謝魯冰，芮曉明，王松嶺，李國華，樊曉朝，史瑞靜

(1.華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院,北京 102206；2.中國機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司,北京 100055；3.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830000)

0　引言

近年來，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，2016年，全國新增裝機(jī)容量2 337萬kW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1.69億kW，在我國電力總裝機(jī)中的比重已超過7%，成為僅次于火電、水電的第三大電力來源[1]。2017年上半年，我國風(fēng)電新增并網(wǎng)容量601萬kW，繼續(xù)保持穩(wěn)步增長勢頭，截至6月底,我國風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)到1.54億kW，同比增長12%。2010年，我國風(fēng)電裝機(jī)總量躍升全球第一，主要得益于陸上風(fēng)電的持續(xù)快速發(fā)展。但是近年來我國陸上風(fēng)電的棄風(fēng)限電形勢非常嚴(yán)峻，遼寧、吉林、黑龍江、寧夏、甘肅、云南、貴州等省的風(fēng)電建設(shè)已經(jīng)全面停滯。中國部分地區(qū)棄風(fēng)呈攀升趨勢，日益惡化：2016年棄風(fēng)總量高達(dá)497億kW·h，是2014年的4倍。在甘肅、新疆、內(nèi)蒙古、吉林和黑龍江5個地區(qū)，3年棄風(fēng)量已接近800億kW·h，相當(dāng)于天津市2015年全年的用電量。其中，甘肅省的棄風(fēng)率更是從2014的11%飆升到2016年的43%。綜上，我國“三北”地區(qū)的陸上風(fēng)電已步入發(fā)展瓶頸時期。

本文從負(fù)荷側(cè)來研究提升風(fēng)電消納空間的問題，利用達(dá)坂城風(fēng)區(qū)的棄風(fēng)電量來清潔供熱，并著重對增加儲熱的風(fēng)電供熱方式進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，該方案對于促進(jìn)風(fēng)電消納，減緩棄風(fēng)限電問題具有積極意義，并將有助于新疆風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

1　新疆達(dá)坂城風(fēng)區(qū)鹽湖街道風(fēng)電清潔供熱研究

1.1　風(fēng)電供熱的政策背景

(1)2013年3月15日，國家能源局《關(guān)于做好風(fēng)電清潔供暖工作的通知》，提出風(fēng)電清潔供暖技術(shù)可以在我國北方及西北具備條件的地區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

(2)2013年9月10日，國務(wù)院下發(fā)《大氣污染防治行動計(jì)劃》(簡稱《大氣十條》)，要求2017年之前關(guān)停小型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，在有些地區(qū)可改用電、新能源或潔凈煤供熱。

(3)2015年4月7日，國家能源局發(fā)布了《國家能源局關(guān)于做好風(fēng)電并網(wǎng)和消納相關(guān)工作的通知》，明確提出鼓勵風(fēng)電清潔供暖技術(shù)在新建筑的優(yōu)先使用，大力支持風(fēng)電清潔供暖技術(shù)的利用。

1.2　達(dá)坂城風(fēng)電場規(guī)劃及棄風(fēng)限電問題

1.2.1達(dá)坂城風(fēng)電場規(guī)劃

根據(jù)2017年底發(fā)布的《新疆維吾爾自治區(qū)“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃》，新疆風(fēng)電發(fā)展將按照建設(shè)國家“三基地一通道”部署要求，充分發(fā)揮資源、區(qū)位、環(huán)境承載力強(qiáng)等優(yōu)勢，優(yōu)化開發(fā)布局，著力打造“兩大基地，一個條帶，五大區(qū)塊”，加快達(dá)坂城、百里風(fēng)區(qū)、塔城、阿勒泰、若羌等百萬千瓦級風(fēng)電基地建設(shè)。“十三五”新增裝機(jī)預(yù)計(jì)為3 000 MW，屆時達(dá)坂城風(fēng)區(qū)2020年末總裝機(jī)容量預(yù)計(jì)可達(dá)6 950 MW。

1.2.2達(dá)坂城棄風(fēng)限電

近幾年我國風(fēng)電大省棄風(fēng)限電現(xiàn)象很嚴(yán)重，新疆地區(qū)也不例外。2012～2015年全疆及達(dá)坂城區(qū)風(fēng)電場棄電情況如表1所示。

