李起航,楊鵬飛,楊玉博,王天翔
(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100095)
落實(shí)國(guó)家“30·60”雙碳戰(zhàn)略目標(biāo),促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)保持高質(zhì)量發(fā)展,為建設(shè)新型電力系統(tǒng)、構(gòu)建低碳社會(huì)夯實(shí)基礎(chǔ)。
源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化發(fā)展是電力行業(yè)堅(jiān)持系統(tǒng)觀念的內(nèi)在要求,是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展的客觀需要,是提升可再生能源開發(fā)消納水平和非化石能源消費(fèi)比重的必然選擇,對(duì)于促進(jìn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義。開展工業(yè)園區(qū)綜合智慧產(chǎn)業(yè)園區(qū)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化研究,是落實(shí)“30·60目標(biāo)”的重要舉措,通過對(duì)風(fēng)光等可開發(fā)資源的評(píng)估和對(duì)風(fēng)光出力特性的研究,合理制定方案,科學(xué)有效地指導(dǎo)新能源電量消納,提升新能源的發(fā)電電量占比,實(shí)現(xiàn)新能源的就地消納,為新能源的合理規(guī)劃開發(fā)提供技術(shù)支撐,為綜合發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建提供保障。
開展工業(yè)園區(qū)綜合智慧產(chǎn)業(yè)園區(qū)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化項(xiàng)目,打造高效能源優(yōu)化配置系統(tǒng),形成示范效應(yīng),促進(jìn)新能源開發(fā)與就地消納的協(xié)調(diào)發(fā)展。以園區(qū)穩(wěn)定的負(fù)荷為依托,充分考慮風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能調(diào)峰性能,提升負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力,結(jié)合周邊新能源開發(fā)條件和電網(wǎng)條件,擴(kuò)大新能源電力消納規(guī)模。通過新建風(fēng)電、光伏、電化學(xué)儲(chǔ)能裝置,形成穩(wěn)定可靠的源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化的供電系統(tǒng),有利于統(tǒng)籌區(qū)域內(nèi)資源,克服單獨(dú)供電帶來的不足,在保障能源供應(yīng)安全的同時(shí),形成示范效應(yīng),推動(dòng)本市能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。
在確保安全的前提下,最大化利用清潔能源,穩(wěn)步提升可再生能源電量就地消納比重,促進(jìn)電力市場(chǎng)向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型,創(chuàng)新商業(yè)模式,提升整體效益。
開展工業(yè)園區(qū)源網(wǎng)荷儲(chǔ)綜合智慧產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目,符合國(guó)家和當(dāng)?shù)厥 ⑹?、區(qū)的相關(guān)規(guī)劃,將促進(jìn)當(dāng)?shù)啬茉串a(chǎn)業(yè)創(chuàng)新,促進(jìn)發(fā)、儲(chǔ)、輸、配、售、用與智能產(chǎn)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)融合,為區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展創(chuàng)造條件。
本工業(yè)園區(qū)位于通遼市開魯縣,是自治區(qū)級(jí)工業(yè)園區(qū)、自治區(qū)承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范園區(qū)、工業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范園區(qū)。結(jié)合當(dāng)前國(guó)家倡導(dǎo)的綠色生態(tài)理念及工業(yè)綠色發(fā)展的要求,規(guī)劃定位是以玉米生物科技、綠色農(nóng)畜產(chǎn)品加工、新型清潔能源、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)“四大產(chǎn)業(yè)集群”,不斷推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈往下游延伸、價(jià)值鏈向中高端攀升,形成多極支撐、集聚發(fā)展的新型工業(yè)體系。
