發布時間：2021-12-23所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：根據風電供熱項目的基本原理，建立了包含基本制熱、蓄熱制熱和蓄熱三個模塊的通用數學模型，并構建了風電供 熱與棄風協調的靈活運行策略;在此基礎上，建立了計算風電供熱項目節煤效果、國民經濟性的數學模型，提出了確定項目最佳配置方案的方法;并進一步基于實際
摘要：根據風電供熱項目的基本原理，建立了包含基本制熱、蓄熱制熱和蓄熱三個模塊的通用數學模型，并構建了風電供 熱與棄風協調的靈活運行策略;在此基礎上，建立了計算風電供熱項目節煤效果、國民經濟性的數學模型，提出了確定項目最佳配置方案的方法;并進一步基于實際風電數據，分析了風電棄風特性及其對風電供熱項目的影響。算例比較了固定時段運行策略與協調運行策略消納棄風的效果，對比了純蓄熱電鍋爐供熱方案和含熱泵蓄熱供熱方案的優劣，分析了兩種方案的經濟性及其影響因素，給出了一些有意義的結論。上述研究可為風電供熱項目的規劃運行提供參考。
關鍵詞：風電供熱;棄風消納;節煤效果;國民經濟性;容量配置
0 引言
近年來，我國“三北”地區棄風問題越來越嚴重，2015 年全年棄風 336 億度，棄風率達到 18.83%，其中吉林、甘肅、新疆甚至超過了 30%[1]。如何消納風電，已成為全社會關注的問題。
鑒于棄風電量的邊際成本幾乎為零，因此使用電鍋爐消耗棄風電量進行供熱以替代傳統分散式燃煤鍋爐，進行“風電供熱”，既可消納棄風避免能源浪費，又可減少化石能源低效燃燒帶來的環境污染，因而近年來正在被國家大力推廣[2-4]，建立了諸多試點項目[5-10]。
然而，實際運行經驗表明，由于棄風的不確定性和間歇性，在沒有棄風時若蓄熱不足需要電鍋爐使用純凝電量進行供熱，因而風電供熱項目中所使用的電量只有一部分來自于棄風電量，其他部分來自火電機組純凝電量[10];而文獻[11]的研究表明，由于電鍋爐采用純凝電力供熱煤耗(約 320g/(kW⋅h))遠高于傳統燃煤鍋爐煤耗(當供熱效率為 80%時，約 160g/(kW⋅h))，故當風電供熱項目中所消耗純凝電量的比例超過 50%時，風電供熱項目實際并不節煤。
顯然，要提高風電供熱項目的節能效果，就需要提高棄風電量在風電供熱項目整個供暖期能耗中的比例，主要有 3 種方式：其一，改變現有的固定時段運行方式，將風電供熱項目納入電網的調度決策過程，根據實際棄風情況優化安排制熱/儲熱設備的運行時間[10]。該運行方式可使得已建設的風電供熱項目最大程度地利用棄風供熱，提高供熱能耗中棄風電量的比例。其二，提高風電供熱項目的制熱和儲熱容量。提高儲熱容量，可使儲熱裝置在非棄風時段放熱時間更長，從而減少在非棄風時段因儲熱不足而需要消耗的純凝電量。而更大的蓄熱容量需要更大的制熱容量以保證在棄風時段可以蓄滿。其三，在非棄風時段蓄熱不足需要電制熱直接供熱時采用比電鍋爐更節能的供熱技術，如使用熱泵(供熱效率可達到 3~4 左右)，從而降低非棄風時段的供熱煤耗。
上述 3 種方式中，除改變運行方式外，提高制熱和蓄熱容量、采用熱泵供熱均會提高整個風電供熱項目的投資成本。那么，增加的節能效益是否會超過增加的投資成本，就成為確定風電供熱項目最優配置方案的邊界條件。而其中，增加的節能效益又主要取決于風電的棄風特性。
因此，如何根據棄風特性合理配置風電供熱項目的制熱/蓄熱容量、是否應該合理配置熱泵、以及在何種棄風條件下發展風電供熱項目才具有經濟性等就成為進一步推廣風電供熱項目有待解決的問題。
