新疆達坂城棄風供熱方式的研究

謝魯冰，芮曉明，王松嶺，李國華，樊曉朝，史瑞靜

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院,北京 102206；2.中國機械設備工程股份有限公司,北京 100055；3.新疆大學 電氣工程學院,新疆 烏魯木齊 830000)

0　引言

近年來，我國風電產業發展迅猛，2016年，全國新增裝機容量2 337萬kW，累計裝機容量達到1.69億kW，在我國電力總裝機中的比重已超過7%，成為僅次于火電、水電的第三大電力來源[1]。2017年上半年，我國風電新增并網容量601萬kW，繼續保持穩步增長勢頭，截至6月底,我國風電累計并網容量達到1.54億kW，同比增長12%。2010年，我國風電裝機總量躍升全球第一，主要得益于陸上風電的持續快速發展。但是近年來我國陸上風電的棄風限電形勢非常嚴峻，遼寧、吉林、黑龍江、寧夏、甘肅、云南、貴州等省的風電建設已經全面停滯。中國部分地區棄風呈攀升趨勢，日益惡化：2016年棄風總量高達497億kW·h，是2014年的4倍。在甘肅、新疆、內蒙古、吉林和黑龍江5個地區，3年棄風量已接近800億kW·h，相當于天津市2015年全年的用電量。其中，甘肅省的棄風率更是從2014的11%飆升到2016年的43%。綜上，我國“三北”地區的陸上風電已步入發展瓶頸時期。

本文從負荷側來研究提升風電消納空間的問題，利用達坂城風區的棄風電量來清潔供熱，并著重對增加儲熱的風電供熱方式進行了技術經濟分析，該方案對于促進風電消納，減緩棄風限電問題具有積極意義，并將有助于新疆風電產業的健康可持續發展。

1　新疆達坂城風區鹽湖街道風電清潔供熱研究

1.1　風電供熱的政策背景

(1)2013年3月15日，國家能源局《關于做好風電清潔供暖工作的通知》，提出風電清潔供暖技術可以在我國北方及西北具備條件的地區進行推廣應用。

(2)2013年9月10日，國務院下發《大氣污染防治行動計劃》(簡稱《大氣十條》)，要求2017年之前關停小型燃煤熱電聯產機組，在有些地區可改用電、新能源或潔凈煤供熱。

(3)2015年4月7日，國家能源局發布了《國家能源局關于做好風電并網和消納相關工作的通知》，明確提出鼓勵風電清潔供暖技術在新建筑的優先使用，大力支持風電清潔供暖技術的利用。

1.2　達坂城風電場規劃及棄風限電問題

1.2.1達坂城風電場規劃

根據2017年底發布的《新疆維吾爾自治區“十三五”能源發展規劃》，新疆風電發展將按照建設國家“三基地一通道”部署要求，充分發揮資源、區位、環境承載力強等優勢，優化開發布局，著力打造“兩大基地，一個條帶，五大區塊”，加快達坂城、百里風區、塔城、阿勒泰、若羌等百萬千瓦級風電基地建設。“十三五”新增裝機預計為3 000 MW，屆時達坂城風區2020年末總裝機容量預計可達6 950 MW。

1.2.2達坂城棄風限電

近幾年我國風電大省棄風限電現象很嚴重，新疆地區也不例外。2012～2015年全疆及達坂城區風電場棄電情況如表1所示。

1.3　達坂城風電供暖的可行性分析

1.3.1供熱負荷特性及風能特性分析

烏魯木齊市供熱負荷特性：從10月份開始，負荷逐漸增大，到1月份左右負荷到達最大，然后逐漸減小，一直到4月份供暖結束。可以看出，進入冬季隨著氣溫的降低，負荷逐漸增大，到12月和1月負荷最高峰，然后隨著氣溫的升高，負荷逐漸減少。

