內蒙古四子王旗風電供熱工程介紹

文 | 李海臣，余龍飛，董小改，趙旭

內蒙古四子王旗風電供熱工程介紹

文 | 李海臣，余龍飛，董小改，趙旭

近年來我國大氣污染越來越嚴重，霧霾天數不斷增多，且區域不斷擴大，污染程度不斷提高。大氣污染源是多方面的，生活廢氣、工業廢氣、建筑粉塵、工業粉塵、電廠煙氣排放、汽車尾氣等都對大氣環境造成影響，目前治理的主要手段是淘汰黃包車、減少水泥和鋼鐵產量、減少化石燃料消耗、增加新能源發電等。在新能源發電方面，也出現了不利的情況，即風電場棄風。根據有關資料介紹，2012年，全國棄風電量達到20TWh，棄風率為16.6%，最嚴重的省份風電運行時數不足1500h。很明顯，風電場棄風現象違背了利用清潔能源治理大氣污染的初衷。如何提高風電場運行效率是目前各風電建設單位重點研究的問題。中電投電力集團公司采用內蒙古綠能公司研究的技術，在內蒙古四子王旗建設了風電供熱工程，有效解決了風電場棄風及燃煤供熱污染的問題。

工程概況及技術方案

中電投內蒙古四子王旗風電場位于內蒙古自治區烏蘭察布市四子王旗境內，距離四子王旗政府所在地烏蘭花鎮約20km，風電場裝機容量為200MW；供熱站位于烏蘭花鎮西北部，供熱站供熱面積50萬m2。

近年來內蒙古地區風電規模不斷擴大，風電占電網容量比重逐漸增加，在電網處于低負荷時段，往往出現棄風現象，對風電場的運行時數產生明顯影響，限制風電機組出力，風能資源不能得到有效利用。

風電供熱項目的實施，以熱換電，在電網低負荷時將供熱鍋爐啟動，增加電網負荷，保證風電機組連續運行時間，有效解決了電網低負荷時棄風限電的弊端，提高了風電機組的運行效率；同時，風電作為清潔能源，改變了燃煤機組供熱的模式，降低了燃煤機組廢氣的排放，提高了經濟效益、社會效益與環境效益；由于風電供熱工程帶有蓄熱能力，能有效改善電網的峰谷差，平衡電網晝夜的負荷。

風電場發出來的電通過220kV集電線路送入杜爾伯特變電站，接入內蒙古電網；供熱站的兩路電源接入四子王旗變電站和杜爾伯特變電站，電壓等級為35kV。風電場不對供熱站直接供電，風電上網電價按照內蒙古風電價格計算；供熱站用電價格按照當地工業用電價格計算；供熱站的供熱收益低于供熱站用電的支出費用，其經濟效益靠風電場增加運行時數補充。

供熱站工程原理

供熱站工作原理如下圖：

根據上圖，供熱系統有四種運行方式：鍋爐直供、蓄熱罐蓄熱、邊蓄邊供、蓄熱罐供熱。鍋爐直供時，閥門1、6開啟，閥門2、3、4、5關閉；蓄熱罐蓄熱時，閥門2、4開啟，閥門1、3、5、6關閉；邊蓄邊供時，閥門1、2、4、6開啟，閥門3、5關閉；蓄熱罐供熱時，閥門3、5開啟，閥門1、2、4、6關閉。

電熱鍋爐運行模式可分為電網負荷低谷時段運行模式與電網負荷高峰時段運行模式。電網負荷低谷時段，電熱鍋爐啟動，將70℃回水經電鍋爐加熱至130℃的出水，鍋爐出水一部分送至換熱站經換熱裝置換熱將熱量供給熱用戶，另一部分熱水送至蓄熱裝置儲存起來。電網負荷高峰時段，電熱鍋爐關閉，蓄熱裝置獨立承擔供熱，儲存于蓄熱裝置的高溫熱水，經一次管網送至換熱站將熱量供給熱用戶。

