劉建臣 杜春梅 董灝霞 李亞亞

(河北建筑工程學院,河北 張家口，075000)

張家口市風電電能本地消納的研究
——以河北建筑工程學院風電供暖示范工程為例

劉建臣 杜春梅 董灝霞 李亞亞

(河北建筑工程學院,河北 張家口，075000)

研究探討了張家口地區(qū)風電本地消納的模式，可行性，以及應采取的相關技術(shù)和對策.并以河北建筑工程學院風電供暖示范工程為例介紹了風電電能本地消納的應用.利用儲熱和儲能進行持續(xù)供暖，合理協(xié)調(diào)風電、輸電和用電三方利益.

風電；本地消納；供暖；儲能；儲熱

1 研究背景及意義

我國有豐富的風能資源，風能總儲量大32億千瓦.在上個世紀五十年代，我國引進風電技術(shù).在經(jīng)歷了早期示范、探索、發(fā)展與大規(guī)模發(fā)展四個階段后，風電行業(yè)規(guī)模迅速增大.風電是除水電以外，目前技術(shù)最成熟、建設成本最低，也是在未來最具有開發(fā)價值的綠色能源，因而逐漸受到重視.

2 棄風現(xiàn)象的產(chǎn)生

伴隨著風力發(fā)電建設規(guī)模的不斷擴大，風電窩電的輻射范圍和嚴重程度也隨之加大，但是由于本地消納風電的能力不足，并且外送通道不暢，導致棄風現(xiàn)象的發(fā)生在我國，風資源與用電需求存在時間和地域的不協(xié)調(diào)性，在時間上：冬季和春季風資源豐富，但用電需求少，消耗不了那么多的電，在地域上：我國的風電大負荷卻不是在風資源好的地方，電網(wǎng)尚未完善，輸送困難，導致該地區(qū)的風場常常被限電.

中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會名譽主任施鵬飛指出，解決“棄風限電”問題有兩條途徑：一是進一步完善跨區(qū)輸電通道，將更多風電從我國北部和西部輸送到東部電力負荷中心，在全國范圍內(nèi)對風電進行優(yōu)化配置；二是在風電產(chǎn)地建立風電供熱示范項目，在冬春風電生產(chǎn)旺季將可能放棄的風電利用起來，為帶有儲熱裝置的電力供暖系統(tǒng)供電，實現(xiàn)就地消納.京津唐電網(wǎng)目前消納風電能力已經(jīng)飽和，張家口市風電發(fā)展有無法高集中開發(fā)和遠距離、高電壓輸送的問題，風電輸送到其它電網(wǎng)的問題近期難以解決，由此造成的大量的棄風和限電.風電供熱項目可解決風電場棄風現(xiàn)象,風電場棄風問題并不是由于發(fā)電比例過大，而是無法消納太多的風電.有關專家認為，風電供暖是目前新探索出來解決風電消納的有效途徑之一，市場化將是其可行與必行的趨勢.本文以河北建筑工程學院風電供暖示范項目為例，研究探討張家口地區(qū)風電本地消納的模式，可行性，以及應采取的相關技術(shù)和對策.通過風電供暖將無法消納的電量利用起來，將電量利用率最大化從而解決風電本地消納問題.

3 張家口地區(qū)風電供暖的優(yōu)勢及可行性分析

張家口地區(qū)風能資源豐富，特別是在供暖時區(qū)風電的發(fā)電量大，隨著風電開發(fā)規(guī)模的擴大，風電取代燃煤熱電具有重大意義.棄風限電使用礦物燃料，一方面浪費了寶貴的清潔能源，另一方面大量的燃煤供熱造成了嚴重的環(huán)境污染，導致京津冀地區(qū)的空氣質(zhì)量不斷惡化.因此推廣風電供暖不僅解決棄風問題，而且對改善京津冀大氣環(huán)境具有重要意義.同時可以大大減少系統(tǒng)調(diào)峰的壓力，減少蓄電池組項目運行壓力.

3.1 非并網(wǎng)風電系統(tǒng)改造

風電供暖對供暖系統(tǒng)的改造重點是將原有中的燃煤鍋爐更換成電鍋爐，這方面的改造經(jīng)濟可行，且易于實現(xiàn).其次是風電并網(wǎng)改造問題，這在技術(shù)和經(jīng)濟上都有一定難度.針對風電供暖系統(tǒng)對電能質(zhì)量要求相對不高及風能的隨機性等特點，研究風電供暖系統(tǒng)的難點問題，并提出對風力發(fā)電機系統(tǒng)的一些改造方案，使風電系統(tǒng)能夠與供暖系統(tǒng)結(jié)合程度更佳，從而進一步提高風能利用率.