負(fù)荷情況:園區(qū)有生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)、背壓機(jī)、燃?xì)忮仩t等6個(gè)熱源站,總裝機(jī)容量300 MW,總供蒸汽能力1 258 t/h。蒸汽負(fù)荷總量:平均803.5 t/h、最大1 093 t/h、最小605 t/h;目前園區(qū)采暖面積約為55萬(wàn)m2,采暖折合蒸汽量40 t/h。根據(jù)園區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃,至2025年年蒸汽供應(yīng)欠缺約350 t/h。
用電負(fù)荷:目前已生產(chǎn)及在建企業(yè)年用電量3.62億度電,根據(jù)園區(qū)發(fā)展規(guī)劃,預(yù)計(jì)到2023年,用電負(fù)荷達(dá)到19.3萬(wàn)kW,年用電量16.3億kW·h;預(yù)計(jì)到2025年,用電負(fù)荷達(dá)到27.0萬(wàn)kW,年用電量22.9億kW·h。
用氫量:通過對(duì)各企業(yè)函調(diào),用氫企業(yè)多為制藥企業(yè),目前共4家企業(yè)用氫,小時(shí)總用氫量657.5 m3/h,年用氫量約486.6萬(wàn)Nm3。
變電站建設(shè)情況:目前本縣共3座66 kV變電站給園區(qū)供電,主變總?cè)萘?4萬(wàn)kVA,在建一座66 kV變電站。計(jì)劃再建設(shè)220 kV變電站1座,全部建成后工業(yè)園區(qū)將有1座220 kV和4座66 kV變電站為園區(qū)提供雙回路電源保障。
本方案將“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”項(xiàng)目作為負(fù)荷項(xiàng)目考慮,充分發(fā)揮“綠電”優(yōu)勢(shì),新能源在負(fù)荷側(cè)消納電量。
一體化項(xiàng)目中,擬采用“風(fēng)光儲(chǔ)氫”“風(fēng)光熱儲(chǔ)電”等方案,平滑日出力曲線,與負(fù)荷曲線趨勢(shì)一致,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)購(gòu)電功率與區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷曲線互補(bǔ),起到輔助調(diào)峰作用,便于主網(wǎng)的調(diào)控運(yùn)行。發(fā)揮可調(diào)負(fù)荷的響應(yīng)能力,通過儲(chǔ)能功率的響應(yīng),減少電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷的支撐需求。一體化項(xiàng)目與主網(wǎng)連接,必要時(shí)受入電網(wǎng)支撐電力,保證負(fù)荷供電安全。
為保證一體化項(xiàng)目與主網(wǎng)的物理界面清晰,本方案擬通過單點(diǎn)接入到主網(wǎng);建設(shè)一座智慧集控中心,實(shí)現(xiàn)一體化項(xiàng)目與主網(wǎng)調(diào)控關(guān)系清晰,統(tǒng)一調(diào)控管理一體化項(xiàng)目?jī)?nèi)的源、網(wǎng)、荷各元素。
一期規(guī)劃:規(guī)劃至2023年,根據(jù)園區(qū)用電量增長(zhǎng)、蒸汽需求及氫能用量等,共規(guī)劃69.5萬(wàn)kW的新能源裝機(jī),包括:50萬(wàn)kW風(fēng)電,17萬(wàn)kW光伏,2.5萬(wàn)kW太陽(yáng)能集熱。
1)其中30萬(wàn)kW風(fēng)電、2萬(wàn)kW屋頂光伏用于園區(qū)供電,滿足園區(qū)用電負(fù)荷增長(zhǎng)需求。
2)20萬(wàn)kW風(fēng)電、15萬(wàn)kW光伏、2.5萬(wàn)kW太陽(yáng)能集熱為電鍋爐制蒸汽提供用電,滿足園區(qū)近期蒸汽150 t/h負(fù)荷需求,同時(shí)利用蒸汽余熱實(shí)現(xiàn)園區(qū)供暖。
3)通過風(fēng)電、光伏進(jìn)行綠電制氫,滿足園區(qū)企業(yè)用氫需求。
4)利用園區(qū)內(nèi)兩座污水廠,建設(shè)污水源熱泵為園區(qū)提供清潔供冷,實(shí)現(xiàn)供暖2.5萬(wàn)m2。
5)儲(chǔ)能系統(tǒng):規(guī)模130 MW/260 MWh。
6)智慧能源管控平臺(tái):實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電蒸汽鍋爐,太陽(yáng)能熱水系統(tǒng),燃煤能源站、生物質(zhì)能源站、制氫站等多種能源相互補(bǔ)充,供熱、供汽、供電、供氫、儲(chǔ)能調(diào)節(jié)和調(diào)峰的靈活運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)行模式。
