有效利用風(fēng)電棄風(fēng)電量實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚清潔供熱方式的研究

文|李天昊

有效利用風(fēng)電棄風(fēng)電量實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚清潔供熱方式的研究

文|李天昊

東北、蒙東地區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)容量大，但地區(qū)用電負(fù)荷不足，電力外送容量有限，導(dǎo)致地區(qū)風(fēng)電消納問題十分嚴(yán)重。尤其在供熱季熱電聯(lián)產(chǎn)機組與風(fēng)電出力的矛盾造成棄風(fēng)限電問題更加突出，成為限制地區(qū)風(fēng)電進一步發(fā)展的關(guān)鍵問題，亟須解決。隨著電力體制改革進一步深入，風(fēng)電公司作為發(fā)電單位也可以開展售電側(cè)的業(yè)務(wù)，這就為風(fēng)電公司更加主動地參與到風(fēng)電消納工作中提供了可能性。因此，本文在這種政策背景下，提出了風(fēng)電公司就近開展利用自身棄風(fēng)電量實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚清潔供熱的技術(shù)思路，將現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)大棚小型燃煤鍋爐供熱改造成利用棄風(fēng)電量供熱的清潔供熱方式，從而有效提高供熱季地區(qū)用電負(fù)荷，同時還利用風(fēng)電供熱系統(tǒng)中的儲熱裝置與風(fēng)電出力之間的協(xié)調(diào)配合，進一步提高地區(qū)風(fēng)電的消納能力。

風(fēng)電供熱系統(tǒng)運行控制方法與儲熱參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

一、風(fēng)電供熱系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法

以我國某省級電網(wǎng)的實際數(shù)據(jù)為例進行仿真計算，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

系統(tǒng)中負(fù)荷、風(fēng)電出力極限和熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱負(fù)荷曲線分別如圖1所示，仿真計算得到系統(tǒng)消納的風(fēng)電曲線和棄風(fēng)功率曲線如圖2所示。從圖2可以看到，系統(tǒng)中的棄風(fēng)主要出現(xiàn)在晚上風(fēng)電出力大發(fā)的時候，系統(tǒng)的棄風(fēng)電量達到了8848.5MWh。

表 1 算例系統(tǒng)參數(shù)

假設(shè)風(fēng)電供熱大棚的熱負(fù)荷曲線如圖3所示。從風(fēng)電大棚的負(fù)荷曲線和棄風(fēng)的曲線來看，如果沒有儲熱裝置，則系統(tǒng)不可能滿足大棚的供熱熱負(fù)荷的需求，因而必須要有儲熱裝置。

取電供熱裝置的加熱功率為500MW，儲熱裝置的儲熱容量為2500MWh，換熱器的換熱功率極限為500MW。

進行仿真計算的結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看到，加入了風(fēng)電供熱大棚以后，新增的風(fēng)電消納如圖中紅色虛線所示，受到電供熱功率限制，在系統(tǒng)中風(fēng)電出力處于較高階段時，新增風(fēng)電消納最大功率只能達到500MW，在一天時間段內(nèi)，共新增風(fēng)電消納為5032.1MWh，此時系統(tǒng)總棄風(fēng)為3816.4MWh。實際系統(tǒng)中新增的風(fēng)電消納受系統(tǒng)中總的熱負(fù)荷限制，系統(tǒng)中總的熱負(fù)荷為4763.2MWh，其與風(fēng)電消納的差額為系統(tǒng)中儲熱的熱損失。

風(fēng)電大棚中各部分的熱功率分別如圖5所示。從圖中可以看到，在系統(tǒng)中風(fēng)電大發(fā)并且出現(xiàn)棄風(fēng)的時段，風(fēng)電大棚利用棄風(fēng)電量進行制熱，在滿足農(nóng)業(yè)大棚供熱負(fù)荷的同時，將多余的熱量儲存在風(fēng)電供熱系統(tǒng)中的儲熱裝置里。在系統(tǒng)中沒有棄風(fēng)的時段，風(fēng)電供熱系統(tǒng)將停止電制熱，此時風(fēng)電供熱系統(tǒng)釋放儲熱裝置中的熱量來給風(fēng)電大棚供熱，滿足大棚的熱負(fù)荷需求。通過含儲熱的風(fēng)電供熱系統(tǒng)與風(fēng)電場的協(xié)調(diào)運行，使得農(nóng)業(yè)大棚只利用風(fēng)電場的棄風(fēng)電量來供熱，從而在提高系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力同時，為爭取較低的供熱電價提供了技術(shù)保障。

