風電項目能耗核算與節能技術措施研究

張體強，楊 迎，皮江紅

(1.四川電力設計咨詢有限責任公司,四川 成都 610041；2.湖北省電力勘測設計院,湖北 武漢 430040)

風能屬于可再生清潔能源。近年來,我國風電發展迅速,連續幾年裝機容量增長率超過100%。截至2012年底,我國風電總裝機容量已位居世界第一,約75324.2 MW。風電場能耗主要是電耗,風電場場用電率代表了風電場能耗水平,直接影響著風電場上網電量。采取有效措施降低場用電率可以給風電企業帶來良好的經濟效益和社會效益,緊靠國家建設資源節約型、環境友好型社會的目標。

1 風電場能耗現狀

風電場建設屬于新能源開發建設項目。風力發電主要工藝流程為：風力機組發電—1kV低壓電纜—箱式變壓器—集電線路—主變壓器(及無功補償裝置)—主電網；利用風車葉片旋轉將風能轉換為機械能,再通過發電機將機械能轉換為電能,通過集電線路的將電能匯集,再通過升壓站送入主網。風電場運行期間主要消耗風能、電能、汽油和水。

風能是可再生能源,不同于煤炭、石油等一次能源。在節能評估工作中,風電場風能不計作投入能源消耗。

電能消耗主要是維持風電場正常運行的生產用電、運維人員生活用電。其中生產用電包括變壓器(升壓站內主變、站用變及箱式變壓器)變電損耗、集電線路輸電、無功補償裝置損耗及輔助生產設施用電；生活用電主要包括照明、暖通、給排水等生活設施用電。風電場電耗與風電場裝機規模、設備及管理水平有關系。

水資源屬于耗能工質,主要供站區內職工生活飲用水、洗滌用水、消防用水。風電場水耗主要與運維人員數量有關。

汽(柴)油消耗是指檢修車輛工作中的油耗。油耗主要與車輛及場內檢修道路長度有關。

風電場水資源消耗和汽(柴)油消耗較少,一般占風電場綜合能耗不到1%。因此,風電場綜合能耗主要關注電力消耗,風電場電力消耗可以用場用電率進行量化。風電場場用電率可以有效涵蓋風電場自身用電設備、集電線路及變電設備的能效指標。當采用先進節能的用電設備及有效地節能管理措施,風電場的綜合場用電率能夠控制在5%以下的水平。因為行業的特殊性,目前國家和行業都沒有專門指定的風電場單位產品能耗指標與場用電率水平。根據投運的風電場調查顯示,風電場綜合場用電率一般為3%～5%,且隨著投運時間呈逐年增加趨勢。根據統計調查,大唐集團在四川涼山州開發建設的普格海口風電場,投運期間統計場用電率為2.59%；中廣核集團在四川射陽開發建設的射陽風電場,投運期間統計場用電率為2.75%。

2 風電場能耗計算

風電場運行期間主要消耗風能、電能、汽(柴)油和水,其中風能不計作能源消耗。

2.1 電耗計算

(1)風機自用電

風機自用電是指風力發電機組在將風能轉化為電能過程中,為了維持其正常運轉,機組各設備用電,包括變槳系統用電、偏航系統用電、機艙換熱系統用電、塔筒內電纜損耗等,其中耗能部件主要集中在塔筒內電纜損耗。

目前,市場上廣泛使用的風力發電機組單臺規模基本為(1.5～2.0)MW,2.5 MW、3.0 MW應用較少,3.6 MW等更大容量的風電機組基本尚未投入生產使用。

風機自用電計算公式如下：

式中：Ec為風機自用電(kWh/a)；Pi為單項用電設備負荷(kW)；Ti為單項用電設備運行小時數(h)；α為需要系數。

(2)變電過程電耗

風電場采用“一機一變”的發電模式,箱式變壓器容量主要依賴于風力發電機組的單臺規模。目前,風電場的變電設備主要包括箱式變壓器、升壓站內主變壓器、站用變壓器及接地變壓器等。變壓器損耗計算方法可參考。

升壓站內主變容量主要取決于風電場總裝機容量。據統計,單臺50 MW主變壓器年電力損耗大概約40萬kWh～60萬kWh。

站用變壓器一般容量較小,主要為滿足升壓站內正常生產負荷、運維人員生活負荷。

(3)輸電過程電耗

輸電線路電耗主要是集電線路損耗、風機至箱變的低壓線纜損耗及升壓站內電纜線路損耗。線路損耗一般由電暈損耗、電阻損耗和絕緣子的泄漏損耗等組成,其中占比最大的是電阻損耗,電暈損耗、泄漏損耗的數量較小。輸電線路損耗計算方法可參考。一般而言,集電線路能耗不超過占年發電量1%。

