李钦伟，郭 伟，张端梅，杨春时

(1.吉林省电力勘测设计院，长春 130022；2.长春工程学院，长春 130012)



基于蓄热电锅炉的风电消纳效益研究

李钦伟1，郭 伟1，张端梅2，杨春时1

(1.吉林省电力勘测设计院，长春 130022；2.长春工程学院，长春 130012)

针对“三北”地区电网冬季供暖期面临着大量弃风问题，提出了蓄热电锅炉的风电消纳模式，介绍蓄热电锅炉的风电消纳原理，进行了环境、经济效益分析，结果表明，采用蓄热电锅炉进行风电消纳，既能解决弃风问题，又能解决煤炭供热污染物的排放问题，使用风电替代传统煤炭供热，每年可节煤5 799.22 t，减少CO210 195.78 t、SO25.70 t、NOx41.95 t和烟尘1.92 t排放量，在补贴风电场利用时间的前提下，项目资本金净利润率可达24.62%，环境、经济效益显著。

风电消纳；蓄热电锅炉；弃风；环境效益；经济效益

近年来风电产业发展迅速，风电装机容量不断增加。截至2014年底，中国新增装机容量2.335×107kW，累计装机容量1.148×108kW，均居世界第一。由于国内风电增长速度大大高于需求增长，系统调峰矛盾突出，风电发展与电网建设规划不协调，弃风问题日益严重。大规模风电消纳一直是世界性难题，欧洲国家将依靠进出口电能保证国内电力平衡及采用国内分散的热电联产进行调峰，作为消纳风电的重要方法[1-2]。国内在关于风电消纳方面，对建设抽水蓄能电站[3]，风、光、水电互补[4-6]，水源热泵技术[7]，电锅炉的热电厂[8]等风电消纳方案进行了经济性分析、研究与评价。

吉林省2014年风电利用时间1 501 h，平均弃风率15%，已成为风电弃风限电的“重灾区”。特别是在冬季，“保热调峰”导致大量的风电场弃风停机，季节性调峰及外送困难和就地消纳能力不强已成为严重制约吉林省风电发展的最大障碍。以下针对吉林省用电负荷特点，分析蓄热电锅炉冬季供热增加用电负荷消纳弃风的模式。

1 蓄热电锅炉风电消纳工作原理

蓄热电锅炉的风电消纳就是使蓄热电锅炉利用峰、谷时段电价差进行供热，即在谷时段供热和蓄热，峰时段利用蓄热的能量进行供热，将风电限电地区的风能，通过电锅炉的能量转换，实现与集中供热企业联合供热。蓄热电锅炉消纳弃风原理示意图见图1。

图1 蓄热电锅炉消纳弃风原理示意图

2 实例分析

2.1 工程基本概况

F风电场位于吉林省D市中部，距离D市约50 km，规划容量200 MW。预计风电场一二期年上网发电量为20 912×104kW·h，风电场等效利用时间2 091.2 h。按照吉林省目前限电量15%考虑，风电场每年弃风电量3 136.8×104kW·h。项目拟在风电场所在区域建热力站，站址位于D市A镇南侧，处于66 kV A变电站供电区内，电锅炉项目可从A变电站经10 kV线路受电，新建10 kV三回供电线路，长度约1.9 km。

2.2 电锅炉选型计算

a．采暖期最大热负荷Qmax、平均热负荷Q和采暖期供热总量Qz计算公式为公式(1)至公式(3)。

Qmax=qA/100

(1)

Q=Qmax(tn-tpj)/(tn-tw)

(2)

Qz=3.6Qmax·T′·24+3.6Q·(T-T′)·24

(3)

式中：q为热指标；A为供暖面积；tn为采暖期室内计算温度 ；tpj为采暖期室外平均温度；tw为采暖期室外计算温度；T′为极端寒冷条件供热天数；T为采暖期供热天数。

采暖期热负荷计算基础数据为：热力站对外供回水温度分别为85～55 ℃，供回水压力0.4 MPa。A=20×104m2；T=167天(每天24 h，极端寒冷条件供热5天)；冬季tw=-22 ℃；tpj=-8.1 ℃；tn=18 ℃。按GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，热力站对外供热的建筑类型为非节能建筑，执行建筑物采暖热指标q取50 W/m2。按照公式(1)至公式(3)，计算出采暖期Qmax=10 MW，Q=6.53 MW，Qz=9.70×104GJ。

b．电锅炉容量计算。冬季D市用电峰段为7:30～11:30和17:00～21:00，共9 h；用电谷段为22:00～5:00，共7 h；其余8 h为用电平段。为尽可能多利用谷段时电量，降低运行成本，采用全量蓄热模式计算，即电锅炉加热水用电全部来自谷段的7 h。本工程拟选用电锅炉出口水参数为1.0 MPa、180 ℃，锅炉电功率为10 MW。需要的蓄热电锅炉总负荷N计算见公式(4)。

N=24·Q·k·103/(txs·n)

(4)