1.3　達(dá)坂城風(fēng)電供暖的可行性分析

1.3.1供熱負(fù)荷特性及風(fēng)能特性分析

烏魯木齊市供熱負(fù)荷特性：從10月份開始，負(fù)荷逐漸增大，到1月份左右負(fù)荷到達(dá)最大，然后逐漸減小，一直到4月份供暖結(jié)束?？梢钥闯?，進(jìn)入冬季隨著氣溫的降低，負(fù)荷逐漸增大，到12月和1月負(fù)荷最高峰，然后隨著氣溫的升高，負(fù)荷逐漸減少。

達(dá)坂城近年來的平均風(fēng)速為5.8 m/s，多年風(fēng)向以西北偏西(WNW)為主導(dǎo)，烏魯木齊地區(qū)采暖期從10月到來年的4月與達(dá)坂城風(fēng)速較高時間是一致的。風(fēng)電清潔供暖項(xiàng)目通過蓄熱后，供暖負(fù)荷主要集中在電網(wǎng)谷段，這與一天中風(fēng)能規(guī)律是基本一致的。

1.3.2電制熱技術(shù)滿足風(fēng)電供熱要求

風(fēng)電供暖是電鍋爐與蓄熱系統(tǒng)的結(jié)合。在夜間電網(wǎng)低谷時段，風(fēng)電通過電鍋爐將媒介加熱，通過蓄熱系統(tǒng)將熱量儲存起來；在白天電網(wǎng)高峰時段，再將儲存在蓄熱介質(zhì)中的熱量釋放出來供用戶使用。將高品位的電能轉(zhuǎn)化為低品位的熱能進(jìn)行供暖，從熱力學(xué)角度考慮是不可取的，能源利用不經(jīng)濟(jì)，但是最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠充分利用棄風(fēng)電量、環(huán)保、無污染。電鍋爐主要有兩種形式：電阻式與電極式。目前在我國風(fēng)電清潔供暖示范項(xiàng)目中兩種鍋爐均有應(yīng)用。蓄熱裝備簡單，成本低，我國城市供暖中應(yīng)用最為廣泛。

表1　2012～2015年全疆及達(dá)坂城區(qū)風(fēng)電場棄電情況

1.4　達(dá)坂城風(fēng)電供暖系統(tǒng)

達(dá)阪城鹽湖街道風(fēng)電棄風(fēng)供熱項(xiàng)目位于烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)鹽湖街道區(qū)域內(nèi)，利用棄風(fēng)電量供熱，總投資約2 200萬元，項(xiàng)目分三期進(jìn)行，供熱系統(tǒng)如圖1所示，受電網(wǎng)調(diào)度、氣象條件等影響，棄風(fēng)較為隨機(jī)，波動性大，需同時考慮峰谷平各時段電價的差異。該風(fēng)電清潔供暖項(xiàng)目采用水蓄熱系統(tǒng)。根據(jù)供熱站規(guī)模，供熱站模式可采用利用棄風(fēng)電量和谷電蓄熱，平電直供。用電原則是棄電優(yōu)先、谷電優(yōu)先、平電不蓄熱。按照“谷+平”運(yùn)行方案測算鍋爐容量和蓄熱容量[2-3]。

圖1　達(dá)坂城風(fēng)電供暖系統(tǒng)

下面對熱源、熱網(wǎng)及熱負(fù)荷進(jìn)行說明：

1.4.1熱源

蓄熱式電鍋爐供熱站，4臺2 200 kW電阻式電鍋爐，總?cè)萘? 800 kW，3臺185 m2的蓄熱罐，占地面積1 122 m2。

1.4.2熱網(wǎng)

供熱區(qū)域?yàn)檫_(dá)坂城區(qū)鹽湖街道，既有建筑為單層換熱站及浴室。鹽湖街道的現(xiàn)有供熱管網(wǎng)在2014年進(jìn)行過改造，供熱性能完善，新建供熱站位于原有換熱站場址，位于熱源點(diǎn)起端，因此熱網(wǎng)無需大規(guī)模改造。

