李欽偉，郭 偉，張端梅，楊春時

(1.吉林省電力勘測設計院，長春 130022；2.長春工程學院，長春 130012)

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基于蓄熱電鍋爐的風電消納效益研究

李欽偉1，郭 偉1，張端梅2，楊春時1

(1.吉林省電力勘測設計院，長春 130022；2.長春工程學院，長春 130012)

針對“三北”地區(qū)電網(wǎng)冬季供暖期面臨著大量棄風問題，提出了蓄熱電鍋爐的風電消納模式，介紹蓄熱電鍋爐的風電消納原理，進行了環(huán)境、經(jīng)濟效益分析，結果表明，采用蓄熱電鍋爐進行風電消納，既能解決棄風問題，又能解決煤炭供熱污染物的排放問題，使用風電替代傳統(tǒng)煤炭供熱，每年可節(jié)煤5 799.22 t，減少CO210 195.78 t、SO25.70 t、NOx41.95 t和煙塵1.92 t排放量，在補貼風電場利用時間的前提下，項目資本金凈利潤率可達24.62%，環(huán)境、經(jīng)濟效益顯著。

風電消納；蓄熱電鍋爐；棄風；環(huán)境效益；經(jīng)濟效益

近年來風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，風電裝機容量不斷增加。截至2014年底，中國新增裝機容量2.335×107kW，累計裝機容量1.148×108kW，均居世界第一。由于國內(nèi)風電增長速度大大高于需求增長，系統(tǒng)調(diào)峰矛盾突出，風電發(fā)展與電網(wǎng)建設規(guī)劃不協(xié)調(diào)，棄風問題日益嚴重。大規(guī)模風電消納一直是世界性難題，歐洲國家將依靠進出口電能保證國內(nèi)電力平衡及采用國內(nèi)分散的熱電聯(lián)產(chǎn)進行調(diào)峰，作為消納風電的重要方法[1-2]。國內(nèi)在關于風電消納方面，對建設抽水蓄能電站[3]，風、光、水電互補[4-6]，水源熱泵技術[7]，電鍋爐的熱電廠[8]等風電消納方案進行了經(jīng)濟性分析、研究與評價。

吉林省2014年風電利用時間1 501 h，平均棄風率15%，已成為風電棄風限電的“重災區(qū)”。特別是在冬季，“保熱調(diào)峰”導致大量的風電場棄風停機，季節(jié)性調(diào)峰及外送困難和就地消納能力不強已成為嚴重制約吉林省風電發(fā)展的最大障礙。以下針對吉林省用電負荷特點，分析蓄熱電鍋爐冬季供熱增加用電負荷消納棄風的模式。

1 蓄熱電鍋爐風電消納工作原理

蓄熱電鍋爐的風電消納就是使蓄熱電鍋爐利用峰、谷時段電價差進行供熱，即在谷時段供熱和蓄熱，峰時段利用蓄熱的能量進行供熱，將風電限電地區(qū)的風能，通過電鍋爐的能量轉換，實現(xiàn)與集中供熱企業(yè)聯(lián)合供熱。蓄熱電鍋爐消納棄風原理示意圖見圖1。

圖1 蓄熱電鍋爐消納棄風原理示意圖

2 實例分析

2.1 工程基本概況

F風電場位于吉林省D市中部，距離D市約50 km，規(guī)劃容量200 MW。預計風電場一二期年上網(wǎng)發(fā)電量為20 912×104kW·h，風電場等效利用時間2 091.2 h。按照吉林省目前限電量15%考慮，風電場每年棄風電量3 136.8×104kW·h。項目擬在風電場所在區(qū)域建熱力站，站址位于D市A鎮(zhèn)南側，處于66 kV A變電站供電區(qū)內(nèi)，電鍋爐項目可從A變電站經(jīng)10 kV線路受電，新建10 kV三回供電線路，長度約1.9 km。

2.2 電鍋爐選型計算

a．采暖期最大熱負荷Qmax、平均熱負荷Q和采暖期供熱總量Qz計算公式為公式(1)至公式(3)。

Qmax=qA/100

(1)

Q=Qmax(tn-tpj)/(tn-tw)

(2)

Qz=3.6Qmax·T′·24+3.6Q·(T-T′)·24

(3)

式中：q為熱指標；A為供暖面積；tn為采暖期室內(nèi)計算溫度 ；tpj為采暖期室外平均溫度；tw為采暖期室外計算溫度；T′為極端寒冷條件供熱天數(shù)；T為采暖期供熱天數(shù)。

采暖期熱負荷計算基礎數(shù)據(jù)為：熱力站對外供回水溫度分別為85～55 ℃，供回水壓力0.4 MPa。A=20×104m2；T=167天(每天24 h，極端寒冷條件供熱5天)；冬季tw=-22 ℃；tpj=-8.1 ℃；tn=18 ℃。按GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》，熱力站對外供熱的建筑類型為非節(jié)能建筑，執(zhí)行建筑物采暖熱指標q取50 W/m2。按照公式(1)至公式(3)，計算出采暖期Qmax=10 MW，Q=6.53 MW，Qz=9.70×104GJ。

b．電鍋爐容量計算。冬季D市用電峰段為7:30～11:30和17:00～21:00，共9 h；用電谷段為22:00～5:00，共7 h；其余8 h為用電平段。為盡可能多利用谷段時電量，降低運行成本，采用全量蓄熱模式計算，即電鍋爐加熱水用電全部來自谷段的7 h。本工程擬選用電鍋爐出口水參數(shù)為1.0 MPa、180 ℃，鍋爐電功率為10 MW。需要的蓄熱電鍋爐總負荷N計算見公式(4)。

