楊樹峰

內蒙古電力勘測設計院

棄風發(fā)電蓄熱供暖在內蒙古風電場的應用

楊樹峰

內蒙古電力勘測設計院

針對內蒙古風力發(fā)電的特殊情況，本文對棄風發(fā)電蓄熱供暖系統(tǒng)技術性能及經濟性進行了分析，得出棄風發(fā)電蓄熱供暖系統(tǒng)在內蒙古地區(qū)風電場應用具有可行性。

蓄熱供暖 棄風發(fā)電 室內溫度

20世紀90年代初，在我國開始出現(xiàn)蓄熱裝置[1]。但由于運行費用高，這些產品的發(fā)展比較緩慢?！恫膳L和空氣調節(jié)設計規(guī)范》（GB50019-2003）中明確提出了使用電力供熱的條件：環(huán)保有特殊要求的區(qū)域、遠離集中熱源的獨立建筑物、采用熱泵的場所、能利用低谷電蓄熱的場所、有豐富的水電資源可供利用時，經技術經濟比較合理時，可以采用電供暖。隨著近幾年國家大力發(fā)展新能源，風電事業(yè)發(fā)展迅速。在我國北方地區(qū)，風資源相當豐富，而且清潔環(huán)保。風能的特征是：時有時無、極不穩(wěn)定。由于電網調度調控，目前北方地區(qū)風電場在夜間基本上停止發(fā)電，所以在風電場發(fā)展蓄熱供暖，相對于其他供暖方式，可實現(xiàn)零運行費用。蓄熱技術是提高能源利用效率和保護環(huán)境的重要技術。

1 內蒙古風電及風電場供暖現(xiàn)狀

1）風資源豐富，風電發(fā)展迅速，風力發(fā)電零排放。

2）用電負荷小，電負荷外送困難，棄風嚴重（棄風就是風力發(fā)電不能接到電網時，而停止發(fā)電，當時風資源充沛）。

3）供暖需求大，供暖期長達7個月，風季與供暖期重疊，風電場幾乎全部采用電輻射采暖系統(tǒng)。

2 風電場蓄熱系統(tǒng)

筆者在內蒙古某風電場綜合樓利用蓄能供熱，在夜間風電場不能發(fā)電上網時，棄風發(fā)電蓄熱，為綜合樓提供熱源，該綜合樓建筑面積2000m2，共計二層，設計熱負荷為86kW。

2.1 蓄熱系統(tǒng)

目前國內所采用的蓄熱裝置主要是以水為蓄熱介質，但水蓄熱占地面積和材料消耗過多。而固體蓄熱儲能裝置卻能解決上述問題。固體蓄熱材料的密度為水的2.5倍左右，蓄熱可達800～1000℃以上蓄能器的體積大大減小，它不僅克服了傳統(tǒng)蓄熱方式的缺點，而且兼具環(huán)保、高效、節(jié)能、安全等多項優(yōu)勢[2]，有望替代一部分傳統(tǒng)的取暖設備。

蓄熱系統(tǒng)主要由蓄熱裝置、空氣-水換熱系統(tǒng)、水-水換熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成（圖1）。

圖1 風電場蓄熱供暖系統(tǒng)圖

蓄能裝置的任務是在蓄熱階段（棄風發(fā)電8 h以內）儲存全天所需熱量，并且能夠通過風系統(tǒng)將所存的熱量以熱風的形式傳遞出來。因此該裝置的工作由加熱過程和放熱過程來完成。蓄熱裝置主要由加熱元件、蓄熱材料、保溫外殼組成。加熱元件為鎳鉻合金材料，它的作用是將電能轉換為熱能；蓄熱材料是主要以MgO為主要材料的磚體，該材料的優(yōu)點是：使用壽命長，其熔點為 2580℃，沸點為 3650℃，密度3.1～3.3g/cm3，比熱容0.3～0.31cal/(g·℃)，蓄熱材料在熔點溫度以下可以反復使用50～70年；一般蓄熱溫度≤900℃；保溫外殼采用巖棉，將加熱元件和蓄熱材料包裹在一起，以減少熱損失。為了使用方便，將蓄熱材料制成小的蓄熱磚，并在蓄熱磚兩側留有半圓形槽，便于安裝電熱絲。

空氣-水換熱系統(tǒng)主要由循環(huán)風機、內置空氣-水換熱器及風道組成。循環(huán)風機將空氣鼓入蓄熱裝置，空氣吸收熱量后，經風道進入內置空氣-水換熱器，與換熱器中的一次循環(huán)水完成換熱。循環(huán)風機為離心風機，循環(huán)風機采用變頻控制系統(tǒng)，自動調整循環(huán)風機風量來確保一級循環(huán)水溫度達到設計要求。

水-水換熱系統(tǒng)主要由循環(huán)泵、板式換熱器等組成，通過水-水換熱，將二次循環(huán)水加熱到適合于采暖系統(tǒng)的溫度。

該系統(tǒng)具有氣候補償和恒溫供水功能，即根據氣候的變化自動調節(jié)供熱量。應用可編程控制器，根據室外溫度的變化和當地供熱負荷曲線，決定二次側的供水溫度，二次側供水溫度的實測值和設定值相比較后，并進行PID調節(jié)，控制器輸出信號至電動調節(jié)閥，調節(jié)電動調節(jié)閥的開度，從而改變一次側的高溫水流量及加熱空氣流量實現(xiàn)二次側供水溫度的質調節(jié)和一次側流量及加熱空氣的量調節(jié)。