(4)無功補償裝置耗電

目前,風電場無功補償廣泛采用MCR型與SVG型動態無功補償裝置。無功補償裝置的耗電主要與容量及設備選型和風電場年最大利用小時數有關。以SVG動態無功補償裝置為例,一般成套SVG動態無功補償裝置損耗率約為0.8%。

風電場輔助生產設施用電主要是升壓站用電,包括控制、信號、保護等設備用電,如開關柜、設備電源等。風電場輔助生產設施用電量主要與升壓站電壓等級、規模及自動化程度有關,目前升壓站廣泛使用的配電裝置包括AIS型配電裝置和GIS型配電裝置,其中GIS型配電裝置具有占地少、節能效果好等特點。輔助生產設施用電計算公式如下：

式中：Ec為風電場輔助生產設施用電(kWh/a)；Pi為單項用電設備負荷(kW)；Ti為單項用電設備運行小時數(h)。

(6)生活設施用電

風電場生活設施用電主要是為了滿足風電場運維人員用電,包括生活區暖通系統、照明系統、給排水系統用電、插座用電等。生活設施用電計算公式如下：

式中：Ec為風電場生活設施用電用電量(kWh/a)；Pi為單項用電設備負荷(kW)；Ti為單項用電設備運行小時數(h)；0.7為負荷系數。

實際運行中,風電場生活設施用電需考慮設備實際運行時間、運行方式、效率及運行環境等。以設備的效率為例,對于水泵、風機等設備,需考慮設備效率；對于空調,需考慮能效比等。

2.2 水耗

風電場水源一般使用市政供水或者取用地下水,主要供風電場運維人員生活用水、洗滌用水、消防用水。

生活用水主要取決于風電場生產定員。一般而言,風電場生活用水量定額可參照項目所在地給排水定額。消防用水取決于消防設計水量及年運行時間。一般而言,消防年運行時間不超過5 h。

自為之力的守正，在于其為學為藝，一路恪守中國傳統繪畫的正道，不隨意追風，借端革舊維新而旁門外道規避傳統工筆繪畫藝術修為的必歷之艱。羅春輝不僅長于熟紙、熟絹上重彩，其生紙、生絹上的寫意、沒骨和水墨等技法的掌握也極為嫻熟，這與他自接觸丹青以來，便始終堅定自持，卓爾不群，虔敬正誠地循主流正途，在探索、創新的同時，不忘苦修傳統功夫有極大關系。觀其作品《玄嶺碩秋》《晨靄》《苗嶺冬雪》等畫中動物與樹木造型的精準表現顯示其傳統功夫深厚。將山水、花鳥同置于畫，尚能做到融合自然、主次分明、虛實得當且意境宏闊，更顯示其長期善于研精究微、思考畫理、錘煉筆墨和琢磨技巧的守正之功，以至汲得大成自我的百家滋養。

2.3 汽(柴)油耗

風電場汽(柴)油耗主要是運維車輛運行檢修過程中的油耗。油耗主要與風電場道路長度及運維次數相關。

3 風電場主要節能措施研究

3.1 強化風電發展規劃與開發管理

目前,我國風電發展規劃滯后于實際建設規模,導致風電場棄風現象較為普遍。據統計,“十一五”期間,我國風電裝機容量規劃水平僅為建成規模的1/7。風力發電具有隨機性、間歇性、波動性等特點,為減少風力發電對電力系統的沖擊,維護并網穩定性,導致風電并網難棄風嚴重,造成能源浪費,如內蒙古,僅2009年未收購風電站總裝機容量的72%；17.3%；2012年全國風電裝機容量占總裝機容量的5.3%,但發電量僅占比2.0%。同時,國內風電場建設偏向于大規模與大裝機容量,增加了風力發電的不確定性,增加了并網與電力消納難度。郭丹等研究表明,區域風電規模增加,風電出力同時率將隨之降低,最大增大峰谷差占當年風電裝機的比重逐漸降低,建議按最大增大峰谷差占當年風電裝機的比重按25%～30%設計考慮。因為缺乏合理的風電裝機規模和分布布置,我國風電項目發電效率一直低于國外先進水平。

