提高風電就地消納的蓄熱式電鍋爐優化調度分析

陳永強

(上海市政工程設計研究總院集團第十市政設計院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

風電就地消納的蓄熱式電鍋爐優化調度是對10 kV蓄熱式電鍋爐項目運行關鍵技術及控制策略研究課題項目的延續性分析，主要研究目的是使用電能代償的辦法克服我國西部區域內大量的棄風電能源浪費現象。此項技術主要使用能夠蓄熱儲能的電暖設備、空調設備搭配鍋爐裝置來替代北方冬季常用的燒煤取暖形式，總的來說就是使用清潔電能取代原有的化石燃料熱能轉化，除了響應國家可持續發展理念，節約不可再生資源外，還能較為顯著地解決我國北方區域范圍內的冬季霧霾污染天氣問題。

1 項目概況

烏魯木齊高鐵片區新能源棄風供熱示范項目(一期)建成于2015年7月，項目體系中含有8 MW的蓄熱式電極式鍋爐6臺，能夠為整體供熱項目提供高達50 MW的裝機容量，并于2016年10月正式開始投入運營。新疆烏魯木齊地處準噶爾盆底，地形聚風且地表建筑植物稀疏，可以很好地降低地面摩擦力對風能收集利用的損耗。

烏魯木齊高鐵片區新能源棄風供熱示范項目(一期、二期)的建設目標是要在風能能源豐富的新疆盆地處建設中國最大的蓄熱電鍋爐項目，用于支持西電東送資源配置項目工作的開展，將源源不斷的生產、生活電能以最高的效率形式送往我國東南部經濟中心地帶以及東北部的老工業區，同時電能與熱能的結合與轉換還將有效應對我國北部冬季的寒冷天氣，輔助煤炭鍋爐供暖，給予北方人民一個溫暖的冬天，減少化石燃料低效燃燒所造成的環境污染以及溫室氣體的排放。

2 蓄熱式電鍋爐供暖消納棄風原理

烏魯木齊高鐵片區新能源棄風供熱項目關注于零散風能的再利用，進而實現消納棄風的最終目的，同時聯合使用蓄熱式電鍋爐供暖技術，將蓄能與供暖融為一體，一方面能夠以占用空間更小，且能量表現更為密集的形式將零散的風能進行收集；另一方面也能省去電能二次轉化的步驟，直接將積累的熱能通過線路管道直接向外進行熱能的輸出[1]。

在實際技術應用過程中，蓄熱裝置與電場內的電鍋爐能量轉化裝置相結合，擴展了風電場除收集運送以外的供電業務，同時項目在實驗階段嘗試連通了烏魯木齊城市供暖網絡，在最終調研的結果上體現出穩定、持續與能量充沛的特點。

在實際應用過程中，技術人員通過長期的風電場數據監測確定了風電場場內出現棄風現象的負荷低谷時段，為加設電鍋爐熱能轉化提供了數據支撐，在電鍋爐熱能轉化設備安裝完成后，技術人員在相應的風能低谷時段加大了電網中的電負荷采集力度，而后向其收集原本作為棄風出現的冗余風能資源，進而有效地提升了系統中的風電消納數值[2]。

將風能利用發電裝置轉化為電能后，電鍋爐的使用使得此類電能高效率地轉變為熱能，此后根據城市供暖實際需要，將這類熱能向城市居民生產活動空間進行輸送，而多余的熱能則由專業儲熱罐進行統一收集保存，在用電高峰時段風力發電設備出現供不應求的不穩定現象時，儲熱罐將其中的熱能再度轉化為電能，以備用點的形式保持區域生活、生產用電的穩定供應，其具體風能—電能—熱能—電能的轉化原理設計如圖1所示。

圖1 風力供熱、供電原理設計圖

3 蓄熱式電鍋爐優化調度模型

3.1 目標函數

目標函數是計算最小化棄風的函數公式，具體公式為：

(1)

在該式中，T表示風能調度的周期，根據實際風電場運作經驗將T恒定取T=1，以整體調度周期天為單位；t表示調度的具體時段，具體調度細節時長安排以小時為單位；PW，t表示時段t范圍內經由風電場發電系統所生產出的風電總能量；PWp，t表示時段t范圍內經由風電場發電系統所產生的最大風電總能量[3]。

3.2 風力發電機組模型

在風力發電廠廠內遵循風力發電機組模型進行細節電能生產，具體公式表達為：

(2)

