黑龍江風(fēng)電供熱低谷風(fēng)電消納能力及效益分析

吳德友

(大唐哈爾濱第一熱電廠，哈爾濱 150078)

●能源及動力工程●

黑龍江風(fēng)電供熱低谷風(fēng)電消納能力及效益分析

吳德友

(大唐哈爾濱第一熱電廠，哈爾濱 150078)

闡述了風(fēng)電供熱原理和運行機制，并結(jié)合黑龍江省的“棄風(fēng)”原因、電網(wǎng)架構(gòu)以及國內(nèi)現(xiàn)有風(fēng)電供熱特點，分析了風(fēng)電供熱對低谷風(fēng)電消納能力的影響。研究表明，雖然風(fēng)電供熱對消納棄風(fēng)的能力有限，節(jié)煤效益受棄風(fēng)量的影響也很明顯，但風(fēng)電供熱能有效的消納低谷的棄風(fēng)電力。研究結(jié)果對指導(dǎo)黑龍江風(fēng)電供熱的實際應(yīng)用具有一定積極意義。

風(fēng)電供熱，風(fēng)電消納，運行機制，節(jié)煤效益

隨著黑龍江省風(fēng)電開發(fā)利用規(guī)模的持續(xù)擴大，風(fēng)電并網(wǎng)運行和市場消納已成為風(fēng)電發(fā)展的制約因素，特別是在冬季夜間負荷低谷時段，受熱負荷的影響，棄風(fēng)問題尤為突出。黑龍江省風(fēng)能資源豐富、冬季采暖期長、熱電聯(lián)產(chǎn)比重高，因此開展風(fēng)電低谷供熱，對于促進該省風(fēng)電消納、緩解風(fēng)電冬季運行困難具有重要作用，國內(nèi)已有部分省份開展了風(fēng)電供熱試點。

據(jù)統(tǒng)計，截止到2016年底，黑龍江省總裝機容量為27 831 MW，其中水電裝機容量為1 017 MW，占比3.7%；火電裝機容量為21 038 MW，占比75.6%；風(fēng)電裝機容量為5 610 MW，占比20.2%；太陽能發(fā)電裝機容量為166 MW，占比0.6%。由于黑龍江電網(wǎng)調(diào)峰主要依靠火電機組參與調(diào)峰，受發(fā)電煤質(zhì)和機組供熱的影響，機組調(diào)峰能力嚴重下降，隨著風(fēng)電等新能源裝機容量的逐年增加，調(diào)峰問題突出，棄風(fēng)現(xiàn)象明顯。因此，在黑龍江省深入研究作為近期解決低谷風(fēng)電消納難題的重要手段之一的“風(fēng)電供熱”具有重要的現(xiàn)實意義[1-2]。

從國外運行經(jīng)驗看，丹麥是采用風(fēng)電供熱最成功的國家之一，但是其風(fēng)電資源配置、電力市場與黑龍江省有所差異，沒有直接可比性[3-6]。為推進風(fēng)電供熱技術(shù)和清潔能源的利用，國家能源局于2013年3月22日發(fā)布了《關(guān)于做好風(fēng)電清潔供暖工作的通知》，進一步引導(dǎo)解決低谷風(fēng)電消納問題。鑒于此，研究風(fēng)電供熱技術(shù)和運行模式，分析風(fēng)電供熱對低谷風(fēng)電消納的能力影響，核算節(jié)煤效益，分析社會效益，是黑龍江省開展和推廣風(fēng)電供熱的必經(jīng)之路。

1 風(fēng)電供熱技術(shù)方案

1.1 風(fēng)電供熱原理

目前，黑龍江省各城市普遍存在供熱能力不足，清潔供熱比例低的問題，燃煤小鍋爐和熱電聯(lián)產(chǎn)機組供暖仍是該省的主要供暖方式，不僅消耗了大量的不可再生煤炭資源，還造成了環(huán)境污染，同時風(fēng)電棄風(fēng)現(xiàn)象主要出現(xiàn)在漫長的冬季供暖期，棄風(fēng)造成了大量的風(fēng)能資源浪費。為充分利用冬季風(fēng)電資源和富余的風(fēng)電裝機容量，解決棄風(fēng)限電等問題，提出了利用“棄風(fēng)”電量供熱，即風(fēng)電供熱方案。目前，有關(guān)電熱鍋爐的技術(shù)已較為成熟，項目可操作性強，得到了國家的大力支持。

