閆廣新

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司 烏魯木齊 830001

1 研究背景

風(fēng)力發(fā)電是一種相對(duì)成熟的新能源電力,具有可再生、無(wú)污染、便于開(kāi)發(fā)等特點(diǎn),世界各國(guó)都十分重視風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電能源儲(chǔ)量可觀,部分地區(qū)建設(shè)條件十分便利。近年來(lái),我國(guó)風(fēng)力發(fā)電開(kāi)發(fā)規(guī)模以幾何級(jí)速度增大,但是,隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷增大,新能源裝機(jī)占比不斷提高,風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)資源影響輸出不穩(wěn)定、負(fù)荷變化快、變化幅度大等問(wèn)題,對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成了一定影響。尤其在以燃煤火力發(fā)電為主的北方,電網(wǎng)內(nèi)具有調(diào)峰能力的電源點(diǎn)嚴(yán)重缺乏,難以平衡風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊。

在我國(guó)北方冬季來(lái)臨時(shí),熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組必須保持穩(wěn)定運(yùn)行,發(fā)電負(fù)荷大面積疊加,使電網(wǎng)調(diào)峰更為困難,風(fēng)力發(fā)電消納受到嚴(yán)重制約,造成部分地區(qū)風(fēng)力發(fā)電開(kāi)發(fā)與電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行之間的矛盾日趨尖銳,棄風(fēng)限電情況大量存在,這也阻礙了風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展,造成了社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的損失。

為了解決風(fēng)力發(fā)電棄風(fēng)限電問(wèn)題,各科研單位及電網(wǎng)公司都進(jìn)行了深入探索與研究。相對(duì)而言,在北方風(fēng)力發(fā)電集中地區(qū)實(shí)施風(fēng)力發(fā)電參與供暖比較方便。一方面,利用風(fēng)力發(fā)電供暖,可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行,避免新能源電力浪費(fèi),減少冬季因人為停機(jī)造成低溫重新啟動(dòng)困難的情況。另一方面,棄風(fēng)供暖可以減少熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組及熱力站燃煤鍋爐的使用,減少煤炭燃燒,同時(shí)減少污染物排放,對(duì)于提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)效率、減輕環(huán)境壓力具有重要意義[1]。

新疆電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量大,棄風(fēng)限電嚴(yán)重,冬季供暖期長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月,供暖期能源需求較大。在這一背景下,風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖應(yīng)運(yùn)而生,可以為高效利用風(fēng)力發(fā)電清潔能源,積極探索可再生能源,特別是風(fēng)力發(fā)電消納提供了新思路、新途徑。

筆者從風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖優(yōu)勢(shì)、關(guān)鍵技術(shù)路線、相關(guān)政策支持、風(fēng)力發(fā)電供暖示范工程等方面,對(duì)新疆實(shí)施風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖項(xiàng)目的可行性進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖優(yōu)勢(shì)

2.1 減少化石能源消耗,創(chuàng)造減排效益

我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量正快速增加,冬季夜間時(shí)段風(fēng)力發(fā)電量大,但用電負(fù)荷較低。與此同時(shí),供暖期能源需求較大,特別是新疆北部,全年供暖期長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月?，F(xiàn)階段,我國(guó)北方供暖大量依靠燃煤供熱,風(fēng)力發(fā)電與燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組之間的運(yùn)行矛盾突出。大量依靠燃煤供熱,造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染,致使氣候環(huán)境質(zhì)量不斷惡化[2]。

推廣風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖技術(shù),替代燃煤鍋爐供熱,不僅可以有效利用風(fēng)能資源,減少煤炭等化石能源消耗,而且對(duì)解決城鎮(zhèn)供熱等民生問(wèn)題和改善大氣環(huán)境質(zhì)量具有重要作用,可以為社會(huì)創(chuàng)造可貴的環(huán)境效益。

