中國電子工程設(shè)計院有限公司 ■ 蔣焱

0 引言

目前，我國風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量和發(fā)電量均居全球首位，風(fēng)電現(xiàn)已成為我國第三大電源，是清潔能源利用的支柱之一。但受電網(wǎng)送出能力已近飽和及風(fēng)電天生的不穩(wěn)定性等因素的影響，風(fēng)電場棄風(fēng)限電的情況屢有發(fā)生。2016年全國風(fēng)電利用小時數(shù)為1712 h，平均棄風(fēng)率高達(dá)17%；2017年棄風(fēng)限電情況得到好轉(zhuǎn)，全年棄風(fēng)電量為295.5億kWh，平均棄風(fēng)率比上年同比下降6.7%；2018年全國風(fēng)電棄風(fēng)電量為277億kWh，平均棄風(fēng)率為7%，同比下降5%。為了緩解棄風(fēng)現(xiàn)狀，國家有關(guān)部門采取了多項措施，除了加快特高壓送出線路建設(shè)、促進(jìn)電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度以保障風(fēng)電優(yōu)先上網(wǎng)以外，還啟動了北方地區(qū)風(fēng)電供熱試點項目，以促進(jìn)風(fēng)電消納，鼓勵在風(fēng)電上網(wǎng)和消納存在困難的地區(qū)的風(fēng)電企業(yè)探索新的送出和消納方式，發(fā)展風(fēng)電供熱等示范項目。

本文以某城區(qū)集中供暖清潔化改造為例，采用風(fēng)電供暖替代傳統(tǒng)燃煤供暖的方案，用電鍋爐替代燃煤鍋爐，這樣可以增加該地區(qū)的用電負(fù)荷，從而提高風(fēng)電本地消納的能力，減輕電網(wǎng)外送壓力；尤其是利用儲能將夜間電力負(fù)荷低谷時段的風(fēng)電電力用于城鎮(zhèn)供熱，為風(fēng)電儲能探討出一條新的道路，并提供一些數(shù)據(jù)。本文提出兩種風(fēng)電供暖改造配置方案，并進(jìn)行對比分析，然后選用其中一種方案對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行簡要的分析和估算。

1 風(fēng)電供暖項目的概況和方案

1.1 項目改造前燃煤供暖現(xiàn)狀

某城區(qū)(下文稱為“X城區(qū)”)主要是由A、B兩個熱源廠以燃煤集中供暖，以水為介質(zhì)，通過供暖管線對熱量進(jìn)行傳輸和傳遞。

A熱源廠現(xiàn)有65 t熱水鍋爐3臺，B熱源廠現(xiàn)有80 t熱水鍋爐2臺。鍋爐供水溫度均為110/65℃。目前X城區(qū)鋪設(shè)主管網(wǎng)33.5 km，建成換熱站31座，其中，A熱源廠所帶換熱站為12座，B熱源廠所帶換熱站為19座。

1.2 供暖要求

本燃煤鍋爐替代方案的供暖面積按239萬m2建筑面積進(jìn)行設(shè)計，建筑供暖熱負(fù)荷按照50 W/m2[1]計算，則建筑總供暖熱負(fù)荷約為119500 kW。該地區(qū)采暖期為每年的10月20日～次年的4月20日，合計181天。

1.3 清潔供暖改造方案簡述

本項目擬對X城區(qū)熱源廠進(jìn)行清潔供暖改造，以電鍋爐替代燃煤鍋爐進(jìn)行供熱。在原來熱源廠場址內(nèi)進(jìn)行鍋爐替換，熱源廠所帶換熱站和供暖管網(wǎng)不變。同時，采用周邊地區(qū)的風(fēng)電項目為熱源廠提供清潔電能。以下列舉了2種改造方案，并進(jìn)行了分析對比。

1.3.1 方案1

采用“電鍋爐+蓄熱裝置”模式。利用低谷用電優(yōu)惠政策，將低谷時段電能轉(zhuǎn)變成熱能，在兼顧采暖的同時，將多余熱能蓄存，以備在電網(wǎng)峰值時段改用蓄存熱量進(jìn)行采暖，實現(xiàn)采暖季對電網(wǎng)用電負(fù)荷的移峰填谷。