正常情況，在冬季電鍋爐每天運行13h，晚6點到早8點工作；蓄熱罐供熱時間11h，由早8點到晚6點。本次設計僅考慮居民采暖，沒有考慮居民使用熱水的需要，考慮到居民小區的入住率等因素，供熱能力應該有富余，在系統運行時可以根據熱網公司的管理能力，向居民小區內的用戶提供洗浴等用水。

風電供熱工程的優點

(一)增加風電場運行時間：由于電網負荷限制，北方很多地方出現風電場棄風現象，通過供熱站，增加了電網負荷，給風電場運行創造了條件。

(二)減少化石燃料消耗，改善環保條件：該項目設計年發電量523.7GWh，按每千瓦時消耗330g煤計算，每年可節約172836t標準煤。

(三)減少城市供熱的粉塵及煙氣排放：我國北方部分地區供暖實行熱電聯產，由熱電廠提供熱源，也有一些大型集中供熱站，這些供熱站環保設施較完善，但很多地方是小鍋爐，特別是在縣級市或鄉鎮的居民區，供熱鍋爐沒有任何除塵設施，冬季取暖期排放的粉塵較多，煙氣中硫化物、氮化物較高。另外，熱電廠或供熱站在秋季要儲存大量取暖用煤，這些煤在運輸和儲存時也會引起揚塵，污染環境。采用電鍋爐后，不僅減少了化石燃料的消耗和燃料燃燒過程產生的粉塵和廢氣污染，也減少了儲存化石燃料的占地及燃料運輸、儲存所帶來的粉塵污染。該項目減少粉塵排放943t，減少灰渣62561t，減少二氧化碳排放479226t，減少硫排放3446t，同時還節省了大量水資源。

（四）減少城市占地：由于取消了取暖鍋爐，減少了化石燃料儲存場地，灰渣儲存場地也相應減少，節約了城市土地資源。

（五）美化城市環境：電鍋爐沒有廢氣排放，用它代替燃煤鍋爐，取消了燃煤鍋爐必需的煙囪，美化了城市環境。

風電供熱工程的技術探討

（一）實施風電供熱工程的條件

風電供熱工程有其優點，但不是所有地區都可以建設風電供熱工程。我們認為，實施風電供熱工程應當有以下幾個必備要素：當地風能資源條件較好；受電網限制，當地風電場棄風嚴重；當地需要新建或改建供熱站；政府有相關政策；增加的風電運行時數帶來的效益能夠補償供熱站運行虧損的費用，工程整體投資回報率較好。

（二）設置風電供熱工程供熱站蓄熱裝置的條件

四子王旗供熱站采用蓄熱方式進行供熱，但在今后的風電供熱工程中應當對蓄熱功能進行分析。增加蓄熱功能，可以平衡電網負荷，保證供熱能力，但增加工程費用較多。我們認為，采用蓄熱功能要考慮下列因素：

（1）當地是否有峰谷電價差：供熱站消耗的主要資源是電能，在運行費用中耗電費用占85%以上，遠大于人員成本及用水費用，如果當地電網有峰谷電價差，可以利用低谷電價制熱，減少企業運行成本，增加企業效益。

（2）當地電網用電負荷是否能滿足需要：在有些城市，白天用電負荷較大，大的用電企業運行受到限制；采用蓄熱功能后，可以減少電網白天用電負荷，在夜晚用電負荷低時制熱，緩解當地用電緊張情況。

（三）蓄熱能力的確定

蓄熱能力越大，需要的蓄熱罐越多，電鍋爐也越多，工程費用越高，同時供熱站占地也越大。如何確定蓄熱能力，是風電供熱工程可行性研究階段的一個重點研究內容。

我們認為，確定蓄熱能力首先要確定采用蓄熱的原因。如果是因為峰谷電價差，應當按照低谷電價的時間，確定電鍋爐的運行時間，然后根據供熱需求量推算出電鍋爐及蓄熱罐的數量；如果是當地用電負荷緊張，白天不能提供制熱的電負荷，則應當根據當地電網的負荷情況及未來當地用電規劃和城市發展規劃，確定電鍋爐的運行時間，然后根據供熱需求量推算出電鍋爐及蓄熱罐的數量。