2.2 便于電力生產(chǎn)和電網(wǎng)調(diào)峰

從整個(gè)發(fā)電、輸電及產(chǎn)熱供暖的過(guò)程來(lái)看,由于風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖弱化了風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)間歇性,供暖系統(tǒng)可以通過(guò)儲(chǔ)熱形式實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能用能,因此降低了風(fēng)力發(fā)電對(duì)于電網(wǎng)的適應(yīng)性要求,可以將風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖看作是電力生產(chǎn)及儲(chǔ)能利用的過(guò)程。

風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖還可以為電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)峰做出貢獻(xiàn)。熱力負(fù)荷可以依據(jù)電網(wǎng)要求安排用電運(yùn)行,而且可以借助儲(chǔ)熱設(shè)施平滑輸出,從而為降低電網(wǎng)峰谷差及調(diào)峰填谷做出容量貢獻(xiàn)。

與積極意義相對(duì),風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖也有不利方面,表現(xiàn)在相較熱電聯(lián)產(chǎn)等方式,獲取熱能過(guò)程被人為拉長(zhǎng),能源消耗增大。從這個(gè)意義上看,風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖的用能方式應(yīng)該局限于一定時(shí)期或?qū)ｉT場(chǎng)合,例如適用于電網(wǎng)末端分布能源利用方式等。

3 風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖技術(shù)路線分析

3.1 總體架構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖指主要利用風(fēng)力所發(fā)電量進(jìn)行供暖。風(fēng)力所發(fā)電力接入電網(wǎng),供熱站的電鍋爐接入電網(wǎng),利用低谷電量為儲(chǔ)熱設(shè)備蓄熱,滿足冬季全天的供暖需求,實(shí)現(xiàn)風(fēng)能經(jīng)電能轉(zhuǎn)換為熱能。風(fēng)力發(fā)電供暖總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電供暖總體架構(gòu)

3.2 建設(shè)型式

目前,風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖項(xiàng)目電供熱站分為無(wú)蓄熱裝置與有蓄熱裝置兩種型式。

無(wú)蓄熱裝置型式電供熱站適用于有大容量熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組集中供熱熱力管網(wǎng)的區(qū)域。作為熱源的補(bǔ)充,供熱管網(wǎng)可以在電鍋爐停運(yùn)期間提供熱能。

有蓄熱裝置型式電供熱站適用于無(wú)大容量熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的集中供熱區(qū)域,需要建設(shè)蓄熱裝置,在電鍋爐停運(yùn)期間提供熱能。有蓄熱裝置型式電供熱站也適用于尚無(wú)集中供熱熱力管網(wǎng)的新建住宅及公建區(qū)域,同樣需要建設(shè)蓄熱裝置,在電鍋爐停運(yùn)期間提供熱能。

3.3 蓄熱技術(shù)

目前,常用的蓄熱技術(shù)主要有三種:水蓄熱、固體蓄熱和相變蓄熱[3-4]。

水蓄熱具有設(shè)備價(jià)格相對(duì)便宜的優(yōu)點(diǎn),但存在體積過(guò)大造成占地面積過(guò)大的缺點(diǎn),同時(shí),由于散熱面積過(guò)大,造成保溫效果不佳,水蓄熱系統(tǒng)整體效率約為90%。電鍋爐利用低谷電量對(duì)水進(jìn)行加熱,加熱后一部分水進(jìn)入供熱管網(wǎng),另一部分水進(jìn)入蓄熱罐。當(dāng)電鍋爐不工作時(shí),熱水由蓄熱罐進(jìn)入供熱管網(wǎng)。

目前常用的水蓄熱電鍋爐類型主要有常規(guī)電阻式電鍋爐和電極式電鍋爐兩種。

固體蓄熱體積相對(duì)小,一般為水蓄熱方式的10%～15%,可減小占地面積。由于體積小,造成散熱面積減小,固體蓄熱系統(tǒng)整體效率約為95%。同時(shí),固體蓄熱造價(jià)相對(duì)較高,較水蓄熱提高約20%。