本文針對上述問題展開研究，建立了可含熱泵的風電供熱項目通用數學模型，并構建了其與棄風協調的靈活運行策略及消耗電量成分計算模型;在此基礎上，進一步建立了風電供熱項目的節煤效果和國民經濟性計算模型;給出了確定風電供熱項目最佳配置方案的方法;并基于實際棄風數據，分析了風電場棄風特性及其對風電供熱項目的影響。最后，依據所建模型，以實際數據為基礎，進行了算例分析。
1 風電供熱項目的數學模型
1.1 項目基本模型
風電供熱系統主要可分為兩類模塊，其一是制熱模塊，其二是蓄熱模塊。對于制熱模塊，其最大制熱功率要大于供暖期最大熱負荷功率，在實際運行時超過熱負荷的功率部分可用于儲熱。
目前，風電供熱系統的熱源基本都采用電鍋爐，而根據蓄熱方式的不同，可分為兩種：一種是水蓄熱系統，該方式的加熱元件是電阻式、電極式電鍋爐，蓄熱元件是承壓式高溫熱水罐，如大唐洮南風電供熱項目、中電投內蒙古四子王旗風電供熱項目[8];另一種是固體蓄熱系統，其加熱元件依然是電阻式加熱元件，采用高溫固體蓄熱，具有占地面積小，蓄熱容量大的優點，如遼寧法庫風電供暖項目、國電奈曼風電棄風供熱項目[9-10]等。
在實際運行時，電鍋爐在非棄風時段且蓄熱不足時對純凝電量的消耗是影響風電供熱項目節煤效果的主要因素，因此若能提高非棄風時段蓄熱不足時的電制熱效率，就可以大幅提高風電供熱的節煤效果。而由于供熱系統中二次熱網的供水溫度一般在 90°以下[9]，因此，可以采用熱泵作為非棄風時段的供熱熱源。對熱泵而言，由于供熱效率可達到 3~4 左右，其利用純凝電量供熱的煤耗(320/4~ 320/3g/(kW⋅h))遠低于傳統燃煤鍋爐的供熱煤耗，從而使得項目在非棄風時段蓄熱不足時使用純凝電量時也具備了節煤效果，進而可大幅提高風電供熱項目的節煤效果。
為此，考慮模型的一般性和通用性，本文將風電供熱系統分成 3 個模塊進行建模，如圖 1 所示。
其一，基本制熱模塊(表示電阻制熱或熱泵制熱)。設容量為 Ce,0，效率為η0，制熱能力為 Ce,0η0。若采用電鍋爐加熱，效率小于 1;若采用熱泵加熱，效率(COP 系數)大于 1。該模塊的供熱能力等于熱用戶在供暖期的最大熱負荷 PD h,max，其作用是在棄風時段使用棄風電力或者非棄風時段當蓄熱無法滿足熱負荷時使用純凝電力滿足熱負荷的需求。
其二，蓄熱制熱模塊。設容量為 Ce,1，效率η1，制熱能力為 Ce,1η1，其作用是在棄風時段消納棄風電力進行儲熱。由于目前主要采用高溫水或固體儲熱，本文中假設該模塊設備只能使用電鍋爐。
1.2 運行策略
目前，大多數風電供熱示范項目采用夜間電負荷低谷時段(或加上部分平時段)制熱供熱同時儲熱、其他時段儲熱裝置放熱供熱的運行方式，如吉林洮南、內蒙古四子王旗風電供熱項目等[5-9]。然而，風電供熱項目在固定時段運行方式下難以充分發揮其消納風電潛力，為此本文分析假設風電供熱項目采用與棄風協調運行策略，具體如下：
對于供暖期某時段t ，首先判斷該時段是否存在棄風，若存在棄風，則基本制熱模塊啟動以利用棄風進行供熱，同時判斷蓄熱模塊是否蓄滿，若沒有蓄滿，則蓄熱制熱模塊啟動消納棄風制熱儲熱，若已經蓄滿，則蓄熱制熱模塊不啟動。
若該時段不存在棄風，則優先使用蓄熱模塊進行供熱;若蓄熱模塊已完全放熱，則基本制熱模塊啟動通過消耗純凝電量制熱滿足熱負荷需求;此時蓄熱制熱模塊不啟動。
2 風電供熱項目的節煤效果及影響因素
