李欽偉，郭 偉，張端梅，楊春時(shí)

(1.吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，長春 130022；2.長春工程學(xué)院，長春 130012)

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基于蓄熱電鍋爐的風(fēng)電消納效益研究

李欽偉1，郭 偉1，張端梅2，楊春時(shí)1

(1.吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，長春 130022；2.長春工程學(xué)院，長春 130012)

針對(duì)“三北”地區(qū)電網(wǎng)冬季供暖期面臨著大量棄風(fēng)問題，提出了蓄熱電鍋爐的風(fēng)電消納模式，介紹蓄熱電鍋爐的風(fēng)電消納原理，進(jìn)行了環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益分析，結(jié)果表明，采用蓄熱電鍋爐進(jìn)行風(fēng)電消納，既能解決棄風(fēng)問題，又能解決煤炭供熱污染物的排放問題，使用風(fēng)電替代傳統(tǒng)煤炭供熱，每年可節(jié)煤5 799.22 t，減少CO210 195.78 t、SO25.70 t、NOx41.95 t和煙塵1.92 t排放量，在補(bǔ)貼風(fēng)電場(chǎng)利用時(shí)間的前提下，項(xiàng)目資本金凈利潤率可達(dá)24.62%，環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

風(fēng)電消納；蓄熱電鍋爐；棄風(fēng)；環(huán)境效益；經(jīng)濟(jì)效益

近年來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，風(fēng)電裝機(jī)容量不斷增加。截至2014年底，中國新增裝機(jī)容量2.335×107kW，累計(jì)裝機(jī)容量1.148×108kW，均居世界第一。由于國內(nèi)風(fēng)電增長速度大大高于需求增長，系統(tǒng)調(diào)峰矛盾突出，風(fēng)電發(fā)展與電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃不協(xié)調(diào)，棄風(fēng)問題日益嚴(yán)重。大規(guī)模風(fēng)電消納一直是世界性難題，歐洲國家將依靠進(jìn)出口電能保證國內(nèi)電力平衡及采用國內(nèi)分散的熱電聯(lián)產(chǎn)進(jìn)行調(diào)峰，作為消納風(fēng)電的重要方法[1-2]。國內(nèi)在關(guān)于風(fēng)電消納方面，對(duì)建設(shè)抽水蓄能電站[3]，風(fēng)、光、水電互補(bǔ)[4-6]，水源熱泵技術(shù)[7]，電鍋爐的熱電廠[8]等風(fēng)電消納方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析、研究與評(píng)價(jià)。

吉林省2014年風(fēng)電利用時(shí)間1 501 h，平均棄風(fēng)率15%，已成為風(fēng)電棄風(fēng)限電的“重災(zāi)區(qū)”。特別是在冬季，“保熱調(diào)峰”導(dǎo)致大量的風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)停機(jī)，季節(jié)性調(diào)峰及外送困難和就地消納能力不強(qiáng)已成為嚴(yán)重制約吉林省風(fēng)電發(fā)展的最大障礙。以下針對(duì)吉林省用電負(fù)荷特點(diǎn)，分析蓄熱電鍋爐冬季供熱增加用電負(fù)荷消納棄風(fēng)的模式。

1 蓄熱電鍋爐風(fēng)電消納工作原理

蓄熱電鍋爐的風(fēng)電消納就是使蓄熱電鍋爐利用峰、谷時(shí)段電價(jià)差進(jìn)行供熱，即在谷時(shí)段供熱和蓄熱，峰時(shí)段利用蓄熱的能量進(jìn)行供熱，將風(fēng)電限電地區(qū)的風(fēng)能，通過電鍋爐的能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與集中供熱企業(yè)聯(lián)合供熱。蓄熱電鍋爐消納棄風(fēng)原理示意圖見圖1。