達坂城近年來的平均風速為5.8 m/s，多年風向以西北偏西(WNW)為主導，烏魯木齊地區采暖期從10月到來年的4月與達坂城風速較高時間是一致的。風電清潔供暖項目通過蓄熱后，供暖負荷主要集中在電網谷段，這與一天中風能規律是基本一致的。

1.3.2電制熱技術滿足風電供熱要求

風電供暖是電鍋爐與蓄熱系統的結合。在夜間電網低谷時段，風電通過電鍋爐將媒介加熱，通過蓄熱系統將熱量儲存起來；在白天電網高峰時段，再將儲存在蓄熱介質中的熱量釋放出來供用戶使用。將高品位的電能轉化為低品位的熱能進行供暖，從熱力學角度考慮是不可取的，能源利用不經濟，但是最大的優點是能夠充分利用棄風電量、環保、無污染。電鍋爐主要有兩種形式：電阻式與電極式。目前在我國風電清潔供暖示范項目中兩種鍋爐均有應用。蓄熱裝備簡單，成本低，我國城市供暖中應用最為廣泛。

表1　2012～2015年全疆及達坂城區風電場棄電情況

1.4　達坂城風電供暖系統

達阪城鹽湖街道風電棄風供熱項目位于烏魯木齊市達坂城區鹽湖街道區域內，利用棄風電量供熱，總投資約2 200萬元，項目分三期進行，供熱系統如圖1所示，受電網調度、氣象條件等影響，棄風較為隨機，波動性大，需同時考慮峰谷平各時段電價的差異。該風電清潔供暖項目采用水蓄熱系統。根據供熱站規模，供熱站模式可采用利用棄風電量和谷電蓄熱，平電直供。用電原則是棄電優先、谷電優先、平電不蓄熱。按照“谷+平”運行方案測算鍋爐容量和蓄熱容量[2-3]。

圖1　達坂城風電供暖系統

下面對熱源、熱網及熱負荷進行說明：

1.4.1熱源

蓄熱式電鍋爐供熱站，4臺2 200 kW電阻式電鍋爐，總容量8 800 kW，3臺185 m2的蓄熱罐，占地面積1 122 m2。

1.4.2熱網

供熱區域為達坂城區鹽湖街道，既有建筑為單層換熱站及浴室。鹽湖街道的現有供熱管網在2014年進行過改造，供熱性能完善，新建供熱站位于原有換熱站場址，位于熱源點起端，因此熱網無需大規模改造。

1.4.3供熱負荷

2015年冬季達坂城鹽湖基地風電清潔能源供暖項目供熱站供暖面積為10萬m2，年利用風電場的棄風電量為1566.33萬kW·h。新疆地區電網谷段時長為10 h，0:00-8:00、15:00-17:00；平段時長為10 h，8:00-11:00、13:00-15:00、17:00-19:00、21:00-24:00，峰段時長4小時。按照“谷+平”運行方案測算鍋爐容量和蓄熱容量。

(1)值班鍋爐熱負荷

Hg=Q·n1/n2

(1)

式中：Hg鍋爐容量，kW；Q設計熱負荷，kW；n1不平衡時段修正系數；n2電鍋爐的熱效率。

(2)蓄熱用鍋爐熱負荷

(2)

式中：Tf峰段時長，h；T蓄熱時長(當地谷段時長)，h；η蓄熱損失率。

(3)鍋爐計算熱負荷

N=Ng+Nx

(3)

式中：N為鍋爐計算熱負荷，kW。

(4)蓄熱裝置的有效容積

(4)

式中：V蓄熱裝置的有效容積，m3；η1蓄熱水箱保溫率；η2蓄熱水箱容積率；Δt可利用溫差，℃;ρ熱水密度。

經計算得到鍋爐容量和蓄熱容量，如表2所示。

表2　鍋爐容量和蓄熱容量計算結果

(5)換熱器面積

供暖鍋爐房換熱器一般選用板式換熱器，其換熱器換熱面積按照下式計算：

(5)

