新疆風力發電清潔能源供暖項目的可行性分析

閆廣新

中國能源建設集團 新疆電力設計院有限公司 烏魯木齊 830001

1 研究背景

風力發電是一種相對成熟的新能源電力,具有可再生、無污染、便于開發等特點,世界各國都十分重視風力發電的發展。我國風力發電能源儲量可觀,部分地區建設條件十分便利。近年來,我國風力發電開發規模以幾何級速度增大,但是,隨著風力發電規模的不斷增大,新能源裝機占比不斷提高,風力發電受風資源影響輸出不穩定、負荷變化快、變化幅度大等問題,對電網的穩定運行造成了一定影響。尤其在以燃煤火力發電為主的北方,電網內具有調峰能力的電源點嚴重缺乏,難以平衡風力發電波動對電網造成的沖擊。

在我國北方冬季來臨時,熱電聯產機組必須保持穩定運行,發電負荷大面積疊加,使電網調峰更為困難,風力發電消納受到嚴重制約,造成部分地區風力發電開發與電網系統安全穩定運行之間的矛盾日趨尖銳,棄風限電情況大量存在,這也阻礙了風力發電行業的發展,造成了社會經濟與環境的損失。

為了解決風力發電棄風限電問題,各科研單位及電網公司都進行了深入探索與研究。相對而言,在北方風力發電集中地區實施風力發電參與供暖比較方便。一方面,利用風力發電供暖,可以使風力發電機全負荷運行,避免新能源電力浪費,減少冬季因人為停機造成低溫重新啟動困難的情況。另一方面,棄風供暖可以減少熱電聯產機組及熱力站燃煤鍋爐的使用,減少煤炭燃燒,同時減少污染物排放,對于提高風電場運營效率、減輕環境壓力具有重要意義[1]。

新疆電網風力發電裝機容量大,棄風限電嚴重,冬季供暖期長達六個月,供暖期能源需求較大。在這一背景下,風力發電清潔能源供暖應運而生,可以為高效利用風力發電清潔能源,積極探索可再生能源,特別是風力發電消納提供了新思路、新途徑。

筆者從風力發電清潔能源供暖優勢、關鍵技術路線、相關政策支持、風力發電供暖示范工程等方面,對新疆實施風力發電清潔能源供暖項目的可行性進行詳細分析。

2 風力發電清潔能源供暖優勢

2.1 減少化石能源消耗,創造減排效益

我國風力發電裝機容量正快速增加,冬季夜間時段風力發電量大,但用電負荷較低。與此同時,供暖期能源需求較大,特別是新疆北部,全年供暖期長達六個月。現階段,我國北方供暖大量依靠燃煤供熱,風力發電與燃煤熱電聯產機組之間的運行矛盾突出。大量依靠燃煤供熱,造成了嚴重的環境污染,致使氣候環境質量不斷惡化[2]。

推廣風力發電清潔能源供暖技術,替代燃煤鍋爐供熱,不僅可以有效利用風能資源,減少煤炭等化石能源消耗,而且對解決城鎮供熱等民生問題和改善大氣環境質量具有重要作用,可以為社會創造可貴的環境效益。

2.2 便于電力生產和電網調峰

從整個發電、輸電及產熱供暖的過程來看,由于風力發電清潔能源供暖弱化了風力發電的隨機間歇性,供暖系統可以通過儲熱形式實現儲能用能,因此降低了風力發電對于電網的適應性要求,可以將風力發電清潔能源供暖看作是電力生產及儲能利用的過程。

風力發電清潔能源供暖還可以為電網負荷調峰做出貢獻。熱力負荷可以依據電網要求安排用電運行,而且可以借助儲熱設施平滑輸出,從而為降低電網峰谷差及調峰填谷做出容量貢獻。

與積極意義相對,風力發電清潔能源供暖也有不利方面,表現在相較熱電聯產等方式,獲取熱能過程被人為拉長,能源消耗增大。從這個意義上看,風力發電清潔能源供暖的用能方式應該局限于一定時期或專門場合,例如適用于電網末端分布能源利用方式等。

3 風力發電清潔能源供暖技術路線分析

3.1 總體架構

風力發電清潔能源供暖指主要利用風力所發電量進行供暖。風力所發電力接入電網,供熱站的電鍋爐接入電網,利用低谷電量為儲熱設備蓄熱,滿足冬季全天的供暖需求,實現風能經電能轉換為熱能。風力發電供暖總體架構如圖1所示。

圖1 風力發電供暖總體架構

3.2 建設型式

目前,風力發電清潔能源供暖項目電供熱站分為無蓄熱裝置與有蓄熱裝置兩種型式。

無蓄熱裝置型式電供熱站適用于有大容量熱電聯產機組集中供熱熱力管網的區域。作為熱源的補充,供熱管網可以在電鍋爐停運期間提供熱能。

有蓄熱裝置型式電供熱站適用于無大容量熱電聯產機組的集中供熱區域,需要建設蓄熱裝置,在電鍋爐停運期間提供熱能。有蓄熱裝置型式電供熱站也適用于尚無集中供熱熱力管網的新建住宅及公建區域,同樣需要建設蓄熱裝置,在電鍋爐停運期間提供熱能。

