新疆风力发电清洁能源供暖项目的可行性分析

闫广新

中国能源建设集团 新疆电力设计院有限公司 乌鲁木齐 830001

1 研究背景

风力发电是一种相对成熟的新能源电力,具有可再生、无污染、便于开发等特点,世界各国都十分重视风力发电的发展。我国风力发电能源储量可观,部分地区建设条件十分便利。近年来,我国风力发电开发规模以几何级速度增大,但是,随着风力发电规模的不断增大,新能源装机占比不断提高,风力发电受风资源影响输出不稳定、负荷变化快、变化幅度大等问题,对电网的稳定运行造成了一定影响。尤其在以燃煤火力发电为主的北方,电网内具有调峰能力的电源点严重缺乏,难以平衡风力发电波动对电网造成的冲击。

在我国北方冬季来临时,热电联产机组必须保持稳定运行,发电负荷大面积叠加,使电网调峰更为困难,风力发电消纳受到严重制约,造成部分地区风力发电开发与电网系统安全稳定运行之间的矛盾日趋尖锐,弃风限电情况大量存在,这也阻碍了风力发电行业的发展,造成了社会经济与环境的损失。

为了解决风力发电弃风限电问题,各科研单位及电网公司都进行了深入探索与研究。相对而言,在北方风力发电集中地区实施风力发电参与供暖比较方便。一方面,利用风力发电供暖,可以使风力发电机全负荷运行,避免新能源电力浪费,减少冬季因人为停机造成低温重新启动困难的情况。另一方面,弃风供暖可以减少热电联产机组及热力站燃煤锅炉的使用,减少煤炭燃烧,同时减少污染物排放,对于提高风电场运营效率、减轻环境压力具有重要意义[1]。

新疆电网风力发电装机容量大,弃风限电严重,冬季供暖期长达六个月,供暖期能源需求较大。在这一背景下,风力发电清洁能源供暖应运而生,可以为高效利用风力发电清洁能源,积极探索可再生能源,特别是风力发电消纳提供了新思路、新途径。

笔者从风力发电清洁能源供暖优势、关键技术路线、相关政策支持、风力发电供暖示范工程等方面,对新疆实施风力发电清洁能源供暖项目的可行性进行详细分析。

2 风力发电清洁能源供暖优势

2.1 减少化石能源消耗,创造减排效益

我国风力发电装机容量正快速增加,冬季夜间时段风力发电量大,但用电负荷较低。与此同时,供暖期能源需求较大,特别是新疆北部,全年供暖期长达六个月。现阶段,我国北方供暖大量依靠燃煤供热,风力发电与燃煤热电联产机组之间的运行矛盾突出。大量依靠燃煤供热,造成了严重的环境污染,致使气候环境质量不断恶化[2]。

推广风力发电清洁能源供暖技术,替代燃煤锅炉供热,不仅可以有效利用风能资源,减少煤炭等化石能源消耗,而且对解决城镇供热等民生问题和改善大气环境质量具有重要作用,可以为社会创造可贵的环境效益。

2.2 便于电力生产和电网调峰

从整个发电、输电及产热供暖的过程来看,由于风力发电清洁能源供暖弱化了风力发电的随机间歇性,供暖系统可以通过储热形式实现储能用能,因此降低了风力发电对于电网的适应性要求,可以将风力发电清洁能源供暖看作是电力生产及储能利用的过程。

风力发电清洁能源供暖还可以为电网负荷调峰做出贡献。热力负荷可以依据电网要求安排用电运行,而且可以借助储热设施平滑输出,从而为降低电网峰谷差及调峰填谷做出容量贡献。

与积极意义相对,风力发电清洁能源供暖也有不利方面,表现在相较热电联产等方式,获取热能过程被人为拉长,能源消耗增大。从这个意义上看,风力发电清洁能源供暖的用能方式应该局限于一定时期或专门场合,例如适用于电网末端分布能源利用方式等。

3 风力发电清洁能源供暖技术路线分析

3.1 总体架构

风力发电清洁能源供暖指主要利用风力所发电量进行供暖。风力所发电力接入电网,供热站的电锅炉接入电网,利用低谷电量为储热设备蓄热,满足冬季全天的供暖需求,实现风能经电能转换为热能。风力发电供暖总体架构如图1所示。

图1 风力发电供暖总体架构

3.2 建设型式

目前,风力发电清洁能源供暖项目电供热站分为无蓄热装置与有蓄热装置两种型式。

无蓄热装置型式电供热站适用于有大容量热电联产机组集中供热热力管网的区域。作为热源的补充,供热管网可以在电锅炉停运期间提供热能。

有蓄热装置型式电供热站适用于无大容量热电联产机组的集中供热区域,需要建设蓄热装置,在电锅炉停运期间提供热能。有蓄热装置型式电供热站也适用于尚无集中供热热力管网的新建住宅及公建区域,同样需要建设蓄热装置,在电锅炉停运期间提供热能。

