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工业园|综合能源系统演化门路

更新时间  2022-09-23 01:07 阅读
本文摘要:三种典型工业园区的综合能源需求本文在梳理典型工业园区综合能源需求的基础上,分析了未来工业园区综合能源系统将出现若干种形态特征,包罗冷热电联供漫衍式能源站、园区光储微网、小水电+疏散式风电、园区能源互联主动配电网和多能互补综合能源系统。然后,对工业园区综合能源系统多能互补、物理信息深度融合以及“源网荷储”协调互动的特征内在举行了剖析。最后,联合我国能源和信息基础设施及能源市场等方面的现有条件,从近期、中期和远期三个生长阶段探讨了工业园区综合能源系统演化门路。

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三种典型工业园区的综合能源需求本文在梳理典型工业园区综合能源需求的基础上,分析了未来工业园区综合能源系统将出现若干种形态特征,包罗冷热电联供漫衍式能源站、园区光储微网、小水电+疏散式风电、园区能源互联主动配电网和多能互补综合能源系统。然后,对工业园区综合能源系统多能互补、物理信息深度融合以及“源网荷储”协调互动的特征内在举行了剖析。最后,联合我国能源和信息基础设施及能源市场等方面的现有条件,从近期、中期和远期三个生长阶段探讨了工业园区综合能源系统演化门路。

1、工业园区用能需求分析现在海内推行的工业园区大多强调同类工业的集群效应。海内典型工业园区重点生长工业包罗装备制造业、石化精炼、制浆造纸、电力工业、有色工业、烟酒工业、钢铁冶金工业、建材工业、煤炭工业、医药、食品加工、旅游商品特色工业、污水处置惩罚以及电子信息、新质料、生物技术、节能环保、新能源等新兴工业。

因此,凭据工业园区工业计划结构,园区中工业大致可归类为3种类型:离散制造业、历程工业和新兴研发工业。针对3种类型工业综合能源需求分析如下。1.1离散制造业用能需求分析离散制造业主要包罗通信设施、航空航天、电子设备、机床、汽车、各种型家电、玩具制造业以及服装等工业类型,其产物大多是由零部件组装起来的、具备使用功效的某种物品,消耗的能源以生产加工设备耗用的动力为主,主要消耗电能;可是该类型工业园区厂房的采温暖空调往往占总能耗比例较大。上述园区产房用能的特点基本与修建物终端用能相近,其中,用电耗能占总能耗约14%,采暖空和谐热水供应用能约占80%。

在我国北方地域,终端用能需求的热电比约为5.7。在南方地域,如果同时接纳余热锅炉的蒸汽溴化锂吸收式制冷与电制冷以及低温余热供热水,其用能需求的热电比将远大于3。1.2历程工业用能需求分析历程工业包罗电力、冶金、化工、建材、造纸、食品、医药等工业类型,其原料和产物一般都是具有特定功效和性质的质料或者物料。

实际上,我国工业结构中,历程工业的耗能总量远大于离散制造业耗能总量,而历程工业终端用能的组成中,用电占总耗能比例较小,其热电比一般大于3。历程工业的用热需求当中,蒸汽一般占比力大,其次为物流加热。

针对差别的工业历程,用热需求的温度规模差异性较大。例如,建材工业用热规模为800~1000℃,而食品工业用热一般在100℃左右;炼油工业用热需求规模较广,可从100℃到500℃。

工业用冷需求的温度规模也很广,从乙烯工业、空气液化分散历程约-180℃的深冷需求,到0~20℃左右的一般浅冷需求都有。与修建物终端能源需求相比,工业用能需求更大。工业用能需求占我国总能耗40%以上,其热电比与修建物终端能源需求相比更大。以炼油工业为例,包罗蒸汽需求和热需求在内的热电比一般也大于3。

1.3新兴研发类型工业用能需求分析对于园区中电子信息、新质料、生物技术、节能环保、新能源等新兴研发类型工业,使用生产用蒸汽的几率不大,纵然有生产用蒸汽负荷,蒸汽用户点也会很疏散,每个热用户的蒸汽用量预计不会太大。思量到生产和输送蒸汽的经济性,疏散的蒸汽用户可接纳燃气、电等小型热源解决。因此,工业园区大部门用热、用冷需求都是可以通过多能互补集成综合能源技术来生产和提供。园区多能互补综合能源供能方式不仅可提高漫衍式能源转换效率,而且可通过更高条理上的集成优化最终提升能源终端使用效率,从而实现最大的经济效益。

