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【碳观点】电力企业数字化转型方向

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6月25日中国电力建设企业协会原行业部主任陈渤先生以《电力企业数字化转型方向》为主题,围绕“数字化电源建设、深海风电发展现状与前景分析等相关内容在线与直播观众进行了分享与交流,以下为文字实录。
4月22日晚,国家主席习近平在北京以视频方式出席领导人气候峰会,并发表题为《共同构建人与自然生命共同体》的重要讲话,会上明确指出“中国将严控煤电项目,“十四五”时期严控煤炭消费增长、“十五五”时期逐步减少。”这意味着国家2030年达到碳达峰的时间可能会提前,电力行业转型的步伐进一步加快。
一、市场发电量要素之间的关系
(一)火电及风电的发电量
2020年中国火电发电量5.17万亿千瓦时、装机容量达12.45亿千瓦,风电发电量0.58万亿千瓦时,装机容量2.82亿千瓦,平均发电利用小时比是2:1,火电与风电的装机量差距为4.4倍、发电量差距为8.9倍。
(二)2021年1月—5月第二产业用电及火电发电量情况
2021年1-5月份,火电发电量2.34万亿千瓦时,同比增长14.9%;粗钢产量4.73亿吨,平均0.95亿吨/月,同比增长13.9%,火电发电量与粗钢产量同时上升;从下图看出,火电是支撑GDP第二产业用电量主要电源。与2021年粗钢产量控制增长率1.4%,平均0.9亿吨/月相比,2021年1-5月份的粗钢产量略超过平均控制量。
(三)风电装机迎来发展机遇
风电及光伏做为一种可再生能源,由于技术相对成熟,是今后10年内做为加速“碳达峰”,推动“碳中和”的有效手段。根据国家能源局可再生能源规划到2030年,建成风电和光伏12亿千瓦,还需建设6.65亿千瓦,平均投产6650万千瓦/年;假设6650万千瓦/年中3325万千瓦是风电,需每年装3MW风机10000台;到2030年,建成的12亿千瓦风电和光伏,其发电量最与5亿千瓦火电机组的发电量持平,因此,火电在一段时间内仍然是电力市场的主力电源。
目前,风电和光伏大规模应用尚存在问题:风电及光伏是间歇电源,不适合直接做为第二产业用电;大规模风电和光伏的安全运行,还有赖于数字化程度的不断提升。
二、水电站“数字化”建设
(一)水电站运行特点
发电成本低——水电站的设备相对简单,其检修、维护费用也较同容量的火电厂低得多。如计燃料消耗在内,火电厂的年运行费用约为同容量水电站的10倍至15倍。
高效灵活——水力发电不仅效率较高而且启动、操作灵活。它可以在几分钟内从静止状态迅速启动投入运行;可利用水电承担电力系统的调峰、调频、负荷备用和事故备用等任务。
(二)水电站的动态数字化运行管理
因水电站的设备相对较少和集中,易实现动态数字化运行管理,具备首先实现“数字化”电源管理的先天条件。
(三)水电站无人值班管理
水电站无人值班的四个系统:
主控系统:具有遥测、遥控、遥信、遥调的功能;
电视监视系统:及时反应被监控对象的实际信息,部分监视具有智能识别功能,为决策提供依据。
消防监控系统:通过布置在电站主要消防部位的传感器,对重要设备及场所进行24小时的火情监控和处置。
自动控制系统:电站运行时,对相关设备进行控制和调节,保持发电参数的系统。

 

 

(四)水电实施“数字化建设”是市场的要求
在大力推动可再生能源建设的形势下,2020年全国水力发电平均小时3827小时,远高于风电(2000小时)及光伏(1100小时),在2030年“碳达峰”及“碳中和”的过程中,水电将进一步得到重视。但随着电力改革进程不断深入,水电企业终将进入市场进行竞争,这才是对水力发电企业的真正考验,也是建设“数字化”水电的动力。
三、风电“数字化”建设
(一)大规模的风电/光伏电源需解决储能问题
目前,风电及光伏蓄能主要载体是锂电池,但大容量锂电池存储电能在世界范围内都存在技术方面缺陷。
2011-2021年间,全球储能项目主要火灾或爆炸事故32起。其中,日本1起、美国2起、比利时1起、中国3起、韩国24起。    

经北京25MWh储能电站“4·16”火灾事故分析:电池储能安全是一个系统性问题,涉及储能电池、电池管理系统、电缆线束、系统电气拓扑结构、预警监控消防系统、运行环境、安全管理等多个方面。究竟是电池本身的安全质量不过关,不能满足电池安全标准滥用条件下的门槛性要求;还是外部激源施加给电池的滥用条件超出了电池行业技术水平,现还不能得出最后结论。
(二)加大数字化建设力度
大规模风电的发展,一是使电力系统呈现弱惯性、弱电气阻尼及弱电压支撑的特性,对电网安全稳定运行不利;二是近年来,风机时有发生倒塔及火灾运行事故。
因此,风电发展的同时,迫切要求风电加大“数字化”建设的力度。
对外:提升风电“智能”自适应电网的能力。风电应完成从补充电源向主力电源的角色转变,满足电网低电压及高电压穿越、惯性及一次调频的要求,使风电场主动适应弱电网扰动/故障,提供频率/电压支撑。
对内:应加强风机“数字化”管理。一是对刹车块的厚度及温度进行连续测量,及时掌握风机刹车块的磨损情况,对刹车系统进行连续监控及预警。二是对变桨及偏航系统进行全程“智能化”管理,不但要求变桨系统能实现自适应电网扰动/故障的要求,还要求风机变桨系统具备自我预测潜在故障能力,提前预警。三是强化风机火灾的“智能”自我处理能力。
四、深海风电
海上风电场多指离岸距离达到50km或水深达到50m的风电场。与陆上风电场相比,深远海范围更广,风能资源更丰富,风速更稳定,不会与海上渔场、航线等发生冲突。其漂浮式风机基础(平台),能让风机摆脱不同海床条件的束缚,使基础的设计标准化,最大限度地减少海上作业。
漂浮式风机基础使风机具有良好的机动性,在需要维修或是躲避台风时,可以解除固定的锚索返回港口。
    目前,深海风电漂浮式基础和安装、固定倾向如下形式:
 

1.单柱式平台(图A):利用浮力罐底部的配重(压仓物)来实现平台的稳定,在系泊系统控制下,具有良好的动力稳定性。
2.张力腿平台(图B):利用处于拉伸状态的张力腿将平台与海底连接,从而抑制平台垂直方向上的运动而实现水平方向上的相对运动。
 

3.半潜式平台(图C):主要由立柱、桁架、压水板和固定缆绳构成,是一种吃水较浅的改进型张力腿平台。
4.驳船型平台(图D):利用大平面的重力扶正力矩使整个平台保证稳定,

深海风电优势:具有较长的发电利用小时,是陆地风电的2~3倍,约4000-5000小时,并且电力输出较稳定。
深海风电特点:因浪涌的原因,一般情况下,风机整体存在一定程度的低频振动;台风时,振动幅度和频率将增大;是陆地和浅海风电不具备的运行特点,同时使深海风机的制造难度相对增加。

 

 

 

 

 

 

 

本文理自嘉宾演讲经审核

编制整理:零碳讲堂                  

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2021年9月24日 09:11
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