PDF《基于电锅炉的热电厂消纳风电方案及其国民经济评价》

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0 0 / A E P S

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0 6

1 2

4 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1 ,姜浩2 ,陈天佑1 ,王海霞1 ,吕阳3 ,李卫东1 ( 1. 大连理工大学电气工程学院,辽宁省大连市

1 1

6 0

2 4;

2. 国网吉林省电力有限公司电力科学研究院,吉林省长春市

1 3

0 0

2 1;

3. 华能大连电厂,辽宁省大连市

1 1

6 1

0 0 ) 摘要:针对当前中国 三北 电网在冬季供暖期面临大量弃风的问题, 提出了热电厂通过配置电锅 炉来解耦其 以热定电 约束, 进而降低强迫出力消纳弃风电力的方案.文中介绍了方案的基本运 行原理, 讨论了方案实施的机制条件, 建立了评价方案节煤效益和国民经济性的数学模型, 分析了 其影响因素.理论和算例分析均表明, 在当前国内 三北 地区各弃风严重的电网中, 实施该方案具 有明显的节煤效果和国民经济可行性. 关键词:风电消纳;

热电联产;

电锅炉;

热电解耦;

弃风 收稿日期:

2 0

1 2 -

0 6 -

1 3;

修回日期:

2 0

1 3 -

0 8 -

2 2. 国家自然科学基金资助项目(

5 1

1 0

7 0

0 7 ) .

0 引言 随着风电并网规模的逐年增大, 三北 ( 东北、 华北、 西北) 地区风电弃风现象越来越严重[

1 -

2 ] , 如何 消纳风电, 已经成为全社会关注的问题.目前提出 的主要解决措施包括: 加强电网建设, 增 大外送能 力[ 3] ;

改善电源结构, 提高调峰能力[

4 ] ;

改进调度方 式, 充分利用现有潜力[

5 - 8] ;

提高需求侧管理水平, 进 行风电供热[

9 -

1 0] 等. 当前产生弃风的主要原因在于热电厂在冬季供 暖期因供暖而导致系统调峰能力急剧下降[

1 1 -

1 3 ] .显然, 若能降低热电厂因 以热定电 所导致的较高的 强迫出力, 即可显著提高风电的上网空间, 大幅减少 风电弃风. 为此, 文献[

1 4 -

1 5] 提出在弃风时段, 由电网远 程控制的用户侧空调热泵承担热电机组的部分热负 荷, 从而降低机组供热水平进而降低其强迫出力以 接纳风电.然而, 当将空调热泵配置在终端用户侧 时, 电网需要协调调度风电、 终端空调和热电联产机 组运行, 并对终端用户空调进行远程调控和通信, 这 就需要智能电网的支撑, 在国内当前电网技术条件 下, 尚不适合大范围推广. 因此, 本文提出了在国内热电厂中通过配置大 型电锅炉来解耦热电厂 以热定电 约束参与风电调 峰的运行方案, 其优势在于: 电锅炉配置在热电厂当 中, 只需采用传统的 调度中心―电厂 运行调控方 式, 无需进行电网调度控制手段的升级和投资( 但需 必要的经济激励措施) , 适合于在当前大规模推广运 行;

而且, 当电网调频紧张时, 电锅炉还可以通过调 整耗电功率进行调频, 而同时可利用热网热惯性维 持供热的平稳性.进而, 本文对该方案在中国 三北 地区实施所可能产生的节煤效益和国民经济性 进行了分析.

1 热电厂的 以热定电 约束 国内的热电机组主要有背压式和抽汽式两大 类[

1 6 -

1 7] .对于背压式机组, 其供热功率和发电功率 近似呈线性耦合关系, 见附录 A 图A1( a ) .可以看 出, 对于某个供热负荷, 其对应的电功率唯一确定. 对于抽汽式机组, 供热功率和发电功率关系通 常用运行区间来表示, 见附录 A 图A1( b ) .可以看 出, 对于某个供热负荷, 其电功率可在一定范围内调 节.然而, 在电网弃风时刻, 电网要求热电机组在保 证供热的前提下尽可能降低发电功率以接纳风电, 因此可以认为, 此时抽汽式机组运行在最小凝气工 况( 见附录 A 图A1( b ) 中最小凝气工况线, 该工况 接近背压工况) , 这样其电功率也是由给定的供热负 荷唯一确定.还可以看出, 在最小凝气工况下, 供热 功率和发电功率也近似呈线性耦合关系[

1 8 -

1 9 ] . 假设弃风时刻热电机组燃料利用效率为βCH P, 其中发电热效率为βC H P - E、 供热热效率为βCH P - H .这样, 在弃风时刻热电机组的热电比( 即附录 A 图A1中背压工况线或最小凝气工况线的斜率倒数) 如下: γCH P= βCH P - H βCH P - E (

1 ) ―

6 ― 第38卷第1期2014年1月10日Vol.38No.1Jan.10,

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1 4

2 热电厂消纳风电弃风方案 2.

