電采暖對配電網規劃的影響與適應性分析

安佳坤, 齊曉光, 習 朋, 馬國真, 朱俊棟,崔立飛, 趙海東, 呂 航

1.國家電網河北省電力有限公司 經濟技術研究院 石家莊 050000 2.國家電網河北省電力有限公司 石家莊 050000 3.國家電網保定供電公司 河北保定 071000

1 研究背景

煤炭是北方地區冬季取暖的主要燃料之一。隨著化石能源的日益枯竭及節能減排形勢的日益嚴峻,為減少環境污染,煤改電等電能替代技術取得了顯著發展[1-2]。

文獻[3-6]分析了蓄熱式電暖器、蓄熱式電鍋爐、蓄熱地板等不同類型電采暖的方式及特點,并對其經濟性和運行效果進行了研究。文獻[7]分析了煤改電接入前后負荷特性的變化。文獻[8]分析了煤改電接入后農村電網的規劃方法。文獻[9-12]以天津、黑龍江、北京、新疆等地為例,對煤改電實施情況進行了分析。文獻[13-15]對煤改電與風電、光伏等新能源的綜合利用情況進行了研究。

筆者從電采暖類型、實施流程、政策等方面總結煤改電實施流程,分析煤改電對配套電網建設改造的影響及技術、經濟、環境適應性,同時結合實際工程開展情況,探討煤改電推進中存在的問題,并提出相關發展建議。

2 電采暖發展現狀

2.1 電采暖類型

根據不同的供熱形式,電采暖可分為集中式和分散式。其中:集中式電采暖包括普通式、蓄熱式等電鍋爐和空氣源、水源、地源等集中式熱泵;分散式電采暖包括直接加熱的直熱式電暖器、戶用空氣源熱泵、電熱膜、發熱電纜,以及間接加熱的蓄熱式電暖器、戶用蓄熱式電鍋爐等,如圖1所示。

空氣源熱泵由于經濟、清潔的優勢,在采暖期短、熱負荷低、室外空氣溫度較高的南方地區應用較廣。地源熱泵和蓄熱式電鍋爐由于效率較高、經濟性較好,在集中供暖或整村改造地區應用較多。蓄熱式電暖器具有安全、可靠、可調控性強、可分戶計量等突出優勢,適用范圍較廣,應用潛力較大。

圖1 電采暖類型

2.2 電采暖實施流程

實施電采暖將對電網、用戶產生較大影響。以蓄熱式電暖器應用為例,實施電采暖需要完成配套電網建設改造、采暖設備購置安裝、房屋節能保溫修繕等多項工作。電采暖具體實施流程如圖2所示。

圖2 電采暖實施流程

(1) 配套電網建設。農村居民大規模、密集式實施電采暖,將迅速、顯著提升地區負荷水平,由此需要建設和改造各電壓等級配套電網,以滿足負荷要求。

(2) 設備購置安裝。實施電采暖后,戶均負荷顯著增大,傳統戶線型號、截面大多不能滿足用電需求,需要進行相應改造。

(3) 房屋保溫修繕。實施電采暖需要對農村房屋進行保溫修繕,以保證采暖效果,具體包括外墻增設保溫層和更換保溫門窗等。同時,傳統農戶多為單相用電、無接地模式,而隨著電采暖負荷的激增,為保障用電安全,需要對電氣設備外殼、戶內線路、房屋等加裝接地線和接地裝置,開展房屋接地改造。

2.3 政策現狀

宏觀形勢上,國家下發了《京津冀大氣污染防治強化措施(2016～2017年)》和《京津冀及周邊地區2017年大氣污染防治工作方案》,明確提出了京津冀、長三角、珠三角等地區細顆粒物年均濃度下降指標,并要求相關省市大力推進農村電采暖和城區氣代煤工程,這標志著京津冀地區乃至全國電采暖進入快速發展時期。