二、風(fēng)電供熱系統(tǒng)儲熱裝置的儲熱容量和換熱功率設(shè)計方法

在風(fēng)電供熱大棚中，儲熱裝置將有棄風(fēng)時段的棄風(fēng)功率進行存儲，而在無棄風(fēng)時段釋放存儲的能量，滿足風(fēng)電大棚的熱負(fù)荷需求。儲熱裝置的儲熱容量大小對應(yīng)于能夠轉(zhuǎn)移的熱量的多少，被轉(zhuǎn)移的熱量最終是要滿足系統(tǒng)的熱負(fù)荷需求；儲熱裝置的換熱功率和系統(tǒng)電制熱的功率決定了系統(tǒng)電制熱的情況和熱量轉(zhuǎn)換的情況。在系統(tǒng)棄風(fēng)功率曲線一定的情況下，對應(yīng)于一定的電制熱功率，需要滿足系統(tǒng)的熱負(fù)荷需求，應(yīng)當(dāng)有最小的儲熱容量滿足當(dāng)前電制熱的需求。風(fēng)電大棚供熱能夠減小的棄風(fēng)，實際由風(fēng)電供熱大棚的熱負(fù)荷決定。下面進行具體仿真說明。

分別取不同的棄風(fēng)制熱功率，求滿足最小需求的儲熱容量，及此時換熱器的最大換熱功率，如表2所示。

表 2 不同制熱功率下的最小儲熱容量及換熱器最大功率

從表2中可以看到，在不同的電制熱功率下，風(fēng)電供熱大棚的最小儲熱容量均為2043MWh，而系統(tǒng)的棄風(fēng)量隨著電制熱功率的增加而有微弱減小，主要是因為優(yōu)化過程中的優(yōu)化目標(biāo)為系統(tǒng)的棄風(fēng)量最小值，在電制熱功率變大時，則儲熱裝置更容易達到其最大儲熱容量。而儲熱裝置的熱損失是由儲熱裝置的儲熱量決定的，因而在電制熱功率變大時，大棚儲熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷損失會增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的棄風(fēng)量有所減小。

風(fēng)電供熱系統(tǒng)的消納風(fēng)電效益和技術(shù)經(jīng)濟性分析

一、農(nóng)業(yè)大棚風(fēng)電供熱經(jīng)濟性的影響因素

農(nóng)業(yè)大棚利用風(fēng)電供熱的技術(shù)經(jīng)濟性主要受以下幾個因素的影響：

投資成本主要由以下兩個因素決定：

（一）儲熱裝置容量

大棚儲熱裝置容量決定了應(yīng)用儲熱的初期建設(shè)投資，是直接影響加裝儲熱裝置的經(jīng)濟可行性的決定性因素。這里的容量綜合考慮了儲熱裝置的儲熱容量以及相應(yīng)的換熱功率。不同儲熱容量和換熱功率的儲熱裝置所需的建設(shè)投資情況不同，帶來的減少棄風(fēng)的風(fēng)電收益也不同，需要具體的計算評估。

（二）棄風(fēng)情況

風(fēng)電場的棄風(fēng)情況直接影響到大棚利用棄風(fēng)供暖的可行性，如果風(fēng)電場棄風(fēng)不夠，則不能滿足農(nóng)業(yè)大棚的采暖需求，建設(shè)帶有蓄熱裝置的農(nóng)業(yè)大棚也就沒有意義；而如果風(fēng)電場的棄風(fēng)一天24小時均存在，則儲熱裝置的配備和建設(shè)需求可以極大減少，也會影響農(nóng)業(yè)大棚采用棄風(fēng)供熱的經(jīng)濟性。