1.3.2 方案2

采用“直熱式電鍋爐+蓄熱水箱”模式。利用直熱式電鍋爐對蓄熱水箱中的水加熱，熱水進(jìn)入原有供暖管道和換熱站進(jìn)行供熱。電鍋爐24 h運行，運行時可根據(jù)溫度、熱量需求和電網(wǎng)用電負(fù)荷適當(dāng)調(diào)節(jié)功率輸出。

1.3.3 方案選擇

由于目前蓄熱裝置的成本較高，根據(jù)市場詢價結(jié)果，“電鍋爐+蓄熱裝置”模式中電鍋爐和蓄熱設(shè)備的投資要比“直熱式電鍋爐+蓄熱水箱”模式中電鍋爐和蓄熱水箱的投資高出1倍。經(jīng)過投資對比和運行期經(jīng)濟(jì)性分析，方案1的投資和折舊后的運營費用均高于方案2。故本項目在滿足項目功能和目標(biāo)要求的前提下，選用方案2。下文的改造方式和計算均以方案2為基礎(chǔ)。

2 風(fēng)電供暖系統(tǒng)方案的主要設(shè)備

該方案中，熱源廠的設(shè)備主要包括直熱式電鍋爐、蓄熱水箱、換熱系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)。1個熱源廠的供暖建筑面積為120萬m2，則X城區(qū)的總供暖建筑面積為240萬m2。

1)電鍋爐及電鍋爐房。本項目共配備10臺15 MW直熱式電鍋爐，A、B熱源廠各有5臺，其中每個熱源廠各留1臺備用，即共有8臺直熱式電鍋爐在運行。2個電鍋爐房的占地面積各為4620 m2，遠(yuǎn)小于燃煤鍋爐房占地面積，因此A、B熱源廠的原有土地可滿足要求。

2)蓄熱水箱。本項目共配置400 t蓄熱水箱10臺，A、B熱源廠各5臺。

3)換熱系統(tǒng)。利用換熱站原有設(shè)備，將電鍋爐系統(tǒng)與蓄熱系統(tǒng)接入換熱站一次性管網(wǎng)入口。

4)變配電系統(tǒng)。目前燃煤供暖熱源站的變配電系統(tǒng)容量較小，無法滿足電鍋爐用電需求，需要新建2座110 kV變電站，A、B熱源廠各1座，為電鍋爐熱源站供電。每座變電站的變電容量為80 MVA，采用2臺主變，其中1臺容量為50 MVA，另1臺容量為30 MVA。

3 投資費用及運行經(jīng)濟(jì)性測算

3.1 項目改造投資估算

該項目改造費用主要包含兩部分：一部分為熱源廠電鍋爐的設(shè)備費、安裝費、調(diào)試費、廠房建設(shè)費及其他費用[2]；另一部分為新建變電站的設(shè)備費、安裝費、調(diào)試費、建筑費及其他費用。

A熱源廠電鍋爐系統(tǒng)的一次性投資費用為3860萬元，其變電站的一次性投資費用為1240.48萬元。B熱源廠因和A熱源廠配置一樣，所以投資費用與A熱源廠相同。

3.2 運行期成本測算

采用電鍋爐供暖后，對于供暖企業(yè)來說，運行期成本主要包含生產(chǎn)用電、供暖用水、人工費、設(shè)備折舊費、修理費和管理費。

1)生產(chǎn)用電作為電供暖主要的能量來源，是電供暖企業(yè)最主要的生產(chǎn)成本，這部分成本替代了原來燃煤供暖的購煤、運煤和儲煤成本[3]。2)采用電供暖后的供暖用水與燃煤供暖所用水量幾乎未改變。3)由于電供暖運行維護(hù)方便，所需運維人員少，所產(chǎn)生的人工費和管理費相比燃煤供暖大幅減少；同理，修理費也大幅減少。4)電供暖的設(shè)備折舊費主要是電鍋爐的運行折舊成本。改造前后運行期成本對比如表1所示。

表1 改造前后運行成本構(gòu)成對比

按照8臺15 MW直熱式電鍋爐運行181天，每天運行24 h，平均滿負(fù)荷運行17.3 h計算，則改造后，風(fēng)電供暖電鍋爐的用電量為15000×8×17.3×181≈ 3.76 億 kWh。

