風(fēng)電項(xiàng)目能耗核算與節(jié)能技術(shù)措施研究

張體強(qiáng)，楊 迎，皮江紅

(1.四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610041；2.湖北省電力勘測設(shè)計院,湖北 武漢 430040)

風(fēng)能屬于可再生清潔能源。近年來,我國風(fēng)電發(fā)展迅速,連續(xù)幾年裝機(jī)容量增長率超過100%。截至2012年底,我國風(fēng)電總裝機(jī)容量已位居世界第一,約75324.2 MW。風(fēng)電場能耗主要是電耗,風(fēng)電場場用電率代表了風(fēng)電場能耗水平,直接影響著風(fēng)電場上網(wǎng)電量。采取有效措施降低場用電率可以給風(fēng)電企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,緊靠國家建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的目標(biāo)。

1 風(fēng)電場能耗現(xiàn)狀

風(fēng)電場建設(shè)屬于新能源開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目。風(fēng)力發(fā)電主要工藝流程為：風(fēng)力機(jī)組發(fā)電—1kV低壓電纜—箱式變壓器—集電線路—主變壓器(及無功補(bǔ)償裝置)—主電網(wǎng)；利用風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,再通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,通過集電線路的將電能匯集,再通過升壓站送入主網(wǎng)。風(fēng)電場運(yùn)行期間主要消耗風(fēng)能、電能、汽油和水。

風(fēng)能是可再生能源,不同于煤炭、石油等一次能源。在節(jié)能評估工作中,風(fēng)電場風(fēng)能不計作投入能源消耗。

電能消耗主要是維持風(fēng)電場正常運(yùn)行的生產(chǎn)用電、運(yùn)維人員生活用電。其中生產(chǎn)用電包括變壓器(升壓站內(nèi)主變、站用變及箱式變壓器)變電損耗、集電線路輸電、無功補(bǔ)償裝置損耗及輔助生產(chǎn)設(shè)施用電；生活用電主要包括照明、暖通、給排水等生活設(shè)施用電。風(fēng)電場電耗與風(fēng)電場裝機(jī)規(guī)模、設(shè)備及管理水平有關(guān)系。

水資源屬于耗能工質(zhì),主要供站區(qū)內(nèi)職工生活飲用水、洗滌用水、消防用水。風(fēng)電場水耗主要與運(yùn)維人員數(shù)量有關(guān)。

汽(柴)油消耗是指檢修車輛工作中的油耗。油耗主要與車輛及場內(nèi)檢修道路長度有關(guān)。

風(fēng)電場水資源消耗和汽(柴)油消耗較少,一般占風(fēng)電場綜合能耗不到1%。因此,風(fēng)電場綜合能耗主要關(guān)注電力消耗,風(fēng)電場電力消耗可以用場用電率進(jìn)行量化。風(fēng)電場場用電率可以有效涵蓋風(fēng)電場自身用電設(shè)備、集電線路及變電設(shè)備的能效指標(biāo)。當(dāng)采用先進(jìn)節(jié)能的用電設(shè)備及有效地節(jié)能管理措施,風(fēng)電場的綜合場用電率能夠控制在5%以下的水平。因?yàn)樾袠I(yè)的特殊性,目前國家和行業(yè)都沒有專門指定的風(fēng)電場單位產(chǎn)品能耗指標(biāo)與場用電率水平。根據(jù)投運(yùn)的風(fēng)電場調(diào)查顯示,風(fēng)電場綜合場用電率一般為3%～5%,且隨著投運(yùn)時間呈逐年增加趨勢。根據(jù)統(tǒng)計調(diào)查,大唐集團(tuán)在四川涼山州開發(fā)建設(shè)的普格?？陲L(fēng)電場,投運(yùn)期間統(tǒng)計場用電率為2.59%；中廣核集團(tuán)在四川射陽開發(fā)建設(shè)的射陽風(fēng)電場,投運(yùn)期間統(tǒng)計場用電率為2.75%。

2 風(fēng)電場能耗計算

風(fēng)電場運(yùn)行期間主要消耗風(fēng)能、電能、汽(柴)油和水,其中風(fēng)能不計作能源消耗。

2.1 電耗計算

(1)風(fēng)機(jī)自用電

風(fēng)機(jī)自用電是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能過程中,為了維持其正常運(yùn)轉(zhuǎn),機(jī)組各設(shè)備用電,包括變槳系統(tǒng)用電、偏航系統(tǒng)用電、機(jī)艙換熱系統(tǒng)用電、塔筒內(nèi)電纜損耗等,其中耗能部件主要集中在塔筒內(nèi)電纜損耗。

目前,市場上廣泛使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單臺規(guī)?；緸?1.5～2.0)MW,2.5 MW、3.0 MW應(yīng)用較少,3.6 MW等更大容量的風(fēng)電機(jī)組基本尚未投入生產(chǎn)使用。

