陳永強(qiáng)

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)第十市政設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

風(fēng)電就地消納的蓄熱式電鍋爐優(yōu)化調(diào)度是對(duì)10 kV蓄熱式電鍋爐項(xiàng)目運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)及控制策略研究課題項(xiàng)目的延續(xù)性分析，主要研究目的是使用電能代償?shù)霓k法克服我國西部區(qū)域內(nèi)大量的棄風(fēng)電能源浪費(fèi)現(xiàn)象。此項(xiàng)技術(shù)主要使用能夠蓄熱儲(chǔ)能的電暖設(shè)備、空調(diào)設(shè)備搭配鍋爐裝置來替代北方冬季常用的燒煤取暖形式，總的來說就是使用清潔電能取代原有的化石燃料熱能轉(zhuǎn)化，除了響應(yīng)國家可持續(xù)發(fā)展理念，節(jié)約不可再生資源外，還能較為顯著地解決我國北方區(qū)域范圍內(nèi)的冬季霧霾污染天氣問題。

1 項(xiàng)目概況

烏魯木齊高鐵片區(qū)新能源棄風(fēng)供熱示范項(xiàng)目(一期)建成于2015年7月，項(xiàng)目體系中含有8 MW的蓄熱式電極式鍋爐6臺(tái)，能夠?yàn)檎w供熱項(xiàng)目提供高達(dá)50 MW的裝機(jī)容量，并于2016年10月正式開始投入運(yùn)營。新疆烏魯木齊地處準(zhǔn)噶爾盆底，地形聚風(fēng)且地表建筑植物稀疏，可以很好地降低地面摩擦力對(duì)風(fēng)能收集利用的損耗。

烏魯木齊高鐵片區(qū)新能源棄風(fēng)供熱示范項(xiàng)目(一期、二期)的建設(shè)目標(biāo)是要在風(fēng)能能源豐富的新疆盆地處建設(shè)中國最大的蓄熱電鍋爐項(xiàng)目，用于支持西電東送資源配置項(xiàng)目工作的開展，將源源不斷的生產(chǎn)、生活電能以最高的效率形式送往我國東南部經(jīng)濟(jì)中心地帶以及東北部的老工業(yè)區(qū)，同時(shí)電能與熱能的結(jié)合與轉(zhuǎn)換還將有效應(yīng)對(duì)我國北部冬季的寒冷天氣，輔助煤炭鍋爐供暖，給予北方人民一個(gè)溫暖的冬天，減少化石燃料低效燃燒所造成的環(huán)境污染以及溫室氣體的排放。

2 蓄熱式電鍋爐供暖消納棄風(fēng)原理

烏魯木齊高鐵片區(qū)新能源棄風(fēng)供熱項(xiàng)目關(guān)注于零散風(fēng)能的再利用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)消納棄風(fēng)的最終目的，同時(shí)聯(lián)合使用蓄熱式電鍋爐供暖技術(shù)，將蓄能與供暖融為一體，一方面能夠以占用空間更小，且能量表現(xiàn)更為密集的形式將零散的風(fēng)能進(jìn)行收集；另一方面也能省去電能二次轉(zhuǎn)化的步驟，直接將積累的熱能通過線路管道直接向外進(jìn)行熱能的輸出[1]。

在實(shí)際技術(shù)應(yīng)用過程中，蓄熱裝置與電場(chǎng)內(nèi)的電鍋爐能量轉(zhuǎn)化裝置相結(jié)合，擴(kuò)展了風(fēng)電場(chǎng)除收集運(yùn)送以外的供電業(yè)務(wù)，同時(shí)項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)階段嘗試連通了烏魯木齊城市供暖網(wǎng)絡(luò)，在最終調(diào)研的結(jié)果上體現(xiàn)出穩(wěn)定、持續(xù)與能量充沛的特點(diǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，技術(shù)人員通過長期的風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)確定了風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象的負(fù)荷低谷時(shí)段，為加設(shè)電鍋爐熱能轉(zhuǎn)化提供了數(shù)據(jù)支撐，在電鍋爐熱能轉(zhuǎn)化設(shè)備安裝完成后，技術(shù)人員在相應(yīng)的風(fēng)能低谷時(shí)段加大了電網(wǎng)中的電負(fù)荷采集力度，而后向其收集原本作為棄風(fēng)出現(xiàn)的冗余風(fēng)能資源，進(jìn)而有效地提升了系統(tǒng)中的風(fēng)電消納數(shù)值[2]。