2.2 系統(tǒng)運行工況的測試

以內蒙古某風電場綜合樓采暖工程為基礎，對系統(tǒng)運行時室外溫度、室內溫度、供回水溫度、散熱器表面溫度進行了測試，測試了機組運行時的耗電量，測試時間為連續(xù)1個月，即2011年11月。表1為主要檢測儀器表。

表1 檢測主要設備表

3 蓄熱系統(tǒng)測試數據

3.1 溫度測試數據

2011年11月11月1日至11月30日，在國電中商風電場2000m2綜合樓蓄熱供暖試驗，設計采暖供水溫度65℃，回水溫度45℃。由圖2可知，測試期間室外空氣溫度在-23℃～11℃之間，室外平均氣溫為-5.1℃；室內平均溫度在18.5℃～24℃之間，室內平均溫度為20.5℃，散熱器表面溫度在38℃～57.2℃之間，各種參數達到了設計要求。

圖2 采暖溫度測試圖

圖3 采暖耗電量統(tǒng)計圖

3.2 采暖耗電量測試

該系統(tǒng)蓄熱設備額定蓄熱量為268kW，一次循環(huán)泵功率為2.2kW，二次循環(huán)泵功率為4kW。從11月1日到30日系統(tǒng)累計運行720h，累計蓄熱88.7h，日平均用電量在615.2～1330kWh之間，日平均用電量為944.6kWh，日蓄熱用電量在0～2611.2kWh之間，日蓄熱平均用電量為824.8kWh，系統(tǒng)運行累計總用電量28245.6kWh，累計蓄熱用電量23781.6kWh（圖3）。

4 效益分析

4.1 經濟效益

由于風電場地處偏遠，在實行蓄熱供暖前均采用電暖器供暖，安裝總功率86kW，每天供暖24h，其中12h耗電為正常上網電價，其余12h為棄風發(fā)電。采用蓄熱供暖系統(tǒng)，蓄熱耗電均采用棄風發(fā)電，上網時的耗電量30天僅為2232 kWh。按風電上網電價0.51元/ kWh，棄風發(fā)電成本0.1元/kWh計算，得到蓄熱供暖與電暖氣供暖費用比較（表2）。

表2 供暖系統(tǒng)費用比較

由表2，雖然棄風發(fā)電蓄熱供暖系統(tǒng)初投資高于電暖器供暖系統(tǒng)，但是棄風發(fā)電蓄熱供暖系統(tǒng)運行費用遠低于電暖器供暖系統(tǒng)，測試期間一個月節(jié)約的運行費用就有1.54萬元，該風電場的供暖期長達7個月，每年可節(jié)省運行費用10.78萬元，由此可見經濟效益顯著。

4.2 社會效益

該棄風蓄熱供暖系統(tǒng)的實施，每年可節(jié)約標煤42t，減少二氧化碳排放109.2t，減少二氧化硫排放1t，并可以協(xié)助電網調峰。如果該系統(tǒng)能夠推廣的話，對于環(huán)境保護將會起到積極作用。

5 結論與建議

1）從蓄熱供暖系統(tǒng)運行效果來看，基本達到了設計預期，盡管室內溫度有一定的波動，但都在正常范圍之內，能夠滿足規(guī)范要求。

2）我國雖然從20世紀80年代初就已經開始研究蓄熱材料，但是仍然處于起步階段，應用的領域也較為狹窄，而該類材料市場非常廣泛，研究應用的價值也相當可觀，所以應加快此領域的研究開發(fā)工作，充分利用新能源，節(jié)約常規(guī)能源。

3）電能是對環(huán)保最有利的能源，利用風電棄風發(fā)電進行蓄能則可以大大降低運行費用，特別是固體蓄熱裝置具有無污染、零排放、安裝簡單、占地小、成本低、運行費用低、安全性高等一系列優(yōu)點。希望有關部門能夠出臺相關政策，在電價方面給予優(yōu)惠，積極推廣利用棄風發(fā)電蓄熱供暖系統(tǒng)。

[1]李晗,白勝喜,黃怡珉.電熱固體蓄熱裝置的蓄熱原理及傳熱分析[J].電站系統(tǒng)工程,2003,(5):29-30

[2]趙廣播,董芃,白勝喜,等.電熱固體蓄熱裝置放熱過程的實驗研究[J].電站系統(tǒng)工程,2003,19(6):13-14

[3]白勝喜,趙廣播,董芃.固體電蓄熱裝置及經濟性分析[J].中國電力,2002,35(6):79-80

[4]蘇俊林,張亞仁,胡月紅.固體蓄熱式電鍋爐蓄熱模擬及實驗[J].熱能動力工程,2007,22(6):638-641

[5]章祖義,胡國芳.加強電力蓄能技術的應用[J].能源技術,2000, (9):171-173

He a t Stora ge Sys te m w ith Aba ndon of a Wind Pow e r Pla nt in Inne r Mongolia

YANG Shu-feng
Inner Mongolia Electric Power Survey&Design Institute

According to the special condition of wind power in Inner Mongolia,the technical performance and economical efficiency regenerative of heating storage system with abandon of wind power were analyzed,and it is concluded that system is feasible for application in wind power plant in Inner Mongolia.

heat storage system,abandon of wind power generation,indoor temperature

1003-0344（2015）02-103-3

2014-1-24

楊樹峰（1979～），男，碩士，高工；內蒙古呼和浩特市內蒙古電力勘測設計院（010020；E-mail:149188456@qq.com