新疆达坂城弃风供热方式的研究

谢鲁冰，芮晓明，王松岭，李国华，樊晓朝，史瑞静

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院,北京 102206；2.中国机械设备工程股份有限公司,北京 100055；3.新疆大学 电气工程学院,新疆 乌鲁木齐 830000)

0　引言

近年来，我国风电产业发展迅猛，2016年，全国新增装机容量2 337万kW，累计装机容量达到1.69亿kW，在我国电力总装机中的比重已超过7%，成为仅次于火电、水电的第三大电力来源[1]。2017年上半年，我国风电新增并网容量601万kW，继续保持稳步增长势头，截至6月底,我国风电累计并网容量达到1.54亿kW，同比增长12%。2010年，我国风电装机总量跃升全球第一，主要得益于陆上风电的持续快速发展。但是近年来我国陆上风电的弃风限电形势非常严峻，辽宁、吉林、黑龙江、宁夏、甘肃、云南、贵州等省的风电建设已经全面停滞。中国部分地区弃风呈攀升趋势，日益恶化：2016年弃风总量高达497亿kW·h，是2014年的4倍。在甘肃、新疆、内蒙古、吉林和黑龙江5个地区，3年弃风量已接近800亿kW·h，相当于天津市2015年全年的用电量。其中，甘肃省的弃风率更是从2014的11%飙升到2016年的43%。综上，我国“三北”地区的陆上风电已步入发展瓶颈时期。

本文从负荷侧来研究提升风电消纳空间的问题，利用达坂城风区的弃风电量来清洁供热，并着重对增加储热的风电供热方式进行了技术经济分析，该方案对于促进风电消纳，减缓弃风限电问题具有积极意义，并将有助于新疆风电产业的健康可持续发展。

1　新疆达坂城风区盐湖街道风电清洁供热研究

1.1　风电供热的政策背景

(1)2013年3月15日，国家能源局《关于做好风电清洁供暖工作的通知》，提出风电清洁供暖技术可以在我国北方及西北具备条件的地区进行推广应用。

(2)2013年9月10日，国务院下发《大气污染防治行动计划》(简称《大气十条》)，要求2017年之前关停小型燃煤热电联产机组，在有些地区可改用电、新能源或洁净煤供热。

(3)2015年4月7日，国家能源局发布了《国家能源局关于做好风电并网和消纳相关工作的通知》，明确提出鼓励风电清洁供暖技术在新建筑的优先使用，大力支持风电清洁供暖技术的利用。

1.2　达坂城风电场规划及弃风限电问题

1.2.1达坂城风电场规划

根据2017年底发布的《新疆维吾尔自治区“十三五”能源发展规划》，新疆风电发展将按照建设国家“三基地一通道”部署要求，充分发挥资源、区位、环境承载力强等优势，优化开发布局，着力打造“两大基地，一个条带，五大区块”，加快达坂城、百里风区、塔城、阿勒泰、若羌等百万千瓦级风电基地建设。“十三五”新增装机预计为3 000 MW，届时达坂城风区2020年末总装机容量预计可达6 950 MW。

1.2.2达坂城弃风限电

近几年我国风电大省弃风限电现象很严重，新疆地区也不例外。2012～2015年全疆及达坂城区风电场弃电情况如表1所示。

1.3　达坂城风电供暖的可行性分析

1.3.1供热负荷特性及风能特性分析

乌鲁木齐市供热负荷特性：从10月份开始，负荷逐渐增大，到1月份左右负荷到达最大，然后逐渐减小，一直到4月份供暖结束。可以看出，进入冬季随着气温的降低，负荷逐渐增大，到12月和1月负荷最高峰，然后随着气温的升高，负荷逐渐减少。

达坂城近年来的平均风速为5.8 m/s，多年风向以西北偏西(WNW)为主导，乌鲁木齐地区采暖期从10月到来年的4月与达坂城风速较高时间是一致的。风电清洁供暖项目通过蓄热后，供暖负荷主要集中在电网谷段，这与一天中风能规律是基本一致的。

1.3.2电制热技术满足风电供热要求

风电供暖是电锅炉与蓄热系统的结合。在夜间电网低谷时段，风电通过电锅炉将媒介加热，通过蓄热系统将热量储存起来；在白天电网高峰时段，再将储存在蓄热介质中的热量释放出来供用户使用。将高品位的电能转化为低品位的热能进行供暖，从热力学角度考虑是不可取的，能源利用不经济，但是最大的优点是能够充分利用弃风电量、环保、无污染。电锅炉主要有两种形式：电阻式与电极式。目前在我国风电清洁供暖示范项目中两种锅炉均有应用。蓄热装备简单，成本低，我国城市供暖中应用最为广泛。

