有效利用風(fēng)電棄風(fēng)電量實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚清潔供熱方式的研究

文|李天昊

有效利用風(fēng)電棄風(fēng)電量實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚清潔供熱方式的研究

文|李天昊

東北、蒙東地區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)容量大，但地區(qū)用電負(fù)荷不足，電力外送容量有限，導(dǎo)致地區(qū)風(fēng)電消納問(wèn)題十分嚴(yán)重。尤其在供熱季熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與風(fēng)電出力的矛盾造成棄風(fēng)限電問(wèn)題更加突出，成為限制地區(qū)風(fēng)電進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，亟須解決。隨著電力體制改革進(jìn)一步深入，風(fēng)電公司作為發(fā)電單位也可以開(kāi)展售電側(cè)的業(yè)務(wù)，這就為風(fēng)電公司更加主動(dòng)地參與到風(fēng)電消納工作中提供了可能性。因此，本文在這種政策背景下，提出了風(fēng)電公司就近開(kāi)展利用自身?xiàng)夛L(fēng)電量實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚清潔供熱的技術(shù)思路，將現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)大棚小型燃煤鍋爐供熱改造成利用棄風(fēng)電量供熱的清潔供熱方式，從而有效提高供熱季地區(qū)用電負(fù)荷，同時(shí)還利用風(fēng)電供熱系統(tǒng)中的儲(chǔ)熱裝置與風(fēng)電出力之間的協(xié)調(diào)配合，進(jìn)一步提高地區(qū)風(fēng)電的消納能力。

風(fēng)電供熱系統(tǒng)運(yùn)行控制方法與儲(chǔ)熱參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

一、風(fēng)電供熱系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法

以我國(guó)某省級(jí)電網(wǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)為例進(jìn)行仿真計(jì)算，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

系統(tǒng)中負(fù)荷、風(fēng)電出力極限和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱負(fù)荷曲線分別如圖1所示，仿真計(jì)算得到系統(tǒng)消納的風(fēng)電曲線和棄風(fēng)功率曲線如圖2所示。從圖2可以看到，系統(tǒng)中的棄風(fēng)主要出現(xiàn)在晚上風(fēng)電出力大發(fā)的時(shí)候，系統(tǒng)的棄風(fēng)電量達(dá)到了8848.5MWh。

表 1 算例系統(tǒng)參數(shù)

假設(shè)風(fēng)電供熱大棚的熱負(fù)荷曲線如圖3所示。從風(fēng)電大棚的負(fù)荷曲線和棄風(fēng)的曲線來(lái)看，如果沒(méi)有儲(chǔ)熱裝置，則系統(tǒng)不可能滿足大棚的供熱熱負(fù)荷的需求，因而必須要有儲(chǔ)熱裝置。

取電供熱裝置的加熱功率為500MW，儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱容量為2500MWh，換熱器的換熱功率極限為500MW。

進(jìn)行仿真計(jì)算的結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看到，加入了風(fēng)電供熱大棚以后，新增的風(fēng)電消納如圖中紅色虛線所示，受到電供熱功率限制，在系統(tǒng)中風(fēng)電出力處于較高階段時(shí)，新增風(fēng)電消納最大功率只能達(dá)到500MW，在一天時(shí)間段內(nèi)，共新增風(fēng)電消納為5032.1MWh，此時(shí)系統(tǒng)總棄風(fēng)為3816.4MWh。實(shí)際系統(tǒng)中新增的風(fēng)電消納受系統(tǒng)中總的熱負(fù)荷限制，系統(tǒng)中總的熱負(fù)荷為4763.2MWh，其與風(fēng)電消納的差額為系統(tǒng)中儲(chǔ)熱的熱損失。

風(fēng)電大棚中各部分的熱功率分別如圖5所示。從圖中可以看到，在系統(tǒng)中風(fēng)電大發(fā)并且出現(xiàn)棄風(fēng)的時(shí)段，風(fēng)電大棚利用棄風(fēng)電量進(jìn)行制熱，在滿足農(nóng)業(yè)大棚供熱負(fù)荷的同時(shí)，將多余的熱量?jī)?chǔ)存在風(fēng)電供熱系統(tǒng)中的儲(chǔ)熱裝置里。在系統(tǒng)中沒(méi)有棄風(fēng)的時(shí)段，風(fēng)電供熱系統(tǒng)將停止電制熱，此時(shí)風(fēng)電供熱系統(tǒng)釋放儲(chǔ)熱裝置中的熱量來(lái)給風(fēng)電大棚供熱，滿足大棚的熱負(fù)荷需求。通過(guò)含儲(chǔ)熱的風(fēng)電供熱系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，使得農(nóng)業(yè)大棚只利用風(fēng)電場(chǎng)的棄風(fēng)電量來(lái)供熱，從而在提高系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力同時(shí)，為爭(zhēng)取較低的供熱電價(jià)提供了技術(shù)保障。

