提高风电就地消纳的蓄热式电锅炉优化调度分析
2022-04-24陈永强
陈永强
(上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司，甘肃 兰州 730000)
0 引言
风电就地消纳的蓄热式电锅炉优化调度是对10 kV蓄热式电锅炉项目运行关键技术及控制策略研究课题项目的延续性分析，主要研究目的是使用电能代偿的办法克服我国西部区域内大量的弃风电能源浪费现象。此项技术主要使用能够蓄热储能的电暖设备、空调设备搭配锅炉装置来替代北方冬季常用的烧煤取暖形式，总的来说就是使用清洁电能取代原有的化石燃料热能转化，除了响应国家可持续发展理念，节约不可再生资源外，还能较为显著地解决我国北方区域范围内的冬季雾霾污染天气问题。
1 项目概况
乌鲁木齐高铁片区新能源弃风供热示范项目(一期)建成于2015年7月，项目体系中含有8 MW的蓄热式电极式锅炉6台，能够为整体供热项目提供高达50 MW的装机容量，并于2016年10月正式开始投入运营。新疆乌鲁木齐地处准噶尔盆底，地形聚风且地表建筑植物稀疏，可以很好地降低地面摩擦力对风能收集利用的损耗。
乌鲁木齐高铁片区新能源弃风供热示范项目(一期、二期)的建设目标是要在风能能源丰富的新疆盆地处建设中国最大的蓄热电锅炉项目，用于支持西电东送资源配置项目工作的开展，将源源不断的生产、生活电能以最高的效率形式送往我国东南部经济中心地带以及东北部的老工业区，同时电能与热能的结合与转换还将有效应对我国北部冬季的寒冷天气，辅助煤炭锅炉供暖，给予北方人民一个温暖的冬天，减少化石燃料低效燃烧所造成的环境污染以及温室气体的排放。
2 蓄热式电锅炉供暖消纳弃风原理
乌鲁木齐高铁片区新能源弃风供热项目关注于零散风能的再利用，进而实现消纳弃风的最终目的，同时联合使用蓄热式电锅炉供暖技术，将蓄能与供暖融为一体，一方面能够以占用空间更小，且能量表现更为密集的形式将零散的风能进行收集；另一方面也能省去电能二次转化的步骤，直接将积累的热能通过线路管道直接向外进行热能的输出[1]。
在实际技术应用过程中，蓄热装置与电场内的电锅炉能量转化装置相结合，扩展了风电场除收集运送以外的供电业务，同时项目在实验阶段尝试连通了乌鲁木齐城市供暖网络，在最终调研的结果上体现出稳定、持续与能量充沛的特点。
在实际应用过程中，技术人员通过长期的风电场数据监测确定了风电场场内出现弃风现象的负荷低谷时段，为加设电锅炉热能转化提供了数据支撑，在电锅炉热能转化设备安装完成后，技术人员在相应的风能低谷时段加大了电网中的电负荷采集力度，而后向其收集原本作为弃风出现的冗余风能资源，进而有效地提升了系统中的风电消纳数值[2]。
将风能利用发电装置转化为电能后，电锅炉的使用使得此类电能高效率地转变为热能，此后根据城市供暖实际需要，将这类热能向城市居民生产活动空间进行输送，而多余的热能则由专业储热罐进行统一收集保存，在用电高峰时段风力发电设备出现供不应求的不稳定现象时，储热罐将其中的热能再度转化为电能，以备用点的形式保持区域生活、生产用电的稳定供应，其具体风能—电能—热能—电能的转化原理设计如图1所示。
图1 风力供热、供电原理设计图
3 蓄热式电锅炉优化调度模型
3.1 目标函数
目标函数是计算最小化弃风的函数公式，具体公式为：
(1)
在该式中，T表示风能调度的周期，根据实际风电场运作经验将T恒定取T=1，以整体调度周期天为单位；t表示调度的具体时段，具体调度细节时长安排以小时为单位；PW，t表示时段t范围内经由风电场发电系统所生产出的风电总能量；PWp，t表示时段t范围内经由风电场发电系统所产生的最大风电总能量[3]。