1 基本原理 若要使得热电机组在风电弃风时能够继续降低 其 以热定电 所导致的强迫出力以接纳弃风电力, 就必须补偿因此所导致的供热不足部分.本文方案 选择在热电厂中加装电锅炉来进行补偿供热, 其接 纳弃风电力原理如图

1 所示.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;

而对热电机组由于电热耦 合相应减发热量所导致的供热不足部分, 则利用安 装在热电厂中的电锅炉消耗另一部分过剩风电进行 补偿供热, 从而在保证供热的情况下实现对过剩风 电的消纳. 图1 热电消纳弃风原理示意图 F i g .

1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fa c c o m o d a t i n gw i n dp o w e r c u r t a i l m e n tb yc o m b i n e dh e a t a n dp o w e rp l a n t 从宏观上来讲, 该方案的本质就是在风电弃风 时段, 使用弃风电力替代热电机组进行供电和供热, 因而可降低整个系统煤耗, 具有明显的节煤效益. 从电厂外部来看, 由于电锅炉配置在热电厂内 部, 当热电厂启动电锅炉消纳弃风电力时, 可等效看 做是热电厂通过人为增大其热电机组的热电比来降 低 以热定电 的强迫出力, 从而为弃风电力上网腾 出空间. 利用电锅炉进行补偿供热的优点在于: 电锅炉 设备结构简单、 价格低廉、 能源转换效率很高( 普通 电锅炉可 达95% 以上, 而大型电极式电锅炉可达99%) [

2 0] ;

而且, 电锅炉运行灵活, 可通过调整电流 大小或者加热棒分组投切的方式调整其消耗的电功 率.电锅炉与其他热源配合供热, 在国外已有先例, 在技术上已经很成熟, 如丹麦北部的斯卡恩热电站, 就配置有一台1 1MW 的电锅炉与热电机组和其他 燃气锅炉配合供热[

2 1] . 由于风电场之间出力的聚合效应, 系统内风电 整体出力变化相对比较平稳, 小时级时间尺度内发 生急剧变化的概率很小.因此, 在实际运行过程当 中, 调度中心可通过优化分配各热电厂内电锅炉的 启动时间和持续时间长度, 一方面实现对波动性弃 风电力的消纳, 另一方面保证各电厂电锅炉平稳运 行.此外, 若系统中调频需求紧张, 调度中心还可要 求热电厂通过调整电锅炉耗电功率进行调频. 2.

2 方案实施的激励机制分析 在中国现有电网运营环境下, 通过上述方案, 风 电场可以通过热电调峰将过剩风电上网来获得经济 效益, 然而热电厂不仅要投资建设电锅炉增加供热 成本, 而且会因降低自身上网电量而损失部分发电 利润, 故热电企业实际上没有动机采用该方案. 因此, 该方案若用于实施, 必须首先建立合理的 弃风电力消纳机制, 在风电场与热电厂之间合理分 享弃风上网的收益, 激励热电厂主动、 积极地参与弃 风消纳.例如: 在当前蒙东电网所开展的风火替代 交易机制[

2 2 ] 下, 热电厂就可通过加装电锅炉的方式 提高其调峰能力来消纳合作风电场的弃风电力, 从 而获取满意的经济利润. 2.

3 方案的节煤效益分析 2. 3.

1 接纳弃风电力的计算模型 根据方案的本质, 在所接纳的风电功率 PW 中, 一部分被直接替代热电机组减少的发电出力ΔPCH P;

另一部分则被电锅炉所消耗( PE B) , 用来补 偿因机组降低出力所导致的供热缺额γC H PΔ PCH P. 三者存在如下关系式: Δ PCH P= βE B βE B+ γC H P PW PE B= γCH P βE B+ γCH P PW ì ? í ? ? ? ? ? (

2 ) 式中: βE B为电锅炉的产热效率. 2. 3.

2 接纳弃风电量与节煤量之间的关系 根据方案的本质, 热电机组接纳弃风时相应减 少的煤耗即为其消纳风电的效益. 在给定热电机组βC H P和γC H P下, 机组生产单位 电能( 相应生产γCH P单位热能) 所需的煤耗为: μCH P=

36 0

0 ( γCH P+1 )

2 93

0 8 βC H P (

3 ) 式中:

2 93

0 8为标准煤的低位热值, 单位为k J / k g . 根据式(

2 ) 、 式(

3 ) , 当机组消纳弃风电量为 W W 时, 所节约的煤耗量可近似为: SE B= μCH P Δ WCH P=0 .