該方案主要應(yīng)用了蓄熱式電鍋爐技術(shù)，將風(fēng)電場與供熱站相結(jié)合，與城市供熱管網(wǎng)連通，實現(xiàn)為城市供熱。電熱鍋爐在電網(wǎng)負荷低谷時段(棄風(fēng)時)開始運行，增加省內(nèi)電網(wǎng)中的用電負荷，進而增加風(fēng)電消納量、減少棄風(fēng)，將電能轉(zhuǎn)換成熱能，為城市居民供熱或存儲在蓄熱裝置中；在負荷高峰時段，電鍋爐停運，蓄熱裝置放熱來提供供熱所需的熱負荷[7]。風(fēng)電供熱方案在電力系統(tǒng)中的運行原理如圖1所示，其中虛線框內(nèi)為風(fēng)電供熱系統(tǒng)。

圖1 風(fēng)電供熱運行原理Fig.1 Operating principle of wind power heating

1.2 風(fēng)電供熱系統(tǒng)配置

風(fēng)電供熱系統(tǒng)主要包括風(fēng)電場、輸電線路、電熱鍋爐、蓄熱裝置(蓄熱罐結(jié)構(gòu)或蓄熱磚墻結(jié)構(gòu))、換熱裝置(若為蓄熱罐則為水水換熱方式，若為蓄熱磚墻結(jié)構(gòu)則為風(fēng)水換熱方式)、自動控制系統(tǒng)、供熱管道和熱負荷[8]。風(fēng)電供熱示意圖如圖2所示。

風(fēng)電場供熱項目投資成本較高，以內(nèi)蒙古大唐巴林左旗的風(fēng)電供熱示范項目為例，選擇21.6MW電鍋爐6臺，蓄熱罐2個，總投資達1 911.65萬元。

圖2 風(fēng)電供熱示意圖Fig.2 Schematic diagram of wind power heating

2 風(fēng)電供熱運行機制和運行特點分析

2.1 風(fēng)電供熱運行機制

根據(jù)風(fēng)電供熱的運行原理，風(fēng)電供熱的常規(guī)模式包括：1)電鍋爐同時供熱蓄熱模式，該模式下，電鍋爐運行大量制熱，除維持供熱外，還存在大量多余熱量，蓄熱裝置進入蓄熱過程。通常在夜間負荷低谷時段選擇此模式運行；2)蓄熱裝置獨立供熱模式，該模式下，蓄熱裝置滿足所有的熱負荷需求，電鍋爐停止運行，熱負荷全部由蓄熱裝置放熱提供，通常在負荷平、峰時段選擇此模式運行；3)電鍋爐與蓄熱裝置共同聯(lián)合供熱模式，該模式下，電鍋爐運行少量制熱，進行供熱但不滿足此時熱負荷，不足部分由蓄熱裝置放熱供熱，蓄熱裝置進入放熱過程。4)電鍋爐獨立供熱模式，該模式下，電鍋爐運行，制熱量恰好等于熱負荷，通常在熱負荷較大而蓄熱裝置所蓄的熱量又已經(jīng)放完時，選擇此模式運行。由自動控制系統(tǒng)對上述4種模式進行切換。

黑龍江省已投產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電具有反調(diào)峰特性，在負荷低谷的夜間時段，風(fēng)電發(fā)電出力一般較高，棄風(fēng)也主要出現(xiàn)在這段時間。根據(jù)負荷的峰、谷、平時段對風(fēng)電供熱的運行機制進行分析，風(fēng)電供熱的目的是消納低谷“棄風(fēng)”，因此，電鍋爐應(yīng)運行在負荷低谷時段，進行供熱和蓄熱，完全利用“棄風(fēng)”生產(chǎn)熱量，增加了電網(wǎng)風(fēng)電的消納量；而在負荷高峰、平時段應(yīng)停運，就要利用蓄熱裝置通過蓄、放熱過程將低谷時段的熱量“轉(zhuǎn)移”到此時段，完全由蓄熱罐或蓄熱磚墻進行供熱。表1給出了風(fēng)電供熱1日內(nèi)的運行策略，圖3為電鍋爐和蓄熱罐或蓄熱磚墻1日內(nèi)聯(lián)合供熱示意圖，圖4為蓄熱罐或蓄熱磚墻1日內(nèi)的運行策略。

