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面向新能源消纳的电能替代技术

2016-12-27裴海波李德智韩婉娇郭万祝

电力需求侧管理 2016年6期
关键词:电能能源

裴海波,李德智,韩婉娇,郭万祝

(1.国网阜阳城郊供电公司,安徽 阜阳 236033;2.中国电力科学研究院,北京 100192;3.北京交通大学,北京 100044;4.国网秦皇岛供电公司,辽宁 秦皇岛 066000)

面向新能源消纳的电能替代技术

裴海波1,李德智2,韩婉娇3,郭万祝4

(1.国网阜阳城郊供电公司,安徽 阜阳 236033;2.中国电力科学研究院,北京 100192;3.北京交通大学,北京 100044;4.国网秦皇岛供电公司,辽宁 秦皇岛 066000)

首先对我国新能源发展的现状进行了分析,对通过电能替代促进新能源消纳的重要性进行了阐述,对各种典型电能替代技术进行了介绍,涵盖分布式电采暖、港口岸电、蓄冷蓄热技术、电窑炉、电熔炉和热泵等主要技术类别,然后以一个清洁能源电供暖项目为例,介绍了电蓄热供暖技术。最后对如何有效推动电能替代工作提出若干建议措施。

电能替代;新能源消纳;节能减排

目前,我国很多地方雾霾严重,直接影响了人民的健康生活。大力实施电能替代,促进更多清洁能源消纳,提高电能在终端能源消费中的比重,是国家为有效改善大气环境重度污染,在能源消费侧进一步促进供应侧改革的重要举措。2016年5月国家八部委联合发布了《关于推进电能替代的指导意见》,该文件针对电力终端消费的各应用行业出台了各项具体的政策措施,极大的促进了电能替代相关工作。

1 我国新能源发展现状

随着新能源的不断发展,到目前,我国已成为全球风力、光伏发电规模最大,增长速度最快的国家,并网风电、光伏装机容量已突破1亿kW,国家电网公司已成为目前全球接入新能源装机规模最大的电网。“十二五”期间,我国风电装机容量年均增长29%,发电量年均增长29%;光伏发电装机容量年均增长170%,发电量年均增长219%。

光伏发电作为一种使用区域限制较少、设备简单、便于安装的发电方式,在我国得到了快速发展。根据国家能源局的统计数据,截至2015年,我国光伏发电总装机量达到了43.18 GW,成为全球光伏发电装机容量最大的国家。在我国当前光伏装机总中,地面光伏电站装机37.12 GW,分布式光伏电站装机6.06 GW,年发电量392亿kWh,占全国发电量的0.7%。

我国的风能资源也相当丰富,2015年,我国六大区域的风电新增装机容量均保持较快增长态势,当年新增风电机组16 740台,新增装机容量3 075.3万kW,同比增长32.6%,累计安装风电机组92 981台,装机容量1.45亿kW,同比增长26.8%。2016年1—7月,风力发电不管是同比增长还是累计增长都达到了10%以上,7月风力发电量相比去年同期增长40%以上,1—7月累计风力发电量相比去年同期增长了约25%。

根据国家能源局的预测,到2020年,中国清洁能源消费占比将达到15%,光伏发电装机从4 000万kW上升到1.5亿kW,风力发电要从1.45亿kW上升到2.5亿kW。经测算,如果未来年均能源增长为零,那么年均10%的清洁能源增长可以替代年均1%的煤炭,如果年均能源增长速度为1%,那么就需要20%的清洁能源增长速度,才能替代掉1%的煤炭。所以,如果仅仅从发电供应侧着手,通过提高清洁能源发电比例优化能源结构,效果十分有限。但是,如果能在能源消费侧实施电能替代,将会大力促进新能源消纳,减少煤炭的使用率。在当前风能、水能和太阳能迅速发展、全社会用电需求增速放缓,弃风、弃光问题日益严重的情况下,如何利用电能替代技术有效促进新能源消纳成为新的关注重点。

2 主要电能替代技术介绍

电能替代是终端能源消费清洁化的重要手段,对于推动社会节能减排,缓解城市雾霾困扰,促进我国能源可持续发展有重要意义。国家电网公司提出实施“以电代煤、以电代油、电从远方来、来的是清洁电”的发展战略,推动电能替代的探索与实践。目前,电能替代技术发展较为迅速,表1对几大类典型的电能替代技术的适用范围以及优缺点进行了汇总归纳,然后本文分项进行技术介绍。