3.3 蓄热技术

目前,常用的蓄热技术主要有三种:水蓄热、固体蓄热和相变蓄热[3-4]。

水蓄热具有设备价格相对便宜的优点,但存在体积过大造成占地面积过大的缺点,同时,由于散热面积过大,造成保温效果不佳,水蓄热系统整体效率约为90%。电锅炉利用低谷电量对水进行加热,加热后一部分水进入供热管网,另一部分水进入蓄热罐。当电锅炉不工作时,热水由蓄热罐进入供热管网。

目前常用的水蓄热电锅炉类型主要有常规电阻式电锅炉和电极式电锅炉两种。

固体蓄热体积相对小,一般为水蓄热方式的10%～15%,可减小占地面积。由于体积小,造成散热面积减小,固体蓄热系统整体效率约为95%。同时,固体蓄热造价相对较高,较水蓄热提高约20%。

目前,主流的固体蓄热电锅炉为一体化设计,功率较大。固体蓄热材料通常为金属氧化物,最高加热温度可达900 ℃,通常额定加热温度为500 ℃,高温蓄热体通过热输出控制器与高温热交换器连接,高温热交换器将高温蓄热体存储的热能转换为热水输出,热水进入供热管网。

相变蓄热材料包括无机相变蓄热材料和有机相变蓄热材料。无机相变蓄热材料主要包括结晶水合盐、熔融盐、金属和合金,有机相变蓄热材料主要包括石蜡、脂肪酸,以及某些高级脂肪烃、醇、羧酸和盐等。

相变蓄热体积小,整体效率高,造价在所有蓄能技术中最为昂贵,设备功率较小,目前只有采用380 V供电的设备,少有应用案例,不适合大规模应用。

3.4 运行方式

风力发电清洁能源供暖主要有四种运行方式。

(1) 全天不间断运行,即电锅炉连续运行时间24 h不间断。由于运行时间与供暖时间一致,电锅炉额定功率与热负荷一致,因此这种运行方式相当于全天在电力负荷上叠加了无波动的电力负荷。

(2) 全天固定储热12 h。电锅炉运行时间为12 h,为当日14:00～16:00和当日23:00～次日9:00,原因是配合峰谷电价,同时兼顾夜间风力发电弃风现象较为严重的时段。由于运行时间是供暖时间的1/2,因此电锅炉额定功率是热负荷的两倍。

(3) 跟踪弃风时段灵活运行,作为正常热源。电网调度在满足热负荷需求的前提下,根据弃风情况安排电锅炉的运行方式,电锅炉额定功率为热负荷的两倍。这种运行方式相当于弃风时段在电力负荷上叠加了可调的电力负荷。

(4) 跟踪弃风时段灵活运行,仅作为补充热源。电网调度根据弃风情况安排电锅炉的运行方式,这种运行方式相当于弃风时段在电力负荷上叠加了可调的电力负荷,由于不需要全额满足热负荷需求,因此这一运行方式可以全部利用弃风电量。

4 新疆风力发电清洁能源供暖可行性分析

(1) 新疆风能资源丰富,可开发量大。根据《中国风能资源评价报告》,新疆风能资源总储量为8.9亿kW,占全国的20.4%,位居全国第二位。新疆可开发利用风能资源集中在九大风区,即乌鲁木齐达坂城风区、塔城老风口风区、额尔齐斯河河谷风区、十三间房风区、吐鲁番小草湖风区、阿拉山口风区、三塘湖—淖毛湖风区、哈密东南部风区、罗布泊风区。九大风区面积为7.78×104km2,年平均风功率密度均在150 W/m2以上,年有效风速时间为5 600～7 300 h,技术可开发量为120 GW,风能品质好,风频分布比较合理,破坏性风很少,具备建设大型风电场极好的风能资源条件[5-7]。

(2) 新疆电网存在弃风限电问题。截至2017年12月底,新疆电网建成风电场共180座,容量为18.353 GW,占电网电源总装机容量的22.3%。2017年,新疆电网风力发电输出功率最大为8.652 GW,全年风力发电量为3.127×1010kWh,弃风电量为1.325×1010kWh,弃风比为29.8%,电网弃电较为严重,制约了风力发电的进一步开发利用。

(3) 新疆供暖期长,供暖能源需求大。新疆属于温带大陆性气候,四季变化非常明显,夏季高温多雨,冬季干燥寒冷,早晚温差大。新疆每年供暖期长达六个月,从10月上旬开始至次年4月上旬,居民室内采暖温度不低于18 ℃。现阶段新疆供暖方式大量依靠热电联产燃煤供热和天然气供热。

