PDF《两种风电供热模式的节煤效果比较》

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a e p s - i n f o . c o m 两种风电供热模式的节煤效果比较 吕泉1 ,刘永成2 ,刘乐3 ,于海丹4 ,王海霞1 ,刘娆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. 国网甘肃省电力公司经济技术研究院,甘肃省兰州市

7 3

0 0

5 0;

3. 吉林电力交易中心有限公司,吉林省长春市

1 3

0 0

2 1;

4. 国网大连供电公司,辽宁省大连市

1 1

6 0

0 1 ) 摘要:针对当前风电供热项目使用纯凝电力过多、 电锅炉利用率低的问题, 提出了风电供热项目与 热电厂互补供热的运行模式.在构建风电供热系统基本数学模型的基础上, 建立了风电供热系统 在独立供热模式和与热电厂互补供热模式下的运行策略模型和节煤效果计算模型.算例中, 以实 际数据为依据, 对整个供暖期两种模式下的风电供热项目进行了模拟运行.结果表明, 相对于独立 供热模式, 互补供热模式不仅在节煤效果上具有优势, 而且该模式下风电供热项目无需配置储热, 从而可节约投资成本. 关键词:弃风消纳;

风电供热;

电锅炉;

热电解耦;

互补供热 收稿日期:

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0 6 -

2 0;

修回日期:

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2 9. 上网日期:

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0 5. 国家自然科学基金资助项目(

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7 0

2 1 ) .

0 引言 近年来, 中国风电迅猛发展, 截至2

0 1 6年底累 计并网装机容量已达1.

4 9*1

0 8 kW, 全年风电发电 量2.

4 1*1

0 1

1 kW・h.但与此同时, 弃风问题也日 趋严峻.2

0 1

6 年全国弃风4.

9 7*1

0 1

0 kW・h, 甘肃、 新疆、 吉林的弃风率甚至高达4 3%,

3 8%,

3 0%, 大量的清洁能源被浪费[

1 ] . 在国外, 利用电转热系统消纳风电等可再生能 源过剩电力正引起越来越多的关注[

2 - 3] .在中国, 为 消纳弃风, 也在积极发展风电供热[

4 ] .当前, 风电供 热基本采用蓄热式电锅炉为供热设备[

5 ] , 将多余的 弃风电力转化为热能, 替代分散的小型燃煤锅炉为 用户供热, 风电供热项目的运行策略有夜间固定时 间段运行和与弃风协调运行两种.采用前者时, 电 锅炉只在固定的夜间负荷低谷时段及部分平时段运 行[

6 - 8] ;

采用后者时, 电锅炉则与弃风功率协调运行, 使之尽可能运行在弃风时段[ 9] .由于风电的日间波 动性, 弃风并不总是发生在夜间低谷时段, 因而采用 协调运行策略, 可以增加风电供热项目消耗的弃风 电量, 减少消耗的非弃风电量( 在以煤电为主的系统 中, 此部分电量可认为由纯凝机组提供, 故可认为是 凝气发电量) . 但由于风电出力的日间波动和风电供热项目蓄 热容量的限制, 即使在与弃风协调运行策略下风电 供热项目依然存在以下两方面问题: ①当系统在较 长一段时间无弃风时, 由于蓄热容量有限, 项目不可 避免地要消耗纯凝电量供热, 而纯凝电量的供热煤 耗要远高于燃煤锅炉的供热煤耗, 故而会严重制约 项目的节能效果, 已有研究表明, 若消耗的纯凝电量 在供热电量中占比超过5 0%, 则风电供热项目并不 节能[

1 0] ;

②当弃风持续时间较长时, 蓄热设备蓄满 后即使系统依然存在弃风, 其电锅炉容量超过热负 荷的部分却无法得到利用, 浪费了消纳能力. 为解决上述问题, 本文建议风电供热项目采用 与热电厂联合供热的多热源互补运行模式[

1 1 -

1 2 ] .该 模式下, 当系统在较长一段时间无弃风而蓄热量不 足时, 由热电厂替代电锅炉进行供热, 避免了风电供 热项目使用凝气发电量进行供热;

而当系统长时间 弃风时, 则在风电供热项目蓄满之后, 电锅炉尽可能 满负荷运行消纳弃风, 高出自身热负荷的供热部分 则用于替代热电厂供给一部分热量, 从而充分利用 了现有设备消纳弃风的能力. 受近年来严重弃风问题的激励, 当前已有诸多 文献对电锅炉供热在消纳风电背景下应用的节煤效 果、 经济性、 调度运行、 容量配置、 价格机制等问题进 行了研究.然而, 这些研究或针对独立式风电供热 场景[ 9,

1 3 -

1 4] , 或针对热电厂热网内配置电锅炉场景[

1 5 -

1 9] , 仅有文献[

1 1] 针对电储热系统容量配置问 题对两种模式进行了简单对比, 但并未对二者差异 机理和节煤效果等问题进行深入剖析. 为此, 本文在构建风电供热系统基本数学模型 的基础上, 建立了风电供热系统在独立供热模式下

9 4 第4 3卷第4期2019年2月2 5日Vol.43N o . 4F e b .