3.3 蓄熱技術

目前,常用的蓄熱技術主要有三種:水蓄熱、固體蓄熱和相變蓄熱[3-4]。

水蓄熱具有設備價格相對便宜的優點,但存在體積過大造成占地面積過大的缺點,同時,由于散熱面積過大,造成保溫效果不佳,水蓄熱系統整體效率約為90%。電鍋爐利用低谷電量對水進行加熱,加熱后一部分水進入供熱管網,另一部分水進入蓄熱罐。當電鍋爐不工作時,熱水由蓄熱罐進入供熱管網。

目前常用的水蓄熱電鍋爐類型主要有常規電阻式電鍋爐和電極式電鍋爐兩種。

固體蓄熱體積相對小,一般為水蓄熱方式的10%～15%,可減小占地面積。由于體積小,造成散熱面積減小,固體蓄熱系統整體效率約為95%。同時,固體蓄熱造價相對較高,較水蓄熱提高約20%。

目前,主流的固體蓄熱電鍋爐為一體化設計,功率較大。固體蓄熱材料通常為金屬氧化物,最高加熱溫度可達900 ℃,通常額定加熱溫度為500 ℃,高溫蓄熱體通過熱輸出控制器與高溫熱交換器連接,高溫熱交換器將高溫蓄熱體存儲的熱能轉換為熱水輸出,熱水進入供熱管網。

相變蓄熱材料包括無機相變蓄熱材料和有機相變蓄熱材料。無機相變蓄熱材料主要包括結晶水合鹽、熔融鹽、金屬和合金,有機相變蓄熱材料主要包括石蠟、脂肪酸,以及某些高級脂肪烴、醇、羧酸和鹽等。

相變蓄熱體積小,整體效率高,造價在所有蓄能技術中最為昂貴,設備功率較小,目前只有采用380 V供電的設備,少有應用案例,不適合大規模應用。

3.4 運行方式

風力發電清潔能源供暖主要有四種運行方式。

(1) 全天不間斷運行,即電鍋爐連續運行時間24 h不間斷。由于運行時間與供暖時間一致,電鍋爐額定功率與熱負荷一致,因此這種運行方式相當于全天在電力負荷上疊加了無波動的電力負荷。

(2) 全天固定儲熱12 h。電鍋爐運行時間為12 h,為當日14:00～16:00和當日23:00～次日9:00,原因是配合峰谷電價,同時兼顧夜間風力發電棄風現象較為嚴重的時段。由于運行時間是供暖時間的1/2,因此電鍋爐額定功率是熱負荷的兩倍。

(3) 跟蹤棄風時段靈活運行,作為正常熱源。電網調度在滿足熱負荷需求的前提下,根據棄風情況安排電鍋爐的運行方式,電鍋爐額定功率為熱負荷的兩倍。這種運行方式相當于棄風時段在電力負荷上疊加了可調的電力負荷。

(4) 跟蹤棄風時段靈活運行,僅作為補充熱源。電網調度根據棄風情況安排電鍋爐的運行方式,這種運行方式相當于棄風時段在電力負荷上疊加了可調的電力負荷,由于不需要全額滿足熱負荷需求,因此這一運行方式可以全部利用棄風電量。

4 新疆風力發電清潔能源供暖可行性分析

(1) 新疆風能資源豐富,可開發量大。根據《中國風能資源評價報告》,新疆風能資源總儲量為8.9億kW,占全國的20.4%,位居全國第二位。新疆可開發利用風能資源集中在九大風區,即烏魯木齊達坂城風區、塔城老風口風區、額爾齊斯河河谷風區、十三間房風區、吐魯番小草湖風區、阿拉山口風區、三塘湖—淖毛湖風區、哈密東南部風區、羅布泊風區。九大風區面積為7.78×104km2,年平均風功率密度均在150 W/m2以上,年有效風速時間為5 600～7 300 h,技術可開發量為120 GW,風能品質好,風頻分布比較合理,破壞性風很少,具備建設大型風電場極好的風能資源條件[5-7]。

(2) 新疆電網存在棄風限電問題。截至2017年12月底,新疆電網建成風電場共180座,容量為18.353 GW,占電網電源總裝機容量的22.3%。2017年,新疆電網風力發電輸出功率最大為8.652 GW,全年風力發電量為3.127×1010kWh,棄風電量為1.325×1010kWh,棄風比為29.8%,電網棄電較為嚴重,制約了風力發電的進一步開發利用。

(3) 新疆供暖期長,供暖能源需求大。新疆屬于溫帶大陸性氣候,四季變化非常明顯,夏季高溫多雨,冬季干燥寒冷,早晚溫差大。新疆每年供暖期長達六個月,從10月上旬開始至次年4月上旬,居民室內采暖溫度不低于18 ℃。現階段新疆供暖方式大量依靠熱電聯產燃煤供熱和天然氣供熱。

