弃风发电蓄热供暖在内蒙古风电场的应用

杨树峰

内蒙古电力勘测设计院

弃风发电蓄热供暖在内蒙古风电场的应用

杨树峰

内蒙古电力勘测设计院

针对内蒙古风力发电的特殊情况，本文对弃风发电蓄热供暖系统技术性能及经济性进行了分析，得出弃风发电蓄热供暖系统在内蒙古地区风电场应用具有可行性。

蓄热供暖 弃风发电 室内温度

20世纪90年代初，在我国开始出现蓄热装置[1]。但由于运行费用高，这些产品的发展比较缓慢。《采暖通风和空气调节设计规范》（GB50019-2003）中明确提出了使用电力供热的条件：环保有特殊要求的区域、远离集中热源的独立建筑物、采用热泵的场所、能利用低谷电蓄热的场所、有丰富的水电资源可供利用时，经技术经济比较合理时，可以采用电供暖。随着近几年国家大力发展新能源，风电事业发展迅速。在我国北方地区，风资源相当丰富，而且清洁环保。风能的特征是：时有时无、极不稳定。由于电网调度调控，目前北方地区风电场在夜间基本上停止发电，所以在风电场发展蓄热供暖，相对于其他供暖方式，可实现零运行费用。蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术。

1 内蒙古风电及风电场供暖现状

1）风资源丰富，风电发展迅速，风力发电零排放。

2）用电负荷小，电负荷外送困难，弃风严重（弃风就是风力发电不能接到电网时，而停止发电，当时风资源充沛）。

3）供暖需求大，供暖期长达7个月，风季与供暖期重叠，风电场几乎全部采用电辐射采暖系统。

2 风电场蓄热系统

笔者在内蒙古某风电场综合楼利用蓄能供热，在夜间风电场不能发电上网时，弃风发电蓄热，为综合楼提供热源，该综合楼建筑面积2000m2，共计二层，设计热负荷为86kW。

2.1 蓄热系统

目前国内所采用的蓄热装置主要是以水为蓄热介质，但水蓄热占地面积和材料消耗过多。而固体蓄热储能装置却能解决上述问题。固体蓄热材料的密度为水的2.5倍左右，蓄热可达800～1000℃以上蓄能器的体积大大减小，它不仅克服了传统蓄热方式的缺点，而且兼具环保、高效、节能、安全等多项优势[2]，有望替代一部分传统的取暖设备。

蓄热系统主要由蓄热装置、空气-水换热系统、水-水换热系统、控制系统等组成（图1）。

图1 风电场蓄热供暖系统图

蓄能装置的任务是在蓄热阶段（弃风发电8 h以内）储存全天所需热量，并且能够通过风系统将所存的热量以热风的形式传递出来。因此该装置的工作由加热过程和放热过程来完成。蓄热装置主要由加热元件、蓄热材料、保温外壳组成。加热元件为镍铬合金材料，它的作用是将电能转换为热能；蓄热材料是主要以MgO为主要材料的砖体，该材料的优点是：使用寿命长，其熔点为 2580℃，沸点为 3650℃，密度3.1～3.3g/cm3，比热容0.3～0.31cal/(g·℃)，蓄热材料在熔点温度以下可以反复使用50～70年；一般蓄热温度≤900℃；保温外壳采用岩棉，将加热元件和蓄热材料包裹在一起，以减少热损失。为了使用方便，将蓄热材料制成小的蓄热砖，并在蓄热砖两侧留有半圆形槽，便于安装电热丝。

空气-水换热系统主要由循环风机、内置空气-水换热器及风道组成。循环风机将空气鼓入蓄热装置，空气吸收热量后，经风道进入内置空气-水换热器，与换热器中的一次循环水完成换热。循环风机为离心风机，循环风机采用变频控制系统，自动调整循环风机风量来确保一级循环水温度达到设计要求。

水-水换热系统主要由循环泵、板式换热器等组成，通过水-水换热，将二次循环水加热到适合于采暖系统的温度。

该系统具有气候补偿和恒温供水功能，即根据气候的变化自动调节供热量。应用可编程控制器，根据室外温度的变化和当地供热负荷曲线，决定二次侧的供水温度，二次侧供水温度的实测值和设定值相比较后，并进行PID调节，控制器输出信号至电动调节阀，调节电动调节阀的开度，从而改变一次侧的高温水流量及加热空气流量实现二次侧供水温度的质调节和一次侧流量及加热空气的量调节。