目前,主流的固體蓄熱電鍋爐為一體化設(shè)計(jì),功率較大。固體蓄熱材料通常為金屬氧化物,最高加熱溫度可達(dá)900 ℃,通常額定加熱溫度為500 ℃,高溫蓄熱體通過(guò)熱輸出控制器與高溫?zé)峤粨Q器連接,高溫?zé)峤粨Q器將高溫蓄熱體存儲(chǔ)的熱能轉(zhuǎn)換為熱水輸出,熱水進(jìn)入供熱管網(wǎng)。

相變蓄熱材料包括無(wú)機(jī)相變蓄熱材料和有機(jī)相變蓄熱材料。無(wú)機(jī)相變蓄熱材料主要包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽、金屬和合金,有機(jī)相變蓄熱材料主要包括石蠟、脂肪酸,以及某些高級(jí)脂肪烴、醇、羧酸和鹽等。

相變蓄熱體積小,整體效率高,造價(jià)在所有蓄能技術(shù)中最為昂貴,設(shè)備功率較小,目前只有采用380 V供電的設(shè)備,少有應(yīng)用案例,不適合大規(guī)模應(yīng)用。

3.4 運(yùn)行方式

風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖主要有四種運(yùn)行方式。

(1) 全天不間斷運(yùn)行,即電鍋爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間24 h不間斷。由于運(yùn)行時(shí)間與供暖時(shí)間一致,電鍋爐額定功率與熱負(fù)荷一致,因此這種運(yùn)行方式相當(dāng)于全天在電力負(fù)荷上疊加了無(wú)波動(dòng)的電力負(fù)荷。

(2) 全天固定儲(chǔ)熱12 h。電鍋爐運(yùn)行時(shí)間為12 h,為當(dāng)日14:00～16:00和當(dāng)日23:00～次日9:00,原因是配合峰谷電價(jià),同時(shí)兼顧夜間風(fēng)力發(fā)電棄風(fēng)現(xiàn)象較為嚴(yán)重的時(shí)段。由于運(yùn)行時(shí)間是供暖時(shí)間的1/2,因此電鍋爐額定功率是熱負(fù)荷的兩倍。

(3) 跟蹤棄風(fēng)時(shí)段靈活運(yùn)行,作為正常熱源。電網(wǎng)調(diào)度在滿足熱負(fù)荷需求的前提下,根據(jù)棄風(fēng)情況安排電鍋爐的運(yùn)行方式,電鍋爐額定功率為熱負(fù)荷的兩倍。這種運(yùn)行方式相當(dāng)于棄風(fēng)時(shí)段在電力負(fù)荷上疊加了可調(diào)的電力負(fù)荷。

(4) 跟蹤棄風(fēng)時(shí)段靈活運(yùn)行,僅作為補(bǔ)充熱源。電網(wǎng)調(diào)度根據(jù)棄風(fēng)情況安排電鍋爐的運(yùn)行方式,這種運(yùn)行方式相當(dāng)于棄風(fēng)時(shí)段在電力負(fù)荷上疊加了可調(diào)的電力負(fù)荷,由于不需要全額滿足熱負(fù)荷需求,因此這一運(yùn)行方式可以全部利用棄風(fēng)電量。

4 新疆風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖可行性分析

(1) 新疆風(fēng)能資源豐富,可開(kāi)發(fā)量大。根據(jù)《中國(guó)風(fēng)能資源評(píng)價(jià)報(bào)告》,新疆風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為8.9億kW,占全國(guó)的20.4%,位居全國(guó)第二位。新疆可開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能資源集中在九大風(fēng)區(qū),即烏魯木齊達(dá)坂城風(fēng)區(qū)、塔城老風(fēng)口風(fēng)區(qū)、額爾齊斯河河谷風(fēng)區(qū)、十三間房風(fēng)區(qū)、吐魯番小草湖風(fēng)區(qū)、阿拉山口風(fēng)區(qū)、三塘湖—淖毛湖風(fēng)區(qū)、哈密東南部風(fēng)區(qū)、羅布泊風(fēng)區(qū)。九大風(fēng)區(qū)面積為7.78×104km2,年平均風(fēng)功率密度均在150 W/m2以上,年有效風(fēng)速時(shí)間為5 600～7 300 h,技術(shù)可開(kāi)發(fā)量為120 GW,風(fēng)能品質(zhì)好,風(fēng)頻分布比較合理,破壞性風(fēng)很少,具備建設(shè)大型風(fēng)電場(chǎng)極好的風(fēng)能資源條件[5-7]。

