黑龙江风电供热低谷风电消纳能力及效益分析

吴德友

(大唐哈尔滨第一热电厂，哈尔滨 150078)

●能源及动力工程●

黑龙江风电供热低谷风电消纳能力及效益分析

吴德友

(大唐哈尔滨第一热电厂，哈尔滨 150078)

阐述了风电供热原理和运行机制，并结合黑龙江省的“弃风”原因、电网架构以及国内现有风电供热特点，分析了风电供热对低谷风电消纳能力的影响。研究表明，虽然风电供热对消纳弃风的能力有限，节煤效益受弃风量的影响也很明显，但风电供热能有效的消纳低谷的弃风电力。研究结果对指导黑龙江风电供热的实际应用具有一定积极意义。

风电供热，风电消纳，运行机制，节煤效益

随着黑龙江省风电开发利用规模的持续扩大，风电并网运行和市场消纳已成为风电发展的制约因素，特别是在冬季夜间负荷低谷时段，受热负荷的影响，弃风问题尤为突出。黑龙江省风能资源丰富、冬季采暖期长、热电联产比重高，因此开展风电低谷供热，对于促进该省风电消纳、缓解风电冬季运行困难具有重要作用，国内已有部分省份开展了风电供热试点。

据统计，截止到2016年底，黑龙江省总装机容量为27 831 MW，其中水电装机容量为1 017 MW，占比3.7%；火电装机容量为21 038 MW，占比75.6%；风电装机容量为5 610 MW，占比20.2%；太阳能发电装机容量为166 MW，占比0.6%。由于黑龙江电网调峰主要依靠火电机组参与调峰，受发电煤质和机组供热的影响，机组调峰能力严重下降，随着风电等新能源装机容量的逐年增加，调峰问题突出，弃风现象明显。因此，在黑龙江省深入研究作为近期解决低谷风电消纳难题的重要手段之一的“风电供热”具有重要的现实意义[1-2]。

从国外运行经验看，丹麦是采用风电供热最成功的国家之一，但是其风电资源配置、电力市场与黑龙江省有所差异，没有直接可比性[3-6]。为推进风电供热技术和清洁能源的利用，国家能源局于2013年3月22日发布了《关于做好风电清洁供暖工作的通知》，进一步引导解决低谷风电消纳问题。鉴于此，研究风电供热技术和运行模式，分析风电供热对低谷风电消纳的能力影响，核算节煤效益，分析社会效益，是黑龙江省开展和推广风电供热的必经之路。

1 风电供热技术方案

1.1 风电供热原理

目前，黑龙江省各城市普遍存在供热能力不足，清洁供热比例低的问题，燃煤小锅炉和热电联产机组供暖仍是该省的主要供暖方式，不仅消耗了大量的不可再生煤炭资源，还造成了环境污染，同时风电弃风现象主要出现在漫长的冬季供暖期，弃风造成了大量的风能资源浪费。为充分利用冬季风电资源和富余的风电装机容量，解决弃风限电等问题，提出了利用“弃风”电量供热，即风电供热方案。目前，有关电热锅炉的技术已较为成熟，项目可操作性强，得到了国家的大力支持。

该方案主要应用了蓄热式电锅炉技术，将风电场与供热站相结合，与城市供热管网连通，实现为城市供热。电热锅炉在电网负荷低谷时段(弃风时)开始运行，增加省内电网中的用电负荷，进而增加风电消纳量、减少弃风，将电能转换成热能，为城市居民供热或存储在蓄热装置中；在负荷高峰时段，电锅炉停运，蓄热装置放热来提供供热所需的热负荷[7]。风电供热方案在电力系统中的运行原理如图1所示，其中虚线框内为风电供热系统。

图1 风电供热运行原理Fig.1 Operating principle of wind power heating

1.2 风电供热系统配置

风电供热系统主要包括风电场、输电线路、电热锅炉、蓄热装置(蓄热罐结构或蓄热砖墙结构)、换热装置(若为蓄热罐则为水水换热方式，若为蓄热砖墙结构则为风水换热方式)、自动控制系统、供热管道和热负荷[8]。风电供热示意图如图2所示。