二、風(fēng)電供熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱容量和換熱功率設(shè)計(jì)方法

在風(fēng)電供熱大棚中，儲(chǔ)熱裝置將有棄風(fēng)時(shí)段的棄風(fēng)功率進(jìn)行存儲(chǔ)，而在無(wú)棄風(fēng)時(shí)段釋放存儲(chǔ)的能量，滿足風(fēng)電大棚的熱負(fù)荷需求。儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱容量大小對(duì)應(yīng)于能夠轉(zhuǎn)移的熱量的多少，被轉(zhuǎn)移的熱量最終是要滿足系統(tǒng)的熱負(fù)荷需求；儲(chǔ)熱裝置的換熱功率和系統(tǒng)電制熱的功率決定了系統(tǒng)電制熱的情況和熱量轉(zhuǎn)換的情況。在系統(tǒng)棄風(fēng)功率曲線一定的情況下，對(duì)應(yīng)于一定的電制熱功率，需要滿足系統(tǒng)的熱負(fù)荷需求，應(yīng)當(dāng)有最小的儲(chǔ)熱容量滿足當(dāng)前電制熱的需求。風(fēng)電大棚供熱能夠減小的棄風(fēng)，實(shí)際由風(fēng)電供熱大棚的熱負(fù)荷決定。下面進(jìn)行具體仿真說(shuō)明。

分別取不同的棄風(fēng)制熱功率，求滿足最小需求的儲(chǔ)熱容量，及此時(shí)換熱器的最大換熱功率，如表2所示。

表 2 不同制熱功率下的最小儲(chǔ)熱容量及換熱器最大功率

從表2中可以看到，在不同的電制熱功率下，風(fēng)電供熱大棚的最小儲(chǔ)熱容量均為2043MWh，而系統(tǒng)的棄風(fēng)量隨著電制熱功率的增加而有微弱減小，主要是因?yàn)閮?yōu)化過(guò)程中的優(yōu)化目標(biāo)為系統(tǒng)的棄風(fēng)量最小值，在電制熱功率變大時(shí)，則儲(chǔ)熱裝置更容易達(dá)到其最大儲(chǔ)熱容量。而儲(chǔ)熱裝置的熱損失是由儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱量決定的，因而在電制熱功率變大時(shí)，大棚儲(chǔ)熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷損失會(huì)增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的棄風(fēng)量有所減小。

風(fēng)電供熱系統(tǒng)的消納風(fēng)電效益和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

一、農(nóng)業(yè)大棚風(fēng)電供熱經(jīng)濟(jì)性的影響因素

農(nóng)業(yè)大棚利用風(fēng)電供熱的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性主要受以下幾個(gè)因素的影響：

投資成本主要由以下兩個(gè)因素決定：

（一）儲(chǔ)熱裝置容量

大棚儲(chǔ)熱裝置容量決定了應(yīng)用儲(chǔ)熱的初期建設(shè)投資，是直接影響加裝儲(chǔ)熱裝置的經(jīng)濟(jì)可行性的決定性因素。這里的容量綜合考慮了儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱容量以及相應(yīng)的換熱功率。不同儲(chǔ)熱容量和換熱功率的儲(chǔ)熱裝置所需的建設(shè)投資情況不同，帶來(lái)的減少棄風(fēng)的風(fēng)電收益也不同，需要具體的計(jì)算評(píng)估。

（二）棄風(fēng)情況

風(fēng)電場(chǎng)的棄風(fēng)情況直接影響到大棚利用棄風(fēng)供暖的可行性，如果風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)不夠，則不能滿足農(nóng)業(yè)大棚的采暖需求，建設(shè)帶有蓄熱裝置的農(nóng)業(yè)大棚也就沒(méi)有意義；而如果風(fēng)電場(chǎng)的棄風(fēng)一天24小時(shí)均存在，則儲(chǔ)熱裝置的配備和建設(shè)需求可以極大減少，也會(huì)影響農(nóng)業(yè)大棚采用棄風(fēng)供熱的經(jīng)濟(jì)性。

運(yùn)行成本主要由以下兩個(gè)因素決定：

（一）熱負(fù)荷情況

熱負(fù)荷情況主要影響風(fēng)電供熱大棚所需要消耗的電量，從前面的分析可知，所消耗的電量近似認(rèn)為等于熱負(fù)荷所需的能量。

（二）供熱電價(jià)

供熱電價(jià)可以通過(guò)與風(fēng)電場(chǎng)協(xié)商決定，在本文中取從零至正常電價(jià)中間的值用于經(jīng)濟(jì)性分析。

二、 算例分析

（一）成本收益估計(jì)

