电采暖对配电网规划的影响与适应性分析

安佳坤, 齐晓光, 习 朋, 马国真, 朱俊栋,崔立飞, 赵海东, 吕 航

1.国家电网河北省电力有限公司 经济技术研究院 石家庄 050000 2.国家电网河北省电力有限公司 石家庄 050000 3.国家电网保定供电公司 河北保定 071000

1 研究背景

煤炭是北方地区冬季取暖的主要燃料之一。随着化石能源的日益枯竭及节能减排形势的日益严峻,为减少环境污染,煤改电等电能替代技术取得了显著发展[1-2]。

文献[3-6]分析了蓄热式电暖器、蓄热式电锅炉、蓄热地板等不同类型电采暖的方式及特点,并对其经济性和运行效果进行了研究。文献[7]分析了煤改电接入前后负荷特性的变化。文献[8]分析了煤改电接入后农村电网的规划方法。文献[9-12]以天津、黑龙江、北京、新疆等地为例,对煤改电实施情况进行了分析。文献[13-15]对煤改电与风电、光伏等新能源的综合利用情况进行了研究。

笔者从电采暖类型、实施流程、政策等方面总结煤改电实施流程,分析煤改电对配套电网建设改造的影响及技术、经济、环境适应性,同时结合实际工程开展情况,探讨煤改电推进中存在的问题,并提出相关发展建议。

2 电采暖发展现状

2.1 电采暖类型

根据不同的供热形式,电采暖可分为集中式和分散式。其中:集中式电采暖包括普通式、蓄热式等电锅炉和空气源、水源、地源等集中式热泵;分散式电采暖包括直接加热的直热式电暖器、户用空气源热泵、电热膜、发热电缆,以及间接加热的蓄热式电暖器、户用蓄热式电锅炉等,如图1所示。

空气源热泵由于经济、清洁的优势,在采暖期短、热负荷低、室外空气温度较高的南方地区应用较广。地源热泵和蓄热式电锅炉由于效率较高、经济性较好,在集中供暖或整村改造地区应用较多。蓄热式电暖器具有安全、可靠、可调控性强、可分户计量等突出优势,适用范围较广,应用潜力较大。

图1 电采暖类型

2.2 电采暖实施流程

实施电采暖将对电网、用户产生较大影响。以蓄热式电暖器应用为例,实施电采暖需要完成配套电网建设改造、采暖设备购置安装、房屋节能保温修缮等多项工作。电采暖具体实施流程如图2所示。

图2 电采暖实施流程

(1) 配套电网建设。农村居民大规模、密集式实施电采暖,将迅速、显著提升地区负荷水平,由此需要建设和改造各电压等级配套电网,以满足负荷要求。

(2) 设备购置安装。实施电采暖后,户均负荷显著增大,传统户线型号、截面大多不能满足用电需求,需要进行相应改造。

(3) 房屋保温修缮。实施电采暖需要对农村房屋进行保温修缮,以保证采暖效果,具体包括外墙增设保温层和更换保温门窗等。同时,传统农户多为单相用电、无接地模式,而随着电采暖负荷的激增,为保障用电安全,需要对电气设备外壳、户内线路、房屋等加装接地线和接地装置,开展房屋接地改造。

2.3 政策现状

宏观形势上,国家下发了《京津冀大气污染防治强化措施(2016～2017年)》和《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案》,明确提出了京津冀、长三角、珠三角等地区细颗粒物年均浓度下降指标,并要求相关省市大力推进农村电采暖和城区气代煤工程,这标志着京津冀地区乃至全国电采暖进入快速发展时期。

建设改造补贴方面,以北京市出台的补贴政策最为完善,对电网10 kV以下配套电网改造项目给予30%资金支持,电网公司承担70%。同时,由区县政府组织实施房屋节能保温修缮,并承担户内线改造和房屋保温修缮费用。此外,对电采暖设备购置给予2/3资金补贴,用户承担1/3。

在运行电价费用方面,居民在采暖季可享受峰谷电价,部分地区还可享受政府电价补贴。以北京为例,低谷时段电价为0.3元/kWh,优惠时段为21:00至次日6:00,电采暖用户在享受低谷电价的基础上,还可享受0.2元/kWh的政府补贴,农户自己仅承担0.1元/kWh的电价。

3 电采暖负荷对配套电网的影响

电采暖实施后,将对电网规划、运行、建设产生重要影响。各阶段工作均需相应性修订,以满足电采暖负荷发展的需求。

第一,电采暖改变了各地区负荷预测信息和电力电量平衡,需要修订电网规划方案。

现有电网规划和负荷预测均依据自然增长的负荷信息,未考虑电采暖负荷的大规模、集中式、爆发式接入。电采暖实施后,部分地区负荷激增,甚至可能翻倍。分地区负荷预测、电力平衡、各电压等级电网规划容量均需相应修订,以满足电采暖的负荷需求。

