文 | 李海臣，余龍飛，董小改，趙旭

內(nèi)蒙古四子王旗風(fēng)電供熱工程介紹

文 | 李海臣，余龍飛，董小改，趙旭

近年來我國(guó)大氣污染越來越嚴(yán)重，霧霾天數(shù)不斷增多，且區(qū)域不斷擴(kuò)大，污染程度不斷提高。大氣污染源是多方面的，生活廢氣、工業(yè)廢氣、建筑粉塵、工業(yè)粉塵、電廠煙氣排放、汽車尾氣等都對(duì)大氣環(huán)境造成影響，目前治理的主要手段是淘汰黃包車、減少水泥和鋼鐵產(chǎn)量、減少化石燃料消耗、增加新能源發(fā)電等。在新能源發(fā)電方面，也出現(xiàn)了不利的情況，即風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)。根據(jù)有關(guān)資料介紹，2012年，全國(guó)棄風(fēng)電量達(dá)到20TWh，棄風(fēng)率為16.6%，最嚴(yán)重的省份風(fēng)電運(yùn)行時(shí)數(shù)不足1500h。很明顯，風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)現(xiàn)象違背了利用清潔能源治理大氣污染的初衷。如何提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行效率是目前各風(fēng)電建設(shè)單位重點(diǎn)研究的問題。中電投電力集團(tuán)公司采用內(nèi)蒙古綠能公司研究的技術(shù)，在內(nèi)蒙古四子王旗建設(shè)了風(fēng)電供熱工程，有效解決了風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)及燃煤供熱污染的問題。

工程概況及技術(shù)方案

中電投內(nèi)蒙古四子王旗風(fēng)電場(chǎng)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗境內(nèi)，距離四子王旗政府所在地烏蘭花鎮(zhèn)約20km，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為200MW；供熱站位于烏蘭花鎮(zhèn)西北部，供熱站供熱面積50萬m2。

近年來內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)電規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)電占電網(wǎng)容量比重逐漸增加，在電網(wǎng)處于低負(fù)荷時(shí)段，往往出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行時(shí)數(shù)產(chǎn)生明顯影響，限制風(fēng)電機(jī)組出力，風(fēng)能資源不能得到有效利用。

風(fēng)電供熱項(xiàng)目的實(shí)施，以熱換電，在電網(wǎng)低負(fù)荷時(shí)將供熱鍋爐啟動(dòng)，增加電網(wǎng)負(fù)荷，保證風(fēng)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，有效解決了電網(wǎng)低負(fù)荷時(shí)棄風(fēng)限電的弊端，提高了風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行效率；同時(shí)，風(fēng)電作為清潔能源，改變了燃煤機(jī)組供熱的模式，降低了燃煤機(jī)組廢氣的排放，提高了經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益與環(huán)境效益；由于風(fēng)電供熱工程帶有蓄熱能力，能有效改善電網(wǎng)的峰谷差，平衡電網(wǎng)晝夜的負(fù)荷。

風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出來的電通過220kV集電線路送入杜爾伯特變電站，接入內(nèi)蒙古電網(wǎng)；供熱站的兩路電源接入四子王旗變電站和杜爾伯特變電站，電壓等級(jí)為35kV。風(fēng)電場(chǎng)不對(duì)供熱站直接供電，風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)按照內(nèi)蒙古風(fēng)電價(jià)格計(jì)算；供熱站用電價(jià)格按照當(dāng)?shù)毓I(yè)用電價(jià)格計(jì)算；供熱站的供熱收益低于供熱站用電的支出費(fèi)用，其經(jīng)濟(jì)效益靠風(fēng)電場(chǎng)增加運(yùn)行時(shí)數(shù)補(bǔ)充。

供熱站工程原理

供熱站工作原理如下圖：

根據(jù)上圖，供熱系統(tǒng)有四種運(yùn)行方式：鍋爐直供、蓄熱罐蓄熱、邊蓄邊供、蓄熱罐供熱。鍋爐直供時(shí)，閥門1、6開啟，閥門2、3、4、5關(guān)閉；蓄熱罐蓄熱時(shí)，閥門2、4開啟，閥門1、3、5、6關(guān)閉；邊蓄邊供時(shí)，閥門1、2、4、6開啟，閥門3、5關(guān)閉；蓄熱罐供熱時(shí)，閥門3、5開啟，閥門1、2、4、6關(guān)閉。