3.2 設備選型節能

在現階段風機制造和風電場運維是提升低風速區風電廠發電量的主要方法。在設備選型上,采用節能型設備,使用滿足國家能效要求的變壓器、無功補償裝置及各種站內用電設備等能夠有效地降低場用電率,達到源頭節能的效果。合適的風力發電機組能提高風電場運行經濟型,如三相六支路單元電機并列運行可提高運行可靠性。110 kV升壓站采用先進的計算機監控自動化系統,利用先進的網絡控制技術,最大限度地優化了電氣工程路線,達到了節能效果。

3.3 總平面布置節能

風電場總平面布置應考慮節能要求。在風力發電機組布置時,根據地形、地勢及自然條件,考慮風電場的送電、集電和變電方案條件,盡可能使用電纜的集電線路方式替代架空線路,減少風電場內電力纜線長度,不僅可以方便施工運輸和安裝,亦可以方便運行維護,減少電力損耗和能量消耗。風力發電機組布置合理,如沿山脊或地形起伏的地方布置,布置在風能資源較好的地方,可以獲得最大電量,合理的集電線路路徑方案,減少線路長度,從而減小了能量損失；與此同時,風力發電機組布置應避免過于分散。

風電場升壓站的規劃設計中,建筑設計中建筑物及主要房間盡量采用南北方向布置,充分利用陽光天然能源及自然通風；各建筑單體在滿足工藝要求的情況下,建筑體型系數小,減少了空調、通風的能耗。同時,使用節能型門窗,提高建筑物的保溫、隔熱性能,也能達到節能的效果。

3.4 設置合理的無功補償

遵循變電系統無功容量采取就地平衡原則,在風電場升壓站主變低壓側加裝無功補償裝置,提高線路有功輸送容量,降低線損,節約運行成本。

3.5 接入系統方案節能

一般而言,風電場上網線路都是單獨立項。從整個電網的角度考慮,實現電力的就近消納,選擇低網損的接入系統方案,且接入距離最近的變電站,都能有效的減少電能損耗。高載能負荷就近消納風電,避免了上網電量長距離運輸,降低了上網線路及升壓站變壓器上的功率流動,相應降低了線損和變壓器損耗。但是,在交直流交換過程中,高載能負荷會向電力系統注入諧波,造成諧波損耗影響電網損耗。李淑鑫等研究,風電量較大的情況下,高載能負荷調峰節能效果更好,電網損耗更小；高載能負荷調峰也可以增加風電場送出功率,提高企業的經濟效益。能耗最小調度模式亦能降低整個系統損耗,強化系統調峰能力,增加運行經濟性。

結合周邊電源及變電站布置情況,合理的選擇送出線路的電壓等級能夠有效的減少外送過程的電能損耗。

3.6 加強風電場運行管理

棄風、限電、風電運維都會直接影響風電場的發電量,從而影響到風電場上網電量。加強風電場運行管理,如設備系統的維護等,能夠有效的降低電損。設備系統的維護包括對風力發電系統、供配電系統、輔助生產設施系統定期檢查、檢修和保養,讓設備保持在良好的運行狀態,縮短耗電設備的工作時間,減少啟停次數,減少風電場日常運行用電。

3.7 能源計量管理

能源計量和監測管理是節能工作的基礎。風電企業應定期對發電量、用電量等能耗指標進行考核,建立相應的能源管理制度和用能責任制度。風電場應配備相應的能源計量器具,并建立能源計量器具管理制度與能源計量臺帳,保證能源計量器具的配備情況,如水表、氣表、電表。各能源計量器具應單獨計量、分表核算,并對計量器具嚴格按規定進行檢定,保證能源計量器具的準確性。為了保證能源計量的準確性和連貫性,風電企業可對能源計量臺賬統計數據及報表實行電腦網絡化管理,組建節能管理結構和管理網絡,建立能源計量管理體系,形成文件,并保持和持續改進其有效性,應建立、保持和使用文件化的程序來規范能源計量人員行為、能源計量器具管理和能源計量數據的采集、處理和匯總。

4 結論

風電場場用電率管理一直是風電企業從項目規劃到投入生產的重點工作內容之一。從風電企業角度而言,降低場用電率是降低運營成本、增加上網電量的重要途徑,可實現節能降耗、提高企業經濟效益的目標。

風力發電屬于清潔能源開發建設項目,風電場運行過程中的電能來源于自身發電。從電力能源平衡的角度而言,風電場可實現年外供電能,有利于改善項目所在地能源消費結構,有利于節能減排目標的實現。

風電場從規劃設計階段考慮采用合理的設計方案與節能、降耗的先進技術設備,可以提高上網電量,有利于資源節約和綜合利用,從源頭杜絕能源的浪費。