在新疆風力發電裝機容量大、棄風限電嚴重、供暖期能源需求較大等多重因素影響下,風力發電清潔能源供暖應運而生。

5 阿勒泰風力發電清潔能源供暖案例

5.1 技術路線

布爾津粵水電一期、二期風電場位于規劃的布爾津城西風電場地區,裝機容量為99 MW,選用單機容量為1.5 MW的風力發電機組,共計66臺。這一風力發電清潔能源供暖項目熱力站確定的供熱規模為3×5 MW固體式電蓄熱電鍋爐和2×5 MW電阻式電鍋爐,供暖面積為2×105m2,利用電網低谷時段為蓄熱電鍋爐蓄能,實現24 h向熱網供暖的目的。

5.2 經濟可行性

這一風力發電清潔能源供暖項目熱力站年利用棄風電量為3.521 87×107kWh,按供暖期實際用電1∶1.3的比例給予風電場增發電量配額考慮,風電場預計可增發電量為4.578 43×107kWh。按《國家發展改革委關于完善風力發電上網電價政策的通知》中Ⅲ類資源區風力發電標桿上網電價0.58元/kWh測算,風電場年棄風電量增發收入為2 655.49萬元。風電項目捆綁供熱站向供暖示范項目用電補貼為0.3元/kWh,經測算,風力發電項目捆綁供熱站項目全部投資財務內部收益率為5.52%,投資回收期為12.75 a,財務評價可行。

通過引入專業供熱管理團隊投資的合作模式,大大降低了風力發電企業的投資成本及投資風險[8]。據了解,目前多數風力發電企業都在洽談類似合作模式,通過合作提高項目的整體收益率,降低投資風險,使項目更具投資價值。

6 政策支持

2013年3月,《國家能源局綜合司關于做好風電清潔供暖工作的通知》提出將在北方具備條件的地區推廣應用風力發電清潔能源供暖技術,以提高北方風能資源豐富地區消納風力發電的能力。

2016年5月,國家八部委又聯合印發《關于推進電能替代的指導意見》,從推進電能替代的重要意義、總體要求、重點任務和保障措施四個方面提出了指導性意見,為全面推進電能替代提供了政策依據。

為認真貫徹國家電能替代相關文件的精神,2017年,新疆維吾爾自治區人民政府辦公廳印發了《加快推進電氣化新疆工作方案》,加快推進電氣化新疆工作,并提出從2017年開始新建建筑全部采用電供暖,并將原天然氣集中供熱區域改造為氣電互補方式供暖。為更好地解決居民用電、供暖問題,切實保障和改善民生,妥善化解潛在的社會矛盾,新疆采取了一系列措施。

(1) 全面推進城鄉居民生活用電同網同價工作,統一將城鄉居民生活用電價格降低至0.39元/kWh。

(2) 出臺電采暖支持政策。印發了《新疆電供暖價格機制指導意見》,依托新疆電力交易系統,推動可再生能源電力市場化交易,通過市場化方式降低用戶電采暖電價。電供暖項目直接交易輸配電價分為分散式電供暖和集中式電供暖兩種。分散式電供暖直接交易輸配電價平段為0.224元/kWh,谷段為0.112元/kWh。集中式電供暖直接交易輸配電價平段為0.18元/kWh,谷段為0.09元/kWh。新能源上限交易指導價為0.04元/kWh。電供暖項目直接交易輸配電價執行峰谷分時電價政策,將用電低谷時段由原來的10 h延長至12 h,即23:00～次日9:00和14:00～16:00,其余時間為平段。

(3) 積極推進電氣化新疆戰略。印發了《自治區2017年電氣化新疆工作要點》,將推廣居民電采暖作為重點工作,在全疆范圍內大規模推進。

7 結束語

風力發電清潔能源供暖本質上是電力供暖,為高效利用清潔能源,積極探索可再生能源,以及風力發電消納提供了新思路、新方法,是治理霧霾、解決棄風限電的重要途徑[9-10]。當前的風力發電清潔能源供暖項目都由政府主導,包括風力發電上網電價、供暖電價、結算方式等,都需要政府進行協調溝通。而從長遠看,建立有效的電力市場,是解決風力發電清潔能源供暖問題的最終出路。在健全的電力市場環境下,風力發電清潔能源供暖的盈利測算相對簡單,開發企業與用電的電蓄熱鍋爐供熱站自由簽訂購售電協議,根據市場需求自主定價,電網企業收取合理的輸電費用,相關電量按照統一標準享受可再生能源價格補貼,開發企業可以自主測算項目投資收益。

風力發電清潔能源供暖項目如何運營尚需要進一步討論。投資企業需要加強對政府政策的解讀和研究,加強與上下游產業的溝通,積極解決各方面問題,同時承擔起企業應承擔的社會責任。