式中：F換熱器面積，m2；Q供暖熱負荷，W；Δtcp是對數平均溫差，℃；K板換傳熱系數，W/(℃m2)。

(6)

式中：Δtd最大溫差端溫差，℃；Δtc最小溫差端溫差，℃。

經計算，達坂城鎮區供暖所需板式換熱器面積250 m2，其中供地板輻射采暖用10 m2，供散熱器采暖用240 m2。

蓄熱運行方式將影響電鍋爐及蓄熱容量，并影響到總投資及運行成本。蓄熱運行方式既要有利于降低工程投資，也要有利于降低運行成本，同時能夠發揮蓄熱對風電負荷的調節作用。該供暖系統的核心技術是蓄熱，針對含蓄熱技術的供暖系統建模研究尤為重要。

1.5　含蓄熱技術的供暖系統建模

1.5.1儲能應用于供熱系統

大容量儲能技術也是解決棄風限電問題的主要措施之一。目前，抽水蓄能是最成熟的儲能技術，其他方式在容量規模、技術水平、設備制造以及成本價格方面都存在一定問題，有待進一步加強改善。當前，儲能應用于我國的熱-電聯合系統中，工作原理如圖2所示，儲能技術應用在電源側，可提高熱電廠的調節能力；應用于負荷側，提高大量風電供熱的調節空間，促進風電的當地消納[4]。

圖2　儲能應用于熱-電聯合系統

為了協調風電與熱電廠之間的并網矛盾，提升調節空間，文獻[5～8]提出了利用熱泵及電鍋爐等電制熱技術。文獻[9]基于含大容量儲熱的電-熱聯合系統，對應用前景進行了綜述。文獻[10]建立了含儲熱的電力系統電熱綜合調度模型。

1.5.2含儲熱的風電供熱系統

棄風供熱可提高當地負荷，增加風電的當地消納能力。風電清潔供熱如果沒有儲熱，也屬于“以熱定電”，電負荷由熱負荷確定，因此調節空間不大，熱-電耦合程度下降，難以充分利用棄風電量。如果加入儲熱系統，如圖3所示，電供熱負荷調節就會很靈活，可根據棄風情況最大限度利用風電。

圖3　儲熱的風電供熱系統

1.5.3含儲熱的電-熱聯合系統模型

不同于傳統電力系統，含儲熱電-熱聯合系統數學物理模型仍有待進一步研究。下面根據能量守恒定律，建立儲熱裝置模型及電供熱系統模型[11-12]。

1.5.3.1儲熱裝置模型

(1)儲熱容量

在儲熱系統中，儲熱容量Ss低于最大儲熱容量Smax。

0≤Ss≤Smax

(7)

(2)儲熱功率

在儲熱系統中，儲熱功率Hs與換熱器的功率有關，要低于換熱器的最大功率Hmax，也就是儲熱速度不要超過換熱器的換熱速度。

(8)

其中，進、出儲熱系統的熱功率Hin,s、Hout,s；進、出換熱器的最大熱功率Hin,max、Hout,max。

(3)熱負荷

根據能量守恒，如圖所示，儲熱系統的輸出熱量Hout,s與電直供熱的熱量Hd之和就是總的熱負荷。

Hload=Hout,s+Hd

(9)

(4)儲熱損失

根據熱力學，在儲熱實際工作中，有能量損失主要是散熱、漏熱等損失，熱損失與儲熱介質以及周圍環境有關，這里假設儲熱介質為水，熱損失與外界環境溫度成正比，kloss為熱損失系數，熱損失為klossSs。根據能量守恒，儲熱系統從時刻t到時刻t+1儲熱量，等于進入儲熱系統的熱量減去出去的及損失的熱量，在一個周期T運行后，儲熱量恢復原值。

(10)

1.5.3.2電供熱系統模型

(1)電熱能量守恒：

電供熱負荷Peh是部分通過電鍋爐儲熱Hin,s，是部分用于直供熱Hd。

Peh=Hin,s+Hd

(11)

