電解鋁企業參與棄風消納可行性與經濟性分析

王 勇,仲維洋,佟永吉,朱洪波,陳明豐

(1.國網遼寧省電力有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.東北大學 信息科學與工程學院,遼寧 沈陽 110819)

霍爾-埃魯特(H-H)電解鋁法長期是工業上大規模冶鋁的方法。目前,現代大型預焙陽極鋁電解槽電流強度達到500 kA,電流效率超過92%～95%,直流電耗約為12,000～13,500 kWh/t-Al[1]。但是,按照電解鋁的生產工藝環節,其生產成本包括用電成本、氧化鋁原料成本、制造成本和管理成本等。電解鋁行業作為電力密集型產業,其成本中電力成本約占30%～45%,這一現狀直接導致電力成本成為了電解鋁企業的競爭力或者能否生存的重要因素。而在電力方面,電解鋁企業的用電來源包括自備電站與國家電網,通常國家電網的電價要比具有能源優勢的自備電站電費價格高。因此,中國的電解鋁企業主要以自備火電機組發電為主,電價與煤價相關聯,降低電解鋁成本的主要途徑是工藝技術的進步和原材料、能源的消耗,然而根據消耗結構分析,降低能源成本是最有效途徑。即將電解鋁廠建在能源富集的地區,這樣可以比較容易獲得較低的電價。

隨著風力發電技術的大面積推廣應用,風電機組裝機數量日漸增加,由于風力發電的隨機性和波動性,風力資源富足地區面臨著大規模風電上網困難的問題,常常發生棄風現象。棄風是一種資源浪費,考慮到電解鋁企業擁有自備電站,火電機組具有調整自身出力接納棄風電量的能力,而且這部分棄風電價可以忽略不計,二者的結合可以在降低企業用電成本的同時減少資源的浪費。因此,電解鋁企業參與棄風消納具有很多重要意義。

1 電解鋁企業負荷特點

1.1 耗電量大

據統計,我國某些高耗能企業的生產用電量每年可達幾千萬千瓦時,電解鋁企業可達到幾十億上百億千瓦時甚至更多。例如一個年產90萬噸鋁的電解鋁企業,年耗電量約為120億度電。可見其耗電量之巨大,如果該企業采取電網購電方式進行生產,對企業利潤有很大影響,因此自備電站對大型電解鋁企業點對點直接供電不僅可以有效降低用電成本,也可以減輕電網的負擔[2]。

1.2 負荷率高

電解鋁屬于連續生產型企業,在生產過程中需要平穩地不間斷地供給電能,所以在正常生產情況下,電解鋁廠的直流負荷以及其他輔助生產系統為一級負荷,占據了總負荷的95%以上。電解槽正常工作時槽溫960 ℃,電流90%～100%;當電流低于90%時沒有產量;電流在70%～90%之間處于保溫狀態;電流低于70%電解槽降溫。因此,發生停電事故時,冬季3～4小時(夏季7～8小時)電解槽就會凝固造成巨大損失。因此,自備電站需要有備用電源,在發生停電事故或者是機組維修時可以為負荷提供不間斷電能,減少停電與減電時間。

1.3 負荷穩定

生產過程中的直流負荷在沒有發生陽極效應時,電解電流穩定,電流曲線近似為一條直線。某鋁廠日負荷曲線如圖1所示,圖中出現的波動是由于鋁廠定期出爐導致的波動,屬于正常且較少的波動。單個電解槽陽極效應電壓大小為20～35 V,發生頻率約為0.5次/月,由于企業中有多個電解槽同時工作,其產生的負荷沖擊次數頻發,盡管如此,對生產的負荷沖擊一般不超過滿負荷情況下的3%～5%。因此,電解鋁企業用電負荷十分穩定,且按照計劃生產負荷預測也十分精準。

圖1 某鋁廠日負荷曲線

2 自備電站特點及棄風特性

2.1 自備電站特點

(1)一般選擇在煤炭富集地區,負荷包括電解鋁企業工業生產負荷以及廠用電負荷。供電質量要求具有充裕性與安全性。

(2)孤網運行時面臨很大挑戰,電網內頻率波動十分頻繁,尤其是在負荷發生波動時。其他風險包括:機組出力與負荷動態平衡困難、電機負荷沖擊電流、如何快速恢復停電后的供電問題等。