2、工业园区综合能源系统典型形态综合能源系统的焦点在于能源系统的协同优化。由上述分析可知,各种型工业园区出现电/冷/热等多元化的用能需求。同时,由于工业园区所在特定的地理位置和庞大的地形地貌,可导致相应气候和生态条件庞大多样,因而差别区域的工业园区具有差别的自然资源优势。在差别的应用场景中,差别类型的能源形式饰演差别类型的角色,而主导能源形式也随之变化。

综上所述,思量综合能源系统因地制宜、统筹开发、互补使用的实施原则,未来工业园区综合能源系统将出现若干种典型形态,划分分析如下。2.1冷热电联供漫衍式能源站针对新能源资源匮乏的工业园区,冷热电联供(combined cooling,heating and power,CCHP)漫衍式能源站是重要的综合能源使用形态之一。冷热电联供机组通过协调优化输出电能与崎岖品位热能,以提升天然气能源使用效率。

从本质上来讲,冷热电联供机组和冰蓄冷空调均为局部的综合能源系统,也可认为是综合能源系统的雏形。CCHP漫衍式能源站通常以小容量、小规模和疏散的方式安装在客户端,可以自主运行或毗连到配电网络,优先满足用户自己能量需求,通过冷电、热电或冷热电联供的方式实现能量梯级使用,涵盖能量生产、控制和存储的局部能源系统。综合供能系统种类繁多,而相应的分类方法也多种多样。

驱动综合供能系统的动力设备选型对系统设计和性能具有举足轻重的作用,因此凭据动力设备类型对综合供能系统举行分类是现在最常用的方法。作为由多种能源技术集成获得的综合供能系统,其系统的集成形式也是多种多样的。

联合工业园区的实际情况与需求,根据动力设备类型和冷热电、热电、冷电3种联供形式举行分类,漫衍式综合供能的集成方案包罗以下类型:燃气轮机/内燃机作为动力装置的冷热电联产系统、燃气轮机为主蒸汽轮机为辅的冷热电联产系统、燃气轮机/内燃机作为动力装置的热电联产系统、燃气轮机/内燃机作为动力装置的冷电联产系统以及燃气轮机为主蒸汽轮机为辅的冷电联产系统。在应用历程中,需要凭据实际的情况和需求举行综合思量,选取最适宜的综合供能系统,取得较好的经济和社会效益。对于冷热电联供系统,当燃料价钱、电价、冷价或热价浮动时,一般来说,以燃气轮机作为动力装置的冷热电联产和燃气轮机为主蒸汽轮机为辅的冷热电联产方案经济效益较好。

针对价钱对单一方案的影响,一般来说:1)对于冷热电联供系统,电价变化对系统经济性的影响要大于冷价及热价变化对系统经济性的影响;2)系统运行时若泛起弃冷现象,有可能会致使系统亏损。同时,弃冷或弃热越多,冷价或热价变化对经济性的影响越小;天然气消耗量越大,天然气价钱变化对系统经济性的影响越大。冷热电联供漫衍式能源站运营方式可包罗经济最优运行模式、系统高效运行模式、以冷定电运行模式和以电定冷运行模式,在工业园区应用中可凭据实际情况举行选择设置。

2.2园区光储微网工业园区占地面积大,具有生长屋顶漫衍式光伏的优势。针对部门电负荷需求比例较大的工业园区,如电子信息、新质料、生物技术、节能环保、新能源等新兴研发工业园区,可充实使用屋顶资源,建设园区漫衍式光伏屋顶,并集身分布式储能系统,形成园区光储微电网系统。

工业园区典型光储微电网系统的形态示意图如图1所示,微电网系统包罗园区内漫衍式光伏及漫衍式储能单元,微电网通过公共耦合点PCC(pointofcommoncoupling,PCC)接入上级配电网。其中,园区内漫衍式光伏充实建设使用园区屋顶光伏全笼罩、停车场光伏笼罩、公交站光伏笼罩以及电动汽车充电站光伏笼罩,从而最大地提高工业园区可再生能源渗透率,实现屋顶、停车场、公交站、电动汽车充电站等太阳能光伏充实使用,促进工业园区绿色低碳生长。

在园区光储微电网运营模式中,电网公司与工业园区具有富足园地/屋顶资源的工业用户签订能源治理条约,由电网公司作为漫衍式光伏和漫衍式储能的投资商和运营商,租用工业用户的园地资源建设和运营漫衍式光伏和漫衍式储能系统。由于漫衍式储能系统由电网公司投资,电网公司对漫衍式储能充放电拥有控制权,思量到电池储能除追求自身收益最大化以外,还需要配合完成工业园区关于峰值负荷削减目的。此外,由于配备储能系统,当计划性孤岛需求或外部电网故障扰动时,园区光储微电网系统可由并网运行模式切换至离网运行模式,系统差别运行模式间可确保平滑切换。