建設改造補貼方面,以北京市出臺的補貼政策最為完善,對電網10 kV以下配套電網改造項目給予30%資金支持,電網公司承擔70%。同時,由區縣政府組織實施房屋節能保溫修繕,并承擔戶內線改造和房屋保溫修繕費用。此外,對電采暖設備購置給予2/3資金補貼,用戶承擔1/3。

在運行電價費用方面,居民在采暖季可享受峰谷電價,部分地區還可享受政府電價補貼。以北京為例,低谷時段電價為0.3元/kWh,優惠時段為21:00至次日6:00,電采暖用戶在享受低谷電價的基礎上,還可享受0.2元/kWh的政府補貼,農戶自己僅承擔0.1元/kWh的電價。

3 電采暖負荷對配套電網的影響

電采暖實施后,將對電網規劃、運行、建設產生重要影響。各階段工作均需相應性修訂,以滿足電采暖負荷發展的需求。

第一,電采暖改變了各地區負荷預測信息和電力電量平衡,需要修訂電網規劃方案。

現有電網規劃和負荷預測均依據自然增長的負荷信息,未考慮電采暖負荷的大規模、集中式、爆發式接入。電采暖實施后,部分地區負荷激增,甚至可能翻倍。分地區負荷預測、電力平衡、各電壓等級電網規劃容量均需相應修訂,以滿足電采暖的負荷需求。

第二,電采暖改變了各地區冬夏季負荷差、冬季最大負荷時點、峰谷差等,使進一步優化電網運行成為可能。

隨著冬季采暖負荷的增大,電網冬夏負荷差額減小,甚至可能冬季最大負荷高于夏季,這對于平衡季節性負荷、提高設備全年平均利用效率具有積極意義。此外,基于蓄熱式電暖器的電采暖工程可以在夜間用電低谷時運行蓄熱,白天用電高峰期停運散熱,減小日負荷峰谷差,減輕調峰壓力。同時,蓄熱式電暖器作為一種儲能設備,具有參與需求側響應的潛力和優勢,使基于蓄熱式電采暖的優化運行成為可能。

電采暖實施后,冬季最大負荷時刻可能由現在的18:00左右變為采暖負荷大量接入的22:00左右,需要在安排電網運行方式時予以注意。并且,電采暖設備在22:00統一啟動,峰值用電負荷將是前一時刻基礎負荷的2～3倍,沖擊電流較大,容易對電網設備造成危害,因此需要加強用戶負荷側管理,合理安排電采暖設備啟動時序,選擇恰當時間間隔分批啟動,避免出現尖峰負荷。

第三,電采暖使局部地區負荷激增,需要加強配套電網工程的建設規模和建設標準。

為滿足煤改電負荷接入需求,需要優化電網35 kV及以上項目的建設時序,新增部分“十三五”規劃庫外的項目或提前開展部分項目,以滿足電采暖實施規模和實施時間的要求。另一方面,電采暖工程使戶均供電負荷大幅增長,負荷密度顯著增大,部分10 kV配變和線路需要更換為大容量配變和大截面型號導線。

電采暖實施后,居民生活對電力的依賴性更強,長時間停電對居民生活將造成重大影響。電采暖區域的網架結構應加強網絡聯絡性和負荷轉供能力,提高供電可靠性。

4 電采暖適應性分析

4.1 技術適應性

目前,清潔取暖最主要的改造方式是煤改電和煤改氣。

實施煤改氣需要在各個農村安裝液化天然氣橇裝站,而橇裝站為易燃易爆設施,安全上可能存在隱患,需要加強配套的消防、供電等安全防護,并需考慮農村居民的接受程度。同時,液化天然氣橇裝站主要設施需與居住區、工業企業、倉庫、電力設施、鐵路公路等建筑按標準保持一定安全距離,在橇裝站、管網的位置選取上限制條件較多。此外,目前供氣企業經營范圍主要是城市、縣城及周邊區域,農村供氣企業較少,在后期運營維護中可能存在成本高、無經驗、不穩定、服務人員缺乏等問題,增加后期運營成本。