二期規(guī)劃:規(guī)劃至2025年,根據(jù)園區(qū)用電量增長(zhǎng)、蒸汽需求等,共規(guī)劃57.5萬(wàn)kW的新能源裝機(jī),包括:35萬(wàn)kW風(fēng)電,15+5(屋頂)萬(wàn)kW光伏,2.5萬(wàn)kW太陽(yáng)能集熱。
三期規(guī)劃:規(guī)劃至2030年,園區(qū)已建成和計(jì)劃建設(shè)的7個(gè)熱源站,其中4個(gè)為燃煤熱電、1個(gè)為生物質(zhì)熱電、1個(gè)為5 t/h燃?xì)忮仩t。4個(gè)燃煤熱電為非清潔能源供能,風(fēng)光儲(chǔ)電一體化制蒸汽方案替代其中3個(gè)燃煤非清潔能源供能,40萬(wàn)kW風(fēng)電裝機(jī)滿足園區(qū)用電需求,實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰;至2050年使用天然氣鍋爐完全替代已有燃煤鍋爐,提前實(shí)現(xiàn)碳中和。整體規(guī)劃解決方案見圖1。
內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊,風(fēng)能資源豐富,全區(qū)大多數(shù)地區(qū)具備建設(shè)百萬(wàn)千瓦級(jí),甚至千萬(wàn)千瓦級(jí)以上風(fēng)電場(chǎng)的條件,同時(shí)風(fēng)能集中在廣袤的荒漠和草原,征地、建設(shè)成本低。本項(xiàng)目工業(yè)園區(qū)綜合智慧能源項(xiàng)目風(fēng)電場(chǎng)址位于通遼市開魯縣境內(nèi),規(guī)劃裝機(jī)容量為一期500 MW,二期350 MW。取年等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)為2 900 h計(jì)算發(fā)電量,一期500 MW風(fēng)電年發(fā)電量14.5億kW·h,二期350 MW 年發(fā)電量10.15億kW·h[1],為園區(qū)企業(yè)用電、電蒸汽鍋爐用電及綠電制氫提供綠色清潔電力。
內(nèi)蒙古自治區(qū)太陽(yáng)能資源非常豐富,本工程的建設(shè)對(duì)合理開發(fā)太陽(yáng)能資源、降低該地區(qū)能耗、優(yōu)化地區(qū)資源配置具有重要意義。項(xiàng)目所在地的太陽(yáng)能資源屬于“B”類很豐富[2]。規(guī)劃20 MW屋頂光伏年均利用小時(shí)1 363.5 h,年均發(fā)電量約為2 724.2萬(wàn)kW·h,規(guī)劃300 MW 集中式光伏年均利用小時(shí)數(shù)為1 465.7 h,年均發(fā)電量為43 970萬(wàn)kW·h,為園區(qū)企業(yè)用電、電蒸汽鍋爐用電及綠電制氫提供綠色清潔電力。
在發(fā)電系統(tǒng)中配置一部分電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)施后,新能源電站在快速響應(yīng)調(diào)頻調(diào)壓、平滑功率輸出、跟蹤計(jì)劃處理、削峰填谷等方面將發(fā)揮重大作用,克服了間歇性、波動(dòng)性的問題,成為了穩(wěn)定性強(qiáng)、可調(diào)度的電源,電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)均從中受益,因而儲(chǔ)能對(duì)于保障電力可靠供應(yīng)和新能源高比例接入,實(shí)現(xiàn)“30·60”雙碳目標(biāo)意義重大。
源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化項(xiàng)目中儲(chǔ)能配置容量占風(fēng)電、光伏發(fā)電合計(jì)裝機(jī)的比例原則上不低于20%,儲(chǔ)能裝置原則上連續(xù)充電時(shí)間不低于2 h。儲(chǔ)能裝置在白天光伏發(fā)電的高峰期充電,晚上根據(jù)負(fù)荷情況逐漸放電。
從熱負(fù)荷分析,清潔能源供能站設(shè)計(jì)熱負(fù)荷300 t/h~350 t/h蒸汽,擬采用風(fēng)、光綠電并結(jié)合儲(chǔ)能利用電蒸汽鍋爐制蒸汽。根據(jù)我國(guó)太陽(yáng)能資源區(qū)劃,通遼地區(qū)屬于太陽(yáng)能資源較豐富區(qū)的Ⅱ類地區(qū),風(fēng)能資源豐富,本項(xiàng)目可以充分利用太陽(yáng)能及風(fēng)力發(fā)電綠色能源,設(shè)置電蒸汽鍋爐供蒸汽,同時(shí)采用太陽(yáng)能供熱產(chǎn)生熱水,為電蒸汽鍋爐提供80 ℃熱水,降低電耗。
規(guī)劃4臺(tái)50 MW電蒸汽鍋爐,分兩期建設(shè),一期建設(shè)2臺(tái)50 MW電蒸汽鍋爐,產(chǎn)蒸汽量150 t/h,同時(shí)配套20萬(wàn)kW風(fēng)電、15萬(wàn)kW光伏并配套儲(chǔ)能為電鍋爐供電。