1.4.3供熱負(fù)荷

2015年冬季達(dá)坂城鹽湖基地風(fēng)電清潔能源供暖項(xiàng)目供熱站供暖面積為10萬m2，年利用風(fēng)電場的棄風(fēng)電量為1566.33萬kW·h。新疆地區(qū)電網(wǎng)谷段時長為10 h，0:00-8:00、15:00-17:00；平段時長為10 h，8:00-11:00、13:00-15:00、17:00-19:00、21:00-24:00，峰段時長4小時。按照“谷+平”運(yùn)行方案測算鍋爐容量和蓄熱容量。

(1)值班鍋爐熱負(fù)荷

Hg=Q·n1/n2

(1)

式中：Hg鍋爐容量，kW；Q設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；n1不平衡時段修正系數(shù)；n2電鍋爐的熱效率。

(2)蓄熱用鍋爐熱負(fù)荷

(2)

式中：Tf峰段時長，h；T蓄熱時長(當(dāng)?shù)毓榷螘r長)，h；η蓄熱損失率。

(3)鍋爐計(jì)算熱負(fù)荷

N=Ng+Nx

(3)

式中：N為鍋爐計(jì)算熱負(fù)荷，kW。

(4)蓄熱裝置的有效容積

(4)

式中：V蓄熱裝置的有效容積，m3；η1蓄熱水箱保溫率；η2蓄熱水箱容積率；Δt可利用溫差，℃;ρ熱水密度。

經(jīng)計(jì)算得到鍋爐容量和蓄熱容量，如表2所示。

表2　鍋爐容量和蓄熱容量計(jì)算結(jié)果

(5)換熱器面積

供暖鍋爐房換熱器一般選用板式換熱器，其換熱器換熱面積按照下式計(jì)算：

(5)

式中：F換熱器面積，m2；Q供暖熱負(fù)荷，W；Δtcp是對數(shù)平均溫差，℃；K板換傳熱系數(shù)，W/(℃m2)。

(6)

式中：Δtd最大溫差端溫差，℃；Δtc最小溫差端溫差，℃。

經(jīng)計(jì)算，達(dá)坂城鎮(zhèn)區(qū)供暖所需板式換熱器面積250 m2，其中供地板輻射采暖用10 m2，供散熱器采暖用240 m2。

蓄熱運(yùn)行方式將影響電鍋爐及蓄熱容量，并影響到總投資及運(yùn)行成本。蓄熱運(yùn)行方式既要有利于降低工程投資，也要有利于降低運(yùn)行成本，同時能夠發(fā)揮蓄熱對風(fēng)電負(fù)荷的調(diào)節(jié)作用。該供暖系統(tǒng)的核心技術(shù)是蓄熱，針對含蓄熱技術(shù)的供暖系統(tǒng)建模研究尤為重要。

1.5　含蓄熱技術(shù)的供暖系統(tǒng)建模

1.5.1儲能應(yīng)用于供熱系統(tǒng)

大容量儲能技術(shù)也是解決棄風(fēng)限電問題的主要措施之一。目前，抽水蓄能是最成熟的儲能技術(shù)，其他方式在容量規(guī)模、技術(shù)水平、設(shè)備制造以及成本價格方面都存在一定問題，有待進(jìn)一步加強(qiáng)改善。當(dāng)前，儲能應(yīng)用于我國的熱-電聯(lián)合系統(tǒng)中，工作原理如圖2所示，儲能技術(shù)應(yīng)用在電源側(cè)，可提高熱電廠的調(diào)節(jié)能力；應(yīng)用于負(fù)荷側(cè)，提高大量風(fēng)電供熱的調(diào)節(jié)空間，促進(jìn)風(fēng)電的當(dāng)?shù)叵{[4]。

圖2　儲能應(yīng)用于熱-電聯(lián)合系統(tǒng)

為了協(xié)調(diào)風(fēng)電與熱電廠之間的并網(wǎng)矛盾，提升調(diào)節(jié)空間，文獻(xiàn)[5～8]提出了利用熱泵及電鍋爐等電制熱技術(shù)。文獻(xiàn)[9]基于含大容量儲熱的電-熱聯(lián)合系統(tǒng)，對應(yīng)用前景進(jìn)行了綜述。文獻(xiàn)[10]建立了含儲熱的電力系統(tǒng)電熱綜合調(diào)度模型。

1.5.2含儲熱的風(fēng)電供熱系統(tǒng)