式中：txs为蓄热时间，取7 h；k为热损失附加系数，取1.05；n为电锅炉系统总效率，取0.95。

根据公式(4)计算：Qmax=10 MW时，全量蓄热电锅炉总负荷为37 895 kW，需用3台10 MW电极式热水锅炉，容量为30 000 kW，余下的热量将采用平段加热的方式；Q=6.53 MW时，全量蓄热锅炉总负荷为24 746 kW，需用3台10 MW电极式热水锅炉，其中1台48%负荷运行，同时设置4个1 350 m3的蓄热水罐，蓄热水温180 ℃。

c．采暖期用电量E计算公式为公式(5)、公式(6)。

E=Egc·(1+η)

(5)

Egc=m·P·hEB

(6)

式中：Egc为电锅炉用电量；η为热力站内自用电率，取5%；m为电锅炉台数；P为电锅炉功率；hEB为电锅炉利用时间。

3台电锅炉利用时间980 h，每台功率为10 MW。根据公式(5)、(6)计算，采暖期用电量为3 087×104kW·h。

3 效益分析

电锅炉消纳弃风相当于在风电过剩时，利用过剩风电为居民进行供暖，此举可降低冬季地区耗煤量，具有显著的经济效益和生态效益。由前面计算可知，F风电场每年弃风电量为3 136.8×104kW·h，采暖期电锅炉用电量为3 087×104kW·h。与传统燃煤锅炉相比，每年可节约煤炭5 799.22 t，减少CO210 195.78 t、SO25.70 t、NOx41.95 t 和烟尘1.92 t排放量。

根据地区实际情况，若没有蓄热电锅炉用电量，风机夜晚则会停机。蓄热电锅炉供热主要成本包括蓄热电锅炉的一次性投入成本、用电成本和人力成本等。蓄热电锅炉建设期为1年，生产期为20年。用电时段分谷段、平段和峰段。谷段的用电价格为0.466元/(kW·h)，用电量2 901.78×104kW·h；平段的用电价格为0.932元/(kW·h)，用电量为154.35×104kW·h；峰段的用电价格为1.398元/(kW·h)，用电量为30.87×104kW·h。风电场的上网电价为0.61元/(kW·h)。采用木联能V2.0.1软件进行财务评价，在补贴风场490 h售电收入的状况下，液体蓄热价格从210元/GJ(含税)降到28元/GJ(含税)，资本金内部收益率达到29.08%，资本金净利润率达到24.62%。

4 结论与建议

a．在国内“三北”地区弃风严重的环境下，使用风电替代传统煤炭进行供热，具有明显的环境效益和经济效益，每年可节煤5 799.22 t，减少CO210 195.78 t、SO25.70 t、NOx41.95 t 和烟尘1.92 t 排放量。在补贴风电场利用时间的前提下，项目资本金净利润率可达24.62%。

b．采用蓄热电锅炉消纳弃风电量，既可解决风电弃风问题，也可解决冬季D市的居民供暖问题，对其他地区风电消纳有一定的借鉴作用。

c．当前风电发展缺乏对电网、用户完整的激励政策体系。结合我国实际情况，可建立促进低谷时段风电消纳的上网电价机制，电网投资成本回收机制等措施，推进风电并网消纳工作。

[1] 丹麦如何解决风电消纳[J].新财经，2012，(11)：94.

[2] 辛颂旭，张钦，白建华.西班牙风电大比例消纳的深度分析[J].能源技术经济，2011，23(8)：53-56.

[3] 靳亚东.建设蓄能电站解决风电消纳经济性分析及有关政策建议[J].水力发电学报，2012，31(2)：1-4.

[4] 白雪，袁越，傅质馨.小水电与风光并网的经济效益与环境效益研究[J].电网与清洁能源，2011,27(6)：75-80.

[5] MEHDI NASSER,STEFAN BREBAN. Experimental results of a hybrid wind/hydro system connected to isolated loads[J].IEEE,2008,(3):1896-1903.

[6] 李强，袁越，李振杰，等.考虑峰谷电价的风电抽水蓄能联合系统能量转化效益研究[J].电网技术，2009，33(6)：13-18.

[7] 李群英，冯利民，许宇辉，等.基于水源热泵技术的风电消纳模式电力系统自动化[J].电力系统自动化，2012，36(17)：25-27.

[8] 吕泉，姜浩，陈天佑，等.基于电锅炉的热电厂消纳风电方案及其国民经济评价[J].电力系统自动化，2014，38(1)：6-12.

(编辑 韩桂春)

Research on Wind Power Consumptive Benefits Based on Electric Heat-storage Boiler

At present, during the winter heating period, the power is facing a large number of abandoned wind problem in China's "Three North" region. This paper proposes wind power consumptive patterns of electric heat-storage boiler, analyzes wind power consumptive principle of regenerative electric boiler, carries out from the environmental and economic benefits analysis. The results showes that wind power consumptive use of regenerative electric boiler can solve the problem of abandoned wind, and can effectively solve the problem of traditional coal emissions of pollutants. It can save emissions a year of coal 5 799.22 t， reduce CO210 195.78 t， NOx41.95 t. and gas discharge 1.92 t. Under the premise of wind farm subsidies in the use of time, capital of net profit margin can reach 24.62%, the project has remarkable environmental and economic benefits.

wind power consumption; electric heat-storage boiler; abandoned wind; environmental benefits; economic benefits

2015-04-08

李钦伟(1983)，男，工程师，主要从事风力发电场设计工作。

TM614;TK229.923

A

1009-5306(2015)05-0012-02