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        大規(guī)模棄風(fēng)儲(chǔ)熱供暖協(xié)調(diào)計(jì)算方法

        2018-09-10 07:21:06葛維春
        發(fā)電技術(shù) 2018年4期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)率電鍋爐低谷

        葛維春

        (國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司,遼寧省 沈陽(yáng)市 110006)

        0 引言

        2015—2017年,東北棄風(fēng)多達(dá)200億kW?h,而這些棄風(fēng)多發(fā)生在冬季取暖季,如果將這些棄風(fēng)用于取暖,將增加大量清潔供暖面積,大幅降低棄風(fēng)率、降低電采暖成本,對(duì)民生、環(huán)境和能源轉(zhuǎn)型具有重大意義。

        棄風(fēng)儲(chǔ)熱供暖的核心問(wèn)題是:棄風(fēng)有多大,儲(chǔ)熱能力有多大,棄風(fēng)和儲(chǔ)熱如何協(xié)調(diào),3個(gè)問(wèn)題相輔相成,缺一不可。

        文獻(xiàn)[1]認(rèn)為儲(chǔ)熱罐作為一種蓄能手段能夠從一定程度上實(shí)現(xiàn)供熱機(jī)組熱電解耦?;跈C(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)熱力學(xué)分析,定義抽汽-負(fù)荷增益系數(shù),分析供熱抽汽流量與機(jī)組發(fā)電負(fù)荷間的定量關(guān)系,進(jìn)而獲得變供熱工況下的鍋爐負(fù)荷定值?;诠釞C(jī)組運(yùn)行特性及熱網(wǎng)加熱器換熱特性分析,對(duì)儲(chǔ)熱罐工作過(guò)程中的運(yùn)行流量進(jìn)行定值,對(duì)供熱機(jī)組調(diào)峰能力區(qū)間進(jìn)行定值約束,結(jié)果表明,所提增益系數(shù)能夠精確計(jì)算變供熱工況下機(jī)組運(yùn)行參數(shù),所提定值方法能準(zhǔn)確直觀(guān)地表現(xiàn)儲(chǔ)熱罐對(duì)供熱機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行的影響能力和儲(chǔ)熱罐運(yùn)行過(guò)程中的定值問(wèn)題,定值結(jié)果為機(jī)組和儲(chǔ)熱罐的安全靈活運(yùn)行提供指導(dǎo)。文獻(xiàn)[2]針對(duì)中國(guó)西北、華北、東北(簡(jiǎn)稱(chēng)“三北”)地區(qū)冬季供暖期棄風(fēng)現(xiàn)象日益嚴(yán)重的問(wèn)題,在研究電負(fù)荷特性、熱負(fù)荷特性與風(fēng)電場(chǎng)出力特性相關(guān)性基礎(chǔ)上,結(jié)合電網(wǎng)調(diào)峰、熱網(wǎng)調(diào)峰特點(diǎn),提出二級(jí)熱網(wǎng)配置電鍋爐進(jìn)行日調(diào)峰的消納棄風(fēng)方案。分析了方案的消納棄風(fēng)機(jī)理,研究了調(diào)峰電鍋爐的啟??刂撇呗裕瑯?gòu)建了基于二級(jí)熱網(wǎng)電鍋爐調(diào)峰的電熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型,并分析了方案的經(jīng)濟(jì)性。研究表明,該方案能在降低熱電機(jī)組熱負(fù)荷峰值、“以熱定電”所發(fā)電功率的同時(shí)增加電網(wǎng)負(fù)荷谷值,從而為風(fēng)電上網(wǎng)留出更大空間,提升風(fēng)電消納率,且能為整個(gè)電熱聯(lián)合系統(tǒng)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)收益,文中肯定了“三北”地區(qū)冬季供暖期棄風(fēng)現(xiàn)象日益嚴(yán)重,嚴(yán)重到什么程度尚需研究。文獻(xiàn)[3]針對(duì)風(fēng)電消納問(wèn)題,從解耦熱電耦合約束、提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力角度出發(fā),提出基于含儲(chǔ)熱熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與電鍋爐的棄風(fēng)消納協(xié)調(diào)調(diào)度模型,提出極限消納棄風(fēng)電量的電鍋爐供熱量計(jì)算方法,對(duì)比了儲(chǔ)熱裝置不同工作方式以及含儲(chǔ)熱熱電聯(lián)產(chǎn)與電鍋爐協(xié)調(diào)供熱時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。其結(jié)論對(duì)儲(chǔ)熱和電鍋爐應(yīng)用消納棄風(fēng)電量都具有指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[4]針對(duì)確保電網(wǎng)安全,保證跨區(qū)域電力交易的正常進(jìn)行,指出計(jì)算跨區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)可用輸電能力的方法。該方法僅需交換邊界節(jié)點(diǎn)電壓和購(gòu)電用戶(hù)有功負(fù)荷增長(zhǎng)量即可準(zhǔn)確地計(jì)算出跨區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)的可用輸電能力。首先,建立了適用于可用輸電能力計(jì)算的外網(wǎng)等值模型,使各個(gè)區(qū)域從互聯(lián)電網(wǎng)中解耦。同時(shí),建立了虛擬的平衡節(jié)點(diǎn)和自動(dòng)調(diào)節(jié)的邊界注入功率,使各個(gè)區(qū)域可以進(jìn)行獨(dú)立的潮流計(jì)算。文獻(xiàn)[5]提出一種風(fēng)電場(chǎng)與含儲(chǔ)熱的熱電聯(lián)產(chǎn)形成共同體聯(lián)合運(yùn)行的調(diào)度模式,并基于該調(diào)度模式提出了考慮風(fēng)電出力不確定性的聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。該模型充分利用儲(chǔ)熱帶來(lái)的靈活性實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)在上網(wǎng)收益和懲罰費(fèi)用之間的協(xié)調(diào),獲得收益最高的風(fēng)電場(chǎng)和熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行的調(diào)度策略。文獻(xiàn)[6]研究了通過(guò)電鍋爐等電能轉(zhuǎn)換為熱能存儲(chǔ)于儲(chǔ)熱系統(tǒng)可以起到減小負(fù)荷峰谷差,緩解夜間火電機(jī)組調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān),提高電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的作用。文獻(xiàn)[7]基于儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和需求分析,展望了2050年電網(wǎng)功能形態(tài)中,技術(shù)常規(guī)發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)獲得突破發(fā)展模式下儲(chǔ)能的作用模式和應(yīng)用場(chǎng)景。