相對于煤改氣,國家電網目前已建成省、市、縣、村各級全面覆蓋的電力供應、設備維護、市場運營等服務網絡,有足夠的運維能力有效保障廣大農村地區各種供電負荷的安全穩定運行。并且,電能相較天然氣,具有排放少、傳輸安全等優勢。隨著風電、光伏發電比重提高,電能的清潔優勢可進一步提升。但長期以來,農村電網發展緩慢,網絡結構較為薄弱。若實施煤改電,需要大力開展10 kV及以下配套電網工程建設,部分區域甚至還需要新增500 kV、220 kV或110 kV變電站布點。可見,相對于煤改氣,煤改電投資壓力較大。

4.2 經濟適應性

電采暖工程投資涉及初始設備投資和日常運行維護兩方面,由此可見,電采暖工程若想順利開展,需要用戶、企業和國家三方面的積極參與和協調支持配合。

在用戶層面,根據試點建設情況,電采暖戶均初始設備建設成本需2.14萬元,運行成本每采暖季戶均需0.25萬元。其中,初始設備成本包括兩方面。一是房屋節能保溫修繕戶均1.14萬元。外墻保溫修繕按戶均80 m2、1 m2投資80元考慮,門窗保溫修繕按戶均25 m2,1 m2投資200元考慮。二是采暖設備購置安裝戶均約1萬元。戶均采暖面積80 m2、最大采暖負荷9 kW,需配置蓄熱式電暖器不超過三臺,單臺蓄熱式電暖器最大功率3.2 kW。采暖設備購置需戶均8 500元,戶表以下線路改造按1 500元考慮。運行成本按照戶均采暖電量8 000 kWh、1 kWh電量0.31元測算。

據調研,農村居民燃煤每供暖季戶均燃煤約2.5 t,按照600元/t測算,戶均采暖成本0.15萬元,相比電采暖具有較大的經濟優勢。可見,為保證電采暖順利實施,必須出臺足夠的電采暖補償政策,以調動用戶積極性。

在企業層面,推廣實施電采暖,需大力加強配套電網建設,增強網絡聯絡率和負荷轉供能力,保障供電能力和供電可靠性。電網企業是實施電采暖配套電網工程的建設主體和投資主體。據初步估計,僅10 kV及以下電網投資戶均需1.8萬元,增大了電網企業的投資壓力。

此外,電采暖項目涉及的征地拆遷、環境影響評估等前期工作,不僅需要一定的投資金額,而且將占用大量時間。為保障電采暖項目,特別是部分規劃提前或新增布點項目的順利實施和有效落地,需要政府相關部門的支持和協調,以提高電采暖實施效率。

在社會層面,實施電采暖后用戶可以根據自身具體需要調整供熱量,解決了傳統集中供熱模式難以按需供熱的問題,有助于推動用戶自覺節能,減少整個社會的資源消耗。同時,分布式電源接入地區實施電采暖,還能夠促進新能源的就地消納,減少棄風、棄光現象,進一步提高社會效益。

然而,電采暖的推廣實施將給政府帶來較大的資金壓力。按照房屋節能保溫修繕戶均定額補貼1萬元、電采暖設備購置戶均定額補貼1萬元、10 kV及以下電網投資補貼30%、電價1 kWh補貼0.2元測算,政府每戶初始資金補貼2.54萬元、運行資金補貼0.16萬元。按照1個地市15個縣,平均每縣400村、每村400戶統計,電采暖推廣1個地市需初始資金補貼609.6億元,同時每年補貼運行資金38.4億元,對政府而言,資金壓力巨大。