風(fēng)機(jī)自用電計算公式如下：

式中：Ec為風(fēng)機(jī)自用電(kWh/a)；Pi為單項(xiàng)用電設(shè)備負(fù)荷(kW)；Ti為單項(xiàng)用電設(shè)備運(yùn)行小時數(shù)(h)；α為需要系數(shù)。

(2)變電過程電耗

風(fēng)電場采用“一機(jī)一變”的發(fā)電模式,箱式變壓器容量主要依賴于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單臺規(guī)模。目前,風(fēng)電場的變電設(shè)備主要包括箱式變壓器、升壓站內(nèi)主變壓器、站用變壓器及接地變壓器等。變壓器損耗計算方法可參考。

升壓站內(nèi)主變?nèi)萘恐饕Q于風(fēng)電場總裝機(jī)容量。據(jù)統(tǒng)計,單臺50 MW主變壓器年電力損耗大概約40萬kWh～60萬kWh。

站用變壓器一般容量較小,主要為滿足升壓站內(nèi)正常生產(chǎn)負(fù)荷、運(yùn)維人員生活負(fù)荷。

(3)輸電過程電耗

輸電線路電耗主要是集電線路損耗、風(fēng)機(jī)至箱變的低壓線纜損耗及升壓站內(nèi)電纜線路損耗。線路損耗一般由電暈損耗、電阻損耗和絕緣子的泄漏損耗等組成,其中占比最大的是電阻損耗,電暈損耗、泄漏損耗的數(shù)量較小。輸電線路損耗計算方法可參考。一般而言,集電線路能耗不超過占年發(fā)電量1%。

(4)無功補(bǔ)償裝置耗電

目前,風(fēng)電場無功補(bǔ)償廣泛采用MCR型與SVG型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。無功補(bǔ)償裝置的耗電主要與容量及設(shè)備選型和風(fēng)電場年最大利用小時數(shù)有關(guān)。以SVG動態(tài)無功補(bǔ)償裝置為例,一般成套SVG動態(tài)無功補(bǔ)償裝置損耗率約為0.8%。

風(fēng)電場輔助生產(chǎn)設(shè)施用電主要是升壓站用電,包括控制、信號、保護(hù)等設(shè)備用電,如開關(guān)柜、設(shè)備電源等。風(fēng)電場輔助生產(chǎn)設(shè)施用電量主要與升壓站電壓等級、規(guī)模及自動化程度有關(guān),目前升壓站廣泛使用的配電裝置包括AIS型配電裝置和GIS型配電裝置,其中GIS型配電裝置具有占地少、節(jié)能效果好等特點(diǎn)。輔助生產(chǎn)設(shè)施用電計算公式如下：

式中：Ec為風(fēng)電場輔助生產(chǎn)設(shè)施用電(kWh/a)；Pi為單項(xiàng)用電設(shè)備負(fù)荷(kW)；Ti為單項(xiàng)用電設(shè)備運(yùn)行小時數(shù)(h)。

(6)生活設(shè)施用電

風(fēng)電場生活設(shè)施用電主要是為了滿足風(fēng)電場運(yùn)維人員用電,包括生活區(qū)暖通系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)用電、插座用電等。生活設(shè)施用電計算公式如下：

式中：Ec為風(fēng)電場生活設(shè)施用電用電量(kWh/a)；Pi為單項(xiàng)用電設(shè)備負(fù)荷(kW)；Ti為單項(xiàng)用電設(shè)備運(yùn)行小時數(shù)(h)；0.7為負(fù)荷系數(shù)。

實(shí)際運(yùn)行中,風(fēng)電場生活設(shè)施用電需考慮設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時間、運(yùn)行方式、效率及運(yùn)行環(huán)境等。以設(shè)備的效率為例,對于水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備,需考慮設(shè)備效率；對于空調(diào),需考慮能效比等。

2.2 水耗

風(fēng)電場水源一般使用市政供水或者取用地下水,主要供風(fēng)電場運(yùn)維人員生活用水、洗滌用水、消防用水。

生活用水主要取決于風(fēng)電場生產(chǎn)定員。一般而言,風(fēng)電場生活用水量定額可參照項(xiàng)目所在地給排水定額。消防用水取決于消防設(shè)計水量及年運(yùn)行時間。一般而言,消防年運(yùn)行時間不超過5 h。