圖1 蓄熱電鍋爐消納棄風(fēng)原理示意圖

2 實(shí)例分析

2.1 工程基本概況

F風(fēng)電場(chǎng)位于吉林省D市中部，距離D市約50 km，規(guī)劃容量200 MW。預(yù)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)一二期年上網(wǎng)發(fā)電量為20 912×104kW·h，風(fēng)電場(chǎng)等效利用時(shí)間2 091.2 h。按照吉林省目前限電量15%考慮，風(fēng)電場(chǎng)每年棄風(fēng)電量3 136.8×104kW·h。項(xiàng)目擬在風(fēng)電場(chǎng)所在區(qū)域建熱力站，站址位于D市A鎮(zhèn)南側(cè)，處于66 kV A變電站供電區(qū)內(nèi)，電鍋爐項(xiàng)目可從A變電站經(jīng)10 kV線路受電，新建10 kV三回供電線路，長度約1.9 km。

2.2 電鍋爐選型計(jì)算

a．采暖期最大熱負(fù)荷Qmax、平均熱負(fù)荷Q和采暖期供熱總量Qz計(jì)算公式為公式(1)至公式(3)。

Qmax=qA/100

(1)

Q=Qmax(tn-tpj)/(tn-tw)

(2)

Qz=3.6Qmax·T′·24+3.6Q·(T-T′)·24

(3)

式中：q為熱指標(biāo)；A為供暖面積；tn為采暖期室內(nèi)計(jì)算溫度 ；tpj為采暖期室外平均溫度；tw為采暖期室外計(jì)算溫度；T′為極端寒冷條件供熱天數(shù)；T為采暖期供熱天數(shù)。

采暖期熱負(fù)荷計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為：熱力站對(duì)外供回水溫度分別為85～55 ℃，供回水壓力0.4 MPa。A=20×104m2；T=167天(每天24 h，極端寒冷條件供熱5天)；冬季tw=-22 ℃；tpj=-8.1 ℃；tn=18 ℃。按GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，熱力站對(duì)外供熱的建筑類型為非節(jié)能建筑，執(zhí)行建筑物采暖熱指標(biāo)q取50 W/m2。按照公式(1)至公式(3)，計(jì)算出采暖期Qmax=10 MW，Q=6.53 MW，Qz=9.70×104GJ。

b．電鍋爐容量計(jì)算。冬季D市用電峰段為7:30～11:30和17:00～21:00，共9 h；用電谷段為22:00～5:00，共7 h；其余8 h為用電平段。為盡可能多利用谷段時(shí)電量，降低運(yùn)行成本，采用全量蓄熱模式計(jì)算，即電鍋爐加熱水用電全部來自谷段的7 h。本工程擬選用電鍋爐出口水參數(shù)為1.0 MPa、180 ℃，鍋爐電功率為10 MW。需要的蓄熱電鍋爐總負(fù)荷N計(jì)算見公式(4)。

N=24·Q·k·103/(txs·n)

(4)

式中：txs為蓄熱時(shí)間，取7 h；k為熱損失附加系數(shù)，取1.05；n為電鍋爐系統(tǒng)總效率，取0.95。

根據(jù)公式(4)計(jì)算：Qmax=10 MW時(shí)，全量蓄熱電鍋爐總負(fù)荷為37 895 kW，需用3臺(tái)10 MW電極式熱水鍋爐，容量為30 000 kW，余下的熱量將采用平段加熱的方式；Q=6.53 MW時(shí)，全量蓄熱鍋爐總負(fù)荷為24 746 kW，需用3臺(tái)10 MW電極式熱水鍋爐，其中1臺(tái)48%負(fù)荷運(yùn)行，同時(shí)設(shè)置4個(gè)1 350 m3的蓄熱水罐，蓄熱水溫180 ℃。

c．采暖期用電量E計(jì)算公式為公式(5)、公式(6)。

E=Egc·(1+η)

(5)

Egc=m·P·hEB

(6)

式中：Egc為電鍋爐用電量；η為熱力站內(nèi)自用電率，取5%；m為電鍋爐臺(tái)數(shù)；P為電鍋爐功率；hEB為電鍋爐利用時(shí)間。

3臺(tái)電鍋爐利用時(shí)間980 h，每臺(tái)功率為10 MW。根據(jù)公式(5)、(6)計(jì)算，采暖期用電量為3 087×104kW·h。