4.3 環境適應性

根據北京市統計局、國家統計局北京調查總隊對京津冀污染的調查分析報告,燃煤產生的污染物是造成河北大氣污染的重要原因。實施電采暖,將有效減少燃煤污染物的排放。按照1 t煤減排2.493 t二氧化碳、0.68 t粉塵、0.075 t二氧化硫和0.037 5 t氮氧化物測算,每戶每采暖季減排6.23 t二氧化碳、1.7 t粉塵、0.19 t二氧化硫和0.09 t氮氧化物,每市將減排1 496萬t二氧化碳、408萬t粉塵、45萬t二氧化硫和22.5萬t氮氧化物,具有較大的環保優勢。

綜上所述,電采暖實施具有明顯的環境優勢,但同時也將給配套電網建設、政府企業投資帶來較大挑戰。因此,綜合現有電網供電能力、工程建設能力和政府企業財政能力等多方面因素,合理、有序地確定電采暖實施規模,是確保電采暖工程順利開展的重要環節。

5 工程中存在的問題

5.1 用戶方面

(1) 煤改電確村確戶工作的約束性有待加強。根據各地區煤改電實際實施經驗,實施過程中存在部分地點變為熱力或天然氣供暖的情況,確村確戶名單多次變化,影響配套電網建設。

(2) 部分地區采暖效果不理想。農村居民用戶住房多為非節能建筑,無保溫層,頂高窗大,部分煤改電用戶室溫在9～14 ℃,外墻普遍沒有保溫改造,冬季取暖效果不理想。

5.2 項目實施方面

(1) 煤改電設備類型眾多,用電負荷差異較大。部分地區煤改電實施過程中,未明確居民電采暖設備類型、戶均配置臺數、用電功率等,較難科學確定配套電網的規劃設計標準,存在電采暖設備形式變化、設備功率超出或低于設計標準的可能性。

(2) 工程審批慢,影響項目進度。煤改電工程涉及市城管局或區城管局、建設規劃許可等多項審批,審批部門多,流程長,約為2個月,影響施工周期。同時工程涉及的占地協調均由街道居委會、村委會落實,施工占地協調困難,在組立電桿、搭設架構等施工過程中頻繁受阻,造成工期延誤。

5.3 政策方面

(1) 大規模可持續運行機制尚不成熟。目前,河北省政府對用戶電價補貼政策暫定3年,3年以后的補貼政策與措施尚不明確。并且隨著煤改電、煤改氣規模的擴大,單靠政府補貼的模式,難以長期可持續實施。

(2) 能源依賴增加,供應能力不足。以河北南網為例,網內裝機不足,迎峰度冬期間存在一定的電力缺口。根據電力平衡測算,2017年冬季河北南網仍有200 MW左右的最大供應缺口,煤改電新增負荷在500 MW左右,需要通過臨時交易等方式予以滿足。

6 相關建議

6.1 加強溝通協調

宜制定自上而下的煤改電常態溝通對接機制,明確政府、供應商、用戶與供電企業的四方對接關系,按照政府主導、企業實施、用戶配合的工作原則,統籌推進房屋節能保溫改造、戶內線改造、電采暖設備購置及配套電網改造等工程,確保煤改電工作全環節高效運轉。

6.2 構建長效運行機制

構建跨省跨區可再生能源交易,購入低價新能源電力,供應煤改電用戶,使電力公司購電成本降低。在用戶承擔電價不變的基礎上,降低政府補貼費用,實現煤改電補貼的長效運行。

6.3 提前開展確村確戶工作

建議按照宜電則電、宜氣則氣的原則,明確各階段煤改電區域、電采暖設備類型、容量規模等。對集中供暖和供氣難以覆蓋的區域,按照整村推進的原則和規模實施電采暖。同時盡量避開美麗鄉村、中心村等已實施整村改造的村落,避免大拆大建和投資浪費。

7 總結

筆者結合煤改電工作的開展情況,分析了煤改電接入對配電網規劃的影響,開展了技術、經濟、環境三方面適應性研究,總結了煤改電工程實施中存在的問題,并提出了相應建議,有助于煤改電等電能替代技術的發展。