表2 電鍋爐供暖期費用估算表

3.3 運行經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)當(dāng)?shù)毓┡召M政策和用戶統(tǒng)計，本項目中，1個供暖期內(nèi)供熱企業(yè)供暖費收入約為6879萬元，平均單位建筑面積熱價約為28.78元/m2；生產(chǎn)用電外的生產(chǎn)成本約為617萬元。假設(shè)改造后，供暖企業(yè)不提高供暖費，則1個供暖期內(nèi)，供暖企業(yè)生產(chǎn)用電=電鍋爐用電+輔助設(shè)施用電=37927.5萬kWh，平衡電價=(6879萬-617萬)/37927.5萬= 0.16元/kWh。即供熱企業(yè)的用電電價在0.16元/kWh以下，其才能保證收支平衡。

4 效益分析

4.1 環(huán)境效益分析

本項目采用風(fēng)電供暖，實質(zhì)性地替代了煤炭，較大幅度地減少了污染物排放，減少了大氣污染，具有明顯的節(jié)能減排效應(yīng)。本項目污染物減排效果具體如表3所示。

表3 本項目污染物減排效果

4.2 綜合效益分析

該地區(qū)現(xiàn)有棄風(fēng)電量達(dá)到16億kWh，經(jīng)改造后，1個供暖期內(nèi)生產(chǎn)用電量達(dá)3.8億kWh，約減少該地區(qū)24%的棄風(fēng)電量；同時也說明，該地區(qū)的棄風(fēng)電量完全可以支撐本項目的運行，實現(xiàn)供暖清潔化。

通過清潔供暖改造，參與供暖的風(fēng)電場每個供暖期可以利用棄風(fēng)多發(fā)3.8億kWh的電量，該部分電量通過簽定用電電價和原有的風(fēng)電補貼政策，相比棄風(fēng)時段的零收入，風(fēng)電場可獲得額外的發(fā)電收益。

通過清潔供暖特殊電價政策，供暖企業(yè)收益不下降，且有了穩(wěn)定、清潔的能量來源；居民供暖費用不增加，且不影響供暖效果；在風(fēng)電資源豐富、風(fēng)電場眾多的地區(qū)，采用電鍋爐集中供熱方式，具有得天獨厚的地域優(yōu)勢。因此，該項目改造方案具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。

5 結(jié)論與建議

本文對風(fēng)電供暖替代傳統(tǒng)燃煤供暖的案例進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，得出以下結(jié)論，并提出了一些建議：

1)若采用“直熱式電鍋爐+蓄熱水箱”模式，供熱企業(yè)用電電價在0.16元/kWh以下，供熱企業(yè)才能實現(xiàn)收支平衡。

2)采用風(fēng)電供暖后，1個供暖期內(nèi)生產(chǎn)用電達(dá)3.8億kWh，約減少了該地區(qū)24%的棄風(fēng)電量。

3)采用風(fēng)電供暖既可增加當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)荷，提高風(fēng)電本地消納能力，減輕電網(wǎng)外送壓力，從而提高該地區(qū)風(fēng)電占能源消耗的比例，實質(zhì)性地替代了煤炭，改善能源供給結(jié)構(gòu)，減少污染氣體排放；又可增加風(fēng)電場的發(fā)電收入，提高其運營經(jīng)濟(jì)性，具有良好經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。

4)利用風(fēng)電替代煤炭供熱，除了技術(shù)上可行外，在經(jīng)濟(jì)上也必須具備可替代性，關(guān)鍵是合理的電價定價方式，供熱企業(yè)可承受的電價應(yīng)不高于燃煤供熱的電價。因此，目前對于風(fēng)電供熱電價需要給予政策保證。

5)風(fēng)電供熱項目實施的前提是必須保證風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組的利用小時數(shù)。也就是說，風(fēng)電場在限電基礎(chǔ)上年多發(fā)電量必須大于或等于供熱站年消耗的電量，即最大限度利用棄風(fēng)電量。因此，需要出臺風(fēng)電供熱項目全額上網(wǎng)的保障機(jī)制。