园区光储微电网系统孤岛机制可有效提高园区供电可靠性。图1:工业园区典型光储微电网系统的形态示意图2.3小水电+疏散式风电我国水能资源极为富厚,如贵州省位于云贵高原东坡,气候温和多雨,水系蓬勃,支流众多,河漂泊差集中,是中国水力资源较为富厚的地域之一。因此,联合当地实际开发建设小型水电,既可解决当地用电难题,又可服务生长地方经济;此外,现在国家实施可连续生长战略,鼎力大举推动清洁能源开发使用,政策层面为小水电的生长提供了较大的生长空间和机缘。

小水电通常是指容量在50MW以下的水力发电站,从容量角度来看,小水电位于所有类型水电站的末了。此外,一般而言,小水电并网电压品级均偏低,绝大多数小水电并入10~110kV配电网。

小水电具有数量多、漫衍广、容量小的特点。在实际中,与中大型水电站一般具有蓄水调治水库差别,大多数小水电为径流式电站,本质上无调治能力。

小水电着力具有显着季节性的特点,在丰水期,小水电机组集中发电,当地配电网难以消纳过多水电时,可能导致调理机构出于电网宁静稳定运行强制要求小水电弃水限电;而相反枯水期间,小水电机组发电量不足,无法为上级电网供应足够的电力。小水电着力不能与当地用电需求匹配,因此其运行受到了较大限制。与此同时,现在各地电网企业对小水电的发电治理仍较为粗放,存在小水电治理体系不完善、缺乏调理和监测技术等问题;绝大多数小型水电站的并网运行不受电力调理机构治理和控制,出现“多来多发、少来少发、有水则发、无水则停”的自由和无序状态。而疏散式风电是指风力发电机组以多点方式接入中低压配电网络,并网运行受电力调理机构统一调理的风力发电使用模式。

现在,与集中式风电开发模式通过输电网消纳大规模风电差别,在疏散式风电生长初期,风电机组需就近计划和接入在运行的10kV、35kV和110kV3个电压品级的配电网网络,其并网最高电压品级为110kV。由于传统110kV电网传输距离约为100km,因此疏散式风电迁就近被当地电网消纳。时间上着力的颠簸特性使得疏散式风电和小水电两种电源具备较大的互补特性。

以中国南方为例,在水力资源方面,受亚热带季民风候影响,一般而言,春夏季为河流丰水期,秋冬季为河流枯水期。在风力资源方面,冬季主要受西伯利亚高压的影响,风向较为稳定,风力资源富厚。风能资源总体时间漫衍特征为夏季风小,冬春季风较大。

其次,就着力颠簸性而言,小水电日颠簸小,但季节性颠簸较大;而风电的日颠簸性很大,季节性颠簸却较小。综上所述,在建设园地有限的工业园区可联合当地富厚的水电资源优势以及小水电和风电的天然互补特征,生长小水电+疏散式风电多能互补综合能源系统的建设形式,从而最大限度的使用当地清洁能源,减轻间歇性可再生能源发电并网给配电网络带来的打击。

风水多能互补综合能源系统形态示意图如图2所示。此外,以小水电为基础,还可形成水光多能互补、风水光多能互补等典型综合能源系统。图2:工业园区风水互补综合能源系统形态示意图2.4园区能源互联主动配电网工业园区能源互联主动配电网(active distribution network,ADN)是在主网配网协同控制的基础上,具备漫衍式发电、储能、需求侧响应、柔性负荷和电动汽车等富厚的电源负荷调控手段,能够针对能源互联主动配电网的实际运行状态,以经济性和宁静性等为控制目的,自适应调治其网络结构、发电单元及负荷的智能配电网络。

典型工业园区能源互联主动配电网示意图如图3所示。在工业园区能源互联主动配电网中,大量的漫衍式发电单元从差别节点并网后将导致配电网由传统辐射状的网络变为数量众多的中小电源和用户的互联网络,从传统意义上“配电系统”转酿成为一个“电力交流系统”。从本质上来看,主动配电网主要包罗3方面特征:交直流混淆架构、运行态势准确感知以及源网荷协调控制。

