风电供暖替代传统燃煤供暖的经济性分析

中国电子工程设计院有限公司 ■ 蒋焱

0 引言

目前，我国风力发电的装机容量和发电量均居全球首位，风电现已成为我国第三大电源，是清洁能源利用的支柱之一。但受电网送出能力已近饱和及风电天生的不稳定性等因素的影响，风电场弃风限电的情况屡有发生。2016年全国风电利用小时数为1712 h，平均弃风率高达17%；2017年弃风限电情况得到好转，全年弃风电量为295.5亿kWh，平均弃风率比上年同比下降6.7%；2018年全国风电弃风电量为277亿kWh，平均弃风率为7%，同比下降5%。为了缓解弃风现状，国家有关部门采取了多项措施，除了加快特高压送出线路建设、促进电网优化调度以保障风电优先上网以外，还启动了北方地区风电供热试点项目，以促进风电消纳，鼓励在风电上网和消纳存在困难的地区的风电企业探索新的送出和消纳方式，发展风电供热等示范项目。

本文以某城区集中供暖清洁化改造为例，采用风电供暖替代传统燃煤供暖的方案，用电锅炉替代燃煤锅炉，这样可以增加该地区的用电负荷，从而提高风电本地消纳的能力，减轻电网外送压力；尤其是利用储能将夜间电力负荷低谷时段的风电电力用于城镇供热，为风电储能探讨出一条新的道路，并提供一些数据。本文提出两种风电供暖改造配置方案，并进行对比分析，然后选用其中一种方案对其经济性进行简要的分析和估算。

1 风电供暖项目的概况和方案

1.1 项目改造前燃煤供暖现状

某城区(下文称为“X城区”)主要是由A、B两个热源厂以燃煤集中供暖，以水为介质，通过供暖管线对热量进行传输和传递。

A热源厂现有65 t热水锅炉3台，B热源厂现有80 t热水锅炉2台。锅炉供水温度均为110/65℃。目前X城区铺设主管网33.5 km，建成换热站31座，其中，A热源厂所带换热站为12座，B热源厂所带换热站为19座。

1.2 供暖要求

本燃煤锅炉替代方案的供暖面积按239万m2建筑面积进行设计，建筑供暖热负荷按照50 W/m2[1]计算，则建筑总供暖热负荷约为119500 kW。该地区采暖期为每年的10月20日～次年的4月20日，合计181天。

1.3 清洁供暖改造方案简述

本项目拟对X城区热源厂进行清洁供暖改造，以电锅炉替代燃煤锅炉进行供热。在原来热源厂场址内进行锅炉替换，热源厂所带换热站和供暖管网不变。同时，采用周边地区的风电项目为热源厂提供清洁电能。以下列举了2种改造方案，并进行了分析对比。

1.3.1 方案1

采用“电锅炉+蓄热装置”模式。利用低谷用电优惠政策，将低谷时段电能转变成热能，在兼顾采暖的同时，将多余热能蓄存，以备在电网峰值时段改用蓄存热量进行采暖，实现采暖季对电网用电负荷的移峰填谷。

1.3.2 方案2

采用“直热式电锅炉+蓄热水箱”模式。利用直热式电锅炉对蓄热水箱中的水加热，热水进入原有供暖管道和换热站进行供热。电锅炉24 h运行，运行时可根据温度、热量需求和电网用电负荷适当调节功率输出。

1.3.3 方案选择

由于目前蓄热装置的成本较高，根据市场询价结果，“电锅炉+蓄热装置”模式中电锅炉和蓄热设备的投资要比“直热式电锅炉+蓄热水箱”模式中电锅炉和蓄热水箱的投资高出1倍。经过投资对比和运行期经济性分析，方案1的投资和折旧后的运营费用均高于方案2。故本项目在满足项目功能和目标要求的前提下，选用方案2。下文的改造方式和计算均以方案2为基础。

2 风电供暖系统方案的主要设备

该方案中，热源厂的设备主要包括直热式电锅炉、蓄热水箱、换热系统、变配电系统。1个热源厂的供暖建筑面积为120万m2，则X城区的总供暖建筑面积为240万m2。

1)电锅炉及电锅炉房。本项目共配备10台15 MW直热式电锅炉，A、B热源厂各有5台，其中每个热源厂各留1台备用，即共有8台直热式电锅炉在运行。2个电锅炉房的占地面积各为4620 m2，远小于燃煤锅炉房占地面积，因此A、B热源厂的原有土地可满足要求。

2)蓄热水箱。本项目共配置400 t蓄热水箱10台，A、B热源厂各5台。

3)换热系统。利用换热站原有设备，将电锅炉系统与蓄热系统接入换热站一次性管网入口。

4)变配电系统。目前燃煤供暖热源站的变配电系统容量较小，无法满足电锅炉用电需求，需要新建2座110 kV变电站，A、B热源厂各1座，为电锅炉热源站供电。每座变电站的变电容量为80 MVA，采用2台主变，其中1台容量为50 MVA，另1台容量为30 MVA。