2.2 系统运行工况的测试

以内蒙古某风电场综合楼采暖工程为基础，对系统运行时室外温度、室内温度、供回水温度、散热器表面温度进行了测试，测试了机组运行时的耗电量，测试时间为连续1个月，即2011年11月。表1为主要检测仪器表。

表1 检测主要设备表

3 蓄热系统测试数据

3.1 温度测试数据

2011年11月11月1日至11月30日，在国电中商风电场2000m2综合楼蓄热供暖试验，设计采暖供水温度65℃，回水温度45℃。由图2可知，测试期间室外空气温度在-23℃～11℃之间，室外平均气温为-5.1℃；室内平均温度在18.5℃～24℃之间，室内平均温度为20.5℃，散热器表面温度在38℃～57.2℃之间，各种参数达到了设计要求。

图2 采暖温度测试图

图3 采暖耗电量统计图

3.2 采暖耗电量测试

该系统蓄热设备额定蓄热量为268kW，一次循环泵功率为2.2kW，二次循环泵功率为4kW。从11月1日到30日系统累计运行720h，累计蓄热88.7h，日平均用电量在615.2～1330kWh之间，日平均用电量为944.6kWh，日蓄热用电量在0～2611.2kWh之间，日蓄热平均用电量为824.8kWh，系统运行累计总用电量28245.6kWh，累计蓄热用电量23781.6kWh（图3）。

4 效益分析

4.1 经济效益

由于风电场地处偏远，在实行蓄热供暖前均采用电暖器供暖，安装总功率86kW，每天供暖24h，其中12h耗电为正常上网电价，其余12h为弃风发电。采用蓄热供暖系统，蓄热耗电均采用弃风发电，上网时的耗电量30天仅为2232 kWh。按风电上网电价0.51元/ kWh，弃风发电成本0.1元/kWh计算，得到蓄热供暖与电暖气供暖费用比较（表2）。

表2 供暖系统费用比较

由表2，虽然弃风发电蓄热供暖系统初投资高于电暖器供暖系统，但是弃风发电蓄热供暖系统运行费用远低于电暖器供暖系统，测试期间一个月节约的运行费用就有1.54万元，该风电场的供暖期长达7个月，每年可节省运行费用10.78万元，由此可见经济效益显著。

4.2 社会效益

该弃风蓄热供暖系统的实施，每年可节约标煤42t，减少二氧化碳排放109.2t，减少二氧化硫排放1t，并可以协助电网调峰。如果该系统能够推广的话，对于环境保护将会起到积极作用。

5 结论与建议

1）从蓄热供暖系统运行效果来看，基本达到了设计预期，尽管室内温度有一定的波动，但都在正常范围之内，能够满足规范要求。

2）我国虽然从20世纪80年代初就已经开始研究蓄热材料，但是仍然处于起步阶段，应用的领域也较为狭窄，而该类材料市场非常广泛，研究应用的价值也相当可观，所以应加快此领域的研究开发工作，充分利用新能源，节约常规能源。

3）电能是对环保最有利的能源，利用风电弃风发电进行蓄能则可以大大降低运行费用，特别是固体蓄热装置具有无污染、零排放、安装简单、占地小、成本低、运行费用低、安全性高等一系列优点。希望有关部门能够出台相关政策，在电价方面给予优惠，积极推广利用弃风发电蓄热供暖系统。

[1]李晗,白胜喜,黄怡珉.电热固体蓄热装置的蓄热原理及传热分析[J].电站系统工程,2003,(5):29-30

[2]赵广播,董芃,白胜喜,等.电热固体蓄热装置放热过程的实验研究[J].电站系统工程,2003,19(6):13-14

[3]白胜喜,赵广播,董芃.固体电蓄热装置及经济性分析[J].中国电力,2002,35(6):79-80

[4]苏俊林,张亚仁,胡月红.固体蓄热式电锅炉蓄热模拟及实验[J].热能动力工程,2007,22(6):638-641

[5]章祖义,胡国芳.加强电力蓄能技术的应用[J].能源技术,2000, (9):171-173

He a t Stora ge Sys te m w ith Aba ndon of a Wind Pow e r Pla nt in Inne r Mongolia

YANG Shu-feng
Inner Mongolia Electric Power Survey&Design Institute

According to the special condition of wind power in Inner Mongolia,the technical performance and economical efficiency regenerative of heating storage system with abandon of wind power were analyzed,and it is concluded that system is feasible for application in wind power plant in Inner Mongolia.

heat storage system,abandon of wind power generation,indoor temperature

1003-0344（2015）02-103-3

2014-1-24

杨树峰（1979～），男，硕士，高工；内蒙古呼和浩特市内蒙古电力勘测设计院（010020；E-mail:149188456@qq.com