電解鋁企業(yè)參與棄風(fēng)消納可行性與經(jīng)濟性分析

王 勇,仲維洋,佟永吉,朱洪波,陳明豐

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819)

霍爾-埃魯特(H-H)電解鋁法長期是工業(yè)上大規(guī)模冶鋁的方法。目前,現(xiàn)代大型預(yù)焙陽極鋁電解槽電流強度達(dá)到500 kA,電流效率超過92%～95%,直流電耗約為12,000～13,500 kWh/t-Al[1]。但是,按照電解鋁的生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié),其生產(chǎn)成本包括用電成本、氧化鋁原料成本、制造成本和管理成本等。電解鋁行業(yè)作為電力密集型產(chǎn)業(yè),其成本中電力成本約占30%～45%,這一現(xiàn)狀直接導(dǎo)致電力成本成為了電解鋁企業(yè)的競爭力或者能否生存的重要因素。而在電力方面,電解鋁企業(yè)的用電來源包括自備電站與國家電網(wǎng),通常國家電網(wǎng)的電價要比具有能源優(yōu)勢的自備電站電費價格高。因此,中國的電解鋁企業(yè)主要以自備火電機組發(fā)電為主,電價與煤價相關(guān)聯(lián),降低電解鋁成本的主要途徑是工藝技術(shù)的進步和原材料、能源的消耗,然而根據(jù)消耗結(jié)構(gòu)分析,降低能源成本是最有效途徑。即將電解鋁廠建在能源富集的地區(qū),這樣可以比較容易獲得較低的電價。

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用,風(fēng)電機組裝機數(shù)量日漸增加,由于風(fēng)力發(fā)電的隨機性和波動性,風(fēng)力資源富足地區(qū)面臨著大規(guī)模風(fēng)電上網(wǎng)困難的問題,常常發(fā)生棄風(fēng)現(xiàn)象。棄風(fēng)是一種資源浪費,考慮到電解鋁企業(yè)擁有自備電站,火電機組具有調(diào)整自身出力接納棄風(fēng)電量的能力,而且這部分棄風(fēng)電價可以忽略不計,二者的結(jié)合可以在降低企業(yè)用電成本的同時減少資源的浪費。因此,電解鋁企業(yè)參與棄風(fēng)消納具有很多重要意義。

1 電解鋁企業(yè)負(fù)荷特點

1.1 耗電量大

據(jù)統(tǒng)計,我國某些高耗能企業(yè)的生產(chǎn)用電量每年可達(dá)幾千萬千瓦時,電解鋁企業(yè)可達(dá)到幾十億上百億千瓦時甚至更多。例如一個年產(chǎn)90萬噸鋁的電解鋁企業(yè),年耗電量約為120億度電?？梢娖浜碾娏恐薮?如果該企業(yè)采取電網(wǎng)購電方式進行生產(chǎn),對企業(yè)利潤有很大影響,因此自備電站對大型電解鋁企業(yè)點對點直接供電不僅可以有效降低用電成本,也可以減輕電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)[2]。

1.2 負(fù)荷率高

電解鋁屬于連續(xù)生產(chǎn)型企業(yè),在生產(chǎn)過程中需要平穩(wěn)地不間斷地供給電能,所以在正常生產(chǎn)情況下,電解鋁廠的直流負(fù)荷以及其他輔助生產(chǎn)系統(tǒng)為一級負(fù)荷,占據(jù)了總負(fù)荷的95%以上。電解槽正常工作時槽溫960 ℃,電流90%～100%;當(dāng)電流低于90%時沒有產(chǎn)量;電流在70%～90%之間處于保溫狀態(tài);電流低于70%電解槽降溫。因此,發(fā)生停電事故時,冬季3～4小時(夏季7～8小時)電解槽就會凝固造成巨大損失。因此,自備電站需要有備用電源,在發(fā)生停電事故或者是機組維修時可以為負(fù)荷提供不間斷電能,減少停電與減電時間。