在該式中，v代表發電設備中機輪轂最高點的現實風力速度；vcut-in表示發電設備中進入系統的實際風力速度；vcut-out表示發電設備中系統輸出的實際風力速度；vrated表示發電設備中系統的定值風力速度預設；Prated表示發電設備中系統的定值輸出電力功率預設；Pt表示實際發電設備中系統的輸出電力功率；ρ表示風力發電廠現場的實際空氣密度狀態；R表示風力發電廠現場的實際風輪設備的半徑數值；Cp表示風力發電廠在機械能轉換電能過程中有效的風能利用程度系數。

需要注意的是，該模型的使用存在一處特例，即當風力速度條件滿足vvcut-out時，表示發電設備中機輪轂最高點的現實風力速度已經超出發電設備中系統輸出的實際風力速度。只要v滿足這2類條件的任意一條，發電系統中的風機設備都無法正常啟動。

4 水蓄熱技術

水蓄熱技術是風力發電電能轉化存儲的技術依據，是抵抗能源損失，最大化利用現有清潔能源的關鍵技術。在該技術的具體應用過程中，水成為了熱能的搭載媒介，電能通過電阻生熱的方式以熱能表現出來，并通過直接接觸的方式傳達到目標液態中，當城市存在供暖熱能需求時，承載熱能的水體就可以通過城市供暖管道與熱水供水系統直接與民用設備連通，實現供暖需要。

通常情況下，為保證能源存儲的效率，并盡可能降低傳輸過程中的能量損耗，蓄熱液態物質的溫度最低應當高于40℃，同時最高不得超過140℃，在不同的使用場合采用不同的溫度進行熱能釋放。當熱能用于民用供水需求時，蓄熱水溫度應當處于人體可直接接觸的安全范圍內，最高不超過體感舒適溫度以40℃～70℃為宜；當熱能用于民用直飲水需求時，考慮到直接飲用水源的安全性需要，此時的蓄熱水水溫需要高于100℃沸點；當熱能用于現代化大型空調風機系統的間接加熱供熱時，為在短時間內提高供熱效率的同時兼顧空調設備內部的精密零件不受高溫損耗，此時的蓄熱水溫度為90℃～98℃，當熱能用于城市居民供暖系統時，考慮到供暖管道的布局模式與供暖單位面積的大小，為了彌補熱能在金屬供熱管道運輸中的損耗，實際蓄熱水水溫需要高于正常城市民用用水水溫40℃～50℃。

在本次項目中，采用罐裝結構用以儲存蓄熱水，在實際應用過程中根據蓄熱水不用的功能目標，詳細分為加壓強與標磚壓強2種方式，為目標蓄水液體提供更廣闊的加熱空間，尤其對于需要水溫較高的液體，采用加壓加溫的方式進行熱能儲備。此外，加壓儲熱水由于沸點較高，其內部以水為主的溫度承載媒介的沸點也比較高，可以在超過100℃以上的溫度中仍以液態的形式存在，能夠很好地克服罐裝水蓄熱系統占地面積過大的問題。但在實際使用過程中，該系統在保溫性與安全性方面仍存在著一定的優化空間。

以烏魯木齊市區為例，現階段較為常規的城市采暖系統在“風力+熱儲能技術“的發展下主要采用水槽蓄熱與水槽供熱2種常見運行模式。其中，水槽蓄熱運行模式在風力發電站夜間階段的供電低谷處使用，將冗余風能進行機械能轉電能后直接通過電鍋爐為儲能水槽加熱，這類熱量將在日間以液體流動的方式向城市進行熱能供應；而水槽供熱運行模式則開展于日間階段的用熱高峰，主要通過城市建筑內的空氣溫度調節系統進行運行，將夜間蓄能水槽內產生的熱量使用板式熱量轉換器向城市供熱空調系統進行供能。

5 結語

研究風電就地消納的蓄熱式電鍋爐調度模型及關鍵水蓄熱技術是蓄熱電設備應用于能源資源行業的重要表現，在實際技術模型應用過程中能夠將非高峰用電時間的多余電能通過蓄電設備存儲起來，在蓄電積累到一定程度后再使用能量轉換設備將其以熱能與冷能的形式進行穩定的二次存儲，而后在用電高峰時段優先將儲備能源進行轉化釋放。該技術充分貫徹落實了國家的可持續發展理念，使用削峰填谷的模型概念實現了電能輸送—儲能—利用的集約型發展。