電熱鍋爐運(yùn)行模式可分為電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段運(yùn)行模式與電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段運(yùn)行模式。電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段，電熱鍋爐啟動(dòng)，將70℃回水經(jīng)電鍋爐加熱至130℃的出水，鍋爐出水一部分送至換熱站經(jīng)換熱裝置換熱將熱量供給熱用戶，另一部分熱水送至蓄熱裝置儲(chǔ)存起來。電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段，電熱鍋爐關(guān)閉，蓄熱裝置獨(dú)立承擔(dān)供熱，儲(chǔ)存于蓄熱裝置的高溫?zé)崴?jīng)一次管網(wǎng)送至換熱站將熱量供給熱用戶。

正常情況，在冬季電鍋爐每天運(yùn)行13h，晚6點(diǎn)到早8點(diǎn)工作；蓄熱罐供熱時(shí)間11h，由早8點(diǎn)到晚6點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)僅考慮居民采暖，沒有考慮居民使用熱水的需要，考慮到居民小區(qū)的入住率等因素，供熱能力應(yīng)該有富余，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)熱網(wǎng)公司的管理能力，向居民小區(qū)內(nèi)的用戶提供洗浴等用水。

風(fēng)電供熱工程的優(yōu)點(diǎn)

(一)增加風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間：由于電網(wǎng)負(fù)荷限制，北方很多地方出現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)現(xiàn)象，通過供熱站，增加了電網(wǎng)負(fù)荷，給風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行創(chuàng)造了條件。

(二)減少化石燃料消耗，改善環(huán)保條件：該項(xiàng)目設(shè)計(jì)年發(fā)電量523.7GWh，按每千瓦時(shí)消耗330g煤計(jì)算，每年可節(jié)約172836t標(biāo)準(zhǔn)煤。

(三)減少城市供熱的粉塵及煙氣排放：我國(guó)北方部分地區(qū)供暖實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn)，由熱電廠提供熱源，也有一些大型集中供熱站，這些供熱站環(huán)保設(shè)施較完善，但很多地方是小鍋爐，特別是在縣級(jí)市或鄉(xiāng)鎮(zhèn)的居民區(qū)，供熱鍋爐沒有任何除塵設(shè)施，冬季取暖期排放的粉塵較多，煙氣中硫化物、氮化物較高。另外，熱電廠或供熱站在秋季要儲(chǔ)存大量取暖用煤，這些煤在運(yùn)輸和儲(chǔ)存時(shí)也會(huì)引起揚(yáng)塵，污染環(huán)境。采用電鍋爐后，不僅減少了化石燃料的消耗和燃料燃燒過程產(chǎn)生的粉塵和廢氣污染，也減少了儲(chǔ)存化石燃料的占地及燃料運(yùn)輸、儲(chǔ)存所帶來的粉塵污染。該項(xiàng)目減少粉塵排放943t，減少灰渣62561t，減少二氧化碳排放479226t，減少硫排放3446t，同時(shí)還節(jié)省了大量水資源。

（四）減少城市占地：由于取消了取暖鍋爐，減少了化石燃料儲(chǔ)存場(chǎng)地，灰渣儲(chǔ)存場(chǎng)地也相應(yīng)減少，節(jié)約了城市土地資源。

（五）美化城市環(huán)境：電鍋爐沒有廢氣排放，用它代替燃煤鍋爐，取消了燃煤鍋爐必需的煙囪，美化了城市環(huán)境。

風(fēng)電供熱工程的技術(shù)探討

（一）實(shí)施風(fēng)電供熱工程的條件

風(fēng)電供熱工程有其優(yōu)點(diǎn)，但不是所有地區(qū)都可以建設(shè)風(fēng)電供熱工程。我們認(rèn)為，實(shí)施風(fēng)電供熱工程應(yīng)當(dāng)有以下幾個(gè)必備要素：當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源條件較好；受電網(wǎng)限制，當(dāng)?shù)仫L(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)嚴(yán)重；當(dāng)?shù)匦枰陆ɑ蚋慕ü嵴荆徽邢嚓P(guān)政策；增加的風(fēng)電運(yùn)行時(shí)數(shù)帶來的效益能夠補(bǔ)償供熱站運(yùn)行虧損的費(fèi)用，工程整體投資回報(bào)率較好。

