采用热电厂锅炉消纳解决北方地区冬季因反调峰特性导致的风电弃风问题可行性探讨

采用热电厂锅炉消纳解决北方地区冬季风电弃风并网难题的可行性探讨陈龙飞201300181013能源与动力工程学院13级热B我国政府曾在《关于分散式接入风电开发的通知》(国能新能[2011]226号)中明确提出，要“根据我国风能资源和电力系统运行特点，借鉴国际先进经验，在规模化集中开发大型风电场的同时，因地制宣、积极稳妥地探索分散式接入风电的开发模式”，但由于风电的并网难题，弃风损失是阻碍风能在我国能源结构中占据更大比例的重要因素。本文就实现风能的更彻底利用，在冬季受到“以热定电”所导致的风电弃风问题和并网问题提供一种可行性的探索。典型背景分析随着风电装机容量的迅速增长，各种问题导致我国风电场限制发电情况日益严重，“弃风限电”达200亿千瓦时以上,约占全国风电上网电量的20％，全国2012年“弃风”率约为17％。整体来看，吉林和蒙东仍然是“弃风”最严重地区。以吉林为例，吉林省内风电场年出力具有明显的反调峰特性，6月—次年1月用电负荷大，风电场出力小；2月—5月用电负荷小，风电场出力大。即：负荷大时风电场出力小，负荷小时风电场出力大。为保证电网的稳定运行，在常规电源正常参与调峰的情况下，必然会产生弃风。加之为保证冬季采暖期供暖，需要保证热电联产机组的运行。因此，即使冬季风力较大，风电也不得不停运弃风。整年度的弃风比例在19%到28%。由此可以得到结论：造成“风热冲突”的原因主要有以下两个方面：风电的反调峰特性以及热电机组“以热定电”的运行方式。采用电热锅炉进行消纳冬季北方地区热电联产盛行，热电厂因“以热定电”导致有较高的强迫出力，从而严重影响了冬季风能的就地消纳。若热电厂可以通过利用电锅炉将风电能转换为热能的方式进行弃风消纳，当系统中风电过剩时，降低热电机组强迫出力，从而增加风电上网空间以接纳一部分过剩风电；这样，一可增加电负荷、加强风电消纳；二能使用清洁能源，降低燃煤污染，减少供暖季空气污染。对电锅炉的安装国际上主要有用户侧分散布局和发电侧集中布局两种方式。分散式布局是指将电锅炉分散到各个用户中，通过对用户侧电锅炉的智能控制进行调峰。但是用户侧分散布局技术要求和安装要求很高，并不适合我国电网集中调度模式，而发电侧集中布局是将大型锅炉直接安装在发电厂内部，在负荷低谷时段开启电锅炉，将电能转化为热能，消纳过剩弃风。优点是方面控制、利于调度效率高、便于专业管理与维护。从热电厂热电联产的运行原理来看，一方面电锅炉自身运转和和供暖会增加用电负荷，另一方面由于电锅炉产生了部分热能，根据热电约束又可以降低燃煤发电锅炉的部分发电出力，起到充分消纳弃风的作用，合理经济地实现了双重调峰。因此，在热电厂中加装电锅炉来消纳具有明显的应用潜力。。采用置储热的热电厂消纳风电在非弃风时段(8-23h)热电机组的热出力高于承担的热负荷，多余热量存储在储热装置中；而在弃风时段，降低机组热出力，供热不足部分则由储热装置提供，进而实现了降低机组在低谷时段“以热定电”的最小出力，从而提高机组的调峰能力，为弃风电力的上网提供空间。蓄热罐依据不同温度的水由于密度差异而冷热水分层的原理运行，处于蓄热罐上部区域的是温度高的供水，而处于蓄热罐下部区域的是温度低的回水，热冷水之间存在1~2m的过渡层。蓄热时，热水从蓄热罐上部区域蓄入罐内，相同质量的冷水从蓄热罐底部排出；放热过程，则按照相反的方向流水。控制进入或流出的水流量是保证储热装置的可靠运行的重要因素，其可以防止储热罐内冷热水层的混合，即维持过渡层的稳定。使用热电厂旁路补偿系统现阶段，热电厂旁路补偿系统的目的是便于机组启停、突发事故的处理。如果通过旁路系统使风能热能联合调度使用，使高温高压的蒸汽经过与汽轮机并联的减温减压装置，同时向热负荷供热，再将降温降压的蒸汽送入再热器或直接通过热交换器。如此可以使得机组在降低发电出力的同时增加其供热热量，并传递给用户，取代直接进入汽轮机做功。该方法能够消纳北方地区冬季供暖期间夜间负荷低谷时段过剩的风电。方案的本质是使用风电替代热电联产机组进行供电和供热，因此，在国内“三北”地区弃风严重的环境下，具有明显的节煤效益。其节煤量取决于所接纳的弃风电量及其所替代热电机组的燃料利用效率。２）由于投资和维护成本的存在，方案要具有国民经济性，需要使得电锅炉的实际年平均利用小时数超过某个边界值。而电锅炉的实际年平均利用小时数取决于系统中供暖期弃风功率持续曲线和系统中电锅炉安装总容量。随着总容量的增加，新增电锅炉的边际利用小时数在不断下降，故而系统中存在一个最优的安装规模。风能热能联合调度三种思路的比较采用热电厂蓄热装置，可有效平整热负荷的波动。在热负荷较低时段蓄热，减少热源停机；而在峰荷时，由储热削峰，避免使用更昂贵的热源，同时可以维持集中供暖区域的常温，作为热源备用。且由于其依然采用现有集中调度方式，无需增加其他智能通讯和控制设备，更适合于在我国当前电力系统中推广。如果热电联产机组长期运行在这样一个偏离正常状态下（频繁使用热电厂旁路补偿系统）会导致诸多问题。首先是蒸汽使用量增大，降低了电厂运行效率，无形中浪费大量能源。原因在于为了提高机组的调节灵活度，大量高品位热能通过减温减压装置被降为低品位热能，经济效果低于燃煤锅炉补偿供热。其次，锅炉循环水难于再利用。锅炉循环水品质较好，经过采暖系统之后会混铁屑、氧气等杂质，这样就无法再进入锅炉进行循环。热电厂需不断大量生产合格的高品质锅炉循环水，这样会增加水处理的成本。参考文献【1】中国可再生能源学会风能专业委员会(CWEA)，2010年中国风电装机容量风能，2011，(03)34—40．【2】AnaC．M．，eta1．PubliC-privatePartnershipsforWindPowerGeneration：ThePortugueseCase[J]．EnergyPolicy,2011，39：94—104．【3】《我国解决风电弃风的组合途径及优化模型研究》董安有【4】《含热电联产和风电机组的电网节能调度》龙虹毓马建伟吴锴杨玉龙张竞博苏岭仇斌【5】《基于热电联合调度的弃风电储热供热技术方案》葛延峰礼晓飞戈阳阳苏明孙明一孙力勇【6】《基于储热的热电厂消纳风电方案研究》陈天佑【7】《推本溯源方能根除弃风顽疾》夏云峰赵靓【8】《吉林省风能资源利用现状及弃风解决方案探讨》王彧杲【9】《基于电锅炉的热电厂消纳风电方案及其国民经济评价》吕泉姜浩陈天佑王海霞吕阳李卫东