第二,电采暖改变了各地区冬夏季负荷差、冬季最大负荷时点、峰谷差等,使进一步优化电网运行成为可能。

随着冬季采暖负荷的增大,电网冬夏负荷差额减小,甚至可能冬季最大负荷高于夏季,这对于平衡季节性负荷、提高设备全年平均利用效率具有积极意义。此外,基于蓄热式电暖器的电采暖工程可以在夜间用电低谷时运行蓄热,白天用电高峰期停运散热,减小日负荷峰谷差,减轻调峰压力。同时,蓄热式电暖器作为一种储能设备,具有参与需求侧响应的潜力和优势,使基于蓄热式电采暖的优化运行成为可能。

电采暖实施后,冬季最大负荷时刻可能由现在的18:00左右变为采暖负荷大量接入的22:00左右,需要在安排电网运行方式时予以注意。并且,电采暖设备在22:00统一启动,峰值用电负荷将是前一时刻基础负荷的2～3倍,冲击电流较大,容易对电网设备造成危害,因此需要加强用户负荷侧管理,合理安排电采暖设备启动时序,选择恰当时间间隔分批启动,避免出现尖峰负荷。

第三,电采暖使局部地区负荷激增,需要加强配套电网工程的建设规模和建设标准。

为满足煤改电负荷接入需求,需要优化电网35 kV及以上项目的建设时序,新增部分“十三五”规划库外的项目或提前开展部分项目,以满足电采暖实施规模和实施时间的要求。另一方面,电采暖工程使户均供电负荷大幅增长,负荷密度显著增大,部分10 kV配变和线路需要更换为大容量配变和大截面型号导线。

电采暖实施后,居民生活对电力的依赖性更强,长时间停电对居民生活将造成重大影响。电采暖区域的网架结构应加强网络联络性和负荷转供能力,提高供电可靠性。

4 电采暖适应性分析

4.1 技术适应性

目前,清洁取暖最主要的改造方式是煤改电和煤改气。

实施煤改气需要在各个农村安装液化天然气橇装站,而橇装站为易燃易爆设施,安全上可能存在隐患,需要加强配套的消防、供电等安全防护,并需考虑农村居民的接受程度。同时,液化天然气橇装站主要设施需与居住区、工业企业、仓库、电力设施、铁路公路等建筑按标准保持一定安全距离,在橇装站、管网的位置选取上限制条件较多。此外,目前供气企业经营范围主要是城市、县城及周边区域,农村供气企业较少,在后期运营维护中可能存在成本高、无经验、不稳定、服务人员缺乏等问题,增加后期运营成本。

相对于煤改气,国家电网目前已建成省、市、县、村各级全面覆盖的电力供应、设备维护、市场运营等服务网络,有足够的运维能力有效保障广大农村地区各种供电负荷的安全稳定运行。并且,电能相较天然气,具有排放少、传输安全等优势。随着风电、光伏发电比重提高,电能的清洁优势可进一步提升。但长期以来,农村电网发展缓慢,网络结构较为薄弱。若实施煤改电,需要大力开展10 kV及以下配套电网工程建设,部分区域甚至还需要新增500 kV、220 kV或110 kV变电站布点。可见,相对于煤改气,煤改电投资压力较大。

4.2 经济适应性

电采暖工程投资涉及初始设备投资和日常运行维护两方面,由此可见,电采暖工程若想顺利开展,需要用户、企业和国家三方面的积极参与和协调支持配合。

在用户层面,根据试点建设情况,电采暖户均初始设备建设成本需2.14万元,运行成本每采暖季户均需0.25万元。其中,初始设备成本包括两方面。一是房屋节能保温修缮户均1.14万元。外墙保温修缮按户均80 m2、1 m2投资80元考虑,门窗保温修缮按户均25 m2,1 m2投资200元考虑。二是采暖设备购置安装户均约1万元。户均采暖面积80 m2、最大采暖负荷9 kW,需配置蓄热式电暖器不超过三台,单台蓄热式电暖器最大功率3.2 kW。采暖设备购置需户均8 500元,户表以下线路改造按1 500元考虑。运行成本按照户均采暖电量8 000 kWh、1 kWh电量0.31元测算。

据调研,农村居民燃煤每供暖季户均燃煤约2.5 t,按照600元/t测算,户均采暖成本0.15万元,相比电采暖具有较大的经济优势。可见,为保证电采暖顺利实施,必须出台足够的电采暖补偿政策,以调动用户积极性。

在企业层面,推广实施电采暖,需大力加强配套电网建设,增强网络联络率和负荷转供能力,保障供电能力和供电可靠性。电网企业是实施电采暖配套电网工程的建设主体和投资主体。据初步估计,仅10 kV及以下电网投资户均需1.8万元,增大了电网企业的投资压力。

此外,电采暖项目涉及的征地拆迁、环境影响评估等前期工作,不仅需要一定的投资金额,而且将占用大量时间。为保障电采暖项目,特别是部分规划提前或新增布点项目的顺利实施和有效落地,需要政府相关部门的支持和协调,以提高电采暖实施效率。