（二）設(shè)置風(fēng)電供熱工程供熱站蓄熱裝置的條件

四子王旗供熱站采用蓄熱方式進(jìn)行供熱，但在今后的風(fēng)電供熱工程中應(yīng)當(dāng)對(duì)蓄熱功能進(jìn)行分析。增加蓄熱功能，可以平衡電網(wǎng)負(fù)荷，保證供熱能力，但增加工程費(fèi)用較多。我們認(rèn)為，采用蓄熱功能要考慮下列因素：

（1）當(dāng)?shù)厥欠裼蟹骞入妰r(jià)差：供熱站消耗的主要資源是電能，在運(yùn)行費(fèi)用中耗電費(fèi)用占85%以上，遠(yuǎn)大于人員成本及用水費(fèi)用，如果當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)有峰谷電價(jià)差，可以利用低谷電價(jià)制熱，減少企業(yè)運(yùn)行成本，增加企業(yè)效益。

（2）當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)用電負(fù)荷是否能滿足需要：在有些城市，白天用電負(fù)荷較大，大的用電企業(yè)運(yùn)行受到限制；采用蓄熱功能后，可以減少電網(wǎng)白天用電負(fù)荷，在夜晚用電負(fù)荷低時(shí)制熱，緩解當(dāng)?shù)赜秒娋o張情況。

（三）蓄熱能力的確定

蓄熱能力越大，需要的蓄熱罐越多，電鍋爐也越多，工程費(fèi)用越高，同時(shí)供熱站占地也越大。如何確定蓄熱能力，是風(fēng)電供熱工程可行性研究階段的一個(gè)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

我們認(rèn)為，確定蓄熱能力首先要確定采用蓄熱的原因。如果是因?yàn)榉骞入妰r(jià)差，應(yīng)當(dāng)按照低谷電價(jià)的時(shí)間，確定電鍋爐的運(yùn)行時(shí)間，然后根據(jù)供熱需求量推算出電鍋爐及蓄熱罐的數(shù)量；如果是當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)荷緊張，白天不能提供制熱的電負(fù)荷，則應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的負(fù)荷情況及未來當(dāng)?shù)赜秒娨?guī)劃和城市發(fā)展規(guī)劃，確定電鍋爐的運(yùn)行時(shí)間，然后根據(jù)供熱需求量推算出電鍋爐及蓄熱罐的數(shù)量。

（四）運(yùn)行時(shí)間的確定

四子王旗風(fēng)電供熱工程供熱站的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是：在冬季電鍋爐每天運(yùn)行13h，晚6點(diǎn)到早8點(diǎn)工作；蓄熱罐供熱時(shí)間11h，由早8點(diǎn)到晚6點(diǎn)。

在今后的工程中，電鍋爐運(yùn)行時(shí)間應(yīng)與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)負(fù)荷變化對(duì)應(yīng)，不應(yīng)簡(jiǎn)單按照時(shí)間確定。所有城市電網(wǎng)負(fù)荷變化都不是階躍的，是有一個(gè)變化曲線，當(dāng)?shù)卮笮陀秒娖髽I(yè)越少，電網(wǎng)負(fù)荷變化越平緩。在冬季一般每天早晨5至6點(diǎn)負(fù)荷開始增加，中午時(shí)用電負(fù)荷下降，下午用電負(fù)荷增加，晚上17至18點(diǎn)用電負(fù)荷開始下降，晚上21至22時(shí)再次明顯下降，晚上23點(diǎn)至次日5點(diǎn)是電網(wǎng)負(fù)荷較低而且比較平穩(wěn)時(shí)段。如果是因?yàn)楫?dāng)?shù)赜秒娋o張而采用蓄熱功能，電鍋爐的運(yùn)行應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的負(fù)荷變化而切投。當(dāng)電網(wǎng)用電負(fù)荷降低時(shí)，根據(jù)負(fù)荷變化逐步投入電鍋爐的運(yùn)行數(shù)量；當(dāng)電網(wǎng)用電負(fù)荷增加時(shí)，應(yīng)根據(jù)用電負(fù)荷增加量逐步減少運(yùn)行的電鍋爐數(shù)量?？偟脑瓌t是讓當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)能夠在一個(gè)安全而平穩(wěn)的負(fù)荷曲線下運(yùn)行。這樣既可以保證電網(wǎng)安全，也可以適當(dāng)降低電鍋爐及蓄熱罐數(shù)量，降低工程造價(jià)。