3 效益分析

電鍋爐消納棄風(fēng)相當(dāng)于在風(fēng)電過剩時(shí)，利用過剩風(fēng)電為居民進(jìn)行供暖，此舉可降低冬季地區(qū)耗煤量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。由前面計(jì)算可知，F(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)每年棄風(fēng)電量為3 136.8×104kW·h，采暖期電鍋爐用電量為3 087×104kW·h。與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比，每年可節(jié)約煤炭5 799.22 t，減少CO210 195.78 t、SO25.70 t、NOx41.95 t 和煙塵1.92 t排放量。

根據(jù)地區(qū)實(shí)際情況，若沒有蓄熱電鍋爐用電量，風(fēng)機(jī)夜晚則會(huì)停機(jī)。蓄熱電鍋爐供熱主要成本包括蓄熱電鍋爐的一次性投入成本、用電成本和人力成本等。蓄熱電鍋爐建設(shè)期為1年，生產(chǎn)期為20年。用電時(shí)段分谷段、平段和峰段。谷段的用電價(jià)格為0.466元/(kW·h)，用電量2 901.78×104kW·h；平段的用電價(jià)格為0.932元/(kW·h)，用電量為154.35×104kW·h；峰段的用電價(jià)格為1.398元/(kW·h)，用電量為30.87×104kW·h。風(fēng)電場(chǎng)的上網(wǎng)電價(jià)為0.61元/(kW·h)。采用木聯(lián)能V2.0.1軟件進(jìn)行財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)，在補(bǔ)貼風(fēng)場(chǎng)490 h售電收入的狀況下，液體蓄熱價(jià)格從210元/GJ(含稅)降到28元/GJ(含稅)，資本金內(nèi)部收益率達(dá)到29.08%，資本金凈利潤率達(dá)到24.62%。

4 結(jié)論與建議

a．在國內(nèi)“三北”地區(qū)棄風(fēng)嚴(yán)重的環(huán)境下，使用風(fēng)電替代傳統(tǒng)煤炭進(jìn)行供熱，具有明顯的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，每年可節(jié)煤5 799.22 t，減少CO210 195.78 t、SO25.70 t、NOx41.95 t 和煙塵1.92 t 排放量。在補(bǔ)貼風(fēng)電場(chǎng)利用時(shí)間的前提下，項(xiàng)目資本金凈利潤率可達(dá)24.62%。

b．采用蓄熱電鍋爐消納棄風(fēng)電量，既可解決風(fēng)電棄風(fēng)問題，也可解決冬季D市的居民供暖問題，對(duì)其他地區(qū)風(fēng)電消納有一定的借鑒作用。

c．當(dāng)前風(fēng)電發(fā)展缺乏對(duì)電網(wǎng)、用戶完整的激勵(lì)政策體系。結(jié)合我國實(shí)際情況，可建立促進(jìn)低谷時(shí)段風(fēng)電消納的上網(wǎng)電價(jià)機(jī)制，電網(wǎng)投資成本回收機(jī)制等措施，推進(jìn)風(fēng)電并網(wǎng)消納工作。

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[2] 辛頌旭，張欽，白建華.西班牙風(fēng)電大比例消納的深度分析[J].能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2011，23(8)：53-56.

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(編輯 韓桂春)

Research on Wind Power Consumptive Benefits Based on Electric Heat-storage Boiler

At present, during the winter heating period, the power is facing a large number of abandoned wind problem in China's "Three North" region. This paper proposes wind power consumptive patterns of electric heat-storage boiler, analyzes wind power consumptive principle of regenerative electric boiler, carries out from the environmental and economic benefits analysis. The results showes that wind power consumptive use of regenerative electric boiler can solve the problem of abandoned wind, and can effectively solve the problem of traditional coal emissions of pollutants. It can save emissions a year of coal 5 799.22 t， reduce CO210 195.78 t， NOx41.95 t. and gas discharge 1.92 t. Under the premise of wind farm subsidies in the use of time, capital of net profit margin can reach 24.62%, the project has remarkable environmental and economic benefits.

wind power consumption; electric heat-storage boiler; abandoned wind; environmental benefits; economic benefits

2015-04-08

李欽偉(1983)，男，工程師，主要從事風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)工作。

TM614;TK229.923

A

1009-5306(2015)05-0012-02