在社会层面,实施电采暖后用户可以根据自身具体需要调整供热量,解决了传统集中供热模式难以按需供热的问题,有助于推动用户自觉节能,减少整个社会的资源消耗。同时,分布式电源接入地区实施电采暖,还能够促进新能源的就地消纳,减少弃风、弃光现象,进一步提高社会效益。

然而,电采暖的推广实施将给政府带来较大的资金压力。按照房屋节能保温修缮户均定额补贴1万元、电采暖设备购置户均定额补贴1万元、10 kV及以下电网投资补贴30%、电价1 kWh补贴0.2元测算,政府每户初始资金补贴2.54万元、运行资金补贴0.16万元。按照1个地市15个县,平均每县400村、每村400户统计,电采暖推广1个地市需初始资金补贴609.6亿元,同时每年补贴运行资金38.4亿元,对政府而言,资金压力巨大。

4.3 环境适应性

根据北京市统计局、国家统计局北京调查总队对京津冀污染的调查分析报告,燃煤产生的污染物是造成河北大气污染的重要原因。实施电采暖,将有效减少燃煤污染物的排放。按照1 t煤减排2.493 t二氧化碳、0.68 t粉尘、0.075 t二氧化硫和0.037 5 t氮氧化物测算,每户每采暖季减排6.23 t二氧化碳、1.7 t粉尘、0.19 t二氧化硫和0.09 t氮氧化物,每市将减排1 496万t二氧化碳、408万t粉尘、45万t二氧化硫和22.5万t氮氧化物,具有较大的环保优势。

综上所述,电采暖实施具有明显的环境优势,但同时也将给配套电网建设、政府企业投资带来较大挑战。因此,综合现有电网供电能力、工程建设能力和政府企业财政能力等多方面因素,合理、有序地确定电采暖实施规模,是确保电采暖工程顺利开展的重要环节。

5 工程中存在的问题

5.1 用户方面

(1) 煤改电确村确户工作的约束性有待加强。根据各地区煤改电实际实施经验,实施过程中存在部分地点变为热力或天然气供暖的情况,确村确户名单多次变化,影响配套电网建设。

(2) 部分地区采暖效果不理想。农村居民用户住房多为非节能建筑,无保温层,顶高窗大,部分煤改电用户室温在9～14 ℃,外墙普遍没有保温改造,冬季取暖效果不理想。

5.2 项目实施方面

(1) 煤改电设备类型众多,用电负荷差异较大。部分地区煤改电实施过程中,未明确居民电采暖设备类型、户均配置台数、用电功率等,较难科学确定配套电网的规划设计标准,存在电采暖设备形式变化、设备功率超出或低于设计标准的可能性。

(2) 工程审批慢,影响项目进度。煤改电工程涉及市城管局或区城管局、建设规划许可等多项审批,审批部门多,流程长,约为2个月,影响施工周期。同时工程涉及的占地协调均由街道居委会、村委会落实,施工占地协调困难,在组立电杆、搭设架构等施工过程中频繁受阻,造成工期延误。

5.3 政策方面

(1) 大规模可持续运行机制尚不成熟。目前,河北省政府对用户电价补贴政策暂定3年,3年以后的补贴政策与措施尚不明确。并且随着煤改电、煤改气规模的扩大,单靠政府补贴的模式,难以长期可持续实施。

(2) 能源依赖增加,供应能力不足。以河北南网为例,网内装机不足,迎峰度冬期间存在一定的电力缺口。根据电力平衡测算,2017年冬季河北南网仍有200 MW左右的最大供应缺口,煤改电新增负荷在500 MW左右,需要通过临时交易等方式予以满足。

6 相关建议

6.1 加强沟通协调

宜制定自上而下的煤改电常态沟通对接机制,明确政府、供应商、用户与供电企业的四方对接关系,按照政府主导、企业实施、用户配合的工作原则,统筹推进房屋节能保温改造、户内线改造、电采暖设备购置及配套电网改造等工程,确保煤改电工作全环节高效运转。

6.2 构建长效运行机制

构建跨省跨区可再生能源交易,购入低价新能源电力,供应煤改电用户,使电力公司购电成本降低。在用户承担电价不变的基础上,降低政府补贴费用,实现煤改电补贴的长效运行。

6.3 提前开展确村确户工作

建议按照宜电则电、宜气则气的原则,明确各阶段煤改电区域、电采暖设备类型、容量规模等。对集中供暖和供气难以覆盖的区域,按照整村推进的原则和规模实施电采暖。同时尽量避开美丽乡村、中心村等已实施整村改造的村落,避免大拆大建和投资浪费。

7 总结

笔者结合煤改电工作的开展情况,分析了煤改电接入对配电网规划的影响,开展了技术、经济、环境三方面适应性研究,总结了煤改电工程实施中存在的问题,并提出了相应建议,有助于煤改电等电能替代技术的发展。