1.3 負(fù)荷穩(wěn)定

生產(chǎn)過程中的直流負(fù)荷在沒有發(fā)生陽極效應(yīng)時,電解電流穩(wěn)定,電流曲線近似為一條直線。某鋁廠日負(fù)荷曲線如圖1所示,圖中出現(xiàn)的波動是由于鋁廠定期出爐導(dǎo)致的波動,屬于正常且較少的波動。單個電解槽陽極效應(yīng)電壓大小為20～35 V,發(fā)生頻率約為0.5次/月,由于企業(yè)中有多個電解槽同時工作,其產(chǎn)生的負(fù)荷沖擊次數(shù)頻發(fā),盡管如此,對生產(chǎn)的負(fù)荷沖擊一般不超過滿負(fù)荷情況下的3%～5%。因此,電解鋁企業(yè)用電負(fù)荷十分穩(wěn)定,且按照計劃生產(chǎn)負(fù)荷預(yù)測也十分精準(zhǔn)。

圖1 某鋁廠日負(fù)荷曲線

2 自備電站特點及棄風(fēng)特性

2.1 自備電站特點

(1)一般選擇在煤炭富集地區(qū),負(fù)荷包括電解鋁企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)負(fù)荷以及廠用電負(fù)荷。供電質(zhì)量要求具有充裕性與安全性。

(2)孤網(wǎng)運行時面臨很大挑戰(zhàn),電網(wǎng)內(nèi)頻率波動十分頻繁,尤其是在負(fù)荷發(fā)生波動時。其他風(fēng)險包括:機組出力與負(fù)荷動態(tài)平衡困難、電機負(fù)荷沖擊電流、如何快速恢復(fù)停電后的供電問題等。

(3)廠備電網(wǎng)需要發(fā)電站、輸電線、變壓器、用電設(shè)備等組成,發(fā)電機-輸電線-負(fù)荷協(xié)調(diào)匹配是保證電網(wǎng)安全平穩(wěn)運行的主要手段。

2.2 棄風(fēng)特性

風(fēng)力發(fā)電具有隨機性與波動性,預(yù)測困難,這一系列特點容易導(dǎo)致棄風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生。對歷史數(shù)據(jù)進行研究可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)電具有一定規(guī)律性,對應(yīng)著有一定的用電特性,結(jié)合起來形成的特性就是棄風(fēng)特性,可以用風(fēng)力的分布時間、風(fēng)力大小和持續(xù)時間等反應(yīng)。

“冬大夏小、夜高晝低”是遼寧省風(fēng)力資源的特性,圖2為遼寧省2013～2017年月度棄風(fēng)曲線,圖3為某日發(fā)生的棄風(fēng)功率曲線,其發(fā)生時間是周期性的,冬季多于夏季,夜間多于白天。隨著大規(guī)模風(fēng)電的并網(wǎng),消納棄風(fēng)手段的增多,棄風(fēng)率已經(jīng)大大降低。但消納空間仍然有限,有一部分可觀的綠色資源被浪費,合理利用這部分資源將為企業(yè)節(jié)省部分電能成本[3]。

圖2 2013～2017 年月度棄風(fēng)曲線

圖3 2013～2017年某天棄風(fēng)功率

3 電解鋁企業(yè)消納棄風(fēng)方案

3.1 可行性分析

風(fēng)電場發(fā)電功率具有隨機性和間歇性,因此對于風(fēng)力發(fā)電出力控制是個難題,保證電網(wǎng)的安全和大量接納風(fēng)電比較困難,需要與一定規(guī)模的常規(guī)火電機組進行配合調(diào)峰,利用火電機組本身的調(diào)節(jié)能力實現(xiàn)對風(fēng)電出力的補償,平抑波動性,從而滿足負(fù)荷對電能質(zhì)量的需求。而風(fēng)電與火電的配合主要依據(jù)兩個關(guān)鍵因素:一是風(fēng)電出力的變化率與火電機組爬坡速率相配合,這決定了二者的組合能否輸出穩(wěn)定的電能;二是火電機組的最大調(diào)節(jié)能力即調(diào)峰水平,這決定了可以消納風(fēng)電的最大量。

對于小型電解鋁廠或者是在電解鋁企業(yè)建成初期,年產(chǎn)量只有22.5萬噸與45萬噸階段,由于機組容量只有700～1500 MW,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)單一,抗風(fēng)險能力弱,在規(guī)模較小階段不考慮接納棄風(fēng)電量。對于電解鋁企業(yè)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到90萬噸時,總裝機容量為2100 MW,一臺350 MW機組為檢修備用機組,運行時機組容量為1750 MW,則棄風(fēng)電量的最大接納量約為875 MW?；痣姍C組調(diào)峰能力方面,最大調(diào)峰范圍取決于鍋爐不投油的最低負(fù)荷,汽輪機組出力調(diào)整速率為3%/min～5%/min,風(fēng)力發(fā)電1 min最大功率的變化不超過機組最大容量的10%。當(dāng)企業(yè)建成310萬噸電解鋁規(guī)模時,其消納棄風(fēng)的能力更加突出[4]。