风电场供热项目投资成本较高，以内蒙古大唐巴林左旗的风电供热示范项目为例，选择21.6MW电锅炉6台，蓄热罐2个，总投资达1 911.65万元。

图2 风电供热示意图Fig.2 Schematic diagram of wind power heating

2 风电供热运行机制和运行特点分析

2.1 风电供热运行机制

根据风电供热的运行原理，风电供热的常规模式包括：1)电锅炉同时供热蓄热模式，该模式下，电锅炉运行大量制热，除维持供热外，还存在大量多余热量，蓄热装置进入蓄热过程。通常在夜间负荷低谷时段选择此模式运行；2)蓄热装置独立供热模式，该模式下，蓄热装置满足所有的热负荷需求，电锅炉停止运行，热负荷全部由蓄热装置放热提供，通常在负荷平、峰时段选择此模式运行；3)电锅炉与蓄热装置共同联合供热模式，该模式下，电锅炉运行少量制热，进行供热但不满足此时热负荷，不足部分由蓄热装置放热供热，蓄热装置进入放热过程。4)电锅炉独立供热模式，该模式下，电锅炉运行，制热量恰好等于热负荷，通常在热负荷较大而蓄热装置所蓄的热量又已经放完时，选择此模式运行。由自动控制系统对上述4种模式进行切换。

黑龙江省已投产风力发电具有反调峰特性，在负荷低谷的夜间时段，风电发电出力一般较高，弃风也主要出现在这段时间。根据负荷的峰、谷、平时段对风电供热的运行机制进行分析，风电供热的目的是消纳低谷“弃风”，因此，电锅炉应运行在负荷低谷时段，进行供热和蓄热，完全利用“弃风”生产热量，增加了电网风电的消纳量；而在负荷高峰、平时段应停运，就要利用蓄热装置通过蓄、放热过程将低谷时段的热量“转移”到此时段，完全由蓄热罐或蓄热砖墙进行供热。表1给出了风电供热1日内的运行策略，图3为电锅炉和蓄热罐或蓄热砖墙1日内联合供热示意图，图4为蓄热罐或蓄热砖墙1日内的运行策略。

当存在峰谷电价时，为实现利润最大化，需要在电价低时段电锅炉运行，使得向电网购电可使成本最小化，而在电价高的时段则由蓄热装置放热完成供热。

表1 风电供热日运行策略Table 1 Daily operating strategy of wind power heating

图3 电锅炉和蓄热装置放热联合供热日运行策略Fig.3 Daily operating strategy of integrated heatingby both electric boiler and heat accumulator

图4 蓄热罐或蓄热砖墙日运行策略Fig.4 Daily operating strategy ofheat accumulator or thermal brick wall

当气候变化极端情况时，热负荷可能高于设计值，这时会出现蓄热量无法满足热负荷的情况。此时可按照以下运行方式：低谷时段电锅炉运行，蓄热装置蓄热；平时段电锅炉运行，蓄热装置可放热或不工作；峰时段蓄热装置放热，电锅炉停运，如表2所示。

表2 极端情况下风电供热日运行策略Table 2 Daily operating strategy ofwind power heating under extreme cases

3 黑龙江风电供热运行特点和消纳能力分析

3.1 黑龙江风电出力特性及电锅炉运行特性分析

电热转换装置不同，风电供热形式也不同。从国内已投产的风电供热示范项目来看，主要是利用电热锅炉实现风电供热。因此，分析黑龙江风电出力特性和电热锅炉负荷是研究黑龙江风电供热技术方案的前提。

黑龙江典型风电场日出力如图5所示，风电场日出力波动大，白天14∶00-18∶00风电出力最小，夜间21∶00-24∶00风电出力达到最大，且风电日出力呈现明显的反调峰特性，导致了风电出力在很大程度上增大了系统调峰需求和调峰难度，进一步加剧了系统的调峰能力不足。