表1 几种典型电能替代技术

2.1 分散式电采暖

分散电采暖是将电能转化为热能辐射放热,主要方式有电热膜、碳晶板、发热电缆等,安装在墙面、地板或天棚位置。具有节水、节地,分室分时控制,实施行为节能的优点,可广泛应用于居民住宅、学校、医院、办公楼、写字楼、宾馆酒店、商场超市、工厂车间等各类建筑的日常采暖。

(1)电热膜

电热膜是通电工作时将电能转化为热能,并将热能主要以辐射形式向外传递的一种薄膜。它的发热体由特制油墨及稀有元素组成的碳浆料印刷在基膜上形成。电热膜外加防水绝缘材料以及PVC封套等形成可施工成品,具有热效率高、防水防潮、使用寿命长等优点。电热膜采暖系统由电热膜、T型电缆、膜片温感器、温控器等组成。

(2)发热电缆

发热电缆通电后电缆发热,并在40~65℃的温度区间运行,埋在填充层内的发热电缆,将热能通过热传导方式,以8—13 μm远红外辐射方式向室内空间传递热量。发热电缆采暖系统主要由发热电缆、温感器、温控器、绝热层等组成。

(3)碳晶电热板

碳晶电热板是碳纤维改性后进行球磨处理制成碳素颗粒与高分子树脂材料以特殊工艺合成的发热材料,在电场的作用下,发热体中的碳分子之间发生剧烈的摩擦和撞击,产生的热能以远红外辐射和对流的形式对外传递。

2.2 港口岸电

船舶港口岸电技术是指船舶靠港期间,停止使用船舶上的化石燃料发电机,改用陆地电源供电,电能大部分可来自海上的风能发电,这样既可以减少煤油直接供电的环境污染,同时还可以促进风能的消纳。[4]港口提供岸电的功率应能保证满足船舶停泊后所必需的全部电力设施用电需求,包括生产设备、生活设施、安全设备和其它辅助设备。岸电系统由安装在码头的供电系统和安装在船舶上的变电系统两大部分组成。码头供电系统由码头前沿港区变电所供电,经过变压、变频,将输入供电转化为满足船只需求的电源,利用电缆沟和输送栈桥等设施,将高压电缆敷设至码头前沿,码头前沿安装高压接线箱供船舶连接,通过船载变电站变压后为船舶供电。高压变频变压船用岸电技术,采用分离式设计,通过有效的利用码头现有设施资源,合理分布设备,在码头区域上配置高压变频变压装置,仅需一根高压电缆,船体上设置降压变压器,供电末端则采用IT供电模式(保证了不间断供电要求),连接十分便捷。高压岸电电源所提供的供电容量大,可以满足船舶在靠港期间的作业用电。低压变频变压供电技术,实现了50 Hz/60 Hz双频供电,使用了快速软接触的插头插座和柔性电缆,岸电技术存在设备闲置率和使用寿命等问题。

2.3 电(蓄热)锅炉

电锅炉就是将电能转换为热能,将水加热以产生具有一定温度的热水或一定压力的蒸汽的一种设备,由装在锅炉内的大功率电热元件通电后完成能量转换,可用于替代燃煤锅炉,为纺织、印染、造纸、食品、橡胶、塑料、化工、医药、钢铁、冶金等行业提供加工环节所需蒸汽,或者为企业、机关、宾馆、学校、餐饮、服务性等行业提供取暖、洗浴及生活所需热水。电锅炉相比燃煤锅炉体积更小、能耗更低;同时高度智能化,不需要专人看管,且不属于特种设备,因此运维成本更低,降低了安全隐患。电锅炉主要包括电热管式、电热棒式、电热板式、电极式、感应式等类别。

电蓄热锅炉,就是在电锅炉的基础上加装一个蓄热子系统构成的能源使用系统,蓄热方式包括水蓄、熔盐、固蓄、相变蓄等多种方式,各有适用的应用场合。成本最低,最典型的就是水蓄。电蓄热(水)锅炉系统,通过强制循环,将电锅炉内的热水循环到蓄热水箱中,使蓄热水箱中的冷水逐渐变为热水,完成热能的储存,本文下一章节将会给出一个电(水)蓄热锅炉系统清洁能源供暖的实际案例。

2.4 电蓄冷空调

电蓄冷空调,是在新能源发电量较多以及夜间电网低谷时间,制冷主机制冷并由蓄冷设备将冷量储存起来,待电网高峰用电时间,再将冷量释放出来以满足高峰空调负荷需要的系统,主要包括水、冰蓄冷两种空调系统。制冷系统的大部分耗电发生在新能源大量发电及夜间用电低谷期,实现用电负荷的“移峰填谷”及新能源消纳。冰、水蓄冷中央空调系统主要包括冷却循环水系统、冷冻循环水系统以及乙二醇循环系统三大系统等[6]。