3.2 張家口地區(qū)供暖體系現(xiàn)狀

張家口地區(qū)冬季供暖目前由各個供熱公司、小鍋爐等分散式經(jīng)營，也就是說每個都是一個獨立的微網(wǎng)體系.而且目前絕大部分都是采用燃煤供暖，造成了周邊地區(qū)的環(huán)境惡化，對京津冀大氣環(huán)境造成一定影響.

風電供暖是解決能源浪費及環(huán)境污染的一個根本途徑，但是風電供暖的大規(guī)模推廣面臨很多難題，解決這些難題，一方面需要政府出臺相關政策，大力推動風電供暖，另一方面需要逐漸建立小規(guī)模的試點工程，逐漸推動風電供暖.

4 河北建筑工程學院風電供暖實施方案

風電供暖體系應該優(yōu)先考慮混合儲能系統(tǒng)，風電并網(wǎng)或者制熱系統(tǒng)，同時結(jié)合本地區(qū)風力白天小、夜間大的特點，得出白天利用太陽能以補償風能，以期更好的實現(xiàn)風能的穩(wěn)定性.

4.1 供熱地點概述

河北建筑工程學院地處張家口市，經(jīng)前期論證和省發(fā)改委批復，作為風電供暖的示范單位.河北建筑工程學院地質(zhì)條件較好，無不良地質(zhì)作用與環(huán)境地質(zhì)問題，地基穩(wěn)定.其占地面積59.94萬m2，總建筑面積39.29萬m2，容積率為0.57%，綠地率為43.3%.河北建筑工程學院現(xiàn)在是自己燒鍋爐供暖.所以可在原有的建設上對其改造.2015年三期項目完成后，建筑面積將達到39.29萬m2.

張家口冬天來得早，冬天很冷，所以11月1日就開始供暖，每年河北建筑工程學院供熱天數(shù)150天，3600小時，室外采暖計算溫度-12 ℃.

4.2 熱負荷的確定

河北建筑工程學院截至目前3期工程的建筑物，每一期的不同建筑物的綜合熱指標也不同.綜合各個建筑物的采暖熱指標根據(jù)城鎮(zhèn)供熱網(wǎng)設計規(guī)范(CJJ34-2010)要求，熱源、熱網(wǎng)及相關設備將根據(jù)最冷月負荷進行設計.

計算出來供熱綜合面積熱指標為q為53.669 W/m2.

根據(jù)采暖的設計熱負荷計算公式:Q=q·F

其中：q-采暖熱指標：53.669 W/m2F-集中供熱面積：39.29萬m2

經(jīng)計算采暖設計熱負荷Qmax=21.09 MW.

所以可以根據(jù)不同建筑物的使用時間進行供熱調(diào)節(jié)，起到節(jié)能作用.因為時段有區(qū)別，熱負荷特性在空間和時間上都有差異，既有較大的節(jié)能空間，又有其調(diào)節(jié)上的復雜性.校區(qū)有些建筑物晚上無人，可按值班考慮，學生公寓白天人也不多，放假可降低能耗.全校最大運行熱負荷為10.93 MW，出現(xiàn)時間為一月份，工作時間段6：00-8:00.由于供熱管存在水力失調(diào)等因素，通過調(diào)研和分析確定15%的負荷余量系數(shù)，即上述學校熱負荷需要乘以1.15的系數(shù).

學校最大熱負荷Qmax=10.93×1.15=12.57 MW.

寒假期間.校內(nèi)的各個建筑物處于值班狀態(tài).采暖室外計算溫度為-12 ℃，室內(nèi)計算溫度為5 ℃.假期為40天，所以通過計算可知寒假熱負荷為6.68 MW.

4.3 供熱年耗熱量計算

非寒假期間室內(nèi)計算溫度為18 ℃，則：

根據(jù)計算非寒假期間Q=9.0504MW,則非寒假期間11天能耗=0.0864×9.0504×110×1000=86015GJ

寒假40天計算能耗=0.0864×6.68×(18+3.6)÷(18+12)×40×1000=16621.97GJ

所以，學校年計算耗熱量為102636.98GJ.