N=24·Q·k·103/(txs·n)

(4)

式中：txs為蓄熱時間，取7 h；k為熱損失附加系數(shù)，取1.05；n為電鍋爐系統(tǒng)總效率，取0.95。

根據(jù)公式(4)計算：Qmax=10 MW時，全量蓄熱電鍋爐總負荷為37 895 kW，需用3臺10 MW電極式熱水鍋爐，容量為30 000 kW，余下的熱量將采用平段加熱的方式；Q=6.53 MW時，全量蓄熱鍋爐總負荷為24 746 kW，需用3臺10 MW電極式熱水鍋爐，其中1臺48%負荷運行，同時設置4個1 350 m3的蓄熱水罐，蓄熱水溫180 ℃。

c．采暖期用電量E計算公式為公式(5)、公式(6)。

E=Egc·(1+η)

(5)

Egc=m·P·hEB

(6)

式中：Egc為電鍋爐用電量；η為熱力站內(nèi)自用電率，取5%；m為電鍋爐臺數(shù)；P為電鍋爐功率；hEB為電鍋爐利用時間。

3臺電鍋爐利用時間980 h，每臺功率為10 MW。根據(jù)公式(5)、(6)計算，采暖期用電量為3 087×104kW·h。

3 效益分析

電鍋爐消納棄風相當于在風電過剩時，利用過剩風電為居民進行供暖，此舉可降低冬季地區(qū)耗煤量，具有顯著的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。由前面計算可知，F(xiàn)風電場每年棄風電量為3 136.8×104kW·h，采暖期電鍋爐用電量為3 087×104kW·h。與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比，每年可節(jié)約煤炭5 799.22 t，減少CO210 195.78 t、SO25.70 t、NOx41.95 t 和煙塵1.92 t排放量。

根據(jù)地區(qū)實際情況，若沒有蓄熱電鍋爐用電量，風機夜晚則會停機。蓄熱電鍋爐供熱主要成本包括蓄熱電鍋爐的一次性投入成本、用電成本和人力成本等。蓄熱電鍋爐建設期為1年，生產(chǎn)期為20年。用電時段分谷段、平段和峰段。谷段的用電價格為0.466元/(kW·h)，用電量2 901.78×104kW·h；平段的用電價格為0.932元/(kW·h)，用電量為154.35×104kW·h；峰段的用電價格為1.398元/(kW·h)，用電量為30.87×104kW·h。風電場的上網(wǎng)電價為0.61元/(kW·h)。采用木聯(lián)能V2.0.1軟件進行財務評價，在補貼風場490 h售電收入的狀況下，液體蓄熱價格從210元/GJ(含稅)降到28元/GJ(含稅)，資本金內(nèi)部收益率達到29.08%，資本金凈利潤率達到24.62%。

4 結論與建議

a．在國內(nèi)“三北”地區(qū)棄風嚴重的環(huán)境下，使用風電替代傳統(tǒng)煤炭進行供熱，具有明顯的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，每年可節(jié)煤5 799.22 t，減少CO210 195.78 t、SO25.70 t、NOx41.95 t 和煙塵1.92 t 排放量。在補貼風電場利用時間的前提下，項目資本金凈利潤率可達24.62%。

b．采用蓄熱電鍋爐消納棄風電量，既可解決風電棄風問題，也可解決冬季D市的居民供暖問題，對其他地區(qū)風電消納有一定的借鑒作用。

c．當前風電發(fā)展缺乏對電網(wǎng)、用戶完整的激勵政策體系。結合我國實際情況，可建立促進低谷時段風電消納的上網(wǎng)電價機制，電網(wǎng)投資成本回收機制等措施，推進風電并網(wǎng)消納工作。

[1] 丹麥如何解決風電消納[J].新財經(jīng)，2012，(11)：94.

[2] 辛頌旭，張欽，白建華.西班牙風電大比例消納的深度分析[J].能源技術經(jīng)濟，2011，23(8)：53-56.

[3] 靳亞東.建設蓄能電站解決風電消納經(jīng)濟性分析及有關政策建議[J].水力發(fā)電學報，2012，31(2)：1-4.

[4] 白雪，袁越，傅質(zhì)馨.小水電與風光并網(wǎng)的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011,27(6)：75-80.

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[6] 李強，袁越，李振杰，等.考慮峰谷電價的風電抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)能量轉化效益研究[J].電網(wǎng)技術，2009，33(6)：13-18.

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(編輯 韓桂春)

Research on Wind Power Consumptive Benefits Based on Electric Heat-storage Boiler

At present, during the winter heating period, the power is facing a large number of abandoned wind problem in China's "Three North" region. This paper proposes wind power consumptive patterns of electric heat-storage boiler, analyzes wind power consumptive principle of regenerative electric boiler, carries out from the environmental and economic benefits analysis. The results showes that wind power consumptive use of regenerative electric boiler can solve the problem of abandoned wind, and can effectively solve the problem of traditional coal emissions of pollutants. It can save emissions a year of coal 5 799.22 t， reduce CO210 195.78 t， NOx41.95 t. and gas discharge 1.92 t. Under the premise of wind farm subsidies in the use of time, capital of net profit margin can reach 24.62%, the project has remarkable environmental and economic benefits.

wind power consumption; electric heat-storage boiler; abandoned wind; environmental benefits; economic benefits

2015-04-08

李欽偉(1983)，男，工程師，主要從事風力發(fā)電場設計工作。

TM614;TK229.923

A

1009-5306(2015)05-0012-02