2.5 电窑炉

电窑炉可用于替代传统窑炉,进行陶瓷、水泥、玻璃、搪瓷等非金属矿物制品的煅烧加工。大部分电窑炉采用电阻进行加热,以电炉丝、硅碳帮或二硅化钼作为发热组件,依靠电能辐射和导热原理进行氧化气氛烧制,热效率高。另外,电窑炉可以通过电子程序调控煅烧过程,操作简单,节省人力,安全性能好,温度精确可控。与传统窑炉相比,电窑炉不需要燃烧室、管道、烟囱或排烟机等部件,也不存在燃料和炉渣堆物,因此降温很快,清洁打扫十分方便。并且节能环保,运维成本大大减少。

2.6 电熔炉

电熔炉可替代传统燃煤冲天炉,进行黑色金属冶炼特别是铸件的铁液熔炼。电熔炉加热过程基于电磁感应原理,铸件熔化后,利用全自动的生产线完成浇筑和成型。温控精度高、熔炼速度快、产品档次高。而传统的燃煤冲天炉熔炼过程中炉内化学成分和温度波动较大,容易造成合金元素和硅烧损严重,铸造质量低,并且熔炼过程中排放大量的灰尘和废气,严重污染环境,同时需耗费大量劳动力对铁水和铸件进行搬运。相比而言,电熔炉没有废气排放,防止了空气污染,有利于环境保护;投资少、人工成本低,改善了职工劳动条件,占地少,辅助设备简单、易维修。另外,电熔炉还有节电效果明显、能源消耗低、经济效果好等优点。

2.7 热泵技术

热泵是将热量从低温介质向高温介质输送的能源系统,它只需消耗较少的电能,就能“搬运”数倍的热量。冬天,热泵通过电能做功,从户外环境中的热源抽取热量,用于加热空气或水,并送入室内。夏天恰好相反,室内的热量被热泵转移到户外环境,从而获得凉爽的空气。热泵所用的热源主要有气(空气、工业废气、大地土壤中的地气)、水(江河湖海、井泉、地下水和工业、生活废水)、岩石土壤和太阳能等,按其所用热源不同可分为气源热泵、水源热泵、地源热泵和太阳能热泵四大类。在实际运用中要根据各地的气候特点和环境条件,考虑易取、投资少,无腐蚀,热容量大等因素。热泵技术广泛应用于农业、工业、建筑等领域。

3 清洁能源(风电)电蓄热供暖项目设计案例

3.1 工程概况

新疆高铁新区(北站区)电蓄热清洁供暖工程项目位于新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市,为乌鲁木齐高铁片区核心配套工程,属于客运中心、服务中心、地下商场综合型建筑供热类型,工程范围主要包括维泰大厦、综合服务中心、长途客运站、北广场地下空间、北站前路、市政小楼,总采暖面积约40.8万m2,24 h连续采暖。新疆属于国家能源发展的重点区域,近几年随着我国城市规模的扩大和工业企业的壮大,城市扩容较快,城市新增住宅小区较多,本地区及其他县市对天然气的需求量剧增,导致天然气供应紧张,现有燃气的供应量已经满足不了需求,该地区开始实施燃气限用政策。与此同时,新疆又是我国风电和太阳能发电资源特别富裕的地区,建设了大量的新能源发电机组,随着经济放缓后东部负荷中心地区电力需求量的增长减缓及本地电力消纳能力的严重不足,导致新疆成为我国弃风弃光问题非常严重的几个省(区)之一。为了有效促进新能源消纳,避免资源浪费,自治区政府大力推进“电化”新疆发展战略,高铁新区清洁供暖工程项目正是适应这一战略重点示范工程。工程重在促进新能源的消纳利用,合理利用夜间风电,采用电极锅炉水双蓄模式(夏季蓄冷,冬季蓄热),冷热双蓄模式极大程度的降低了设备的初投资费用和运行费用,获得了较好的经济效益。

3.2 项目主要设备介绍

项目采用电极锅炉+水双蓄系统,在电力低谷期间,利用低谷电作为能源来加热蓄热介质,并将热能储藏在蓄热装置中,在用电高峰期间将蓄热装置中的热能释放出来满足供热需要。可以有效平衡电网峰谷负荷差,充分利用廉价的低谷电,降低运行费用;系统运行的自动化程度高,无噪声,无污染。电能蓄热系统的蓄热介质为常温水,将水加热到一定的温度,使热能以显热的形式储存在水中,当需要用热时,将其释放出来提供采暖用热需要。操作方式简单,清洁、运行费用低廉。电极热水锅炉是将电能转化为热能,并将热能传递给介质的能量转换装置,电极锅炉可连续卸载或加载,系统热量可做到10%~100%无级调节。项目蓄热系统热源由电极热水锅炉、高温蓄热水箱组成,辅机系统由板式换热器、水泵、软水系统、综合水处理系统、稳压定压系统等组成。图1为电极锅炉及典型系统外观图。

