风电项目能耗核算与节能技术措施研究

张体强，杨 迎，皮江红

(1.四川电力设计咨询有限责任公司,四川 成都 610041；2.湖北省电力勘测设计院,湖北 武汉 430040)

风能属于可再生清洁能源。近年来,我国风电发展迅速,连续几年装机容量增长率超过100%。截至2012年底,我国风电总装机容量已位居世界第一,约75324.2 MW。风电场能耗主要是电耗,风电场场用电率代表了风电场能耗水平,直接影响着风电场上网电量。采取有效措施降低场用电率可以给风电企业带来良好的经济效益和社会效益,紧靠国家建设资源节约型、环境友好型社会的目标。

1 风电场能耗现状

风电场建设属于新能源开发建设项目。风力发电主要工艺流程为：风力机组发电—1kV低压电缆—箱式变压器—集电线路—主变压器(及无功补偿装置)—主电网；利用风车叶片旋转将风能转换为机械能,再通过发电机将机械能转换为电能,通过集电线路的将电能汇集,再通过升压站送入主网。风电场运行期间主要消耗风能、电能、汽油和水。

风能是可再生能源,不同于煤炭、石油等一次能源。在节能评估工作中,风电场风能不计作投入能源消耗。

电能消耗主要是维持风电场正常运行的生产用电、运维人员生活用电。其中生产用电包括变压器(升压站内主变、站用变及箱式变压器)变电损耗、集电线路输电、无功补偿装置损耗及辅助生产设施用电；生活用电主要包括照明、暖通、给排水等生活设施用电。风电场电耗与风电场装机规模、设备及管理水平有关系。

水资源属于耗能工质,主要供站区内职工生活饮用水、洗涤用水、消防用水。风电场水耗主要与运维人员数量有关。

汽(柴)油消耗是指检修车辆工作中的油耗。油耗主要与车辆及场内检修道路长度有关。

风电场水资源消耗和汽(柴)油消耗较少,一般占风电场综合能耗不到1%。因此,风电场综合能耗主要关注电力消耗,风电场电力消耗可以用场用电率进行量化。风电场场用电率可以有效涵盖风电场自身用电设备、集电线路及变电设备的能效指标。当采用先进节能的用电设备及有效地节能管理措施,风电场的综合场用电率能够控制在5%以下的水平。因为行业的特殊性,目前国家和行业都没有专门指定的风电场单位产品能耗指标与场用电率水平。根据投运的风电场调查显示,风电场综合场用电率一般为3%～5%,且随着投运时间呈逐年增加趋势。根据统计调查,大唐集团在四川凉山州开发建设的普格海口风电场,投运期间统计场用电率为2.59%；中广核集团在四川射阳开发建设的射阳风电场,投运期间统计场用电率为2.75%。

2 风电场能耗计算

风电场运行期间主要消耗风能、电能、汽(柴)油和水,其中风能不计作能源消耗。

2.1 电耗计算

(1)风机自用电

风机自用电是指风力发电机组在将风能转化为电能过程中,为了维持其正常运转,机组各设备用电,包括变桨系统用电、偏航系统用电、机舱换热系统用电、塔筒内电缆损耗等,其中耗能部件主要集中在塔筒内电缆损耗。

目前,市场上广泛使用的风力发电机组单台规模基本为(1.5～2.0)MW,2.5 MW、3.0 MW应用较少,3.6 MW等更大容量的风电机组基本尚未投入生产使用。

风机自用电计算公式如下：

式中：Ec为风机自用电(kWh/a)；Pi为单项用电设备负荷(kW)；Ti为单项用电设备运行小时数(h)；α为需要系数。

(2)变电过程电耗

风电场采用“一机一变”的发电模式,箱式变压器容量主要依赖于风力发电机组的单台规模。目前,风电场的变电设备主要包括箱式变压器、升压站内主变压器、站用变压器及接地变压器等。变压器损耗计算方法可参考。

