、調(diào)峰站等基礎(chǔ)設(shè)施，工程涉及面廣、投資大、工程進度不好控制，氣源供應難以保證。另外，如“十四五”期間實際燃氣供熱面積超出計劃面積，氣源的供應可能也會出現(xiàn)問題。

（二）燃氣管網(wǎng)問題

以14座調(diào)峰鍋爐的燃氣配套工程為例，設(shè)置14座燃氣調(diào)峰鍋爐房，總?cè)萘繛?583MW,供熱面積5166萬㎡。

1.調(diào)峰鍋爐用氣負荷較高，現(xiàn)狀管網(wǎng)規(guī)模不足

14座鍋爐房為調(diào)峰鍋爐房，其作用是當氣溫較低（一般低于采暖期的平均溫度）且熱力管網(wǎng)能力不能滿足采暖實際需要時，啟動燃氣鍋爐為熱力管網(wǎng)補充熱能。燃氣鍋爐運行時間取決于采暖期內(nèi)氣候條件、熱力管網(wǎng)的設(shè)計能力及其所帶負荷等因素。根據(jù)津能集團提供的調(diào)峰鍋爐運行方式的有關(guān)數(shù)據(jù)，調(diào)峰鍋爐一般自每年12月21日開始運行至次年的2月6日前后，每采暖季運行時間約為48天左右，折合滿負荷運行時間為24天。根據(jù)14座調(diào)峰鍋爐房5166萬㎡的規(guī)劃供熱面積推算（按鍋爐最終容量推算），當其滿負荷運行時，燃氣高峰每小時用氣量為27.6萬m3，高峰日用氣量為874萬m3，調(diào)峰期平均日用氣量為445萬m3，年用氣量為2.14億m3。為滿足調(diào)峰鍋爐的用氣需求，除利用燃氣的管網(wǎng)外，還需新建3座16萬m3LNG儲 氣 罐，4座高調(diào)站，高中壓管線約80公里。

2.管網(wǎng)建設(shè)按其高峰用能需求為基礎(chǔ)，投資較高

燃氣調(diào)峰鍋爐年運行時間短，其能源消耗量僅為同規(guī)模正常運行的燃氣鍋爐的30%，但其自身建設(shè)和氣、水、電等各項配套設(shè)施的建設(shè)規(guī)模均以滿足其高峰用能需求為目標。

燃氣配套設(shè)施按照滿足5166萬㎡供熱面積的高峰負荷進行配置，燃氣工程投資約25.58億元，投資較高。無論鍋爐按調(diào)峰鍋爐運行還是按一般供熱鍋爐運行，燃氣設(shè)施的配置均相同，燃氣工程的投資不會減少。

（三）燃氣配套設(shè)施的運行成本較高

以上述14座調(diào)峰鍋爐燃氣配套設(shè)施運行成本為例，調(diào)峰鍋爐運行時調(diào)峰氣源占總用氣量的85%左右，調(diào)峰氣源從儲氣到應用需要經(jīng)過液化（或外購）-低溫儲存-氣化-升壓-輸送-降壓-輸送等過程，整個過程生產(chǎn)成本較高。另外，調(diào)峰鍋爐年用氣量小，每年運行時間只有1個半月左右，其燃氣配套設(shè)施使用效率僅有12.5%左右。

綜合上述情況進行測算，14座調(diào)峰鍋爐燃氣配套設(shè)施年運行成本為14億元，折合到每立方米天然氣，其成本為6.76元/ m3（其中含動力費、工資及福利費、修理費、攤銷費用、其他費用，不含燃氣購入費用），遠遠超過現(xiàn)在天然氣（天津市集中供熱用氣價格為3.43元/m3）的售氣價格。

（四）運行風險較大

在供熱系統(tǒng)方面，熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)置燃氣調(diào)峰鍋爐形成的供熱系統(tǒng)過于龐大，熱電聯(lián)產(chǎn)機組承擔基本熱負荷，燃氣調(diào)峰鍋爐承擔尖峰熱負荷。燃氣調(diào)峰鍋爐除自身壽命損耗外，還會遇到如下問題：

1.滿負荷運行，加重了鍋爐受熱面的磨損。正常運行的燃氣調(diào)峰鍋爐在75%-85%負荷運行時最為經(jīng)濟，鍋爐的效率也最高，當負荷增至滿負荷，鍋爐效率則隨負荷的增加而下降。同時鍋爐內(nèi)煙氣流加快，使煙氣側(cè)對流放熱系數(shù)增大，從而加重了鍋爐受熱面的磨損，加大了運行風險。