表1　2012～2015年全疆及达坂城区风电场弃电情况

1.4　达坂城风电供暖系统

达阪城盐湖街道风电弃风供热项目位于乌鲁木齐市达坂城区盐湖街道区域内，利用弃风电量供热，总投资约2 200万元，项目分三期进行，供热系统如图1所示，受电网调度、气象条件等影响，弃风较为随机，波动性大，需同时考虑峰谷平各时段电价的差异。该风电清洁供暖项目采用水蓄热系统。根据供热站规模，供热站模式可采用利用弃风电量和谷电蓄热，平电直供。用电原则是弃电优先、谷电优先、平电不蓄热。按照“谷+平”运行方案测算锅炉容量和蓄热容量[2-3]。

图1　达坂城风电供暖系统

下面对热源、热网及热负荷进行说明：

1.4.1热源

蓄热式电锅炉供热站，4台2 200 kW电阻式电锅炉，总容量8 800 kW，3台185 m2的蓄热罐，占地面积1 122 m2。

1.4.2热网

供热区域为达坂城区盐湖街道，既有建筑为单层换热站及浴室。盐湖街道的现有供热管网在2014年进行过改造，供热性能完善，新建供热站位于原有换热站场址，位于热源点起端，因此热网无需大规模改造。

1.4.3供热负荷

2015年冬季达坂城盐湖基地风电清洁能源供暖项目供热站供暖面积为10万m2，年利用风电场的弃风电量为1566.33万kW·h。新疆地区电网谷段时长为10 h，0:00-8:00、15:00-17:00；平段时长为10 h，8:00-11:00、13:00-15:00、17:00-19:00、21:00-24:00，峰段时长4小时。按照“谷+平”运行方案测算锅炉容量和蓄热容量。

(1)值班锅炉热负荷

Hg=Q·n1/n2

(1)

式中：Hg锅炉容量，kW；Q设计热负荷，kW；n1不平衡时段修正系数；n2电锅炉的热效率。

(2)蓄热用锅炉热负荷

(2)

式中：Tf峰段时长，h；T蓄热时长(当地谷段时长)，h；η蓄热损失率。

(3)锅炉计算热负荷

N=Ng+Nx

(3)

式中：N为锅炉计算热负荷，kW。

(4)蓄热装置的有效容积

(4)

式中：V蓄热装置的有效容积，m3；η1蓄热水箱保温率；η2蓄热水箱容积率；Δt可利用温差，℃;ρ热水密度。

经计算得到锅炉容量和蓄热容量，如表2所示。

表2　锅炉容量和蓄热容量计算结果

(5)换热器面积

供暖锅炉房换热器一般选用板式换热器，其换热器换热面积按照下式计算：

(5)

式中：F换热器面积，m2；Q供暖热负荷，W；Δtcp是对数平均温差，℃；K板换传热系数，W/(℃m2)。

(6)

式中：Δtd最大温差端温差，℃；Δtc最小温差端温差，℃。

经计算，达坂城镇区供暖所需板式换热器面积250 m2，其中供地板辐射采暖用10 m2，供散热器采暖用240 m2。

蓄热运行方式将影响电锅炉及蓄热容量，并影响到总投资及运行成本。蓄热运行方式既要有利于降低工程投资，也要有利于降低运行成本，同时能够发挥蓄热对风电负荷的调节作用。该供暖系统的核心技术是蓄热，针对含蓄热技术的供暖系统建模研究尤为重要。

1.5　含蓄热技术的供暖系统建模

1.5.1储能应用于供热系统

大容量储能技术也是解决弃风限电问题的主要措施之一。目前，抽水蓄能是最成熟的储能技术，其他方式在容量规模、技术水平、设备制造以及成本价格方面都存在一定问题，有待进一步加强改善。当前，储能应用于我国的热-电联合系统中，工作原理如图2所示，储能技术应用在电源侧，可提高热电厂的调节能力；应用于负荷侧，提高大量风电供热的调节空间，促进风电的当地消纳[4]。

图2　储能应用于热-电联合系统

为了协调风电与热电厂之间的并网矛盾，提升调节空间，文献[5～8]提出了利用热泵及电锅炉等电制热技术。文献[9]基于含大容量储热的电-热联合系统，对应用前景进行了综述。文献[10]建立了含储热的电力系统电热综合调度模型。

1.5.2含储热的风电供热系统

弃风供热可提高当地负荷，增加风电的当地消纳能力。风电清洁供热如果没有储热，也属于“以热定电”，电负荷由热负荷确定，因此调节空间不大，热-电耦合程度下降，难以充分利用弃风电量。如果加入储热系统，如图3所示，电供热负荷调节就会很灵活，可根据弃风情况最大限度利用风电。

图3　储热的风电供热系统

1.5.3含储热的电-热联合系统模型

不同于传统电力系统，含储热电-热联合系统数学物理模型仍有待进一步研究。下面根据能量守恒定律，建立储热装置模型及电供热系统模型[11-12]。

1.5.3.1储热装置模型

(1)储热容量

在储热系统中，储热容量Ss低于最大储热容量Smax。

0≤Ss≤Smax

(7)