升压站内主变容量主要取决于风电场总装机容量。据统计,单台50 MW主变压器年电力损耗大概约40万kWh～60万kWh。

站用变压器一般容量较小,主要为满足升压站内正常生产负荷、运维人员生活负荷。

(3)输电过程电耗

输电线路电耗主要是集电线路损耗、风机至箱变的低压线缆损耗及升压站内电缆线路损耗。线路损耗一般由电晕损耗、电阻损耗和绝缘子的泄漏损耗等组成,其中占比最大的是电阻损耗,电晕损耗、泄漏损耗的数量较小。输电线路损耗计算方法可参考。一般而言,集电线路能耗不超过占年发电量1%。

(4)无功补偿装置耗电

目前,风电场无功补偿广泛采用MCR型与SVG型动态无功补偿装置。无功补偿装置的耗电主要与容量及设备选型和风电场年最大利用小时数有关。以SVG动态无功补偿装置为例,一般成套SVG动态无功补偿装置损耗率约为0.8%。

风电场辅助生产设施用电主要是升压站用电,包括控制、信号、保护等设备用电,如开关柜、设备电源等。风电场辅助生产设施用电量主要与升压站电压等级、规模及自动化程度有关,目前升压站广泛使用的配电装置包括AIS型配电装置和GIS型配电装置,其中GIS型配电装置具有占地少、节能效果好等特点。辅助生产设施用电计算公式如下：

式中：Ec为风电场辅助生产设施用电(kWh/a)；Pi为单项用电设备负荷(kW)；Ti为单项用电设备运行小时数(h)。

(6)生活设施用电

风电场生活设施用电主要是为了满足风电场运维人员用电,包括生活区暖通系统、照明系统、给排水系统用电、插座用电等。生活设施用电计算公式如下：

式中：Ec为风电场生活设施用电用电量(kWh/a)；Pi为单项用电设备负荷(kW)；Ti为单项用电设备运行小时数(h)；0.7为负荷系数。

实际运行中,风电场生活设施用电需考虑设备实际运行时间、运行方式、效率及运行环境等。以设备的效率为例,对于水泵、风机等设备,需考虑设备效率；对于空调,需考虑能效比等。

2.2 水耗

风电场水源一般使用市政供水或者取用地下水,主要供风电场运维人员生活用水、洗涤用水、消防用水。

生活用水主要取决于风电场生产定员。一般而言,风电场生活用水量定额可参照项目所在地给排水定额。消防用水取决于消防设计水量及年运行时间。一般而言,消防年运行时间不超过5 h。

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2.3 汽(柴)油耗

风电场汽(柴)油耗主要是运维车辆运行检修过程中的油耗。油耗主要与风电场道路长度及运维次数相关。

3 风电场主要节能措施研究

3.1 强化风电发展规划与开发管理

目前,我国风电发展规划滞后于实际建设规模,导致风电场弃风现象较为普遍。据统计,“十一五”期间,我国风电装机容量规划水平仅为建成规模的1/7。风力发电具有随机性、间歇性、波动性等特点,为减少风力发电对电力系统的冲击,维护并网稳定性,导致风电并网难弃风严重,造成能源浪费,如内蒙古,仅2009年未收购风电站总装机容量的72%；17.3%；2012年全国风电装机容量占总装机容量的5.3%,但发电量仅占比2.0%。同时,国内风电场建设偏向于大规模与大装机容量,增加了风力发电的不确定性,增加了并网与电力消纳难度。郭丹等研究表明,区域风电规模增加,风电出力同时率将随之降低,最大增大峰谷差占当年风电装机的比重逐渐降低,建议按最大增大峰谷差占当年风电装机的比重按25%～30%设计考虑。因为缺乏合理的风电装机规模和分布布置,我国风电项目发电效率一直低于国外先进水平。

3.2 设备选型节能

在现阶段风机制造和风电场运维是提升低风速区风电厂发电量的主要方法。在设备选型上,采用节能型设备,使用满足国家能效要求的变压器、无功补偿装置及各种站内用电设备等能够有效地降低场用电率,达到源头节能的效果。合适的风力发电机组能提高风电场运行经济型,如三相六支路单元电机并列运行可提高运行可靠性。110 kV升压站采用先进的计算机监控自动化系统,利用先进的网络控制技术,最大限度地优化了电气工程路线,达到了节能效果。