1 2

28 βE B( 1+ γC H P) βCH P( βE B+ γCH P) W W (

4 ) 式中: Δ WCH P为热电机组因接纳风电所少发的电量, 其与 W W 之间的关系可由式( 2) 中第1个式子对时 间积分得到. 由于 当前大型电锅炉的能源转换效率βE B 很高, 基本上接近于1, 因此式(

4 ) 可以近似简化为: SE B≈0 .

1 2

28 βE B W W βCH P (

5 ) ―

7 ― ・绿色电力自动化・ 吕泉, 等 基于电锅炉的热电厂消纳风电方案及其国民经济评价 式(

5 ) 表示热电机组接纳风电所节约的耗煤量, 与其所接纳的风电电量成正比, 与机组自身的燃料 利用效率βC H P成反比, 而受机组的热电比的影响很 小.这是因为, 本文方案的本质是在风电弃风时段, 采用风电替代热电机组进行供电和供热, 因此, 所节 约的煤耗主要取决于热电机组在同时供电和供热过 程中的燃料利用效率βC H P. 2. 3.

3 汽轮机发电效率降低对接纳弃风的影响 对于背压式机组, 尽管机组在低负荷工况运行 时会导致汽轮机发电效率βCH P - E明显下降, 但由于其 汽轮机排汽全部被用于供热, 因发电效率降低所没 有被转换为电能的热量会被热负荷全部吸收, 因此, 供热效率βC H P - H 就会有同等程度上升( 背压机组的 燃料利用效率βCH P在变工况运行过程中基本保持不 变[

2 3 ] ) .这意味着, 背压式机组在降低出力的过程 中, 热电比具有自然增大的特性, 这就相当于在机组 热电比不变的情况下, 增加了机组配置的电锅炉容 量, 因此会增加接纳弃风电力的能力. 对于抽汽式机组, 由于其在接纳弃风电力时总 是运行在最小凝气工况, 基本上接近于背压状态, 也 可以认为具备上述特性.本文为简化模型, 忽略了 该方面的影响, 尽管这会使得在给定电锅炉安装规 模下所计算的接纳弃风电量稍小, 但不会影响相关 结论. 2. 3.

4 电锅炉年利用小时数与节煤量之间的关系 设某热电厂配置的电锅炉容量为 CE B, 则根据 式(

2 ) , 其年利用小时数hE B 与所接纳年弃风电量WW之间的关系( 假设电锅炉只在为弃风电力进行 调峰时使用) 为: W W = 1+ βE B γCH P ? è ? ? ? ÷CE B hE B (

6 ) 将式(

6 ) 代入式( 4) , 可得到电锅炉年利用小时 数与年节煤量之间的关系为: SE B=0 .

1 2

28 βE B( 1+ γCH P) CE B hE B βCH P γCH P (

7 ) 由式(

6 ) 、 式(

7 ) 可看出, 对于单位容量电锅炉而 言, 所接纳风电的电量及其对应节约的煤耗与年利 用小时数成正比, 与机组的热电比成反比.

3 方案的国民经济性分析 本文采用传统经济净现值和经济内部收益率作 为评价指标来进行方案的国民经济性分析[

2 4 ] . 3.

1 方案的成本现值分析 本文方案的成本主要包括电锅炉设备的初期建 设和后期维护成本两大部分.其中, 建设成本由设 备采购费、 安装费和建筑工程费等辅助费用组成, 可 参考已有工程进行计算;

维护成本是指更换易损零 件等基本维护成本, 一般按建设成本的一定比率进 行计算. 设热电机组配套建设的电锅炉容量为 CE B, 单 位建设成本为uE B, 使用年限为 NE B, 并且每年维护 成本的现值相同, 均为总成本的某个比率εE B.考虑 到电锅炉采用弃风电力进行加热, 其短期运行成本 可视为 0, 则在电锅炉使用寿命内的总成本现值FE B, Σ为: FE B, Σ=CE B uE B( 1+NE B εE B) (

8 ) 3.

2 方案的收益现值分析 根据方案原理, 可使用在电锅炉寿命周期内热 电机组所节约的煤耗及其折合的资金作为该方案的 收益. 根据式(

7 ) , 则热电厂在电锅炉寿命周期内可节 约的总煤耗SE B, Σ为: SE B, Σ =0 .