（四）運行時間的確定

四子王旗風電供熱工程供熱站的設計標準是：在冬季電鍋爐每天運行13h，晚6點到早8點工作；蓄熱罐供熱時間11h，由早8點到晚6點。

在今后的工程中，電鍋爐運行時間應與當地電網負荷變化對應，不應簡單按照時間確定。所有城市電網負荷變化都不是階躍的，是有一個變化曲線，當地大型用電企業越少，電網負荷變化越平緩。在冬季一般每天早晨5至6點負荷開始增加，中午時用電負荷下降，下午用電負荷增加，晚上17至18點用電負荷開始下降，晚上21至22時再次明顯下降，晚上23點至次日5點是電網負荷較低而且比較平穩時段。如果是因為當地用電緊張而采用蓄熱功能，電鍋爐的運行應根據當地電網的負荷變化而切投。當電網用電負荷降低時，根據負荷變化逐步投入電鍋爐的運行數量；當電網用電負荷增加時，應根據用電負荷增加量逐步減少運行的電鍋爐數量。總的原則是讓當地電網能夠在一個安全而平穩的負荷曲線下運行。這樣既可以保證電網安全，也可以適當降低電鍋爐及蓄熱罐數量，降低工程造價。

（五）供熱面積確定

四子王旗供熱站按照50萬m2供熱面積確定供熱能力，但實際供熱需求量沒有確定。我們建議在今后工程設計中不僅需要知道當地供熱小區面積，還應了解、分析供熱小區的入住率、供熱率。目前北方很多居民區入住率較低，大量房屋閑置。有些小區雖然有人入住，但在取暖期人走樓空，取暖報停，小區供熱率降低，影響供熱企業經濟效益。在工程規劃時，應合理規劃出供熱站的設計能力，使供熱系統利用率提高，增加企業經濟效益。考慮今后入住率和供熱率增加，或供熱區域擴大，可以在供熱站留出適當擴建的位置，必要時增加適當的鍋爐數量。

（六）供熱站能力確定

根據《城鎮供熱管網設計規范》，采取節能措施的建筑物中住宅類建筑物采暖熱指標為40 W/m2－45W/m2，居住區綜合類建筑采暖熱指標為45 W/m2－55W/m2。在確定等效熱負荷時要根據當地環境溫度變化進行計算，供熱站最大負荷出力決定系統規模和容量，合理確定供熱站供熱能力將影響工程投資和企業收益。每個采暖期的極寒天數較少，在規劃、研究供熱系統出力時應避免按照最大供熱負荷確定系統參數，可以通過減少系統蓄熱時間解決極寒天氣的采暖需要。如果沒有蓄熱功能，則可以采用“過供熱”方式解決極寒天氣的采暖問題，即在極寒天氣到來前加大供熱量，使居民建筑本身蓄積一部分熱能，在極寒天氣到來時依靠建筑蓄熱及供熱系統熱能維持供熱小區的房間溫度在規定的溫度范圍內。

以上論述了風電供熱工程的建設情況及設計思路，但在工程實施中還有許多注意事項，如供熱站用水問題，污水排放問題，與當地熱力公司或小區物業接口問題，工藝系統選型問題，系統參數問題，回水溫度、壓力、流量問題，風電供熱工程經濟分析問題等。這些因素都將影響工程投資及運行效益，在工程規劃時都應給予認真研究分析。為保證工程的研究、規劃正確合理，必須收集必要的工程建設外部資料，及時了解當地政府有關政策，這樣才能保證工程建設順利開展，保證企業的效益及社會效益。

目前我國北方地區風電場棄風現象較嚴重，而冬季取暖用煤量較大，加重了大氣環境污染。如果人口百萬以上的城市采用熱電聯產的集中供熱方式，中小城市采用風電供熱方式，將減少風電場棄風現象，節省取暖用煤，有利于北方冬季大氣環境的改善。

（作者單位：中電投電力工程有限公司）