4.4 用電量估算

本項目風電供暖年采暖耗熱量為102636.98GJ，電鍋爐的功率為13MW，單臺熱效率為98%，一次網(wǎng)及蓄熱水箱的熱損失系數(shù)取3%(即利用率為97%)，則電鍋爐的年耗電量為：

102636.98÷97%÷98%×100÷3600=2999.19萬千瓦·時，本項目供熱系統(tǒng)還有其他設備耗電量大約為107.13萬千瓦·時.由以上數(shù)據(jù)計算可知本供暖系統(tǒng)的年耗。

4.5 效益分析

本項目確定計算期17年，建成需要2年，生產(chǎn)運營期15年.本項目實施后，成本費主要包括燃料費、電費、水費、工資及福利、固定資產(chǎn)折舊費.折舊費依據(jù)《建設項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)》(第三版)規(guī)定的平均綜合基本折舊費(基本國產(chǎn))6.3%，此項目總投資7259.94萬元，則折舊費為457.38萬元，日常維修及大修費占總投資的4%，日常維修及大修為290.40萬元，其它費用率4%，則為290.40萬元.

項目運行后，晚上供暖8個小時，同時還需儲蓄非低谷電時段的16個小時的耗熱量，學校所需電功率為3.771萬千瓦.參與風電供熱電量為2999.19萬千瓦·時，電價取0.3117元/千瓦·時(雙蓄電價)，每年的電費為2999.19×0.3117=934.85萬元.非低谷電時段，電鍋爐及鍋爐房其他設備年耗電量為107.94萬千瓦·時，電價0.7433元/千瓦·時(平段電價)，每年電費=107.94×0.7433=80.23萬元.則每年的電費總計為934.85+80.23=1015.08萬元.

本項目供熱系統(tǒng)的耗水可分為生活用自來水和系統(tǒng)補水兩部分.本項目供熱面積39.29萬平米，總注水量392.9t.采暖系統(tǒng)二次網(wǎng)的循環(huán)水量為400m3/h，補水量按循環(huán)水量的1%計.軟化水量=400×0.01=4m3/h.蓄熱水箱的最大蓄水量為4 000m3.年消耗軟化水=(4000+392.9+4×3600)÷10000=1.88萬t.所以每年的水費為1.88×0.5=0.94萬元.

本項目需要配備6名工作人員.其中包括管理人員3名，技術(shù)人員3名.技術(shù)員年均工資取18000元/人，管理員年均工資取19200元/人.每年工資及福利費約12.72萬元.

風電場效益分析：參與風電供熱電量為2999.19萬千瓦·時，風電上網(wǎng)電價為0.52元/千瓦·時，根據(jù)張家口2015年剛出臺的采暖收費標準，如果按面積計算，非居民供熱銷售價格為9.8元/m2·月(按建筑面積×75%計費)，則風電供熱收入為2999.19×0.52+39.29×9.8×5×75%=3003.49萬元.

多余的風足夠支撐張家口全市每年供熱所需的電量.這樣供熱公司也可以盈利，也降低了煤的使用量.項目一旦投產(chǎn)使用可以減少資源浪費，尤其可以改變河北建筑工程學院的辦公及生活學習條件.

5 結(jié)束語

張家口的風資源豐富，風電供暖項目是解決“棄風限電”現(xiàn)象的一個非常有效的途徑，如果全國性的推廣，那么風資源浪費的現(xiàn)象將會大大減少，對全國的經(jīng)濟發(fā)展都會起到推動作用.風電供暖替代了傳統(tǒng)供暖模式，也能帶動科技發(fā)展.且本項目改造所使用的能源均為清潔能源，不會排出如二氧化硫、二氧化碳等有害氣體，無黑煙、灰塵，沒有廢物需要處理，無噪聲、無污染，從環(huán)境保護角度來看，最為優(yōu)越.符合環(huán)境保護的相關要求.

本項目建成后，改用清潔能源和可再生能源，可以提高能源利用效率，減少能源消耗，實現(xiàn)節(jié)能和減排目標.并且使用清潔能源，減少了污染物排放，可以助推京津冀經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展進程，真正達到社會、經(jīng)濟、環(huán)境三效益的高度統(tǒng)一.

Research on Local Heating Consumption of Wind Power Energy in Zhangjiakou City

LIUJian-chen，DUChun-mei，DONGHao-xia，LIYa-ya

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei，075000，China)

In this paper, local consumptive pattern,feasibility,and related techniques and adopted countermeasures of wind power in Zhangjiakou area are first explored.Then,taking the wind power heating demonstrated project in Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering as an example,the application of local wind power consumption is introduced.The use of heat storage and energy storage for continuous heating can reasonably coordinated the interests among wind power, power transmission and electricity.

wind power;local consumption;heating;energy storage;heat storage

2016-08-20

河北省高等學?？茖W技術(shù)研究重點項目資助(ZD20131101)

劉建臣(1957-)，男，教授.

TM 7

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