3 投资费用及运行经济性测算

3.1 项目改造投资估算

该项目改造费用主要包含两部分：一部分为热源厂电锅炉的设备费、安装费、调试费、厂房建设费及其他费用[2]；另一部分为新建变电站的设备费、安装费、调试费、建筑费及其他费用。

A热源厂电锅炉系统的一次性投资费用为3860万元，其变电站的一次性投资费用为1240.48万元。B热源厂因和A热源厂配置一样，所以投资费用与A热源厂相同。

3.2 运行期成本测算

采用电锅炉供暖后，对于供暖企业来说，运行期成本主要包含生产用电、供暖用水、人工费、设备折旧费、修理费和管理费。

1)生产用电作为电供暖主要的能量来源，是电供暖企业最主要的生产成本，这部分成本替代了原来燃煤供暖的购煤、运煤和储煤成本[3]。2)采用电供暖后的供暖用水与燃煤供暖所用水量几乎未改变。3)由于电供暖运行维护方便，所需运维人员少，所产生的人工费和管理费相比燃煤供暖大幅减少；同理，修理费也大幅减少。4)电供暖的设备折旧费主要是电锅炉的运行折旧成本。改造前后运行期成本对比如表1所示。

表1 改造前后运行成本构成对比

按照8台15 MW直热式电锅炉运行181天，每天运行24 h，平均满负荷运行17.3 h计算，则改造后，风电供暖电锅炉的用电量为15000×8×17.3×181≈ 3.76 亿 kWh。

表2 电锅炉供暖期费用估算表

3.3 运行经济性分析

根据当地供暖收费政策和用户统计，本项目中，1个供暖期内供热企业供暖费收入约为6879万元，平均单位建筑面积热价约为28.78元/m2；生产用电外的生产成本约为617万元。假设改造后，供暖企业不提高供暖费，则1个供暖期内，供暖企业生产用电=电锅炉用电+辅助设施用电=37927.5万kWh，平衡电价=(6879万-617万)/37927.5万= 0.16元/kWh。即供热企业的用电电价在0.16元/kWh以下，其才能保证收支平衡。

4 效益分析

4.1 环境效益分析

本项目采用风电供暖，实质性地替代了煤炭，较大幅度地减少了污染物排放，减少了大气污染，具有明显的节能减排效应。本项目污染物减排效果具体如表3所示。

表3 本项目污染物减排效果

4.2 综合效益分析

该地区现有弃风电量达到16亿kWh，经改造后，1个供暖期内生产用电量达3.8亿kWh，约减少该地区24%的弃风电量；同时也说明，该地区的弃风电量完全可以支撑本项目的运行，实现供暖清洁化。

通过清洁供暖改造，参与供暖的风电场每个供暖期可以利用弃风多发3.8亿kWh的电量，该部分电量通过签定用电电价和原有的风电补贴政策，相比弃风时段的零收入，风电场可获得额外的发电收益。

通过清洁供暖特殊电价政策，供暖企业收益不下降，且有了稳定、清洁的能量来源；居民供暖费用不增加，且不影响供暖效果；在风电资源丰富、风电场众多的地区，采用电锅炉集中供热方式，具有得天独厚的地域优势。因此，该项目改造方案具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。

5 结论与建议

本文对风电供暖替代传统燃煤供暖的案例进行了经济性分析，得出以下结论，并提出了一些建议：

1)若采用“直热式电锅炉+蓄热水箱”模式，供热企业用电电价在0.16元/kWh以下，供热企业才能实现收支平衡。

2)采用风电供暖后，1个供暖期内生产用电达3.8亿kWh，约减少了该地区24%的弃风电量。

3)采用风电供暖既可增加当地用电负荷，提高风电本地消纳能力，减轻电网外送压力，从而提高该地区风电占能源消耗的比例，实质性地替代了煤炭，改善能源供给结构，减少污染气体排放；又可增加风电场的发电收入，提高其运营经济性，具有良好经济效益、环境效益和社会效益。

4)利用风电替代煤炭供热，除了技术上可行外，在经济上也必须具备可替代性，关键是合理的电价定价方式，供热企业可承受的电价应不高于燃煤供热的电价。因此，目前对于风电供热电价需要给予政策保证。

5)风电供热项目实施的前提是必须保证风电场风电机组的利用小时数。也就是说，风电场在限电基础上年多发电量必须大于或等于供热站年消耗的电量，即最大限度利用弃风电量。因此，需要出台风电供热项目全额上网的保障机制。