棄風(fēng)供熱可提高當(dāng)?shù)刎?fù)荷，增加風(fēng)電的當(dāng)?shù)叵{能力。風(fēng)電清潔供熱如果沒有儲熱，也屬于“以熱定電”，電負(fù)荷由熱負(fù)荷確定，因此調(diào)節(jié)空間不大，熱-電耦合程度下降，難以充分利用棄風(fēng)電量。如果加入儲熱系統(tǒng)，如圖3所示，電供熱負(fù)荷調(diào)節(jié)就會很靈活，可根據(jù)棄風(fēng)情況最大限度利用風(fēng)電。

圖3　儲熱的風(fēng)電供熱系統(tǒng)

1.5.3含儲熱的電-熱聯(lián)合系統(tǒng)模型

不同于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，含儲熱電-熱聯(lián)合系統(tǒng)數(shù)學(xué)物理模型仍有待進(jìn)一步研究。下面根據(jù)能量守恒定律，建立儲熱裝置模型及電供熱系統(tǒng)模型[11-12]。

1.5.3.1儲熱裝置模型

(1)儲熱容量

在儲熱系統(tǒng)中，儲熱容量Ss低于最大儲熱容量Smax。

0≤Ss≤Smax

(7)

(2)儲熱功率

在儲熱系統(tǒng)中，儲熱功率Hs與換熱器的功率有關(guān)，要低于換熱器的最大功率Hmax，也就是儲熱速度不要超過換熱器的換熱速度。

(8)

其中，進(jìn)、出儲熱系統(tǒng)的熱功率Hin,s、Hout,s；進(jìn)、出換熱器的最大熱功率Hin,max、Hout,max。

(3)熱負(fù)荷

根據(jù)能量守恒，如圖所示，儲熱系統(tǒng)的輸出熱量Hout,s與電直供熱的熱量Hd之和就是總的熱負(fù)荷。

Hload=Hout,s+Hd

(9)

(4)儲熱損失

根據(jù)熱力學(xué)，在儲熱實(shí)際工作中，有能量損失主要是散熱、漏熱等損失，熱損失與儲熱介質(zhì)以及周圍環(huán)境有關(guān)，這里假設(shè)儲熱介質(zhì)為水，熱損失與外界環(huán)境溫度成正比，kloss為熱損失系數(shù)，熱損失為klossSs。根據(jù)能量守恒，儲熱系統(tǒng)從時刻t到時刻t+1儲熱量，等于進(jìn)入儲熱系統(tǒng)的熱量減去出去的及損失的熱量，在一個周期T運(yùn)行后，儲熱量恢復(fù)原值。

(10)

1.5.3.2電供熱系統(tǒng)模型

(1)電熱能量守恒：

電供熱負(fù)荷Peh是部分通過電鍋爐儲熱Hin,s，是部分用于直供熱Hd。

Peh=Hin,s+Hd

(11)

(2)功率約束條件：

電熱系統(tǒng)的功率受電網(wǎng)功率及電鍋爐功率的限制。

(12)

電熱系統(tǒng)的功率Peh,s，電網(wǎng)功率最大值Peh,max，電鍋爐功率最大值Peb,max。

1.6　達(dá)坂城含蓄熱的風(fēng)電供熱效果分析

含蓄熱的風(fēng)電電供熱提高風(fēng)電消納能力，實(shí)際效果包括兩方面：(1)增加了當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)荷；(2)調(diào)高了系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。