(2)储热功率

在储热系统中，储热功率Hs与换热器的功率有关，要低于换热器的最大功率Hmax，也就是储热速度不要超过换热器的换热速度。

(8)

其中，进、出储热系统的热功率Hin,s、Hout,s；进、出换热器的最大热功率Hin,max、Hout,max。

(3)热负荷

根据能量守恒，如图所示，储热系统的输出热量Hout,s与电直供热的热量Hd之和就是总的热负荷。

Hload=Hout,s+Hd

(9)

(4)储热损失

根据热力学，在储热实际工作中，有能量损失主要是散热、漏热等损失，热损失与储热介质以及周围环境有关，这里假设储热介质为水，热损失与外界环境温度成正比，kloss为热损失系数，热损失为klossSs。根据能量守恒，储热系统从时刻t到时刻t+1储热量，等于进入储热系统的热量减去出去的及损失的热量，在一个周期T运行后，储热量恢复原值。

(10)

1.5.3.2电供热系统模型

(1)电热能量守恒：

电供热负荷Peh是部分通过电锅炉储热Hin,s，是部分用于直供热Hd。

Peh=Hin,s+Hd

(11)

(2)功率约束条件：

电热系统的功率受电网功率及电锅炉功率的限制。

(12)

电热系统的功率Peh,s，电网功率最大值Peh,max，电锅炉功率最大值Peb,max。

1.6　达坂城含蓄热的风电供热效果分析

含蓄热的风电电供热提高风电消纳能力，实际效果包括两方面：(1)增加了当地用电负荷；(2)调高了系统调节能力。

没有蓄热时，电供热负荷与供热负荷相等，新的风电出力曲线为原来的风电出力与电供热负荷曲线的叠加，如图4所示。

图4　无蓄热风电供热时风电出力曲线

有蓄热时，电供热负荷与供热负荷相等，新的风电出力曲线为原来的风电出力与电供热负荷曲线的叠加，如图5所示。

图5　含蓄热风电供热时风电出力曲线

由图4、图5看出，风电供热增加了用电负荷，加蓄热后，用电负荷增加的更为明显。另外，储热具有调节作用，当用电负荷小、风电出力大时就会出现弃风限电，此时增大电供热系统的用电功率，多余的热量通过储热装置储存起来；当电负荷大、风电出力小时，此时减小电供热系统的用电功率，将储存在储热装置的热量释放出来，完成供热。因此，储热装置在弃风限电时蓄热，无弃风限电时将热量放出，大大提高了风电供热系统的调节能力，同时缓解了弃风限电。

2　弃风供热的经济效益分析

新疆乌鲁木齐市达坂城盐湖制盐有限责任公司生产基地自备热电厂始建于1998年，配置2台循环流化床锅炉，一台为背压机组，一台为抽凝机组。自备热电厂于2013年改造后，主要为该基地的生产、生活提供热源。按照国家政策以及乌鲁木齐市相关政策，小型燃煤锅炉属于被关停范围，风电供热已成为该地区供热的主要热源。

盐湖社区风电清洁能源供暖项目供热站供暖面积为10万m2，年利用风电场的弃风电量为1 566万kW·h，与传统的燃煤供暖相比，每年可节约标煤2 942 t，减少排放CO25 172 t，SO22.9 t，NOx22 t，烟尘2 t。用电成本为526.9万元/年，供热站每年售热收入总额为220万元。财务评价如下两种方案：

方案一：当供热站静态总投资为2265.9 万元，项目的财务收益率为5%(全部投资所得税前)时，供热站每年利用风电场弃风电量的补贴收入为609.3 万元(含税)，补贴电价为0.389 元/kW·h(含税)。

方案二：当供热站每年利用风电场的弃风电量为1 566.33 万kW·h，补贴收入为490.3 万元(即相当于谷段电价0.313 元/kW·h 时的补贴收入)，项目的财务收益率为5%(全部投资所得税前)时，供热站静态总投资为1157.9 万元。

3　结论

本文从风电应用负荷侧来增加负荷，提高风电消纳能力。对达坂城风区的弃风电量清洁供热进行了研究，结果表明新疆达坂城风区进行风电供暖是可行的，尤其是增加储热系统的风电供暖系统，具有减缓弃风限电、增加并网消纳、且能起到一定调峰能力的作用。风光互补、储能与应用氢能的组合方案将是下一步的重点研究方向。对于解决弃风问题，一是按照全额保障性收购的法律规定，加强监管;二是进一步加强风电开发规划与电网规划的协调;三是在风电集中开发的“三北”地区通过优化各类发电机组的协调运行、发展储能技术、发挥跨区电网错峰调峰作用等方式、加快跨区输电通道项目的规划，以此提高电力系统的整体调节能力，满足大规模风电并网运行的需要。

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