規(guī)劃50 MW太陽(yáng)能供熱系統(tǒng),分兩期建設(shè),一期建設(shè)25 MW太陽(yáng)能供熱系統(tǒng),為電蒸汽鍋爐提供熱水150 t/h,設(shè)置5 000 m3太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水罐。
本項(xiàng)目可以充分利用太陽(yáng)能及風(fēng)能可再生綠色能源,設(shè)置電蒸汽鍋爐供蒸汽,采用太陽(yáng)能供熱產(chǎn)生熱水,為電蒸汽鍋爐提供80 ℃熱水,降低電耗,考慮太陽(yáng)能在冬季及陰、雨、雪天氣不能連續(xù)集熱的特點(diǎn),在此期間,采用電蒸汽鍋爐直接對(duì)外供應(yīng)蒸汽,以補(bǔ)充特殊天氣時(shí)的供熱量。
工程規(guī)劃采用風(fēng)、光綠電進(jìn)行電解制氫,國(guó)內(nèi)外常見的水電解制氫技術(shù)主要有兩種:一是堿性水電解制氫技術(shù);二是質(zhì)子交換膜(PEM)電解純水制氫技術(shù)??紤]到本工程的電力來源穩(wěn)定,綜合用氫量、制氫成本以及技術(shù)成熟度等因素,本工程規(guī)劃按堿性電解水制氫工藝考慮。
根據(jù)園區(qū)統(tǒng)計(jì),各企業(yè)小時(shí)總用氫量657.5 Nm3/h,年用氫量約486.6萬(wàn)Nm3。根據(jù)電力來源及時(shí)間,本工程規(guī)劃建設(shè)2×500 Nm3/h堿性水電解制氫系統(tǒng),每天運(yùn)行小時(shí)數(shù)約16 h,并配套純化、壓縮及長(zhǎng)管拖車充裝系統(tǒng),為園區(qū)企業(yè)提供高純氫氣。氫氣純度達(dá)到99.999%。氫氣運(yùn)輸方式采用長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸,由氣體公司負(fù)責(zé)。
城市污水是工業(yè)廢水與生活污水的總和,是城市余熱型可再生清潔能源,包括城市原生污水與二級(jí)出水,是一種理想的低位冷熱源。
園區(qū)污水處理及中水回用工程分為北區(qū)和東區(qū)污水處理及中水回用工程。目前存在產(chǎn)生污水的重點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)6家,污水管網(wǎng)已經(jīng)覆蓋園區(qū)各企業(yè),企業(yè)生產(chǎn)污水全部排入開魯城鎮(zhèn)污水處理廠,入園企業(yè)日外排污水量1.68萬(wàn)t,開魯城鎮(zhèn)污水處理廠日實(shí)際處理量2.54萬(wàn)t。
根據(jù)污水量,擬利用污水源熱泵滿足園區(qū)辦公樓、廠房冬季供暖要求,減少冬季供暖期運(yùn)營(yíng)成本。污水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行成本低,投資回收年限在可控范圍內(nèi),經(jīng)濟(jì)效益顯著,項(xiàng)目可行。
初步估算最大供熱負(fù)荷約為2 700 kW,總供熱面積約2.5萬(wàn)m2,總投資約500萬(wàn)元。按非居民供熱收費(fèi)33.6元/m2,年收入供暖費(fèi)80萬(wàn)元,實(shí)現(xiàn)園區(qū)及周邊居民清潔、綠色、低碳供能。
工業(yè)園區(qū)內(nèi)的用電負(fù)荷均為工業(yè)負(fù)荷,考慮工業(yè)負(fù)荷為連續(xù)生產(chǎn)工作制,全年利用小時(shí)數(shù)較高,工業(yè)園區(qū)規(guī)劃區(qū)域電網(wǎng)的典型工作日負(fù)荷曲線可近似看為水平直線。
2023年調(diào)峰能力:
本項(xiàng)目負(fù)荷均為工業(yè)負(fù)荷,利用小時(shí)數(shù)較高,暫考慮為6 260 h,2023年典型日最大負(fù)荷所需電力為27萬(wàn)kW,年所需電量為22.8億kWh。
在典型日,風(fēng)電和光伏出力最高峰出現(xiàn)在11:00~12:00時(shí)間段內(nèi),即35萬(wàn)kW聯(lián)合出力,風(fēng)電光伏聯(lián)合出力在0:00~7:00,以及19:00~20:00時(shí)間段內(nèi)達(dá)到最低出力,即15萬(wàn)kW。風(fēng)電和光伏聯(lián)合出力典型日發(fā)電量共計(jì)480萬(wàn)kW·h,典型日最大負(fù)荷用電量為648萬(wàn)kW·h,典型日電量缺額為168萬(wàn)kW·h,電量缺口可由蓄電池以及電網(wǎng)補(bǔ)給。
2025年調(diào)峰能力:
本項(xiàng)目負(fù)荷均為工業(yè)負(fù)荷,利用小時(shí)數(shù)較高,暫考慮為6 260 h,2025年典型日最大負(fù)荷所需電力為47萬(wàn)kW,年所需電量為39.9億kW·h。