根據 1.3 節所計算的風電供熱項目所消耗的棄風電量和純凝電量，即可進一步計算出項目在整個供暖期的節煤量。
2.1 項目的節煤效果
1)替代燃煤鍋爐供熱所節約的煤耗。
風電供熱項目的本質是替代傳統分散式低效率的燃煤鍋爐，設所替代的燃煤鍋爐效率為ηb，單位供熱量的標準煤煤耗率(噸/(MW⋅h))
4 風電供熱項目的最佳配置方案
如前文所述，在給定棄風條件和熱負荷下，風電項目的節煤效果及其國民經濟性取決于項目在整個供暖期消耗的棄風電量和純凝電量，而這些電量又取決于項目 3 個模塊的配置容量，因而存在一個最佳的配置方案，使得整個項目的經濟性達到最佳。同時，判斷風電供熱項目是否具有經濟性，也應該以最佳配置方案下的經濟性進行分析。為此，下文提出了給定棄風和熱負荷條件下風電供熱項目最佳配置方案的確定方法。
4.3 與風電協調運行方式下容量配置確定方法
4.1 節分析表明，基本制熱容量可以根據熱負荷和制熱模塊的效率確定，而蓄熱制熱容量和蓄熱容量與棄風情況密切相關。由于風電具有不確定的波動性，且蓄熱制熱模塊的容量又會影響到蓄熱容量的蓄熱效果，二者呈現一定的相關性，故而采用解析方式難以確定配置二者的最佳規模。
為此，本文采用模擬運行的方法，基于實際供熱負荷數據和歷史棄風數據，通過模擬運行，得到不同蓄熱制熱容量和蓄熱容量組合下的投資回收期，以投資回收期最小的配置方案作為最佳方案。
由于電網棄風情況取決于風電的發電情況、系統消納情況等諸多因素，而風電不確定的波動性、系統消納手段的提升，使得每年棄風情況會有所不同，從而帶來了不確定性風險。實際分析中，可通過利用多年歷史數據多次模擬取均值的方式來規避該風險。另一方面，本文采用投資回收期最小來選擇最佳方案，也是意在規避這種不確定性風險。
5 風電棄風特性及其對風電供熱項目的影響
鑒于棄風在日內各時段的分布特性會影響到風電供熱項目的運行策略、非棄風過程的持續時間長度決定著項目蓄熱模塊的容量需求、棄風過程的持續時間長度決定著項目蓄熱制熱模塊的容量大小，為此本文對從上述 3 個方面對東北某風電場冬季供暖期的棄風特性進行了分析。
該風電場裝機容量 400MW，整個供暖期 (2015.10.25~2016.04.10，共 169 天)有 1487 個時段存在棄風，約占供暖期總時段數的 36.7%。棄風電量 238 075.6 MW⋅h，棄風率 52.4%，處于嚴重棄風狀態。
5.1 時間分布特性及其對運行策略的影響
圖 2 給出了棄風功率在日內各時段的分布圖及其平均值曲線;圖 3 給出了日內各個時段在整個供暖期發生棄風的次數。
由圖 2 可以看出，棄風在夜間低谷時段、腰荷時段甚至峰荷時段均存在。不過，發生在夜間低谷時段的次數更多，功率更大，故而平均功率也更大。統計表明，棄風發生在夜間(22:00—06:00)的電量約占總棄風電量的 1/2。因而，對固定運行方式而言，將制熱蓄熱時段安排在夜間更利于其消納風電。
然而，由圖 3 可看出，在近 170 天的供暖期中，夜間時段存在棄風的天數沒有超過 95 天，也就是說，對于夜間任一時段，有超過 75 天的時間不存在棄風。此時，對于采用固定運行方式的風電供熱項目而言，必然需要消耗火電純凝電量進行供熱。而實際上，由圖 2 可以看出，該風電場在非夜間低谷時段也存在大量的棄風電量。因此，風電供熱項目通過采用與棄風協調運行策略，根據實際棄風情況安排制熱/蓄熱運行，可以消耗一部分非低谷時段棄風電量，從而提高項目使用棄風電量的比例。
5.2 棄風過程持續時間及對棄風消納效果的影響