（五）供熱面積確定

四子王旗供熱站按照50萬m2供熱面積確定供熱能力，但實(shí)際供熱需求量沒有確定。我們建議在今后工程設(shè)計(jì)中不僅需要知道當(dāng)?shù)毓嵝^(qū)面積，還應(yīng)了解、分析供熱小區(qū)的入住率、供熱率。目前北方很多居民區(qū)入住率較低，大量房屋閑置。有些小區(qū)雖然有人入住，但在取暖期人走樓空，取暖報(bào)停，小區(qū)供熱率降低，影響供熱企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。在工程規(guī)劃時(shí)，應(yīng)合理規(guī)劃出供熱站的設(shè)計(jì)能力，使供熱系統(tǒng)利用率提高，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益?？紤]今后入住率和供熱率增加，或供熱區(qū)域擴(kuò)大，可以在供熱站留出適當(dāng)擴(kuò)建的位置，必要時(shí)增加適當(dāng)?shù)腻仩t數(shù)量。

（六）供熱站能力確定

根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，采取節(jié)能措施的建筑物中住宅類建筑物采暖熱指標(biāo)為40 W/m2－45W/m2，居住區(qū)綜合類建筑采暖熱指標(biāo)為45 W/m2－55W/m2。在確定等效熱負(fù)荷時(shí)要根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度變化進(jìn)行計(jì)算，供熱站最大負(fù)荷出力決定系統(tǒng)規(guī)模和容量，合理確定供熱站供熱能力將影響工程投資和企業(yè)收益。每個(gè)采暖期的極寒天數(shù)較少，在規(guī)劃、研究供熱系統(tǒng)出力時(shí)應(yīng)避免按照最大供熱負(fù)荷確定系統(tǒng)參數(shù)，可以通過減少系統(tǒng)蓄熱時(shí)間解決極寒天氣的采暖需要。如果沒有蓄熱功能，則可以采用“過供熱”方式解決極寒天氣的采暖問題，即在極寒天氣到來前加大供熱量，使居民建筑本身蓄積一部分熱能，在極寒天氣到來時(shí)依靠建筑蓄熱及供熱系統(tǒng)熱能維持供熱小區(qū)的房間溫度在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。

以上論述了風(fēng)電供熱工程的建設(shè)情況及設(shè)計(jì)思路，但在工程實(shí)施中還有許多注意事項(xiàng)，如供熱站用水問題，污水排放問題，與當(dāng)?shù)責(zé)崃净蛐^(qū)物業(yè)接口問題，工藝系統(tǒng)選型問題，系統(tǒng)參數(shù)問題，回水溫度、壓力、流量問題，風(fēng)電供熱工程經(jīng)濟(jì)分析問題等。這些因素都將影響工程投資及運(yùn)行效益，在工程規(guī)劃時(shí)都應(yīng)給予認(rèn)真研究分析。為保證工程的研究、規(guī)劃正確合理，必須收集必要的工程建設(shè)外部資料，及時(shí)了解當(dāng)?shù)卣嘘P(guān)政策，這樣才能保證工程建設(shè)順利開展，保證企業(yè)的效益及社會(huì)效益。

目前我國(guó)北方地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)現(xiàn)象較嚴(yán)重，而冬季取暖用煤量較大，加重了大氣環(huán)境污染。如果人口百萬以上的城市采用熱電聯(lián)產(chǎn)的集中供熱方式，中小城市采用風(fēng)電供熱方式，將減少風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)現(xiàn)象，節(jié)省取暖用煤，有利于北方冬季大氣環(huán)境的改善。

（作者單位：中電投電力工程有限公司）