(2) 新疆電網(wǎng)存在棄風(fēng)限電問(wèn)題。截至2017年12月底,新疆電網(wǎng)建成風(fēng)電場(chǎng)共180座,容量為18.353 GW,占電網(wǎng)電源總裝機(jī)容量的22.3%。2017年,新疆電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電輸出功率最大為8.652 GW,全年風(fēng)力發(fā)電量為3.127×1010kWh,棄風(fēng)電量為1.325×1010kWh,棄風(fēng)比為29.8%,電網(wǎng)棄電較為嚴(yán)重,制約了風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用。

(3) 新疆供暖期長(zhǎng),供暖能源需求大。新疆屬于溫帶大陸性氣候,四季變化非常明顯,夏季高溫多雨,冬季干燥寒冷,早晚溫差大。新疆每年供暖期長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月,從10月上旬開(kāi)始至次年4月上旬,居民室內(nèi)采暖溫度不低于18 ℃?，F(xiàn)階段新疆供暖方式大量依靠熱電聯(lián)產(chǎn)燃煤供熱和天然氣供熱。

在新疆風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量大、棄風(fēng)限電嚴(yán)重、供暖期能源需求較大等多重因素影響下,風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖應(yīng)運(yùn)而生。

5 阿勒泰風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖案例

5.1 技術(shù)路線

布爾津粵水電一期、二期風(fēng)電場(chǎng)位于規(guī)劃的布爾津城西風(fēng)電場(chǎng)地區(qū),裝機(jī)容量為99 MW,選用單機(jī)容量為1.5 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,共計(jì)66臺(tái)。這一風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖項(xiàng)目熱力站確定的供熱規(guī)模為3×5 MW固體式電蓄熱電鍋爐和2×5 MW電阻式電鍋爐,供暖面積為2×105m2,利用電網(wǎng)低谷時(shí)段為蓄熱電鍋爐蓄能,實(shí)現(xiàn)24 h向熱網(wǎng)供暖的目的。

5.2 經(jīng)濟(jì)可行性

這一風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖項(xiàng)目熱力站年利用棄風(fēng)電量為3.521 87×107kWh,按供暖期實(shí)際用電1∶1.3的比例給予風(fēng)電場(chǎng)增發(fā)電量配額考慮,風(fēng)電場(chǎng)預(yù)計(jì)可增發(fā)電量為4.578 43×107kWh。按《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于完善風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》中Ⅲ類資源區(qū)風(fēng)力發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)0.58元/kWh測(cè)算,風(fēng)電場(chǎng)年棄風(fēng)電量增發(fā)收入為2 655.49萬(wàn)元。風(fēng)電項(xiàng)目捆綁供熱站向供暖示范項(xiàng)目用電補(bǔ)貼為0.3元/kWh,經(jīng)測(cè)算,風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目捆綁供熱站項(xiàng)目全部投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為5.52%,投資回收期為12.75 a,財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)可行。

通過(guò)引入專業(yè)供熱管理團(tuán)隊(duì)投資的合作模式,大大降低了風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的投資成本及投資風(fēng)險(xiǎn)[8]。據(jù)了解,目前多數(shù)風(fēng)力發(fā)電企業(yè)都在洽談?lì)愃坪献髂Ｊ?通過(guò)合作提高項(xiàng)目的整體收益率,降低投資風(fēng)險(xiǎn),使項(xiàng)目更具投資價(jià)值。

6 政策支持

2013年3月,《國(guó)家能源局綜合司關(guān)于做好風(fēng)電清潔供暖工作的通知》提出將在北方具備條件的地區(qū)推廣應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖技術(shù),以提高北方風(fēng)能資源豐富地區(qū)消納風(fēng)力發(fā)電的能力。