沒有蓄熱時，電供熱負(fù)荷與供熱負(fù)荷相等，新的風(fēng)電出力曲線為原來的風(fēng)電出力與電供熱負(fù)荷曲線的疊加，如圖4所示。

圖4　無蓄熱風(fēng)電供熱時風(fēng)電出力曲線

有蓄熱時，電供熱負(fù)荷與供熱負(fù)荷相等，新的風(fēng)電出力曲線為原來的風(fēng)電出力與電供熱負(fù)荷曲線的疊加，如圖5所示。

圖5　含蓄熱風(fēng)電供熱時風(fēng)電出力曲線

由圖4、圖5看出，風(fēng)電供熱增加了用電負(fù)荷，加蓄熱后，用電負(fù)荷增加的更為明顯。另外，儲熱具有調(diào)節(jié)作用，當(dāng)用電負(fù)荷小、風(fēng)電出力大時就會出現(xiàn)棄風(fēng)限電，此時增大電供熱系統(tǒng)的用電功率，多余的熱量通過儲熱裝置儲存起來；當(dāng)電負(fù)荷大、風(fēng)電出力小時，此時減小電供熱系統(tǒng)的用電功率，將儲存在儲熱裝置的熱量釋放出來，完成供熱。因此，儲熱裝置在棄風(fēng)限電時蓄熱，無棄風(fēng)限電時將熱量放出，大大提高了風(fēng)電供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，同時緩解了棄風(fēng)限電。

2　棄風(fēng)供熱的經(jīng)濟(jì)效益分析

新疆烏魯木齊市達(dá)坂城鹽湖制鹽有限責(zé)任公司生產(chǎn)基地自備熱電廠始建于1998年，配置2臺循環(huán)流化床鍋爐，一臺為背壓機(jī)組，一臺為抽凝機(jī)組。自備熱電廠于2013年改造后，主要為該基地的生產(chǎn)、生活提供熱源。按照國家政策以及烏魯木齊市相關(guān)政策，小型燃煤鍋爐屬于被關(guān)停范圍，風(fēng)電供熱已成為該地區(qū)供熱的主要熱源。

鹽湖社區(qū)風(fēng)電清潔能源供暖項(xiàng)目供熱站供暖面積為10萬m2，年利用風(fēng)電場的棄風(fēng)電量為1 566萬kW·h，與傳統(tǒng)的燃煤供暖相比，每年可節(jié)約標(biāo)煤2 942 t，減少排放CO25 172 t，SO22.9 t，NOx22 t，煙塵2 t。用電成本為526.9萬元/年，供熱站每年售熱收入總額為220萬元。財(cái)務(wù)評價如下兩種方案：

方案一：當(dāng)供熱站靜態(tài)總投資為2265.9 萬元，項(xiàng)目的財(cái)務(wù)收益率為5%(全部投資所得稅前)時，供熱站每年利用風(fēng)電場棄風(fēng)電量的補(bǔ)貼收入為609.3 萬元(含稅)，補(bǔ)貼電價為0.389 元/kW·h(含稅)。

方案二：當(dāng)供熱站每年利用風(fēng)電場的棄風(fēng)電量為1 566.33 萬kW·h，補(bǔ)貼收入為490.3 萬元(即相當(dāng)于谷段電價0.313 元/kW·h 時的補(bǔ)貼收入)，項(xiàng)目的財(cái)務(wù)收益率為5%(全部投資所得稅前)時，供熱站靜態(tài)總投資為1157.9 萬元。

3　結(jié)論

本文從風(fēng)電應(yīng)用負(fù)荷側(cè)來增加負(fù)荷，提高風(fēng)電消納能力。對達(dá)坂城風(fēng)區(qū)的棄風(fēng)電量清潔供熱進(jìn)行了研究，結(jié)果表明新疆達(dá)坂城風(fēng)區(qū)進(jìn)行風(fēng)電供暖是可行的，尤其是增加儲熱系統(tǒng)的風(fēng)電供暖系統(tǒng)，具有減緩棄風(fēng)限電、增加并網(wǎng)消納、且能起到一定調(diào)峰能力的作用。風(fēng)光互補(bǔ)、儲能與應(yīng)用氫能的組合方案將是下一步的重點(diǎn)研究方向。對于解決棄風(fēng)問題，一是按照全額保障性收購的法律規(guī)定，加強(qiáng)監(jiān)管;二是進(jìn)一步加強(qiáng)風(fēng)電開發(fā)規(guī)劃與電網(wǎng)規(guī)劃的協(xié)調(diào);三是在風(fēng)電集中開發(fā)的“三北”地區(qū)通過優(yōu)化各類發(fā)電機(jī)組的協(xié)調(diào)運(yùn)行、發(fā)展儲能技術(shù)、發(fā)揮跨區(qū)電網(wǎng)錯峰調(diào)峰作用等方式、加快跨區(qū)輸電通道項(xiàng)目的規(guī)劃，以此提高電力系統(tǒng)的整體調(diào)節(jié)能力，滿足大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的需要。

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