图5 黑龙江某风电场典型的日出力Fig.5 Typical daily output of a wind power in Heilongjiang

蓄热式电热锅炉在每日的22∶00至次日的5∶00运行，其他时段以外，电热锅炉停运。图6给出了典型电热锅炉的电负荷曲线。蓄热装置的使用，避免了因室外温度的变化带来的电热锅炉的负荷变化。因此，电热锅炉出力相对稳定，且相对每日运行方式基本一致。

多个电热锅炉组合供热多见于实际应用中，多个电热锅炉与蓄热装置联合运行后，通过供热、储热平衡运行，既能保证供热的稳定性，又能形成持续稳定的用电负荷。

图6 电热锅炉负荷曲线Fig.6 Load curve of electric boiler

3.2 黑龙江风电供热运行特点分析

结合国内风电供热运行特点，低谷风电出力与电热锅炉负荷匹配是风电供热运行分析的关键。考虑电热锅炉负荷和风电出力特点，电热锅炉负荷与风电出力匹配存在2种基本情况。

1)第一种情况，电热锅炉所需电量全部由低谷风电提供。这种情况下，电热锅炉的容量取决于低谷时段的最低风电出力，如图7a)所示。当电热锅炉消耗电量有限时，对提高风电消纳能力的影响不大。图8给出了多个风电场低谷出力占风电装机总量的百分比。风电装机规模越大，低谷时段风电出力越大，进而对风电消纳能力的影响也越大。因此，采用多风电场供热比单个风电场供热更有利于低谷时段风电的消纳。图9 给出了不同风电场个数对低谷风电用于供热的能力比较，由曲线1和曲线2以下面积大小可见，5个风电明显小于10个风电场的供热电量。

图7 低谷时段风电出力与电热锅炉负荷匹配不同情况Fig.7 Load mismatching between wind power outputand electrothermal boilers during valley period

图8 低谷时段风电最小出力占风电装机总量的百分比Fig.8 Wind power minimum outputcontribution to the total installed capacity ofwind power during valley load period

图9 不同个数的风电场低谷时段可供热能力Fig.9 Heating capacity of different numberof wind farms during valley period

2)第二种情况为低谷风电完全提供电热锅炉产热。比较图7a)和图7b)可见，第二种情况，比第一种情况电热锅炉消耗电量明显提高。这种情况下，由于电热锅炉容量按照最大风电出力设计，部分时段风电出力可能小于电热锅炉用电量，这样就需要非风电电量补足，这样风电供热的经济性就不能保证。

3.3 黑龙江风电供热消纳能力定量分析

3.3.1 从功率对等角度定量分析

从功率对等角度，根据供热需求完全由低谷风电供给来定量分析风电供热提高风电消纳能力。参考文献[9-12]的相关计算方法，分析数据如下表3所示。

表3 供热电量消纳分析Table 3 Consumptive analysison heating electricity quantities

上述计算结果表明：从电量对等的角度设计热负荷时，电热锅炉实际用的风电低谷风电量只有72.9%，其余为非风电电量。

根据表3数据分析知，风电供热不能完全解决低谷时段的风电消纳问题。需要考虑联络线外送等其它技术方案研究。

4 黑龙江风电供热的效益分析及推广前景

4.1 节煤效益分析

利用风电供热代替传统燃煤锅炉机组供热，有明显的节煤效益。与燃煤小锅炉和热电联产机组供热系统相比，当电锅炉消耗的电量全部是弃风时，节煤效益最大。若风电供热地区日供热量为QD时，电热锅炉效率为ηgl(约为1)时，日减少的弃风电量达QD·ηgl)，实现节煤量为

Wsave=QD/μb

(1)