        上述研究成果突出了儲(chǔ)能對(duì)消納清潔能源的作用,本文將棄風(fēng)電-儲(chǔ)熱-供暖統(tǒng)籌協(xié)調(diào),形成棄風(fēng)電儲(chǔ)熱供暖分析方法,對(duì)通過(guò)電網(wǎng)有效利用棄風(fēng)電儲(chǔ)熱供暖更具實(shí)際意義。在風(fēng)電水電協(xié)同運(yùn)行[8-11]中,考慮儲(chǔ)熱供暖將會(huì)獲得更大收益。

        1 棄風(fēng)電量評(píng)估

        電網(wǎng)棄風(fēng)與各種因素有關(guān),最直接的方法是棄風(fēng)電量歷史數(shù)據(jù)分析,可以根據(jù)近3年棄風(fēng)電量歷史數(shù)據(jù),評(píng)估有多少棄風(fēng)電量可以利用。

        假設(shè)一個(gè)電網(wǎng)提供了5年時(shí)間,一天96點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電和棄風(fēng)電力數(shù)據(jù),則可以計(jì)算出總的年風(fēng)力發(fā)電量 Pw、棄風(fēng)電量 Pq、棄風(fēng)率&q、年取暖季棄風(fēng)電量 Pwnq和棄風(fēng)率&qn、取暖季低谷棄風(fēng)電量 Pwndq和棄風(fēng)電占比&qnd。年風(fēng)力發(fā)電量 Pw如式(1)所示。