在典型日,風(fēng)電和光伏出力最高峰出現(xiàn)在11:00~12:00時(shí)間段內(nèi),即60萬(wàn)kW聯(lián)合出力,風(fēng)電光伏聯(lián)合出力在0:00~7:00,以及19:00~20:00時(shí)間段內(nèi)達(dá)到最低出力,即34萬(wàn)kW。風(fēng)電和光伏聯(lián)合出力典型日發(fā)電量共計(jì)835萬(wàn)kW·h,典型日最大負(fù)荷用電量1 128萬(wàn)kW·h,典型日電量缺額為293萬(wàn)kW·h,電量缺口可由蓄電池以及電網(wǎng)補(bǔ)給。
本期項(xiàng)目提供的源網(wǎng)荷儲(chǔ)預(yù)測(cè)調(diào)度控制系統(tǒng)和服務(wù)平臺(tái)基于覆蓋區(qū)域的能源互聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和分析,從而使綜合能源管理智能化、集成化、遠(yuǎn)程化、圖形化。通過區(qū)域級(jí)性能計(jì)算及分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域能源的總體集成和動(dòng)態(tài)管理,以達(dá)到多種能源品種優(yōu)化配置、協(xié)同互補(bǔ),提升能源使用效率和可再生能源消納的目標(biāo)[4]。
本項(xiàng)目源網(wǎng)荷儲(chǔ)管控平臺(tái)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)分布于不同位置的風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能及各用戶負(fù)荷等集中監(jiān)控管理,并通過項(xiàng)目?jī)?nèi)數(shù)據(jù)的共享和分析、區(qū)域級(jí)性能計(jì)算及分析,提升項(xiàng)目能源綜合利用率、降低碳排放。
1)新能源利用效率分析。
本工程實(shí)施后,2025年新能源發(fā)電量30億kW·h可被消納,2030年新能源發(fā)電量60億kW·h可被消納,新能源電量消納占園區(qū)整體電量消納的70%,且本項(xiàng)目?jī)?chǔ)能配置容量占風(fēng)電、光伏發(fā)電合計(jì)裝機(jī)的20%。
2)節(jié)能減排分析。
本工程采用大量的綠色能源-太陽(yáng)能和風(fēng)能供電,既可節(jié)約煤炭資源,又可減少污染物排放。其中,到2025年新能源年發(fā)電約30億度電,與相同發(fā)電量的火電相比,相當(dāng)于每年可節(jié)約標(biāo)煤92萬(wàn)t,相應(yīng)可減少二氧化碳(CO2)約239萬(wàn)t/a,減少二氧化硫(SO2)排放量約1 719 t/a;到2030年新能源年發(fā)電約60億度電,與相同發(fā)電量的火電相比,相當(dāng)于每年可節(jié)約標(biāo)煤184萬(wàn)t,相應(yīng)可減少二氧化碳(CO2)約478萬(wàn)t/a,減少二氧化硫(SO2)排放量約3 438 t/a[5]。
3)社會(huì)效益分析。
本源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化項(xiàng)目實(shí)施后,增加了工業(yè)園區(qū)內(nèi)用電負(fù)荷的新能源占比,降低了園區(qū)內(nèi)企業(yè)的用能成本,增強(qiáng)了園區(qū)企業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,提高了地方政府的稅收收入,并改善了園區(qū)的招商環(huán)境,為園區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供了綠色新動(dòng)能。
隨著工業(yè)園區(qū)內(nèi)新增負(fù)荷的持續(xù)增長(zhǎng),項(xiàng)目分階段進(jìn)行一期、二期、三期建設(shè),通過配套風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、電鍋爐、綠電制氫、水源熱泵及燃機(jī)等調(diào)峰手段,屆時(shí)不僅可以用綠電替代原有的低效燃煤熱電的電負(fù)荷,還可以用綠色熱能替代原有燃煤熱電的熱負(fù)荷,為傳統(tǒng)化工園區(qū)的新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換提供示范樣板,并打造近零碳綠色化工園區(qū)示范點(diǎn),具有很好的示范和推廣價(jià)值。
本源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化項(xiàng)目,負(fù)荷增長(zhǎng)迅速,供電區(qū)域范圍集中,調(diào)峰手段多,風(fēng)光儲(chǔ)容量配比合理,地理區(qū)域和電網(wǎng)調(diào)度關(guān)系界面清晰,是一個(gè)典型的源網(wǎng)荷儲(chǔ)應(yīng)用場(chǎng)景,可作為電力體制改革的一個(gè)示范案例,并具有推廣價(jià)值。