(3)廠備電網需要發電站、輸電線、變壓器、用電設備等組成,發電機-輸電線-負荷協調匹配是保證電網安全平穩運行的主要手段。

2.2 棄風特性

風力發電具有隨機性與波動性,預測困難,這一系列特點容易導致棄風現象發生。對歷史數據進行研究可以發現風電具有一定規律性,對應著有一定的用電特性,結合起來形成的特性就是棄風特性,可以用風力的分布時間、風力大小和持續時間等反應。

“冬大夏小、夜高晝低”是遼寧省風力資源的特性,圖2為遼寧省2013～2017年月度棄風曲線,圖3為某日發生的棄風功率曲線,其發生時間是周期性的,冬季多于夏季,夜間多于白天。隨著大規模風電的并網,消納棄風手段的增多,棄風率已經大大降低。但消納空間仍然有限,有一部分可觀的綠色資源被浪費,合理利用這部分資源將為企業節省部分電能成本[3]。

圖2 2013～2017 年月度棄風曲線

圖3 2013～2017年某天棄風功率

3 電解鋁企業消納棄風方案

3.1 可行性分析

風電場發電功率具有隨機性和間歇性,因此對于風力發電出力控制是個難題,保證電網的安全和大量接納風電比較困難,需要與一定規模的常規火電機組進行配合調峰,利用火電機組本身的調節能力實現對風電出力的補償,平抑波動性,從而滿足負荷對電能質量的需求。而風電與火電的配合主要依據兩個關鍵因素:一是風電出力的變化率與火電機組爬坡速率相配合,這決定了二者的組合能否輸出穩定的電能;二是火電機組的最大調節能力即調峰水平,這決定了可以消納風電的最大量。

對于小型電解鋁廠或者是在電解鋁企業建成初期,年產量只有22.5萬噸與45萬噸階段,由于機組容量只有700～1500 MW,電網結構單一,抗風險能力弱,在規模較小階段不考慮接納棄風電量。對于電解鋁企業規模已經達到90萬噸時,總裝機容量為2100 MW,一臺350 MW機組為檢修備用機組,運行時機組容量為1750 MW,則棄風電量的最大接納量約為875 MW。火電機組調峰能力方面,最大調峰范圍取決于鍋爐不投油的最低負荷,汽輪機組出力調整速率為3%/min～5%/min,風力發電1 min最大功率的變化不超過機組最大容量的10%。當企業建成310萬噸電解鋁規模時,其消納棄風的能力更加突出[4]。

綜上分析可得,擁有自備電站的大型電解鋁企業,達到90萬噸電解鋁規模,自備電站擁有一定規模和抵御風險的能力,可以參與到棄風電量的消納,而且棄風電量的電價成本可以忽略,因此可以實現企業用電成本最低利潤最大化,減少資源浪費。

3.2 模型構建

自備電站火電機組具有一定的調峰能力,電解鋁企業正常工作時負荷穩定,所以在預測到棄風電量的情況下可以調整火電機組的出力情況,在保證企業負荷用電的前提下,接納一部分棄風電量,減少煤耗量降低生產中的電力成本。電解鋁企業孤網運行架構如圖4所示[5]。

3.3 目標函數

當棄風電量參與到電解鋁企業的生產負荷當中時,棄風電量的電價忽略不計,企業的用電成本要達到更低,則是讓企業接納棄風量最大[6],因此構建目標函數為:

(1)

式中:T——調度的總時間,本文采用的是一天;

f1——電解鋁企業參與消納棄風后企業接納的棄風電量,MWh;

PW,W,t——t時段電解鋁企業消納的風電功率，MW。

圖4 電解鋁企業孤網架構

3.4 約束條件

(1)電功率平衡約束

PW,t=PW,G,t+PW,W,t

(2)

式中:PW,G,t——t時段火電機組發電功率,MW;

PW,t——t時段電解鋁廠電負荷需求,MW。

(2)火電機組出力約束

PG,j,min≤PG,j,t≤PG,j,max

(3)

式中:PG,j,min、PG,j,max——分別是第j臺火電機組輸出電功率的最小值和最大值,MW。

(3)風電機組出力約束

0≤PW,Win,t≤PPRW,max

(4)

