精编案例 | 双碳目标下,电力行业如何走上数字化转型之路

Yu |  2022-05-09

  电力行业是国家基础性行业,对促进国民经济的发展和社会进步起到重要作用。与此同时,电力行业又是我国煤炭消耗的第一大户。据国家统计局数据,2021年煤炭消费量29.34亿吨。其中,电力行业耗煤量约占全国煤炭消费总量的56.4%。

  电力低碳化发展成大势所趋

  2020年9月,我国提出二氧化碳排放力争2030年前达到峰值,力争2060年前实现碳中和的“双碳”目标。2021年3月,中央财经委员会第九次会议提出,要构建清洁低碳安全高效的能源体系,控制化石能源总量,着力提高利用效能,实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统。

  在“双碳”目标和节能要求的大背景下,电⼒⾏业正在改变以煤炭为主的⾼碳能源电⼒结构,转向以风电、光热、光伏、储能为主的清洁能源结构。与此同时,利用大数据、云计算等数字技术,实现数字化、智能化转型,也成为了电力行业实现提质增效、节能减排降耗的重要手段。

  以数字化为抓手

  作为全球率先提出碳中和承诺的大型科技企业之一,西门子以先进的数字化解决方案为杠杆,降低碳排放,助力电力行业加快数字化转型的步伐。

  在光热发电方面,利用光伏发电所利用的能量,必须来源于太阳能,而在夜晚以及阴雨天、云层较厚等天气条件下,是无法进行发电的,这就需要利用定日镜,将阳光聚集并反射至吸热器,再转化成电力。

  以鲁能海西州多能互补50MW塔式光热电站为例,该项目的定日镜数量为4400台,每套定日镜采光面积为138㎡,而如何实现精准反射太阳光到吸热塔内,再转化成电力,成为亟需解决的问题。

  对此,西门子提供了S7-1200可编程控制器+X204和RX1500交换机,具有精准追日控制功能的解决方案,改善了光伏不稳定、不可调的缺陷,提高了电能稳定性及电网对新能源的接纳能力。值得一提的是,S7-1200系列是一款设计紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集,提供了控制各种设备以满足自动化需要的灵活性和强大功能。

  据悉,鲁能海西州多能互补50MW塔式光热电站建成后,年发电量约12.625亿千瓦时,能够有效减少煤炭消耗,降低大气污染,每年可节约标准煤约40.15万吨,减少烟尘排放量约5,431.96吨。

  在风力发电方面,平准化度电成本(LCOE)是对项目生命周期内的成本和发电量先进行平准化,再计算得到的发电成本,即生命周期内的成本现值/生命周期内发电量现值。

  为了降低LCOE,风机制造厂商必须持续创新,开发更大、更轻和更智能的风机,从而降低风机的制造和运维成本,并提高单机发电量。

  据了解,风机的核心零部件包括塔架、齿轮箱、发电机、轴承、叶片等,受到的载荷较为复杂,且多为动态载荷,常常出现各类故障,这成为了风机全生命周期成本居高不下的主要因素。

  过去,传统风机开发过程中的流程脱节制约着可靠性设计的质量。一方面,负责载荷分析和结构设计的部门在设计流程上存在脱节;另一方面,在控制程序设计和结构设计之间也存在流程脱节。因此,精确预测风机的动态响应成为了研发的关键。

  不仅如此,大型风机结构复杂,零部件众多,传统的有限元仿真在建模和计算效率上均无法满足快速开发的要求。

  此外,风电企业还必须考虑由多台风机组成的风场的整体控制问题。在这一方面,通过传感技术感知实时的风力和风向,然后再借助优化算法调整整个风场所有风机的控制策略,实现风场整体发电效率最优和安全运营,这也是降低LCOE 的重要方式。

  基于此,三一重能的产品开发团队建立了一整套成熟高效的数字化仿真流程,这一流程中包括使用软件进行外部风力载荷计算以及后期的零部件结构强度分析。另外,三一重能还选择西门子LMS Samtech Samcef? Wind Turbines工具进行整机的参数化仿真建模,并通过LMS Samcef求解器进行整机的动态响应预测,最终将风机和风场效率提升了50%,并将LCOE降低了超过10%。

  写在最后:

  2021年9月,西门子在中国正式启动“零碳先锋计划”,宣布了在低碳发展领域的目标和行动计划。通过“零碳先锋计划”的落地实施,西门子以数字化创新和跨领域行业洞见,赋能打造端到端的零碳产业链,助力各行各业实现“双碳”目标。

  当前,能源革命正在与数字革命走向深度融合,数字化正成为能源行业尤其是电力行业实现高质量发展和践行碳达峰、碳中和目标的关键路径。未来,西门子还将为电力行业带来哪些变革与启发,值得期待。

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