在新疆风力发电装机容量大、弃风限电严重、供暖期能源需求较大等多重因素影响下,风力发电清洁能源供暖应运而生。

5 阿勒泰风力发电清洁能源供暖案例

5.1 技术路线

布尔津粤水电一期、二期风电场位于规划的布尔津城西风电场地区,装机容量为99 MW,选用单机容量为1.5 MW的风力发电机组,共计66台。这一风力发电清洁能源供暖项目热力站确定的供热规模为3×5 MW固体式电蓄热电锅炉和2×5 MW电阻式电锅炉,供暖面积为2×105m2,利用电网低谷时段为蓄热电锅炉蓄能,实现24 h向热网供暖的目的。

5.2 经济可行性

这一风力发电清洁能源供暖项目热力站年利用弃风电量为3.521 87×107kWh,按供暖期实际用电1∶1.3的比例给予风电场增发电量配额考虑,风电场预计可增发电量为4.578 43×107kWh。按《国家发展改革委关于完善风力发电上网电价政策的通知》中Ⅲ类资源区风力发电标杆上网电价0.58元/kWh测算,风电场年弃风电量增发收入为2 655.49万元。风电项目捆绑供热站向供暖示范项目用电补贴为0.3元/kWh,经测算,风力发电项目捆绑供热站项目全部投资财务内部收益率为5.52%,投资回收期为12.75 a,财务评价可行。

通过引入专业供热管理团队投资的合作模式,大大降低了风力发电企业的投资成本及投资风险[8]。据了解,目前多数风力发电企业都在洽谈类似合作模式,通过合作提高项目的整体收益率,降低投资风险,使项目更具投资价值。

6 政策支持

2013年3月,《国家能源局综合司关于做好风电清洁供暖工作的通知》提出将在北方具备条件的地区推广应用风力发电清洁能源供暖技术,以提高北方风能资源丰富地区消纳风力发电的能力。

2016年5月,国家八部委又联合印发《关于推进电能替代的指导意见》,从推进电能替代的重要意义、总体要求、重点任务和保障措施四个方面提出了指导性意见,为全面推进电能替代提供了政策依据。

为认真贯彻国家电能替代相关文件的精神,2017年,新疆维吾尔自治区人民政府办公厅印发了《加快推进电气化新疆工作方案》,加快推进电气化新疆工作,并提出从2017年开始新建建筑全部采用电供暖,并将原天然气集中供热区域改造为气电互补方式供暖。为更好地解决居民用电、供暖问题,切实保障和改善民生,妥善化解潜在的社会矛盾,新疆采取了一系列措施。

(1) 全面推进城乡居民生活用电同网同价工作,统一将城乡居民生活用电价格降低至0.39元/kWh。

(2) 出台电采暖支持政策。印发了《新疆电供暖价格机制指导意见》,依托新疆电力交易系统,推动可再生能源电力市场化交易,通过市场化方式降低用户电采暖电价。电供暖项目直接交易输配电价分为分散式电供暖和集中式电供暖两种。分散式电供暖直接交易输配电价平段为0.224元/kWh,谷段为0.112元/kWh。集中式电供暖直接交易输配电价平段为0.18元/kWh,谷段为0.09元/kWh。新能源上限交易指导价为0.04元/kWh。电供暖项目直接交易输配电价执行峰谷分时电价政策,将用电低谷时段由原来的10 h延长至12 h,即23:00～次日9:00和14:00～16:00,其余时间为平段。

(3) 积极推进电气化新疆战略。印发了《自治区2017年电气化新疆工作要点》,将推广居民电采暖作为重点工作,在全疆范围内大规模推进。

7 结束语

风力发电清洁能源供暖本质上是电力供暖,为高效利用清洁能源,积极探索可再生能源,以及风力发电消纳提供了新思路、新方法,是治理雾霾、解决弃风限电的重要途径[9-10]。当前的风力发电清洁能源供暖项目都由政府主导,包括风力发电上网电价、供暖电价、结算方式等,都需要政府进行协调沟通。而从长远看,建立有效的电力市场,是解决风力发电清洁能源供暖问题的最终出路。在健全的电力市场环境下,风力发电清洁能源供暖的盈利测算相对简单,开发企业与用电的电蓄热锅炉供热站自由签订购售电协议,根据市场需求自主定价,电网企业收取合理的输电费用,相关电量按照统一标准享受可再生能源价格补贴,开发企业可以自主测算项目投资收益。

风力发电清洁能源供暖项目如何运营尚需要进一步讨论。投资企业需要加强对政府政策的解读和研究,加强与上下游产业的沟通,积极解决各方面问题,同时承担起企业应承担的社会责任。