(2)功率約束條件：

電熱系統的功率受電網功率及電鍋爐功率的限制。

(12)

電熱系統的功率Peh,s，電網功率最大值Peh,max，電鍋爐功率最大值Peb,max。

1.6　達坂城含蓄熱的風電供熱效果分析

含蓄熱的風電電供熱提高風電消納能力，實際效果包括兩方面：(1)增加了當地用電負荷；(2)調高了系統調節能力。

沒有蓄熱時，電供熱負荷與供熱負荷相等，新的風電出力曲線為原來的風電出力與電供熱負荷曲線的疊加，如圖4所示。

圖4　無蓄熱風電供熱時風電出力曲線

有蓄熱時，電供熱負荷與供熱負荷相等，新的風電出力曲線為原來的風電出力與電供熱負荷曲線的疊加，如圖5所示。

圖5　含蓄熱風電供熱時風電出力曲線

由圖4、圖5看出，風電供熱增加了用電負荷，加蓄熱后，用電負荷增加的更為明顯。另外，儲熱具有調節作用，當用電負荷小、風電出力大時就會出現棄風限電，此時增大電供熱系統的用電功率，多余的熱量通過儲熱裝置儲存起來；當電負荷大、風電出力小時，此時減小電供熱系統的用電功率，將儲存在儲熱裝置的熱量釋放出來，完成供熱。因此，儲熱裝置在棄風限電時蓄熱，無棄風限電時將熱量放出，大大提高了風電供熱系統的調節能力，同時緩解了棄風限電。

2　棄風供熱的經濟效益分析

新疆烏魯木齊市達坂城鹽湖制鹽有限責任公司生產基地自備熱電廠始建于1998年，配置2臺循環流化床鍋爐，一臺為背壓機組，一臺為抽凝機組。自備熱電廠于2013年改造后，主要為該基地的生產、生活提供熱源。按照國家政策以及烏魯木齊市相關政策，小型燃煤鍋爐屬于被關停范圍，風電供熱已成為該地區供熱的主要熱源。

鹽湖社區風電清潔能源供暖項目供熱站供暖面積為10萬m2，年利用風電場的棄風電量為1 566萬kW·h，與傳統的燃煤供暖相比，每年可節約標煤2 942 t，減少排放CO25 172 t，SO22.9 t，NOx22 t，煙塵2 t。用電成本為526.9萬元/年，供熱站每年售熱收入總額為220萬元。財務評價如下兩種方案：

方案一：當供熱站靜態總投資為2265.9 萬元，項目的財務收益率為5%(全部投資所得稅前)時，供熱站每年利用風電場棄風電量的補貼收入為609.3 萬元(含稅)，補貼電價為0.389 元/kW·h(含稅)。

方案二：當供熱站每年利用風電場的棄風電量為1 566.33 萬kW·h，補貼收入為490.3 萬元(即相當于谷段電價0.313 元/kW·h 時的補貼收入)，項目的財務收益率為5%(全部投資所得稅前)時，供熱站靜態總投資為1157.9 萬元。

3　結論

本文從風電應用負荷側來增加負荷，提高風電消納能力。對達坂城風區的棄風電量清潔供熱進行了研究，結果表明新疆達坂城風區進行風電供暖是可行的，尤其是增加儲熱系統的風電供暖系統，具有減緩棄風限電、增加并網消納、且能起到一定調峰能力的作用。風光互補、儲能與應用氫能的組合方案將是下一步的重點研究方向。對于解決棄風問題，一是按照全額保障性收購的法律規定，加強監管;二是進一步加強風電開發規劃與電網規劃的協調;三是在風電集中開發的“三北”地區通過優化各類發電機組的協調運行、發展儲能技術、發揮跨區電網錯峰調峰作用等方式、加快跨區輸電通道項目的規劃，以此提高電力系統的整體調節能力，滿足大規模風電并網運行的需要。

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