圖 4 給出了典型的棄風過程，由圖 4 可見在大風周，往往連續幾日棄風;在小風周，又往往連續幾日無棄風。
對該風電場棄風數據的統計結果表明，在整個供暖期，該風電場共棄風 163 次，最長一次棄風過程持續 87h，最短棄風過程持續 1h。圖 5 給出了單次棄風過程持續時間由大到小排序曲線。可以看出，163 次棄風中各次棄風持續時間不盡相同，在很寬的一個時間尺度內分布。
該棄風特性會影響到蓄熱模塊和蓄熱制熱模塊的利用程度。例如若蓄熱模塊蓄滿需要 8h，則在如圖 5A 點左側區域所示的 69 次棄風過程中，由于其連續棄風時間超過 8h，蓄熱模塊可以蓄滿，但蓄滿后即使依然存在棄風，蓄熱制熱模塊也必須停運，限制了其利用小時數;而在圖 5A點右側區域所示的近 94 次棄風過程中，由于其連續棄風時間小于 8h，蓄熱設備又無法蓄滿(設每次棄風來臨前蓄熱設備置空)。
因而，單次棄風過程持續時間的分布范圍越寬 (越不穩定)，風電供熱項目的蓄熱模塊和蓄熱制熱模塊利用程度越低，消納風電效果越差。
5.3 非棄風過程持續時間及對消耗純凝電量的影響
圖 6 給出了兩次棄風過程間隔(非棄風過程)的持續時間長度排序曲線。統計表明，整個供暖期共有 164 個非棄風過程，最長一次非棄風過程持續時間 212h，最短的則只持續 1h。
單次非棄風過程的持續時間分布會影響風電供熱項目使用純凝電量供熱的情況。例如，若蓄熱設備蓄滿后持續放熱滿足熱負荷的時間為 20h，則由圖 6 可以看出，若在非棄風過程之前的棄風過程中蓄熱設備可以蓄滿，則在 B 點右側區域約 136 次非棄風過程中，蓄熱可滿足熱負荷的需求;但在 B 點左側區域約 28 次非棄風過程中，在蓄熱模塊放熱完畢后需要基本制熱模塊消耗純凝電量供熱，消耗的電量正比于非棄風過程的持續時間減去 20h。
因而，單次非棄風過程持續時間的分布范圍越寬(越不穩定)，風電供熱項目所必須使用的純凝電量就越多，整個項目的效果就越差。
5.4 棄風特性普遍性分析
在電力系統中，發電負荷曲線具有明顯的日峰谷周期性，而常規電源的最小出力往往保持穩定，故而留給風電的上網空間也呈現夜間小而白天大的日周期性。在風電并網比例小時，考慮到風電往往具有反調峰特性，故而棄風往往出現在夜間低谷時段，從而體現出明顯的日周期性。
然而，當風電高比例并網后，如當前吉林、甘肅等地，風電的裝機容量已經超過了電負荷尖峰時段時留給風電的上網空間，風電不僅會在低谷時段棄風，而且在尖峰時段風大時也會棄風。考慮到自然風往往呈現連續幾日風大，連續幾日風小的特征[14]，風電自然也會呈現一段時間連續幾日棄風很大，而另一段時間卻又連續幾日棄風很小的特征，如圖 4 所示。
故而，盡管由于風電的波動性和不確定性，不同地區和不同供暖期會出現不同的棄風功率曲線，然而從統計上來講，在風電高比例并網之后，上述所分析的棄風功率時間分布特性、單次棄風過程和單次非棄風過程持續時間的大范圍波動特性應具有普遍性。
6 算例分析
算例以東北某風電場實際棄風數據為依據，分析在該地區建設風電供熱項目的運行策略、節煤效果、國民經濟性、最佳配置方案及影響因素。
6.1 基礎數據
1)棄風數據。
風電場棄風數據及特性如第 5 節所述。
2)熱負荷數據。
設風電供熱項目的供熱面積為 10 萬 m 2 ，最大熱負荷為 3.3 MW。取供熱負荷的標幺化時序曲線如附圖 A1 所示，取自該地區某實際集中供熱系統。則該風電供熱項目在整個供暖的供熱量為 10745.7 MW⋅h，平均熱負荷為 2.65MW。