式中：QD为风电供热地区日供热量， MW· h；μb为燃煤锅炉机组生产1MW· h热量的耗煤量。

当消耗电量不全是“弃风”时，节煤效益将会下降。风电供热增加的消纳电量与电热锅炉总耗电量的比值定义为λ(0≤λ≤1)，则日减少弃风电量为QD·ηgl·λ，相应的火电机组增加出力为QD·ηgl· (1-λ)，实现节煤

Wsave=QD/μb-QD·ηgl· (1-λ)

(2)

式中：μp为火电机组生产1MW· h热量的耗煤量，一般μp为μb的1/2。

当ηgl=1，μp/b=1/2时，Wsave与λ之间的关系曲线如图10所示。

图10 Wsave随λ变化的关系Fig.10 Relationship of Wsave changing with λ

从图10可见，λ的大小直接影响了风电供热的节煤效益。当λ为1时，节煤量最大，为-QD/μb；当λ为0.5时，节煤量降为0，风电供热将无节煤效益；当λ为0时，节煤量最小，即完全通过火电机组燃煤生产的电转换成热，能源利用效率低，比风电供热前还多增加煤耗QD/μb。

分析其节煤效益时，不能简单的以其消纳的风电量计算煤量，还需要根据实际的运行情况进行计算分析。当前黑龙江省弃风问题严重，风电供热短期内具有明显的节煤效益；但随着黑龙江省电网向外输送电量增加，电动汽车、负荷管理等手段的不断增强和完善，黑龙江省电网弃风电量将不断减少，其节煤效益也存在不确定性，因此，风电供热的长期经济效益有待商榷，需要在一个更长周期内综合考虑电网发展规划进行分析。

4.2 社会效益分析

采用风电供热，取代了传统燃煤锅炉对城镇居民供热，增加了当地的用电量，尤其在夜间负荷低谷时段，提高风电就地消纳水平，缓解了黑龙江电力向外输出的压力，从需求侧入手，降低电网对风电调峰及消纳的难度，对黑龙江省风电的可持续发展具有非常重要的意义。

当前阶段风电供热一定程度上缓解了黑龙江省弃风严重的问题，也节省了煤耗量，减少了二氧化碳、二氧化硫、烟尘、煤渣的排放，对雾霾治理有一定帮助，体现了很好的环境效益。

5 结 论

采用风电供热，可以增加用电负荷，提高风电在本地消纳的能力，夜间用电负荷低谷时段尤其明显。风电供热客观上很难完全解决低谷风电消纳问题，原因在于风电低谷出力与电热锅炉负荷不能完全匹配。风电供热增加的消纳电量与电热锅炉总耗电量的比值决定着煤耗量，当电网弃风电量不断减少时，其节煤效益将降为零甚至恶化。当前在尚无其它更优方案的前提下风电供热可在一定程度上解决黑龙江省弃风问题，使用风电电力给龙江省各城市供热，是近期解决黑龙江省低谷风电消纳难题的有效途径，因此风电供热仍具有大规模推广的必要性。

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Wind power consumptive capacity and benefit analysis for wind power heating at the valley period in Heilongjiang

WU Deyou

(Datang Harbin No.1 Thermal Power Plant, Harbin 150078, China)

The principle and scheme of wind power heating are expounded and then the operation mode of wind power heating is summarized as well as the impact of wind power heating on wind power consumptive capacity at the valley period, and economic benefits of coal reduction, social benefits and its application prospects are analyzed by combining with the reason of “fan suspension in wind farm” in Heilongjiang province, the structure of power grid and the characteristics of existing domestic wind power heating. The results show that although wind power heating has limited capacity to deal with suspended fan of wind farm and the influence of benefit by coal saving is obvious due to suspended wind volume, the wind power heating can effectively consume wind power of suspended fan at the valley period of heating. The research results shows a certain positive significance on practical application of wind power heating in Heilongjiang.

wind power heating; wind power consumption; operating mechanism; coal saving benefit

2017-06-23；

2017-10-27。

吴德友(1973—)，男，助理工程师，主要从事电厂热能动力，基建前期工作。

TM614

A

2095-6843(2017)06-0551-06

(编辑陈银娥)