將風(fēng)能利用發(fā)電裝置轉(zhuǎn)化為電能后，電鍋爐的使用使得此類電能高效率地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，此后根?jù)城市供暖實(shí)際需要，將這類熱能向城市居民生產(chǎn)活動(dòng)空間進(jìn)行輸送，而多余的熱能則由專業(yè)儲(chǔ)熱罐進(jìn)行統(tǒng)一收集保存，在用電高峰時(shí)段風(fēng)力發(fā)電設(shè)備出現(xiàn)供不應(yīng)求的不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)，儲(chǔ)熱罐將其中的熱能再度轉(zhuǎn)化為電能，以備用點(diǎn)的形式保持區(qū)域生活、生產(chǎn)用電的穩(wěn)定供應(yīng)，其具體風(fēng)能—電能—熱能—電能的轉(zhuǎn)化原理設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 風(fēng)力供熱、供電原理設(shè)計(jì)圖

3 蓄熱式電鍋爐優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)是計(jì)算最小化棄風(fēng)的函數(shù)公式，具體公式為：

(1)

在該式中，T表示風(fēng)能調(diào)度的周期，根據(jù)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)作經(jīng)驗(yàn)將T恒定取T=1，以整體調(diào)度周期天為單位；t表示調(diào)度的具體時(shí)段，具體調(diào)度細(xì)節(jié)時(shí)長安排以小時(shí)為單位；PW，t表示時(shí)段t范圍內(nèi)經(jīng)由風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電系統(tǒng)所生產(chǎn)出的風(fēng)電總能量；PWp，t表示時(shí)段t范圍內(nèi)經(jīng)由風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的最大風(fēng)電總能量[3]。

3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型

在風(fēng)力發(fā)電廠廠內(nèi)遵循風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型進(jìn)行細(xì)節(jié)電能生產(chǎn)，具體公式表達(dá)為：

(2)

在該式中，v代表發(fā)電設(shè)備中機(jī)輪轂最高點(diǎn)的現(xiàn)實(shí)風(fēng)力速度；vcut-in表示發(fā)電設(shè)備中進(jìn)入系統(tǒng)的實(shí)際風(fēng)力速度；vcut-out表示發(fā)電設(shè)備中系統(tǒng)輸出的實(shí)際風(fēng)力速度；vrated表示發(fā)電設(shè)備中系統(tǒng)的定值風(fēng)力速度預(yù)設(shè)；Prated表示發(fā)電設(shè)備中系統(tǒng)的定值輸出電力功率預(yù)設(shè)；Pt表示實(shí)際發(fā)電設(shè)備中系統(tǒng)的輸出電力功率；ρ表示風(fēng)力發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際空氣密度狀態(tài)；R表示風(fēng)力發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際風(fēng)輪設(shè)備的半徑數(shù)值；Cp表示風(fēng)力發(fā)電廠在機(jī)械能轉(zhuǎn)換電能過程中有效的風(fēng)能利用程度系數(shù)。

需要注意的是，該模型的使用存在一處特例，即當(dāng)風(fēng)力速度條件滿足vvcut-out時(shí)，表示發(fā)電設(shè)備中機(jī)輪轂最高點(diǎn)的現(xiàn)實(shí)風(fēng)力速度已經(jīng)超出發(fā)電設(shè)備中系統(tǒng)輸出的實(shí)際風(fēng)力速度。只要v滿足這2類條件的任意一條，發(fā)電系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)設(shè)備都無法正常啟動(dòng)。

4 水蓄熱技術(shù)

水蓄熱技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電電能轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)的技術(shù)依據(jù)，是抵抗能源損失，最大化利用現(xiàn)有清潔能源的關(guān)鍵技術(shù)。在該技術(shù)的具體應(yīng)用過程中，水成為了熱能的搭載媒介，電能通過電阻生熱的方式以熱能表現(xiàn)出來，并通過直接接觸的方式傳達(dá)到目標(biāo)液態(tài)中，當(dāng)城市存在供暖熱能需求時(shí)，承載熱能的水體就可以通過城市供暖管道與熱水供水系統(tǒng)直接與民用設(shè)備連通，實(shí)現(xiàn)供暖需要。