當(dāng)存在峰谷電價時，為實現(xiàn)利潤最大化，需要在電價低時段電鍋爐運行，使得向電網(wǎng)購電可使成本最小化，而在電價高的時段則由蓄熱裝置放熱完成供熱。

表1 風(fēng)電供熱日運行策略Table 1 Daily operating strategy of wind power heating

圖3 電鍋爐和蓄熱裝置放熱聯(lián)合供熱日運行策略Fig.3 Daily operating strategy of integrated heatingby both electric boiler and heat accumulator

圖4 蓄熱罐或蓄熱磚墻日運行策略Fig.4 Daily operating strategy ofheat accumulator or thermal brick wall

當(dāng)氣候變化極端情況時，熱負荷可能高于設(shè)計值，這時會出現(xiàn)蓄熱量無法滿足熱負荷的情況。此時可按照以下運行方式：低谷時段電鍋爐運行，蓄熱裝置蓄熱；平時段電鍋爐運行，蓄熱裝置可放熱或不工作；峰時段蓄熱裝置放熱，電鍋爐停運，如表2所示。

表2 極端情況下風(fēng)電供熱日運行策略Table 2 Daily operating strategy ofwind power heating under extreme cases

3 黑龍江風(fēng)電供熱運行特點和消納能力分析

3.1 黑龍江風(fēng)電出力特性及電鍋爐運行特性分析

電熱轉(zhuǎn)換裝置不同，風(fēng)電供熱形式也不同。從國內(nèi)已投產(chǎn)的風(fēng)電供熱示范項目來看，主要是利用電熱鍋爐實現(xiàn)風(fēng)電供熱。因此，分析黑龍江風(fēng)電出力特性和電熱鍋爐負荷是研究黑龍江風(fēng)電供熱技術(shù)方案的前提。

黑龍江典型風(fēng)電場日出力如圖5所示，風(fēng)電場日出力波動大，白天14∶00-18∶00風(fēng)電出力最小，夜間21∶00-24∶00風(fēng)電出力達到最大，且風(fēng)電日出力呈現(xiàn)明顯的反調(diào)峰特性，導(dǎo)致了風(fēng)電出力在很大程度上增大了系統(tǒng)調(diào)峰需求和調(diào)峰難度，進一步加劇了系統(tǒng)的調(diào)峰能力不足。

圖5 黑龍江某風(fēng)電場典型的日出力Fig.5 Typical daily output of a wind power in Heilongjiang

蓄熱式電熱鍋爐在每日的22∶00至次日的5∶00運行，其他時段以外，電熱鍋爐停運。圖6給出了典型電熱鍋爐的電負荷曲線。蓄熱裝置的使用，避免了因室外溫度的變化帶來的電熱鍋爐的負荷變化。因此，電熱鍋爐出力相對穩(wěn)定，且相對每日運行方式基本一致。

多個電熱鍋爐組合供熱多見于實際應(yīng)用中，多個電熱鍋爐與蓄熱裝置聯(lián)合運行后，通過供熱、儲熱平衡運行，既能保證供熱的穩(wěn)定性，又能形成持續(xù)穩(wěn)定的用電負荷。

圖6 電熱鍋爐負荷曲線Fig.6 Load curve of electric boiler

3.2 黑龍江風(fēng)電供熱運行特點分析

結(jié)合國內(nèi)風(fēng)電供熱運行特點，低谷風(fēng)電出力與電熱鍋爐負荷匹配是風(fēng)電供熱運行分析的關(guān)鍵?？紤]電熱鍋爐負荷和風(fēng)電出力特點，電熱鍋爐負荷與風(fēng)電出力匹配存在2種基本情況。