自為之力的守正，在于其為學(xué)為藝，一路恪守中國傳統(tǒng)繪畫的正道，不隨意追風(fēng)，借端革舊維新而旁門外道規(guī)避傳統(tǒng)工筆繪畫藝術(shù)修為的必歷之艱。羅春輝不僅長于熟紙、熟絹上重彩，其生紙、生絹上的寫意、沒骨和水墨等技法的掌握也極為嫻熟，這與他自接觸丹青以來，便始終堅定自持，卓爾不群，虔敬正誠地循主流正途，在探索、創(chuàng)新的同時，不忘苦修傳統(tǒng)功夫有極大關(guān)系。觀其作品《玄嶺碩秋》《晨靄》《苗嶺冬雪》等畫中動物與樹木造型的精準(zhǔn)表現(xiàn)顯示其傳統(tǒng)功夫深厚。將山水、花鳥同置于畫，尚能做到融合自然、主次分明、虛實(shí)得當(dāng)且意境宏闊，更顯示其長期善于研精究微、思考畫理、錘煉筆墨和琢磨技巧的守正之功，以至汲得大成自我的百家滋養(yǎng)。

2.3 汽(柴)油耗

風(fēng)電場汽(柴)油耗主要是運(yùn)維車輛運(yùn)行檢修過程中的油耗。油耗主要與風(fēng)電場道路長度及運(yùn)維次數(shù)相關(guān)。

3 風(fēng)電場主要節(jié)能措施研究

3.1 強(qiáng)化風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃與開發(fā)管理

目前,我國風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃滯后于實(shí)際建設(shè)規(guī)模,導(dǎo)致風(fēng)電場棄風(fēng)現(xiàn)象較為普遍。據(jù)統(tǒng)計,“十一五”期間,我國風(fēng)電裝機(jī)容量規(guī)劃水平僅為建成規(guī)模的1/7。風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性、波動性等特點(diǎn),為減少風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)的沖擊,維護(hù)并網(wǎng)穩(wěn)定性,導(dǎo)致風(fēng)電并網(wǎng)難棄風(fēng)嚴(yán)重,造成能源浪費(fèi),如內(nèi)蒙古,僅2009年未收購風(fēng)電站總裝機(jī)容量的72%；17.3%；2012年全國風(fēng)電裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的5.3%,但發(fā)電量僅占比2.0%。同時,國內(nèi)風(fēng)電場建設(shè)偏向于大規(guī)模與大裝機(jī)容量,增加了風(fēng)力發(fā)電的不確定性,增加了并網(wǎng)與電力消納難度。郭丹等研究表明,區(qū)域風(fēng)電規(guī)模增加,風(fēng)電出力同時率將隨之降低,最大增大峰谷差占當(dāng)年風(fēng)電裝機(jī)的比重逐漸降低,建議按最大增大峰谷差占當(dāng)年風(fēng)電裝機(jī)的比重按25%～30%設(shè)計考慮。因?yàn)槿狈侠淼娘L(fēng)電裝機(jī)規(guī)模和分布布置,我國風(fēng)電項(xiàng)目發(fā)電效率一直低于國外先進(jìn)水平。

3.2 設(shè)備選型節(jié)能

在現(xiàn)階段風(fēng)機(jī)制造和風(fēng)電場運(yùn)維是提升低風(fēng)速區(qū)風(fēng)電廠發(fā)電量的主要方法。在設(shè)備選型上,采用節(jié)能型設(shè)備,使用滿足國家能效要求的變壓器、無功補(bǔ)償裝置及各種站內(nèi)用電設(shè)備等能夠有效地降低場用電率,達(dá)到源頭節(jié)能的效果。合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能提高風(fēng)電場運(yùn)行經(jīng)濟(jì)型,如三相六支路單元電機(jī)并列運(yùn)行可提高運(yùn)行可靠性。110 kV升壓站采用先進(jìn)的計算機(jī)監(jiān)控自動化系統(tǒng),利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù),最大限度地優(yōu)化了電氣工程路線,達(dá)到了節(jié)能效果。

3.3 總平面布置節(jié)能

風(fēng)電場總平面布置應(yīng)考慮節(jié)能要求。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組布置時,根據(jù)地形、地勢及自然條件,考慮風(fēng)電場的送電、集電和變電方案條件,盡可能使用電纜的集電線路方式替代架空線路,減少風(fēng)電場內(nèi)電力纜線長度,不僅可以方便施工運(yùn)輸和安裝,亦可以方便運(yùn)行維護(hù),減少電力損耗和能量消耗。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組布置合理,如沿山脊或地形起伏的地方布置,布置在風(fēng)能資源較好的地方,可以獲得最大電量,合理的集電線路路徑方案,減少線路長度,從而減小了能量損失；與此同時,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組布置應(yīng)避免過于分散。

風(fēng)電場升壓站的規(guī)劃設(shè)計中,建筑設(shè)計中建筑物及主要房間盡量采用南北方向布置,充分利用陽光天然能源及自然通風(fēng)；各建筑單體在滿足工藝要求的情況下,建筑體型系數(shù)小,減少了空調(diào)、通風(fēng)的能耗。同時,使用節(jié)能型門窗,提高建筑物的保溫、隔熱性能,也能達(dá)到節(jié)能的效果。