3.3 项目主要设计参数及标准

乌鲁木齐市冬季采暖期天数158天,采暖期室外计算温度为-19.7℃,采暖期室外平均温度为-7.1℃。按照国家颁布的现行标准,参照各类建筑物的采暖热指标推荐值表,该项目综合总建筑负荷指标定为70 W/m2,总采暖热负荷为28 592 kW,经过综合日总负荷和冬季逐时采暖负荷计算确定的采暖期总耗电量为4 237万kWh。

项目采用全电量蓄热方式,采用6台8 MW、10 kV高压电极锅炉,总功率48 MW,配置9个1 100 m3,共9 900 m3的常压水蓄热罐。

3.4 工程项目经济性介绍

该项目的经济性测算表见表2,由于设计计算留有较大裕度,所以实际运行效果会好于该计算。

图1 电极锅炉及典型系统外观图

表2 项目主要经济指标汇总表

4 积极有效推动电能替代工作的建议措施

实施电能替代是节能减排、大气污染治理的有效措施,也是促进新能源消纳的有力手段。国家已经将电能替代作为推动能源消费革命、落实国家能源战略、促进能源清洁化发展的重要举措。下一步,要加快实施电能替代工程,促进风电、光伏新能源消纳,积极培育电能替代产业,促进经济社会健康可持续发展。要使电能替代工作取得积极成效,建议采取以下一些政策措施:

(1)各级政府将电能替代纳入城市发展规划,出台治理大气污染相关环保政策,配套完善支持电能替代的财税、奖励以及电价等政策,以经济手段吸引社会各界积极主动参与电能替代项目建设。

(2)电网公司充分发挥电能供应的人才优势,积极推进电能替代试点项目建设,形成示范效应;争取有关支持政策尽快落地,形成各方共赢的项目运作机制,创建社会积极支持、广泛参与的环境氛围。

(3)落实国家大气污染治理工作要求,推广应用电能替代技术,向风电光伏企业进行政策宣传,争取支持电能替代的购、售电价和环保政策,全面加快实施电能替代工程。

(4)发挥全社会的积极性和能动性,共同支持和参与电能替代项目实施工作,争取在较短时间内扩大电能替代规模,形成规模效益,达到优化用能结构、减少大气污染的目的。D

[1] 李亚东.中国新能源发电现状及展望[J].科技风,2016(15):12-15.

[2] 马庆强.我国光伏产业发展的现状、问题及国际经验借鉴[J].上海经济,2016(4):23-26.

[3] 张剑,吴亮,袁新润,等.分散电采暖在天津地区的应用分析[J].电力需求侧管理,2015,17(6):33-36.

[4] 王峰,周珏.港口岸电电能替代技术与效益分析[J].电力需求侧管理,2015,17(3):35-37.

[5] 徐飞,闵勇,陈磊,等.包含大容量储热的电–热联合系统[J].中国电机工程学报,2014(29):5 063-5 072.

[6] 代如静,白瑞祥.冰蓄冷中央空调智能监控系统研究开发[J].自动化技术与应用,2010,29(10):7-10.

(本栏责任编辑孙 晶)

Electric power replacement technologies facing new energy accommodation

PEI Hai⁃bo1,LI De⁃zhi2,HAN Wan⁃jiao3,GUO Wan⁃zhu4

(1.State Grid Fuyang Suburb Electric Power Supply Company,Fuyang 236033,China;2.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China;3.Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;4.State Grid Qinhuangdao Electric Power Supply Company,Qinhuangdao 066000,China)

This paper analyses the current development situation of new energy,explains the importance of the electric power replacement at accommodating new energy,and carefully studies several typical electric power replacement technologies on different types of industrial areas,including distributed electric heating,port shore power,cool and heat storage technology,electric melting,electric furnace and heat pump technology.Based on a new energy heating project,heat storage heating technology is introduced and analyzed.Finally some suggestions for promoting electric power replacement technologies are proposed.

electric power replacement;accommodation of new energy;energy conservation and emission reduction

10.3969/j.issn.1009-1831.2016.06.010

F407.61;TK018

B

2016-10-25

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