1)第一種情況，電熱鍋爐所需電量全部由低谷風(fēng)電提供。這種情況下，電熱鍋爐的容量取決于低谷時段的最低風(fēng)電出力，如圖7a)所示。當(dāng)電熱鍋爐消耗電量有限時，對提高風(fēng)電消納能力的影響不大。圖8給出了多個風(fēng)電場低谷出力占風(fēng)電裝機總量的百分比。風(fēng)電裝機規(guī)模越大，低谷時段風(fēng)電出力越大，進而對風(fēng)電消納能力的影響也越大。因此，采用多風(fēng)電場供熱比單個風(fēng)電場供熱更有利于低谷時段風(fēng)電的消納。圖9 給出了不同風(fēng)電場個數(shù)對低谷風(fēng)電用于供熱的能力比較，由曲線1和曲線2以下面積大小可見，5個風(fēng)電明顯小于10個風(fēng)電場的供熱電量。

圖7 低谷時段風(fēng)電出力與電熱鍋爐負荷匹配不同情況Fig.7 Load mismatching between wind power outputand electrothermal boilers during valley period

圖8 低谷時段風(fēng)電最小出力占風(fēng)電裝機總量的百分比Fig.8 Wind power minimum outputcontribution to the total installed capacity ofwind power during valley load period

圖9 不同個數(shù)的風(fēng)電場低谷時段可供熱能力Fig.9 Heating capacity of different numberof wind farms during valley period

2)第二種情況為低谷風(fēng)電完全提供電熱鍋爐產(chǎn)熱。比較圖7a)和圖7b)可見，第二種情況，比第一種情況電熱鍋爐消耗電量明顯提高。這種情況下，由于電熱鍋爐容量按照最大風(fēng)電出力設(shè)計，部分時段風(fēng)電出力可能小于電熱鍋爐用電量，這樣就需要非風(fēng)電電量補足，這樣風(fēng)電供熱的經(jīng)濟性就不能保證。

3.3 黑龍江風(fēng)電供熱消納能力定量分析

3.3.1 從功率對等角度定量分析

從功率對等角度，根據(jù)供熱需求完全由低谷風(fēng)電供給來定量分析風(fēng)電供熱提高風(fēng)電消納能力。參考文獻[9-12]的相關(guān)計算方法，分析數(shù)據(jù)如下表3所示。

表3 供熱電量消納分析Table 3 Consumptive analysison heating electricity quantities

上述計算結(jié)果表明：從電量對等的角度設(shè)計熱負荷時，電熱鍋爐實際用的風(fēng)電低谷風(fēng)電量只有72.9%，其余為非風(fēng)電電量。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)分析知，風(fēng)電供熱不能完全解決低谷時段的風(fēng)電消納問題。需要考慮聯(lián)絡(luò)線外送等其它技術(shù)方案研究。

4 黑龍江風(fēng)電供熱的效益分析及推廣前景

4.1 節(jié)煤效益分析

利用風(fēng)電供熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃煤鍋爐機組供熱，有明顯的節(jié)煤效益。與燃煤小鍋爐和熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱系統(tǒng)相比，當(dāng)電鍋爐消耗的電量全部是棄風(fēng)時，節(jié)煤效益最大。若風(fēng)電供熱地區(qū)日供熱量為QD時，電熱鍋爐效率為ηgl(約為1)時，日減少的棄風(fēng)電量達QD·ηgl)，實現(xiàn)節(jié)煤量為

Wsave=QD/μb

(1)

式中：QD為風(fēng)電供熱地區(qū)日供熱量， MW· h；μb為燃煤鍋爐機組生產(chǎn)1MW· h熱量的耗煤量。

當(dāng)消耗電量不全是“棄風(fēng)”時，節(jié)煤效益將會下降。風(fēng)電供熱增加的消納電量與電熱鍋爐總耗電量的比值定義為λ(0≤λ≤1)，則日減少棄風(fēng)電量為QD·ηgl·λ，相應(yīng)的火電機組增加出力為QD·ηgl· (1-λ)，實現(xiàn)節(jié)煤

Wsave=QD/μb-QD·ηgl· (1-λ)

(2)