2 5,

2 0

1 9 D O I :

1 0.

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0 0 / A E P S

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0 0

6 和与热电厂互补供热模式下的运行策略模型和节煤 效果计算模型, 并进一步在实际风电弃风场景下量 化分析了二者之间节煤效果的差异.

1 风电供热系统数学建模 1.

1 风电供热系统通用模型 风电供热系统一般包括两个主要设备: 电锅炉 设备和蓄热设备.其中, 在实际运行时, 电锅炉的作 用主要有两个: ①弃风时段利用弃风制热满足热负 荷, 或非弃风时段蓄热放空时利用非弃风电量满足 热负荷;

②弃风时段当弃风电力大于热负荷时, 尽可 能多地将弃风电力转换成热能存储起来.为此, 本 文在建模时参考文献[

1 0 ] , 根据目的不同, 将电锅炉 的总容量在数学上划分为基本制热容量 C WH, e b

0 、 蓄 热制 热容量CWH, e b 1, t 两部分, 分别对应上述不同的作用. 由于实际运行时热负荷是随时段变化的时变 值, 故而本文采用动态划分方法, 即将基本制热容量 始终等于各时段热负荷, 而将电锅炉剩余容量划分 为蓄热制热容量.即假设某时段热负荷为 P WH h , t , 则 该时段基本制热容量为 C WH, e b 0, t =PWH h , t/ η e b ( η e b 为电 锅炉制热效率) , 蓄热制热容量为 CWH, e b 1, t =CWH, e b - CWH, e b 0, t ( CWH, e b 为电锅炉容量, 为一定值) . 风电供热系统中蓄热设备的作用是存储蓄热制 热模块在弃风时段产生的热量, 并在非弃风时段放 热以满足独立热用户的需求.蓄热介质通常为高温 水或固体氧化镁砖[

2 0] .设其容量为S WH m a x , 最大蓄热 功率为C WH, e b 1, t η e b ( 即等于电锅炉蓄热制热容量的制 热能力) , 最大放热功率为最大热负荷.由于蓄热损 失很小, 本文暂不考虑. 1.

2 独立供热模式下运行策略与供热煤耗 如引言所述, 风电供热可分为独立供热模式[

2 0] 和与热电厂互补供热模式[

2 1 ] 两种.前者采用蓄热 式电锅炉单独向热用户供热;

后者则将电锅炉系统 建设在热电厂内, 利用热电厂热网进行供热, 扩大热 电厂供热能力.为对比两种模式的节煤效果, 本节 和下节分别对这两种模式下的运行策略和供热煤耗 进行建模. 1. 2.

1 独立供热模式下的运行策略及模型 在独立供热模式下, 风电供热项目以单一热源 的形式向热负荷供热.在该模式下, 主要有两种运 行控制策略: 固定时段运行和与弃风协调运行.由 于后者可充分利用弃风电量, 故本文采用该策略, 如 附录 A 图A1所示, 具体如下[

1 0] . 对于供暖期某时段t, 首先判断该时段的弃风 是否可以满足风电供热项目的热负荷需求. 若可以满足, 则基本制热模块启动并满负荷运 行以利用弃风进行供热完全满足热负荷需求, 同时 判断蓄热模块是否蓄满, 若没有蓄满, 则蓄热制热模 块启动消纳弃风制热储热, 若已经蓄满, 则蓄热制热 模块不启动.在该情形( P c w t ≥PWH h , t/ η e b ) 下, 各模块 的运行数学模型如下: PWH, e b 0, t =CWH, e b 0, t = P WH h , t η e b P WH, e b 1, t =m i n ( P c w r t , C WH, e b 1, t , S WH m a x-S WH t-1 η e b Δ T ) S WH t =S WH t-1+P WH, e b 1, t η e b Δ T ì ? í ? ? ? ? ? ? (

1 ) 式中: P c w r t =P c w t -P WH h , t / η e b , 表示弃风时段启动基本 制热满足热负荷后剩余的弃风电力, 其中 P c w t 为t 时段的弃风功率;

P WH, e b 0, t 和P WH, e b 1, t 分别为基本制热 模块和蓄热模块的运行功率;

SWH t 为t........