3.2 风力发电机组模型
在风力发电厂厂内遵循风力发电机组模型进行细节电能生产，具体公式表达为：
(2)
在该式中，v代表发电设备中机轮毂最高点的现实风力速度；vcut-in表示发电设备中进入系统的实际风力速度；vcut-out表示发电设备中系统输出的实际风力速度；vrated表示发电设备中系统的定值风力速度预设；Prated表示发电设备中系统的定值输出电力功率预设；Pt表示实际发电设备中系统的输出电力功率；ρ表示风力发电厂现场的实际空气密度状态；R表示风力发电厂现场的实际风轮设备的半径数值；Cp表示风力发电厂在机械能转换电能过程中有效的风能利用程度系数。
需要注意的是，该模型的使用存在一处特例，即当风力速度条件满足v
4 水蓄热技术
水蓄热技术是风力发电电能转化存储的技术依据，是抵抗能源损失，最大化利用现有清洁能源的关键技术。在该技术的具体应用过程中，水成为了热能的搭载媒介，电能通过电阻生热的方式以热能表现出来，并通过直接接触的方式传达到目标液态中，当城市存在供暖热能需求时，承载热能的水体就可以通过城市供暖管道与热水供水系统直接与民用设备连通，实现供暖需要。
通常情况下，为保证能源存储的效率，并尽可能降低传输过程中的能量损耗，蓄热液态物质的温度最低应当高于40℃，同时最高不得超过140℃，在不同的使用场合采用不同的温度进行热能释放。当热能用于民用供水需求时，蓄热水温度应当处于人体可直接接触的安全范围内，最高不超过体感舒适温度以40℃～70℃为宜；当热能用于民用直饮水需求时，考虑到直接饮用水源的安全性需要，此时的蓄热水水温需要高于100℃沸点；当热能用于现代化大型空调风机系统的间接加热供热时，为在短时间内提高供热效率的同时兼顾空调设备内部的精密零件不受高温损耗，此时的蓄热水温度为90℃～98℃，当热能用于城市居民供暖系统时，考虑到供暖管道的布局模式与供暖单位面积的大小，为了弥补热能在金属供热管道运输中的损耗，实际蓄热水水温需要高于正常城市民用用水水温40℃～50℃。
在本次项目中，采用罐装结构用以储存蓄热水，在实际应用过程中根据蓄热水不用的功能目标，详细分为加压强与标砖压强2种方式，为目标蓄水液体提供更广阔的加热空间，尤其对于需要水温较高的液体，采用加压加温的方式进行热能储备。此外，加压储热水由于沸点较高，其内部以水为主的温度承载媒介的沸点也比较高，可以在超过100℃以上的温度中仍以液态的形式存在，能够很好地克服罐装水蓄热系统占地面积过大的问题。但在实际使用过程中，该系统在保温性与安全性方面仍存在着一定的优化空间。
以乌鲁木齐市区为例，现阶段较为常规的城市采暖系统在“风力+热储能技术“的发展下主要采用水槽蓄热与水槽供热2种常见运行模式。其中，水槽蓄热运行模式在风力发电站夜间阶段的供电低谷处使用，将冗余风能进行机械能转电能后直接通过电锅炉为储能水槽加热，这类热量将在日间以液体流动的方式向城市进行热能供应；而水槽供热运行模式则开展于日间阶段的用热高峰，主要通过城市建筑内的空气温度调节系统进行运行，将夜间蓄能水槽内产生的热量使用板式热量转换器向城市供热空调系统进行供能。
5 结语
研究风电就地消纳的蓄热式电锅炉调度模型及关键水蓄热技术是蓄热电设备应用于能源资源行业的重要表现，在实际技术模型应用过程中能够将非高峰用电时间的多余电能通过蓄电设备存储起来，在蓄电积累到一定程度后再使用能量转换设备将其以热能与冷能的形式进行稳定的二次存储，而后在用电高峰时段优先将储备能源进行转化释放。该技术充分贯彻落实了国家的可持续发展理念，使用削峰填谷的模型概念实现了电能输送—储能—利用的集约型发展。