通常情況下，為保證能源存儲(chǔ)的效率，并盡可能降低傳輸過程中的能量損耗，蓄熱液態(tài)物質(zhì)的溫度最低應(yīng)當(dāng)高于40℃，同時(shí)最高不得超過140℃，在不同的使用場(chǎng)合采用不同的溫度進(jìn)行熱能釋放。當(dāng)熱能用于民用供水需求時(shí)，蓄熱水溫度應(yīng)當(dāng)處于人體可直接接觸的安全范圍內(nèi)，最高不超過體感舒適溫度以40℃～70℃為宜；當(dāng)熱能用于民用直飲水需求時(shí)，考慮到直接飲用水源的安全性需要，此時(shí)的蓄熱水水溫需要高于100℃沸點(diǎn)；當(dāng)熱能用于現(xiàn)代化大型空調(diào)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的間接加熱供熱時(shí)，為在短時(shí)間內(nèi)提高供熱效率的同時(shí)兼顧空調(diào)設(shè)備內(nèi)部的精密零件不受高溫?fù)p耗，此時(shí)的蓄熱水溫度為90℃～98℃，當(dāng)熱能用于城市居民供暖系統(tǒng)時(shí)，考慮到供暖管道的布局模式與供暖單位面積的大小，為了彌補(bǔ)熱能在金屬供熱管道運(yùn)輸中的損耗，實(shí)際蓄熱水水溫需要高于正常城市民用用水水溫40℃～50℃。

在本次項(xiàng)目中，采用罐裝結(jié)構(gòu)用以儲(chǔ)存蓄熱水，在實(shí)際應(yīng)用過程中根據(jù)蓄熱水不用的功能目標(biāo)，詳細(xì)分為加壓強(qiáng)與標(biāo)磚壓強(qiáng)2種方式，為目標(biāo)蓄水液體提供更廣闊的加熱空間，尤其對(duì)于需要水溫較高的液體，采用加壓加溫的方式進(jìn)行熱能儲(chǔ)備。此外，加壓儲(chǔ)熱水由于沸點(diǎn)較高，其內(nèi)部以水為主的溫度承載媒介的沸點(diǎn)也比較高，可以在超過100℃以上的溫度中仍以液態(tài)的形式存在，能夠很好地克服罐裝水蓄熱系統(tǒng)占地面積過大的問題。但在實(shí)際使用過程中，該系統(tǒng)在保溫性與安全性方面仍存在著一定的優(yōu)化空間。

以烏魯木齊市區(qū)為例，現(xiàn)階段較為常規(guī)的城市采暖系統(tǒng)在“風(fēng)力+熱儲(chǔ)能技術(shù)“的發(fā)展下主要采用水槽蓄熱與水槽供熱2種常見運(yùn)行模式。其中，水槽蓄熱運(yùn)行模式在風(fēng)力發(fā)電站夜間階段的供電低谷處使用，將冗余風(fēng)能進(jìn)行機(jī)械能轉(zhuǎn)電能后直接通過電鍋爐為儲(chǔ)能水槽加熱，這類熱量將在日間以液體流動(dòng)的方式向城市進(jìn)行熱能供應(yīng)；而水槽供熱運(yùn)行模式則開展于日間階段的用熱高峰，主要通過城市建筑內(nèi)的空氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行，將夜間蓄能水槽內(nèi)產(chǎn)生的熱量使用板式熱量轉(zhuǎn)換器向城市供熱空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行供能。

5 結(jié)語

研究風(fēng)電就地消納的蓄熱式電鍋爐調(diào)度模型及關(guān)鍵水蓄熱技術(shù)是蓄熱電設(shè)備應(yīng)用于能源資源行業(yè)的重要表現(xiàn)，在實(shí)際技術(shù)模型應(yīng)用過程中能夠?qū)⒎歉叻逵秒姇r(shí)間的多余電能通過蓄電設(shè)備存儲(chǔ)起來，在蓄電積累到一定程度后再使用能量轉(zhuǎn)換設(shè)備將其以熱能與冷能的形式進(jìn)行穩(wěn)定的二次存儲(chǔ)，而后在用電高峰時(shí)段優(yōu)先將儲(chǔ)備能源進(jìn)行轉(zhuǎn)化釋放。該技術(shù)充分貫徹落實(shí)了國家的可持續(xù)發(fā)展理念，使用削峰填谷的模型概念實(shí)現(xiàn)了電能輸送—儲(chǔ)能—利用的集約型發(fā)展。