2016年5月,國(guó)家八部委又聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)電能替代的指導(dǎo)意見(jiàn)》,從推進(jìn)電能替代的重要意義、總體要求、重點(diǎn)任務(wù)和保障措施四個(gè)方面提出了指導(dǎo)性意見(jiàn),為全面推進(jìn)電能替代提供了政策依據(jù)。

為認(rèn)真貫徹國(guó)家電能替代相關(guān)文件的精神,2017年,新疆維吾爾自治區(qū)人民政府辦公廳印發(fā)了《加快推進(jìn)電氣化新疆工作方案》,加快推進(jìn)電氣化新疆工作,并提出從2017年開(kāi)始新建建筑全部采用電供暖,并將原天然氣集中供熱區(qū)域改造為氣電互補(bǔ)方式供暖。為更好地解決居民用電、供暖問(wèn)題,切實(shí)保障和改善民生,妥善化解潛在的社會(huì)矛盾,新疆采取了一系列措施。

(1) 全面推進(jìn)城鄉(xiāng)居民生活用電同網(wǎng)同價(jià)工作,統(tǒng)一將城鄉(xiāng)居民生活用電價(jià)格降低至0.39元/kWh。

(2) 出臺(tái)電采暖支持政策。印發(fā)了《新疆電供暖價(jià)格機(jī)制指導(dǎo)意見(jiàn)》,依托新疆電力交易系統(tǒng),推動(dòng)可再生能源電力市場(chǎng)化交易,通過(guò)市場(chǎng)化方式降低用戶電采暖電價(jià)。電供暖項(xiàng)目直接交易輸配電價(jià)分為分散式電供暖和集中式電供暖兩種。分散式電供暖直接交易輸配電價(jià)平段為0.224元/kWh,谷段為0.112元/kWh。集中式電供暖直接交易輸配電價(jià)平段為0.18元/kWh,谷段為0.09元/kWh。新能源上限交易指導(dǎo)價(jià)為0.04元/kWh。電供暖項(xiàng)目直接交易輸配電價(jià)執(zhí)行峰谷分時(shí)電價(jià)政策,將用電低谷時(shí)段由原來(lái)的10 h延長(zhǎng)至12 h,即23:00～次日9:00和14:00～16:00,其余時(shí)間為平段。

(3) 積極推進(jìn)電氣化新疆戰(zhàn)略。印發(fā)了《自治區(qū)2017年電氣化新疆工作要點(diǎn)》,將推廣居民電采暖作為重點(diǎn)工作,在全疆范圍內(nèi)大規(guī)模推進(jìn)。

7 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖本質(zhì)上是電力供暖,為高效利用清潔能源,積極探索可再生能源,以及風(fēng)力發(fā)電消納提供了新思路、新方法,是治理霧霾、解決棄風(fēng)限電的重要途徑[9-10]。當(dāng)前的風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖項(xiàng)目都由政府主導(dǎo),包括風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)、供暖電價(jià)、結(jié)算方式等,都需要政府進(jìn)行協(xié)調(diào)溝通。而從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,建立有效的電力市場(chǎng),是解決風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖問(wèn)題的最終出路。在健全的電力市場(chǎng)環(huán)境下,風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖的盈利測(cè)算相對(duì)簡(jiǎn)單,開(kāi)發(fā)企業(yè)與用電的電蓄熱鍋爐供熱站自由簽訂購(gòu)售電協(xié)議,根據(jù)市場(chǎng)需求自主定價(jià),電網(wǎng)企業(yè)收取合理的輸電費(fèi)用,相關(guān)電量按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)享受可再生能源價(jià)格補(bǔ)貼,開(kāi)發(fā)企業(yè)可以自主測(cè)算項(xiàng)目投資收益。

風(fēng)力發(fā)電清潔能源供暖項(xiàng)目如何運(yùn)營(yíng)尚需要進(jìn)一步討論。投資企業(yè)需要加強(qiáng)對(duì)政府政策的解讀和研究,加強(qiáng)與上下游產(chǎn)業(yè)的溝通,積極解決各方面問(wèn)題,同時(shí)承擔(dān)起企業(yè)應(yīng)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任。