圖 7 給出了熱負荷最大日的日內熱負荷分布曲線，可以看出，相對于電負荷明顯的峰谷波動，熱負荷的變化幅度很小，不超過 10%。
3)風電供熱項目數據。
本算例對比分析兩種風電供熱方案：純電鍋爐方案和含熱泵方案。其中，純電鍋爐方案代表當前實際采用的風電供熱方案，基本制熱和蓄熱制熱模塊均為電鍋爐，蓄熱模塊可采用固體蓄熱或熱水蓄熱;熱泵方案則是在現有蓄熱式電鍋爐的基礎上，增加熱泵作為基本制熱模塊，電鍋爐只作為蓄熱制熱熱源使用。
無論是純電鍋爐方案，還是含熱泵方案，均取電鍋爐的制熱效率為 0.98;在含熱泵方案中，取熱泵的 COP 系數為 4;同時鑒于蓄熱設備蓄熱損失率很小[15]，本算例忽略不計。
成本方面，參考風電供暖示范項目及相關文獻[7,15-16]，取基礎建設費 W0 為 600 萬元;電鍋爐費用 WEB e,0 為 60 萬元/MW;熱泵費用 WHP e,0 為 1500 萬元 /MW;蓄熱設備費用 Ws為 5.5 萬元/(MW⋅h)。取固定維護費用為項目總費用的 1%。
4)系統數據。
風電供熱項目的作用是替代傳統燃煤鍋爐供熱。本文取所替代的燃煤鍋爐效率為 0.8;取其 CO2、 SO2、NOx、CO 的排放系數分別取約 2600、8、7.5、 65 kg/噸標準煤，排放費用分別為 0.0742、6、8、 1 元/kg[17-18]。取系統火電凝氣供電煤耗為 0.320t/ (MW⋅h)，標準煤價為 500 元/t。綜上，可計算得節約每噸標準煤的綜合效益為 873 元/t。取社會折現率 is 與煤價、污染物價格上漲率均為 0.08，此時計算得收益現值與靜態收益相同、動態投資回收期相當于靜態投資回收期，有利于觀察結果。
6.2 純電鍋爐方案下固定運行方式和協調運行方式的對比
以純電鍋爐供熱方案為例，比較固定運行策略和協調運行策略下的節煤效果與經濟性指標，以證明協調運行策略的必要性。同時，分析現有基于固定運行方式所設計的風電供熱項目，采用與風電協調運行方式后的國民經濟性。
對于固定運行策略，根據系統峰谷時段的劃分，取固定運行時間為 22:00—05:00，即低谷時段運行 7h。根據 5.2 節計算公式，可得電鍋爐容量為 11.3MW，蓄熱容量為 56.1MW⋅h。
在此容量配置下，設項目分別采用協調運行策略和固定運行策略，模擬供暖期內 4056h 的運行情況(附圖 A2 和 A3 分別給出了兩種運行策略下某周的電鍋爐和蓄熱運行曲線)，并進行統計分析，結果表明，固定運行策略下消納棄風電量為 5344MW⋅h，使用純凝電量 5678 MW⋅h;而協調運行策略下分別為 7684 MW⋅h 和 3307 MW⋅h。
表 1 給出了兩種策略下整個供暖期純凝電量占總耗電量的比例、節煤量、節煤年收益以及投資回收期情況。可以看出，較之固定運行策略，協調運行策略下純凝電量占比減少超過 20%(相應棄風電量占比提高 20%)，節煤效果由負轉正(負表示固定運行策略下風電供熱項目比燃煤鍋爐供熱更耗煤)。這充分說明了協調運行策略的必要性。
同時，表 1 結果也表明，基于固定運行方式所確定的容量配置方案，即使實際運行時采用與風電協調運行策略，在本算例風電棄風 50%的水平下，投資回收期依然遠超 20 年的壽命期，不具有國民經濟性。——論文作者：呂泉 1 ，劉永成 1 ，劉樂 2 ，朱全勝 3 ，王海霞 1 ，王愷文 1
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