2.頻繁啟停，引起疲勞損傷。燃氣調(diào)峰鍋爐頻繁的啟停，系統(tǒng)內(nèi)金屬部件會受到劇烈的溫度變化，由此產(chǎn)生交變熱應力，引起部件疲勞損傷。

結(jié)合上述問題，系統(tǒng)中熱電廠、調(diào)峰鍋爐等任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能導致整個系統(tǒng)無法安全穩(wěn)定運行。

四、建議和措施

（一）天然氣氣源，需優(yōu)先進行可靠性分析

積極利用本地區(qū)及周邊的氣源，以彌補自身季節(jié)儲氣調(diào)峰配套設(shè)施的不足。天津南港工業(yè)區(qū)的LNG接收站是中國石化最大的LNG資源地，因此，天津市在冬季燃氣調(diào)峰鍋爐負荷高峰期間，外購中國石化LNG氣源，以滿足需求。2021年11月供暖季以來，日單最高輸氣量4000萬m3。

由于調(diào)峰鍋爐一般在冬季供暖期投入運行，具有季節(jié)性連續(xù)運行的特點。天然氣氣源季節(jié)儲氣調(diào)峰設(shè)施的能力，是否滿足燃氣調(diào)峰鍋爐的需要，需優(yōu)先進行可靠性分析。結(jié)合燃氣供熱面積和氣源的供應能力，需綜合考慮燃氣管網(wǎng)等設(shè)施、儲氣調(diào)峰設(shè)施等，各地區(qū)需結(jié)合自身情況進行計算分析。

（二）結(jié)合燃氣管網(wǎng)現(xiàn)狀優(yōu)化工程投資

天津市在之前的燃氣配套工程中，建設(shè)了大量的管網(wǎng)及設(shè)施，其主干管網(wǎng)的配置除自身需求外，還為今后預留部分發(fā)展空間。調(diào)峰鍋爐燃氣配套設(shè)施部分就利用了這部分的設(shè)施，不足部分按新建考慮，以達到優(yōu)化投資的目的。

在燃氣管網(wǎng)建設(shè)中，要科學合理的對現(xiàn)狀管網(wǎng)進行水力計算，根據(jù)本地區(qū)自身管網(wǎng)設(shè)施情況，一部分利用現(xiàn)狀管網(wǎng)設(shè)施，另一部分新建管網(wǎng)及設(shè)施，減少工程投資。

（三）綜合考慮運行成本，合理確定氣費收取模式

天津市14座調(diào)峰鍋爐燃氣配套設(shè)施年運行成本為14億元，折合到每立方米天然氣，其成本為6.76元/ m3（其中含動力費、工資及福利費、修理費、攤銷費用、其他費用，不含燃氣購入費用），遠遠超過現(xiàn)在天然氣（天津市集中供熱用氣價格為3.43元/m3）的售氣價格。按供熱項目基準收益率計算，5166萬平米每年的供熱面積需收費29.70元/㎡才可保本，因此按照供熱項目基準確定氣費收取模式更為合理。

建議對熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)置調(diào)峰鍋爐進行可行性分析時，進行全方面的成本分析，以便與熱電聯(lián)產(chǎn)用戶進行良好商榷，最終確定以供熱面積收取還是以現(xiàn)行銷售氣價格收取。

（四）避免滿負荷運行，降低運行風險

燃氣調(diào)峰鍋爐采用了目前國內(nèi)最為先進的全自動監(jiān)控系統(tǒng)，對各部件的溫度進行監(jiān)控以及數(shù)據(jù)上傳。建議熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)置調(diào)峰鍋爐擴大鍋爐容量，或減小供應面積，避免熱網(wǎng)滿負荷運行。在燃氣調(diào)峰鍋爐運行中，選擇合理的沖轉(zhuǎn)參數(shù)，對各部分的金屬溫度進行監(jiān)測和檢查。

五、結(jié)束語

天然氣是最清潔的燃料，在這個以節(jié)能減排為主的時代，燃氣調(diào)峰鍋爐是調(diào)峰鍋爐發(fā)展的趨勢。推廣應用燃氣調(diào)峰鍋爐必須要有充足的燃氣資源作保證，結(jié)合燃氣管網(wǎng)現(xiàn)狀優(yōu)化工程投資，綜合考慮運行成本，合理確定氣費收取模式，擴大鍋爐容量，降低運行風險。