1 2

28 CE B βE B( 1+γCH P) βC H P γC H P ∑ NE B t=1 hE B, t (

9 ) 式中: hE B, t为电锅炉在第t年的运行小时数. 随着煤炭资源的逐渐稀缺, 可以预见未来煤价 将逐年上涨.假设煤价以每年某个比率i c o a l在逐年 上涨, 设当前煤价为v0, 则第t 年煤价为v t = v0( 1+ i c o a l) t . 这样, 热电厂在电锅炉寿命周期内可节约的煤 耗资金现值RE B, Σ可表示为: RE B, Σ =0 .

1 2

28 CE B βE B( 1+γCH P) v0 βC H P γC H P ・ ∑ NE B t=1 hE B, t 1+ i c o a l 1+ i s ? è ? ? ? ÷ t é ? ê ê ù ? ú ú (

1 0 ) 式中: i s 为社会折现率. 3.

3 方案的国民经济性评价指标 根据定义, 经济净现值VE B可由下式计算: VE B=RE B, Σ-FE B, Σ (

1 1 ) 经济内部收益率EE B则可通过求解下式得到: FE B, Σ =0 .

1 2

28 CE B βE B( 1+γCH P) v0 βC H P γC H P ・ ∑ NE B t=1 hE B, t 1+ i c o a l 1+EE B ? è ? ? ? ÷ t é ? ê ê ù ? ú ú (

1 2 ) 显然, 当VE B ≥0或EE B ≥ i s 时, 热电参与弃风 消纳方案就具有国民经济可行性, 且其值越大, 该方 案的社会效益越好;

反之, 则不应该实施该方案. 3.

4 方案国民经济性的评判 3. 4.

1 利用电锅炉年平均利用小时数评判经济性 在实际决策过程中, 单位容量电锅炉的投资和 维护成本、 电锅炉效率、 热电机组燃料利用效率及其 热电比、 煤价及其增长率等通常可认为是已知量. ―

8 ―

2 0

1 4,

3 8 (

1 ) 因此, 方案是否具有国民经济可行性主要取决于电 锅炉的利用小时数. 由式(

9 ) 、 式(

1 0) 可以看出, 在其他条件一定的 情况下, 电锅炉在寿命周期内的利用小时数越多, 热 电调峰所能节约的煤耗也就越多, 方案的经济性就 越好.假设方案实施后, 电锅炉每年的利用小时数 都近似等于平均利用小时数ha v E B, 则根据式(

1 1) 可 计算得到在给定环境下, 经济净现值为0时的电锅 炉最小年平均利用小时数: ha v , m i n E B = uE B( 1+NE B εE B) γC H P βC H P

0 .

1 2

28 βE B( 1+γC H P) v0 ∑ NE B t=1 1+ i c o a l 1+ i s ? è ? ? ? ÷ t (

1 3 ) 显然, 当实际电锅炉的年平均利用小时数ha v E B>

ha v , m i n E B 时, 热电厂采用该方案即具有国民经济性. 3. 4.

2 电锅炉年平均利用小时数的估算 根据方案原理, 只在系统存在弃风时才开启使 用电锅炉, 因此, 其利用小时数主要取决于系统中风 电的弃风情况和电锅炉的安装容量. 以图2为例进行说明.图中曲线 Pc W, s y s表示供 暖期弃风功率持续曲线( 由某区域电网实际数据模 拟得 到的标幺化弃风功率持续曲线放大形成) ;

PE B W, s y s表示系统中当电锅炉全部开启时所能接纳的 最大弃风电力;

t c 为实际弃风功率不小于 Pc W, s y s时 的持续时间;

Tc , E B W, s y s表示系统在当前容量下, 依据风 电弃风持续曲线所确定的持续时间. 图2 供暖期弃风持续曲线 F i g .

2 D u r a t i o nc u r v eo fw i n dp o w e rc u r t a i l m e n t i n h e a t i n gp e r i o d 根据式(

2 ) , PE B W, s y s可由下式估算得到: PE B W, s y s= 1+ βE B γa v C H P ? è ? ? ? ÷CE B, s y s (

1 4 ) 式中: CE B, s y s为系统中各热电厂安装的电 锅炉容量 之和;

γa v C H P为系统中所有热电机组的平均热电比. 可以看出, 弃风功率持续曲线在 PE B W, s y s以下部 分的面积即为热电调峰时所接纳的系统供暖期弃风 电量 WE B W, s y s. 根据式(

6 ) 可计算出给定弃风功率持续曲线和 系统电锅炉总安装容量时, 系统中电锅炉的平均利 用小时数, 即ha v E B, s y s= γa v C H P γa v CH P+ βE B WE B W, s y s CE B, Σ = WE B W, s y s PE B W, s y s (

1 5 ) 3. 4.

3 新增电锅炉年平均利用小时数的估算 由图2可以看出, 随着系统中热电厂安装电锅 炉容量的增大, 新........