3.4 設(shè)置合理的無功補(bǔ)償

遵循變電系統(tǒng)無功容量采取就地平衡原則,在風(fēng)電場升壓站主變低壓側(cè)加裝無功補(bǔ)償裝置,提高線路有功輸送容量,降低線損,節(jié)約運(yùn)行成本。

3.5 接入系統(tǒng)方案節(jié)能

一般而言,風(fēng)電場上網(wǎng)線路都是單獨(dú)立項(xiàng)。從整個電網(wǎng)的角度考慮,實(shí)現(xiàn)電力的就近消納,選擇低網(wǎng)損的接入系統(tǒng)方案,且接入距離最近的變電站,都能有效的減少電能損耗。高載能負(fù)荷就近消納風(fēng)電,避免了上網(wǎng)電量長距離運(yùn)輸,降低了上網(wǎng)線路及升壓站變壓器上的功率流動,相應(yīng)降低了線損和變壓器損耗。但是,在交直流交換過程中,高載能負(fù)荷會向電力系統(tǒng)注入諧波,造成諧波損耗影響電網(wǎng)損耗。李淑鑫等研究,風(fēng)電量較大的情況下,高載能負(fù)荷調(diào)峰節(jié)能效果更好,電網(wǎng)損耗更小；高載能負(fù)荷調(diào)峰也可以增加風(fēng)電場送出功率,提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。能耗最小調(diào)度模式亦能降低整個系統(tǒng)損耗,強(qiáng)化系統(tǒng)調(diào)峰能力,增加運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

結(jié)合周邊電源及變電站布置情況,合理的選擇送出線路的電壓等級能夠有效的減少外送過程的電能損耗。

3.6 加強(qiáng)風(fēng)電場運(yùn)行管理

棄風(fēng)、限電、風(fēng)電運(yùn)維都會直接影響風(fēng)電場的發(fā)電量,從而影響到風(fēng)電場上網(wǎng)電量。加強(qiáng)風(fēng)電場運(yùn)行管理,如設(shè)備系統(tǒng)的維護(hù)等,能夠有效的降低電損。設(shè)備系統(tǒng)的維護(hù)包括對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)設(shè)施系統(tǒng)定期檢查、檢修和保養(yǎng),讓設(shè)備保持在良好的運(yùn)行狀態(tài),縮短耗電設(shè)備的工作時間,減少啟停次數(shù),減少風(fēng)電場日常運(yùn)行用電。

3.7 能源計量管理

能源計量和監(jiān)測管理是節(jié)能工作的基礎(chǔ)。風(fēng)電企業(yè)應(yīng)定期對發(fā)電量、用電量等能耗指標(biāo)進(jìn)行考核,建立相應(yīng)的能源管理制度和用能責(zé)任制度。風(fēng)電場應(yīng)配備相應(yīng)的能源計量器具,并建立能源計量器具管理制度與能源計量臺帳,保證能源計量器具的配備情況,如水表、氣表、電表。各能源計量器具應(yīng)單獨(dú)計量、分表核算,并對計量器具嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行檢定,保證能源計量器具的準(zhǔn)確性。為了保證能源計量的準(zhǔn)確性和連貫性,風(fēng)電企業(yè)可對能源計量臺賬統(tǒng)計數(shù)據(jù)及報表實(shí)行電腦網(wǎng)絡(luò)化管理,組建節(jié)能管理結(jié)構(gòu)和管理網(wǎng)絡(luò),建立能源計量管理體系,形成文件,并保持和持續(xù)改進(jìn)其有效性,應(yīng)建立、保持和使用文件化的程序來規(guī)范能源計量人員行為、能源計量器具管理和能源計量數(shù)據(jù)的采集、處理和匯總。

4 結(jié)論

風(fēng)電場場用電率管理一直是風(fēng)電企業(yè)從項(xiàng)目規(guī)劃到投入生產(chǎn)的重點(diǎn)工作內(nèi)容之一。從風(fēng)電企業(yè)角度而言,降低場用電率是降低運(yùn)營成本、增加上網(wǎng)電量的重要途徑,可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。

風(fēng)力發(fā)電屬于清潔能源開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目,風(fēng)電場運(yùn)行過程中的電能來源于自身發(fā)電。從電力能源平衡的角度而言,風(fēng)電場可實(shí)現(xiàn)年外供電能,有利于改善項(xiàng)目所在地能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),有利于節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

風(fēng)電場從規(guī)劃設(shè)計階段考慮采用合理的設(shè)計方案與節(jié)能、降耗的先進(jìn)技術(shù)設(shè)備,可以提高上網(wǎng)電量,有利于資源節(jié)約和綜合利用,從源頭杜絕能源的浪費(fèi)。