運行成本主要由以下兩個因素決定：

（一）熱負(fù)荷情況

熱負(fù)荷情況主要影響風(fēng)電供熱大棚所需要消耗的電量，從前面的分析可知，所消耗的電量近似認(rèn)為等于熱負(fù)荷所需的能量。

（二）供熱電價

供熱電價可以通過與風(fēng)電場協(xié)商決定，在本文中取從零至正常電價中間的值用于經(jīng)濟性分析。

二、 算例分析

（一）成本收益估計

電供熱儲熱系統(tǒng)的建設(shè)成本因為采用不同的儲熱技術(shù)，儲熱裝置的造價也差別較大。顯熱儲熱裝置的造價一般要低于相變儲熱裝置的造價，但儲熱密度低，占地面積大。參考2015年國家科技支撐計劃課題“基于熱電解耦的電網(wǎng)風(fēng)電消納技術(shù)研究與示范”（課題編號2015BAA01B03）的項目建議書和可研報告，在熱電聯(lián)產(chǎn)機組處建造20MW/20MWh的中溫相變儲熱裝置，其造價約800萬元，折算單位容量的造價約40萬元/MWh。在電供熱系統(tǒng)加裝儲熱裝置，可以根據(jù)不同的空間和資金條件選擇相變或顯熱儲熱方案。當(dāng)采用顯熱儲熱時，儲熱材料可選水、導(dǎo)熱油或固體材料作為儲熱介質(zhì)；如果采用相變儲熱，則可以選擇不同相變溫度的儲熱材料。因此電供熱系統(tǒng)中的儲熱裝置造價變化范圍較大，但一般不會高于熱電聯(lián)產(chǎn)機組處的相變儲熱造價。為了便于分析，電供熱系統(tǒng)加裝儲熱裝置的造價也參照熱電聯(lián)產(chǎn)機組的儲熱造價，取40萬元/MWh。電供熱系統(tǒng)中的電鍋爐造價參考相關(guān)數(shù)據(jù)，約為6.7萬美元/MW，折合人民幣約為40萬元/MW。

收益主要來自于蔬菜的收入，按照國華（通遼）風(fēng)電有限公司的“電暖蔬菜大棚”項目的數(shù)據(jù)，600m2的蔬菜大棚每年可產(chǎn)蔬菜1.2萬斤，蔬菜價格為每斤5元。

（二）評估結(jié)果及討論

留一定的余量，取儲熱裝置的加熱功率為系統(tǒng)熱負(fù)荷的最大值的1.5倍，儲熱容量根據(jù)熱負(fù)荷的計算結(jié)果按照每日8點到18點的熱負(fù)荷進行計算，取所有熱負(fù)荷天數(shù)的最大值，乘以1.1作為裕度。則通過計算得到的風(fēng)電供熱大棚的儲熱裝置的容量和換熱功率如表3所示。

風(fēng)電供熱大棚的面積為4160m2，因而估算得到一年產(chǎn)蔬菜為8.32萬斤，按照每斤5元算，收入為41.6萬元。

一年的運行所消耗的電量為1346892kWh。如果取大工業(yè)低谷電價為0.3元/kWh，則一年的電費為40.4萬元。

建設(shè)風(fēng)電供熱大棚的投資成本為5.4MWh*40萬元/ MWh+0.9MW*40萬元/MW＝252萬元。

取不同的電價情況下系統(tǒng)運行以后的收益情況如圖6所示。從圖中可以看到，目前來看，風(fēng)電供暖電價是影響農(nóng)業(yè)大棚利用風(fēng)電供暖經(jīng)濟性的主要因素，如果采用當(dāng)前的大工業(yè)低谷電價，農(nóng)業(yè)大棚幾乎不可能收回成本，而考慮國家政策給予一定補貼，同時風(fēng)電場犧牲部分利益的情況下，在取供暖電價低于0.1元/kWh時，則有可能在相對較短的年限（10年）內(nèi)收回成本，且產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。

表 3 風(fēng)電大棚儲熱容量和加熱功率

在取電價為0.2元/kWh時，考慮技術(shù)水平的提高和大規(guī)模推廣應(yīng)用使得儲熱裝置造價降低，則相應(yīng)的運行經(jīng)濟性如圖7所示。從圖中可見，隨著儲熱裝置造價的下降，系統(tǒng)的經(jīng)濟性有較為明顯的提高，如果儲熱裝置的造價下降到當(dāng)前水平的一半，則有可能在10年內(nèi)收回投資成本且取得較好的收益。

結(jié)論

研究工作說明了農(nóng)業(yè)大棚應(yīng)用含儲熱的風(fēng)電供熱系統(tǒng)提高地區(qū)風(fēng)電消納能力具有一定可行性，后續(xù)還需要在網(wǎng)架約束、技術(shù)經(jīng)濟性以及儲熱和電制熱技術(shù)選型方面進一步開展研究和示范工作，使得此項技術(shù)有可能真正得到推廣和應(yīng)用。

（作者單位：神華國華（通遼）風(fēng)電有限公司）