式中：μp為火電機組生產(chǎn)1MW· h熱量的耗煤量，一般μp為μb的1/2。

當(dāng)ηgl=1，μp/b=1/2時，Wsave與λ之間的關(guān)系曲線如圖10所示。

圖10 Wsave隨λ變化的關(guān)系Fig.10 Relationship of Wsave changing with λ

從圖10可見，λ的大小直接影響了風(fēng)電供熱的節(jié)煤效益。當(dāng)λ為1時，節(jié)煤量最大，為-QD/μb；當(dāng)λ為0.5時，節(jié)煤量降為0，風(fēng)電供熱將無節(jié)煤效益；當(dāng)λ為0時，節(jié)煤量最小，即完全通過火電機組燃煤生產(chǎn)的電轉(zhuǎn)換成熱，能源利用效率低，比風(fēng)電供熱前還多增加煤耗QD/μb。

分析其節(jié)煤效益時，不能簡單的以其消納的風(fēng)電量計算煤量，還需要根據(jù)實際的運行情況進行計算分析。當(dāng)前黑龍江省棄風(fēng)問題嚴重，風(fēng)電供熱短期內(nèi)具有明顯的節(jié)煤效益；但隨著黑龍江省電網(wǎng)向外輸送電量增加，電動汽車、負荷管理等手段的不斷增強和完善，黑龍江省電網(wǎng)棄風(fēng)電量將不斷減少，其節(jié)煤效益也存在不確定性，因此，風(fēng)電供熱的長期經(jīng)濟效益有待商榷，需要在一個更長周期內(nèi)綜合考慮電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃進行分析。

4.2 社會效益分析

采用風(fēng)電供熱，取代了傳統(tǒng)燃煤鍋爐對城鎮(zhèn)居民供熱，增加了當(dāng)?shù)氐挠秒娏?，尤其在夜間負荷低谷時段，提高風(fēng)電就地消納水平，緩解了黑龍江電力向外輸出的壓力，從需求側(cè)入手，降低電網(wǎng)對風(fēng)電調(diào)峰及消納的難度，對黑龍江省風(fēng)電的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

當(dāng)前階段風(fēng)電供熱一定程度上緩解了黑龍江省棄風(fēng)嚴重的問題，也節(jié)省了煤耗量，減少了二氧化碳、二氧化硫、煙塵、煤渣的排放，對霧霾治理有一定幫助，體現(xiàn)了很好的環(huán)境效益。

5 結(jié) 論

采用風(fēng)電供熱，可以增加用電負荷，提高風(fēng)電在本地消納的能力，夜間用電負荷低谷時段尤其明顯。風(fēng)電供熱客觀上很難完全解決低谷風(fēng)電消納問題，原因在于風(fēng)電低谷出力與電熱鍋爐負荷不能完全匹配。風(fēng)電供熱增加的消納電量與電熱鍋爐總耗電量的比值決定著煤耗量，當(dāng)電網(wǎng)棄風(fēng)電量不斷減少時，其節(jié)煤效益將降為零甚至惡化。當(dāng)前在尚無其它更優(yōu)方案的前提下風(fēng)電供熱可在一定程度上解決黑龍江省棄風(fēng)問題，使用風(fēng)電電力給龍江省各城市供熱，是近期解決黑龍江省低谷風(fēng)電消納難題的有效途徑，因此風(fēng)電供熱仍具有大規(guī)模推廣的必要性。

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Wind power consumptive capacity and benefit analysis for wind power heating at the valley period in Heilongjiang

WU Deyou

(Datang Harbin No.1 Thermal Power Plant, Harbin 150078, China)

The principle and scheme of wind power heating are expounded and then the operation mode of wind power heating is summarized as well as the impact of wind power heating on wind power consumptive capacity at the valley period, and economic benefits of coal reduction, social benefits and its application prospects are analyzed by combining with the reason of “fan suspension in wind farm” in Heilongjiang province, the structure of power grid and the characteristics of existing domestic wind power heating. The results show that although wind power heating has limited capacity to deal with suspended fan of wind farm and the influence of benefit by coal saving is obvious due to suspended wind volume, the wind power heating can effectively consume wind power of suspended fan at the valley period of heating. The research results shows a certain positive significance on practical application of wind power heating in Heilongjiang.

wind power heating; wind power consumption; operating mechanism; coal saving benefit

2017-06-23；

2017-10-27。

吳德友(1973—)，男，助理工程師，主要從事電廠熱能動力，基建前期工作。

TM614

A

2095-6843(2017)06-0551-06

(編輯陳銀娥)