3.3 总平面布置节能

风电场总平面布置应考虑节能要求。在风力发电机组布置时,根据地形、地势及自然条件,考虑风电场的送电、集电和变电方案条件,尽可能使用电缆的集电线路方式替代架空线路,减少风电场内电力缆线长度,不仅可以方便施工运输和安装,亦可以方便运行维护,减少电力损耗和能量消耗。风力发电机组布置合理,如沿山脊或地形起伏的地方布置,布置在风能资源较好的地方,可以获得最大电量,合理的集电线路路径方案,减少线路长度,从而减小了能量损失；与此同时,风力发电机组布置应避免过于分散。

风电场升压站的规划设计中,建筑设计中建筑物及主要房间尽量采用南北方向布置,充分利用阳光天然能源及自然通风；各建筑单体在满足工艺要求的情况下,建筑体型系数小,减少了空调、通风的能耗。同时,使用节能型门窗,提高建筑物的保温、隔热性能,也能达到节能的效果。

3.4 设置合理的无功补偿

遵循变电系统无功容量采取就地平衡原则,在风电场升压站主变低压侧加装无功补偿装置,提高线路有功输送容量,降低线损,节约运行成本。

3.5 接入系统方案节能

一般而言,风电场上网线路都是单独立项。从整个电网的角度考虑,实现电力的就近消纳,选择低网损的接入系统方案,且接入距离最近的变电站,都能有效的减少电能损耗。高载能负荷就近消纳风电,避免了上网电量长距离运输,降低了上网线路及升压站变压器上的功率流动,相应降低了线损和变压器损耗。但是,在交直流交换过程中,高载能负荷会向电力系统注入谐波,造成谐波损耗影响电网损耗。李淑鑫等研究,风电量较大的情况下,高载能负荷调峰节能效果更好,电网损耗更小；高载能负荷调峰也可以增加风电场送出功率,提高企业的经济效益。能耗最小调度模式亦能降低整个系统损耗,强化系统调峰能力,增加运行经济性。

结合周边电源及变电站布置情况,合理的选择送出线路的电压等级能够有效的减少外送过程的电能损耗。

3.6 加强风电场运行管理

弃风、限电、风电运维都会直接影响风电场的发电量,从而影响到风电场上网电量。加强风电场运行管理,如设备系统的维护等,能够有效的降低电损。设备系统的维护包括对风力发电系统、供配电系统、辅助生产设施系统定期检查、检修和保养,让设备保持在良好的运行状态,缩短耗电设备的工作时间,减少启停次数,减少风电场日常运行用电。

3.7 能源计量管理

能源计量和监测管理是节能工作的基础。风电企业应定期对发电量、用电量等能耗指标进行考核,建立相应的能源管理制度和用能责任制度。风电场应配备相应的能源计量器具,并建立能源计量器具管理制度与能源计量台帐,保证能源计量器具的配备情况,如水表、气表、电表。各能源计量器具应单独计量、分表核算,并对计量器具严格按规定进行检定,保证能源计量器具的准确性。为了保证能源计量的准确性和连贯性,风电企业可对能源计量台账统计数据及报表实行电脑网络化管理,组建节能管理结构和管理网络,建立能源计量管理体系,形成文件,并保持和持续改进其有效性,应建立、保持和使用文件化的程序来规范能源计量人员行为、能源计量器具管理和能源计量数据的采集、处理和汇总。

4 结论

风电场场用电率管理一直是风电企业从项目规划到投入生产的重点工作内容之一。从风电企业角度而言,降低场用电率是降低运营成本、增加上网电量的重要途径,可实现节能降耗、提高企业经济效益的目标。

风力发电属于清洁能源开发建设项目,风电场运行过程中的电能来源于自身发电。从电力能源平衡的角度而言,风电场可实现年外供电能,有利于改善项目所在地能源消费结构,有利于节能减排目标的实现。

风电场从规划设计阶段考虑采用合理的设计方案与节能、降耗的先进技术设备,可以提高上网电量,有利于资源节约和综合利用,从源头杜绝能源的浪费。