式中:PW,Win,t——風電出力,MW;

PPRW,max——風電功率的最大值,MW。

(4)機組爬坡約束

-△PG,i,down≤PG,i,t-PG,i,t-1≤△PG,i,up

(5)

式中:△PG,i,down、△PG,i,up——分別是第i臺火電、風電機組在t時刻的電功率下降和上升的量。

4 仿真分析

為了驗證本文提出的電解鋁企業參與棄風消納的可行性與經濟性,以年產量90萬噸鋁企業自備電站數據與生產負荷數據為例,采用遼寧某風電場棄風數據進行模擬仿真。

4.1 基礎數據

(1)電解鋁企業自備電站數據

采用某90萬噸電解鋁企業自備電站數據來進行仿真,總負荷約為1360 MW,總裝機容量為6×350 MW[7],備用容量為一臺火電機組(350 MW),其電站配置數據如表1所示,機組調節能力如表2所示。

表1 根據機組出力調整風電接納能力表

表2 火電機組調節能力表

(2)棄風數據

該風電場裝機容量為400 MW,冬季供暖期約有1500個時段存在棄風,棄風率為52.4%,屬于嚴重棄風狀態。

棄風在各個時段都有發生,但是在夜間低谷時功率更大,次數更多,平均功率更大。圖5為某日內平均棄風功率曲線。

圖5 某日內平均棄風功率

圖6給出了典型大風周與小風周棄風功率曲線圖。在大風周經常大功率長時段的棄風,小風周則是長時段無棄風。該棄風特性會影響到火電機組的調峰計劃,火電機組不可能頻繁的大跨度改變功率,會造成燃料損耗并且頻繁調整火電出力會減少其使用壽命并且容易造成故障損壞。因此,利用火電機組的調峰能力接納棄風電量需要對風電出力做出預測,并且做出相應的火電機組出力計劃。

圖6 棄風功率時序曲線

為驗證電解鋁企業參與棄風消納的經濟性,設計仿真在棄風占比最高的供暖季進行。供暖期由于熱電機組在北方地區具有以熱定電的限制,導致風電上網量被急劇壓縮,選擇此時段進行仿真具有典型意義。

4.2 仿真結果及經濟性分析

根據所給數據,根據往年該風電場棄風數據和自備電站火電機組的調峰能力可得到,在整個供暖期該電解鋁企業通過火電機組的調峰共消納棄風電量238,076 MWh。

根據純凝火電機組的發電單位煤耗量可以計算出節煤效果,取純凝火電機組的發電煤耗量為320 g/kWh,可以計算得到在供暖期間節省的煤耗量為76,184噸,以燃煤價格500元/t計算,得到該供暖期棄風量在全年最大時間段內可以有效節省企業用電成本38,092萬元。以90萬噸產量電解鋁企業耗電量為120億度電來計算,在該供暖期間電解鋁企業消納的棄風電量占到了總用電成本的1.98%左右,達到了不錯的經濟效益。

在整個運行期間內,該風電場棄風電量并沒有達到電解鋁企業最大接納風電量,所以還可以和多個風電場進行合作。隨著新能源發電的大規模涌入,風電規模將進一步擴大,總體上棄風率在下降,但是棄風電量仍然具有很大一部分。對于電解鋁企業用電成本來說,使用火電機組調峰接納大量棄風電量可以有效降低企業用電成本,達到更好的經濟性。

5 結 語

我國電解鋁行業經過六十多年的發展,生產技術創新已經是世界領先水平,節能降耗也已經取得成效,鋁生產量與消費量全球第一。電解鋁企業是高耗能型產業,面對嚴苛的節能減排標準以及大力發展的新能源發電領域,兩者有機的結合是未來電解鋁行業發展的研究方向。

本文從電解鋁企業用電成本考慮,通過引入新能源風電使用棄風電量降低用電成本。大型電解鋁企業自備電站具有一定裝機容量,可以抵御生產過程中產生的一些用電風險,并且擁有一定的調峰能力,本文對電解鋁企業參與棄風消納的可行性進行了相關分析,并在算例中驗證了其具有經濟性,企業將進一步降低用電成本,同時減少資源浪費,為電解鋁企業成本控制提出了新的解決辦法。