        式中:PwIJK表示第I天、第J小時(shí)、第K時(shí)刻風(fēng)力發(fā)電量。N代表一年 365天,M代表一天 24小時(shí),K代表一小時(shí)有k個(gè)點(diǎn);年棄風(fēng)電總加Pq如式(2)所示:

        式中:PwqIJK表示第I天、第J小時(shí)、第K時(shí)刻棄風(fēng)電量。年棄風(fēng)率&wq如式(3)所示:

        年取暖季風(fēng)力發(fā)電量Pwn如式(4)所示:

        式中:N代表一年取暖季天數(shù),遼寧是150天。年取暖季棄風(fēng)率&wq如式(5)所示:

        年取暖季低谷棄風(fēng)力發(fā)電量 Pwndq如式(6)所示:

        式中:N代表一年取暖季天數(shù),遼寧是150天,

        M代表一天1:00~7:00和21:00~24:00十個(gè)小時(shí)。年取暖季低谷棄風(fēng)占比&qnd如式(7)所示:

        通過(guò)式(1)—(7)即可計(jì)算出每年風(fēng)力發(fā)電量、棄風(fēng)電量和棄風(fēng)率、年取暖季棄風(fēng)電量和棄風(fēng)率以及取暖季低谷棄風(fēng)電量和棄風(fēng)電占比。由這些數(shù)據(jù)可知有多少棄風(fēng)電量可用,在什么時(shí)間用;年棄風(fēng)電量能表明有多少棄風(fēng)電量可用,取暖季棄風(fēng)電量能表明取暖季有多少棄風(fēng)電量可用,取暖季低谷棄風(fēng)電量表明取暖季低谷有多少棄風(fēng)電量可用;取暖季棄風(fēng)率和取暖季低谷棄風(fēng)電占比表明取暖季利用儲(chǔ)熱消納棄風(fēng)電情況。

        2 儲(chǔ)熱應(yīng)用技術(shù)

        儲(chǔ)熱裝置實(shí)現(xiàn)技術(shù)較多,但從應(yīng)用角度大體可分為兩類(lèi):熱電廠(chǎng)或大型供暖網(wǎng)處安裝大容量?jī)?chǔ)熱裝置,這類(lèi)儲(chǔ)熱裝置具有柔性負(fù)荷特性,因?yàn)?,它們都是與其他熱源并聯(lián)的,相當(dāng)于熱網(wǎng)的補(bǔ)充熱源,而且優(yōu)先使用,即當(dāng)有棄風(fēng)時(shí),儲(chǔ)熱裝置就滿(mǎn)出力運(yùn)行,無(wú)棄風(fēng)時(shí)可用儲(chǔ)存熱量或其他供暖方式供暖,保證棄風(fēng)儲(chǔ)熱供暖方式順利實(shí)施;另一類(lèi)是儲(chǔ)熱裝置獨(dú)立供暖,利用低谷時(shí)段儲(chǔ)熱,可供全天使用,這類(lèi)負(fù)荷表面上利用的是低谷電,實(shí)際上,多數(shù)電量還是棄風(fēng)電量,只要電網(wǎng)調(diào)度在每天安排日前計(jì)劃時(shí),充分考慮這部分負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力。

        2.1 集中儲(chǔ)熱運(yùn)行原理

        圖1 集中式儲(chǔ)熱系統(tǒng)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of centralized heat storage system

        安裝在發(fā)電廠(chǎng)處的集中式儲(chǔ)熱裝置原理如圖1所示,儲(chǔ)熱裝置通過(guò)220 kV/66 kV變壓器給儲(chǔ)熱裝置供電,儲(chǔ)熱裝置通常包括 4個(gè)單元,4個(gè)單元與電網(wǎng)相聯(lián)開(kāi)關(guān)由遠(yuǎn)方電網(wǎng)調(diào)度控制;儲(chǔ)熱系統(tǒng)與熱電廠(chǎng)相聯(lián)開(kāi)關(guān)由熱網(wǎng)調(diào)度控制。對(duì)電網(wǎng)而言,每投入一組開(kāi)關(guān),就相當(dāng)于減少發(fā)電廠(chǎng)上網(wǎng)電力PG,如式(8)所示:

        其中儲(chǔ)熱裝置負(fù)荷PC可由式(9)表示:

        如果儲(chǔ)熱裝置安裝在大型熱網(wǎng)處,分布式儲(chǔ)熱接線(xiàn)原理圖如圖2。

        圖2 分布式儲(chǔ)熱接線(xiàn)原理圖Fig. 2 Principle diagram of distributed heat storage wiring

        運(yùn)行原理同安裝在熱網(wǎng)處相近,只是儲(chǔ)熱改變的是負(fù)荷,如式(10)所示:

        相當(dāng)于增加了負(fù)荷,給消納棄風(fēng)電提供空間。

        2.2 分布式儲(chǔ)熱運(yùn)行原理

        分布式安裝的儲(chǔ)熱裝置由于單獨(dú)供暖,其原理較簡(jiǎn)單,電網(wǎng)給儲(chǔ)熱安排的優(yōu)惠電價(jià)開(kāi)始時(shí)段就投入,退出有兩個(gè)條件:一是儲(chǔ)熱溫度達(dá)到上限,二是儲(chǔ)熱用電優(yōu)惠時(shí)段結(jié)束。這類(lèi)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)段固定在電價(jià)優(yōu)惠時(shí)段,大小就是儲(chǔ)熱額定功率,其原理如圖3所示。圖中曲線(xiàn)表示的是儲(chǔ)熱在電網(wǎng)低谷時(shí)段開(kāi)始時(shí)刻啟動(dòng),在儲(chǔ)熱裝置溫度達(dá)到運(yùn)行上限時(shí)退出,并且在低谷結(jié)束前再次啟動(dòng)補(bǔ)充儲(chǔ)熱量。

        棄風(fēng)儲(chǔ)熱供暖核心問(wèn)題是式(9)所描述的儲(chǔ)熱能力,如果儲(chǔ)熱容量足夠大,就能夠消納全部或大部分棄風(fēng)電量,大幅降低棄風(fēng)率;否則,仍有大量棄風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生。

        圖3 分布式儲(chǔ)熱運(yùn)行原理圖Fig. 3 Principle diagram of distributed heat storage operation

        3 棄風(fēng)儲(chǔ)熱供暖計(jì)算

        棄風(fēng)儲(chǔ)熱供暖核心是確定棄風(fēng)電量與儲(chǔ)熱之間的關(guān)系、儲(chǔ)熱與供暖之間的關(guān)系。

        3.1 棄風(fēng)電量與儲(chǔ)熱容量之間的關(guān)系

        儲(chǔ)熱容量與儲(chǔ)熱功率之間一般是A倍關(guān)系,即儲(chǔ)熱裝置一天儲(chǔ)熱A小時(shí),即可夠一天使用,則棄風(fēng)電量與儲(chǔ)熱容量關(guān)系如式(11)所示:

        式中:Pcr表示儲(chǔ)熱總的功率;M 是一個(gè)取暖季天數(shù)。

        根據(jù)式(11)即可計(jì)算棄風(fēng)電量Pq折算成的儲(chǔ)熱電功率Pcr。

        3.2 棄風(fēng)電量與供暖面積之間的關(guān)系

        已知棄風(fēng)電量Pq,其與供暖面積G的關(guān)系可以由式(12)確定:

        式中:α1為單位電量標(biāo)準(zhǔn)煤耗;α1表示單位面積標(biāo)準(zhǔn)煤耗量。

        4 數(shù)值分析

        以北方某省2013—2017年數(shù)據(jù)為例,計(jì)算出2013—2017年年風(fēng)力發(fā)電量、棄風(fēng)電量、棄風(fēng)率、取暖季棄風(fēng)電量、棄風(fēng)率、取暖季低谷棄風(fēng)電量和低谷棄風(fēng)占比等數(shù)據(jù),如表1所示。由表1可以看出,風(fēng)力發(fā)電量逐年增加,4年增加近50%,而棄風(fēng)率在2015年達(dá)到頂峰后,逐年下降,2017年降到10以下;取暖季棄風(fēng)占比較大,從2014年開(kāi)始幾乎占到總棄風(fēng)的90%,而取暖季低谷棄風(fēng)占比卻不到70%,有幾乎40%的棄風(fēng)電量不在低谷時(shí)段,因此,棄風(fēng)儲(chǔ)熱關(guān)鍵是儲(chǔ)熱跟蹤棄風(fēng),而不是固定時(shí)段的低谷。

        表1 某省2013—2017年風(fēng)力發(fā)電、棄風(fēng)率、取暖季棄風(fēng)和低谷棄風(fēng)等數(shù)據(jù)表Tab. 1 Data sheet of wind power generation,abandoned wind rate, heating season abandoned wind and low valley abandoned wind in a province from 2013 to 2017

        該省分布式儲(chǔ)熱容量 700 MW,電網(wǎng)調(diào)度直控儲(chǔ)熱970 MW,合計(jì)1670 MW,按照平均每天運(yùn)行5小時(shí)、一個(gè)取暖季150天計(jì)算,消納低谷或棄風(fēng)電量12.525億kW?h,與2017年全年棄風(fēng)電量12.09億kW?h接近。

        12.09 億kW?h棄風(fēng)電可以為多少平米面積供暖,需要已知1α和2α,假設(shè)1α=0.34 kg?(kW?h)-1,2α=22 kg?m-2,則12.09億kW?h棄風(fēng)電量供暖面積為:12.09 億 kW?h×0.34kg?(kW?h)-1/22 kg?m-2≈1868萬(wàn)m2。也就是說(shuō),12.09億kW?h棄風(fēng)電量可以為1868萬(wàn)m2面積供暖。

        在該省清潔供暖規(guī)劃中,到2020年,電采暖面積達(dá)到680萬(wàn) m2,而一年的棄風(fēng)電量就遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)劃目標(biāo)。

        表2給出由調(diào)度直接控制跟隨棄風(fēng)電量的儲(chǔ)熱匯總表,可以看出,2018年一季度儲(chǔ)熱電量就遠(yuǎn)大于2017年全年儲(chǔ)熱電量,而且低谷儲(chǔ)熱占比接近70%,其他時(shí)段也有大量投入。

        圖4給出儲(chǔ)熱投入小時(shí)電量分布圖,可以看出,低谷時(shí)段投入較大,中午低谷投入量也有一定比例,這是因?yàn)楣夥B加所致。

        表2 某省2017年全年和2018年一季度儲(chǔ)熱數(shù)據(jù)Tab. 2 Heat storage data for 2017 and the first quarter of 2018 in a province

        圖4 儲(chǔ)熱投入小時(shí)電量分布圖Fig. 4 Hourly power distribution diagram of heat storage input

        5 結(jié)論

        重點(diǎn)研究了北方冬季棄風(fēng)電儲(chǔ)熱供暖計(jì)算方法,基于風(fēng)力發(fā)電量、取暖季棄風(fēng)電量和取暖季低谷棄風(fēng)電量實(shí)際數(shù)據(jù),分析出取暖季棄風(fēng)電量占較大比例、取暖季低谷棄風(fēng)電量占比也較大,為棄風(fēng)電儲(chǔ)熱供暖提供依據(jù);同時(shí)建立了棄風(fēng)電量、儲(chǔ)熱容量和供暖面積計(jì)算方法,為研究棄風(fēng)電儲(chǔ)熱供暖提供計(jì)算依據(jù);通過(guò)實(shí)際案例驗(yàn)證了本文所提方法的正確性。

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