電供熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)的建設(shè)成本因?yàn)椴捎貌煌膬?chǔ)熱技術(shù)，儲(chǔ)熱裝置的造價(jià)也差別較大。顯熱儲(chǔ)熱裝置的造價(jià)一般要低于相變儲(chǔ)熱裝置的造價(jià)，但儲(chǔ)熱密度低，占地面積大。參考2015年國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“基于熱電解耦的電網(wǎng)風(fēng)電消納技術(shù)研究與示范”（課題編號(hào)2015BAA01B03）的項(xiàng)目建議書(shū)和可研報(bào)告，在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組處建造20MW/20MWh的中溫相變儲(chǔ)熱裝置，其造價(jià)約800萬(wàn)元，折算單位容量的造價(jià)約40萬(wàn)元/MWh。在電供熱系統(tǒng)加裝儲(chǔ)熱裝置，可以根據(jù)不同的空間和資金條件選擇相變或顯熱儲(chǔ)熱方案。當(dāng)采用顯熱儲(chǔ)熱時(shí)，儲(chǔ)熱材料可選水、導(dǎo)熱油或固體材料作為儲(chǔ)熱介質(zhì)；如果采用相變儲(chǔ)熱，則可以選擇不同相變溫度的儲(chǔ)熱材料。因此電供熱系統(tǒng)中的儲(chǔ)熱裝置造價(jià)變化范圍較大，但一般不會(huì)高于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組處的相變儲(chǔ)熱造價(jià)。為了便于分析，電供熱系統(tǒng)加裝儲(chǔ)熱裝置的造價(jià)也參照熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的儲(chǔ)熱造價(jià)，取40萬(wàn)元/MWh。電供熱系統(tǒng)中的電鍋爐造價(jià)參考相關(guān)數(shù)據(jù)，約為6.7萬(wàn)美元/MW，折合人民幣約為40萬(wàn)元/MW。

收益主要來(lái)自于蔬菜的收入，按照國(guó)華（通遼）風(fēng)電有限公司的“電暖蔬菜大棚”項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，600m2的蔬菜大棚每年可產(chǎn)蔬菜1.2萬(wàn)斤，蔬菜價(jià)格為每斤5元。

（二）評(píng)估結(jié)果及討論

留一定的余量，取儲(chǔ)熱裝置的加熱功率為系統(tǒng)熱負(fù)荷的最大值的1.5倍，儲(chǔ)熱容量根據(jù)熱負(fù)荷的計(jì)算結(jié)果按照每日8點(diǎn)到18點(diǎn)的熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，取所有熱負(fù)荷天數(shù)的最大值，乘以1.1作為裕度。則通過(guò)計(jì)算得到的風(fēng)電供熱大棚的儲(chǔ)熱裝置的容量和換熱功率如表3所示。

風(fēng)電供熱大棚的面積為4160m2，因而估算得到一年產(chǎn)蔬菜為8.32萬(wàn)斤，按照每斤5元算，收入為41.6萬(wàn)元。

一年的運(yùn)行所消耗的電量為1346892kWh。如果取大工業(yè)低谷電價(jià)為0.3元/kWh，則一年的電費(fèi)為40.4萬(wàn)元。

建設(shè)風(fēng)電供熱大棚的投資成本為5.4MWh*40萬(wàn)元/ MWh+0.9MW*40萬(wàn)元/MW＝252萬(wàn)元。

取不同的電價(jià)情況下系統(tǒng)運(yùn)行以后的收益情況如圖6所示。從圖中可以看到，目前來(lái)看，風(fēng)電供暖電價(jià)是影響農(nóng)業(yè)大棚利用風(fēng)電供暖經(jīng)濟(jì)性的主要因素，如果采用當(dāng)前的大工業(yè)低谷電價(jià)，農(nóng)業(yè)大棚幾乎不可能收回成本，而考慮國(guó)家政策給予一定補(bǔ)貼，同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)犧牲部分利益的情況下，在取供暖電價(jià)低于0.1元/kWh時(shí)，則有可能在相對(duì)較短的年限（10年）內(nèi)收回成本，且產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

表 3 風(fēng)電大棚儲(chǔ)熱容量和加熱功率

在取電價(jià)為0.2元/kWh時(shí)，考慮技術(shù)水平的提高和大規(guī)模推廣應(yīng)用使得儲(chǔ)熱裝置造價(jià)降低，則相應(yīng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性如圖7所示。從圖中可見(jiàn)，隨著儲(chǔ)熱裝置造價(jià)的下降，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有較為明顯的提高，如果儲(chǔ)熱裝置的造價(jià)下降到當(dāng)前水平的一半，則有可能在10年內(nèi)收回投資成本且取得較好的收益。

結(jié)論

研究工作說(shuō)明了農(nóng)業(yè)大棚應(yīng)用含儲(chǔ)熱的風(fēng)電供熱系統(tǒng)提高地區(qū)風(fēng)電消納能力具有一定可行性，后續(xù)還需要在網(wǎng)架約束、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性以及儲(chǔ)熱和電制熱技術(shù)選型方面進(jìn)一步開(kāi)展研究和示范工作，使得此項(xiàng)技術(shù)有可能真正得到推廣和應(yīng)用。

（作者單位：神華國(guó)華（通遼）風(fēng)電有限公司）