綜上分析可得,擁有自備電站的大型電解鋁企業(yè),達(dá)到90萬噸電解鋁規(guī)模,自備電站擁有一定規(guī)模和抵御風(fēng)險的能力,可以參與到棄風(fēng)電量的消納,而且棄風(fēng)電量的電價成本可以忽略,因此可以實現(xiàn)企業(yè)用電成本最低利潤最大化,減少資源浪費。

3.2 模型構(gòu)建

自備電站火電機組具有一定的調(diào)峰能力,電解鋁企業(yè)正常工作時負(fù)荷穩(wěn)定,所以在預(yù)測到棄風(fēng)電量的情況下可以調(diào)整火電機組的出力情況,在保證企業(yè)負(fù)荷用電的前提下,接納一部分棄風(fēng)電量,減少煤耗量降低生產(chǎn)中的電力成本。電解鋁企業(yè)孤網(wǎng)運行架構(gòu)如圖4所示[5]。

3.3 目標(biāo)函數(shù)

當(dāng)棄風(fēng)電量參與到電解鋁企業(yè)的生產(chǎn)負(fù)荷當(dāng)中時,棄風(fēng)電量的電價忽略不計,企業(yè)的用電成本要達(dá)到更低,則是讓企業(yè)接納棄風(fēng)量最大[6],因此構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)為:

(1)

式中:T——調(diào)度的總時間,本文采用的是一天;

f1——電解鋁企業(yè)參與消納棄風(fēng)后企業(yè)接納的棄風(fēng)電量,MWh;

PW,W,t——t時段電解鋁企業(yè)消納的風(fēng)電功率，MW。

圖4 電解鋁企業(yè)孤網(wǎng)架構(gòu)

3.4 約束條件

(1)電功率平衡約束

PW,t=PW,G,t+PW,W,t

(2)

式中:PW,G,t——t時段火電機組發(fā)電功率,MW;

PW,t——t時段電解鋁廠電負(fù)荷需求,MW。

(2)火電機組出力約束

PG,j,min≤PG,j,t≤PG,j,max

(3)

式中:PG,j,min、PG,j,max——分別是第j臺火電機組輸出電功率的最小值和最大值,MW。

(3)風(fēng)電機組出力約束

0≤PW,Win,t≤PPRW,max

(4)

式中:PW,Win,t——風(fēng)電出力,MW;

PPRW,max——風(fēng)電功率的最大值,MW。

(4)機組爬坡約束

-△PG,i,down≤PG,i,t-PG,i,t-1≤△PG,i,up

(5)

式中:△PG,i,down、△PG,i,up——分別是第i臺火電、風(fēng)電機組在t時刻的電功率下降和上升的量。

4 仿真分析

為了驗證本文提出的電解鋁企業(yè)參與棄風(fēng)消納的可行性與經(jīng)濟性,以年產(chǎn)量90萬噸鋁企業(yè)自備電站數(shù)據(jù)與生產(chǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù)為例,采用遼寧某風(fēng)電場棄風(fēng)數(shù)據(jù)進行模擬仿真。

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1)電解鋁企業(yè)自備電站數(shù)據(jù)

采用某90萬噸電解鋁企業(yè)自備電站數(shù)據(jù)來進行仿真,總負(fù)荷約為1360 MW,總裝機容量為6×350 MW[7],備用容量為一臺火電機組(350 MW),其電站配置數(shù)據(jù)如表1所示,機組調(diào)節(jié)能力如表2所示。

表1 根據(jù)機組出力調(diào)整風(fēng)電接納能力表

表2 火電機組調(diào)節(jié)能力表

(2)棄風(fēng)數(shù)據(jù)

該風(fēng)電場裝機容量為400 MW,冬季供暖期約有1500個時段存在棄風(fēng),棄風(fēng)率為52.4%,屬于嚴(yán)重棄風(fēng)狀態(tài)。

棄風(fēng)在各個時段都有發(fā)生,但是在夜間低谷時功率更大,次數(shù)更多,平均功率更大。圖5為某日內(nèi)平均棄風(fēng)功率曲線。

圖5 某日內(nèi)平均棄風(fēng)功率

圖6給出了典型大風(fēng)周與小風(fēng)周棄風(fēng)功率曲線圖。在大風(fēng)周經(jīng)常大功率長時段的棄風(fēng),小風(fēng)周則是長時段無棄風(fēng)。該棄風(fēng)特性會影響到火電機組的調(diào)峰計劃,火電機組不可能頻繁的大跨度改變功率,會造成燃料損耗并且頻繁調(diào)整火電出力會減少其使用壽命并且容易造成故障損壞。因此,利用火電機組的調(diào)峰能力接納棄風(fēng)電量需要對風(fēng)電出力做出預(yù)測,并且做出相應(yīng)的火電機組出力計劃。

圖6 棄風(fēng)功率時序曲線

為驗證電解鋁企業(yè)參與棄風(fēng)消納的經(jīng)濟性,設(shè)計仿真在棄風(fēng)占比最高的供暖季進行。供暖期由于熱電機組在北方地區(qū)具有以熱定電的限制,導(dǎo)致風(fēng)電上網(wǎng)量被急劇壓縮,選擇此時段進行仿真具有典型意義。

4.2 仿真結(jié)果及經(jīng)濟性分析

根據(jù)所給數(shù)據(jù),根據(jù)往年該風(fēng)電場棄風(fēng)數(shù)據(jù)和自備電站火電機組的調(diào)峰能力可得到,在整個供暖期該電解鋁企業(yè)通過火電機組的調(diào)峰共消納棄風(fēng)電量238,076 MWh。

根據(jù)純凝火電機組的發(fā)電單位煤耗量可以計算出節(jié)煤效果,取純凝火電機組的發(fā)電煤耗量為320 g/kWh,可以計算得到在供暖期間節(jié)省的煤耗量為76,184噸,以燃煤價格500元/t計算,得到該供暖期棄風(fēng)量在全年最大時間段內(nèi)可以有效節(jié)省企業(yè)用電成本38,092萬元。以90萬噸產(chǎn)量電解鋁企業(yè)耗電量為120億度電來計算,在該供暖期間電解鋁企業(yè)消納的棄風(fēng)電量占到了總用電成本的1.98%左右,達(dá)到了不錯的經(jīng)濟效益。

在整個運行期間內(nèi),該風(fēng)電場棄風(fēng)電量并沒有達(dá)到電解鋁企業(yè)最大接納風(fēng)電量,所以還可以和多個風(fēng)電場進行合作。隨著新能源發(fā)電的大規(guī)模涌入,風(fēng)電規(guī)模將進一步擴大,總體上棄風(fēng)率在下降,但是棄風(fēng)電量仍然具有很大一部分。對于電解鋁企業(yè)用電成本來說,使用火電機組調(diào)峰接納大量棄風(fēng)電量可以有效降低企業(yè)用電成本,達(dá)到更好的經(jīng)濟性。

5 結(jié) 語

我國電解鋁行業(yè)經(jīng)過六十多年的發(fā)展,生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)是世界領(lǐng)先水平,節(jié)能降耗也已經(jīng)取得成效,鋁生產(chǎn)量與消費量全球第一。電解鋁企業(yè)是高耗能型產(chǎn)業(yè),面對嚴(yán)苛的節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)以及大力發(fā)展的新能源發(fā)電領(lǐng)域,兩者有機的結(jié)合是未來電解鋁行業(yè)發(fā)展的研究方向。

本文從電解鋁企業(yè)用電成本考慮,通過引入新能源風(fēng)電使用棄風(fēng)電量降低用電成本。大型電解鋁企業(yè)自備電站具有一定裝機容量,可以抵御生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一些用電風(fēng)險,并且擁有一定的調(diào)峰能力,本文對電解鋁企業(yè)參與棄風(fēng)消納的可行性進行了相關(guān)分析,并在算例中驗證了其具有經(jīng)濟性,企業(yè)將進一步降低用電成本,同時減少資源浪費,為電解鋁企業(yè)成本控制提出了新的解決辦法。