图3:工业园区能源互联主动配电网示意图随着光伏、电动汽车等直流源荷在工业园区中快速增加,传统交流配电网络的兼容性和适应性亟待提高。园区能源互联主动配电网可凭据需求接纳交直流混淆架构,其中直流子配电网为直流源荷的接入提供了极为便利的途径。各种型打击负载,可再生能源发电和直流负荷可通过DC/DC变压器直接毗连至直流配电网络,由于无需传统交流配电网络中的DC/AC环节,有效简化了控制系统,降低了损耗,节约了工程造价。

此外,通过交直流双向变流器,可实现对混淆网络潮水的柔性控制以及全局系统能量的优化调理和治理。通过凭据园区能源互联主动配电网中种种丈量设备的丈量和状态预计数据准确判断当前配电网的运行状态,以及基于负荷历史数据和数值天气预报高精度预测负荷/可再生能源信息,可实现对园区能源互联主动配电网态势的全面准确感知。源网荷协调控制是园区能源互联主动配电网的中心所在,通过对配电网络源网荷工具的主动调控和治理,实现配电网络的低成本高效宁静运行以及可再生能源的最大水平消纳。

主动配电网的控制要素笼罩源网荷3方面,详细可包罗联络开关变化为代表的电力网络控制,可再生能源发电调理为代表的电源功率控制,以及以电动汽车充放电控制计谋为代表的灵活互动。2.5多能互补综合能源系统对于大多数工业园区来说,负荷存在用电、用热、用冷等多种用能需求,且用能数量大,节能空间广。因此具有使用多能互补、源网荷储协同技术为工业园区提供能源整体服务的需求,以满足园区多样化的能源需求,提高供能质量,为用户节约用能成本。

工业园区典型多能互补综合能源系统的形态示意图如图4所示。它将电、气、热、冷、氢等多类型能源环节与信息、交通等其他社会支持系统举行有机集成,通过对多类型能源的集成优化和合理调理,实现多类型能源的梯级使用,提高能源使用效率,提升供能可靠性。

同时,多能源系统的有机协调,对延缓输配电系统的建设,消除输配电系统的瓶颈,提高各设备的使用效率具有重要的作用。在紧迫情况下,当电力或天然气系统受到天气或意外灾害的滋扰而中断时,多能互补综合能源系统可以使用就地能源为重要用户提供不中断的能源供应,并为故障后能源供应系统的快速恢复提供动力支持。图4:工业园区多能互补综合能源系统形态示意图综合能源配用电系统结构相对庞大,既包罗冷热电联供漫衍式能源站、漫衍式光伏等电源设备,也包罗电池储能、蓄冷/热储能,还需要依靠电网和冷/热管网举行能量输送,在实际应用历程中,需要凭据详细的情况和需求举行综合思量。

园区综合能源系统涵盖种种形式和特点的多能源环节,既包罗可控性较强的能源环节,也包罗控制难度较大的强间歇性能源环节;既包罗容易存储和转换的环节,也包罗难以大规模存储的环节;既包罗底层设备的动态,也包罗能源系统单元级此外动态,还包罗多能耦互助用下的系统级别动态。本质上而言,园区多能互补综合能源系统从时间、空间和行为3个角度出现多能流、多时标、高维数、大量非线性、多主体等极为庞大形态特征。3、工业园区综合能源系统特征内在由上节分析可见,工业园区综合能源系统出现多元化的典型形态。从本质上看,园区综合能源系统具备多能互补、物理信息深度融合、源网荷储协调互动的特征内在如图5所示。

图5:工业园区综合能源系统形态特征内在3.1多能互补多能耦合、协同互补是工业园区综合能源系统的焦点特征之一。时间上着力的颠簸特性使得风电、光伏发电、小水电等能源供应泉源天然存在较大的互补特性,同时,电、气、热、冷等多类型能源在用能需求、价钱、特性上亦存在差异和互补特性。

以电力网络为主体框架,通过电、气、热、冷、氢的灵活集成,充实挖掘横向源-源多能耦合、协同互补特性,从而有效抑制清洁能源发电的强随机性和强颠簸性,大幅提高综合能源系统的供能可靠性以及能源综合使用效率。3.2物理信息深度融合笼罩能源生产、传输、消费、存储、转换的整个能源链,工业园区综合能源系统中信息共享,能量流与信息流的有机整合、互联互动、精密耦合,形成信息物理系统(cyberphysicalsystem,CPS)。

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信息物理系统是园区综合能源系统的重要生长偏向。互联网、物联网、大数据、云盘算等的深度应用,有效提升园区综合能源系统的灵活性、适应性及智能化。通过对等开放的信息-物理系统架构,园区综合能源系统将具备高可靠宁静的通信能力、全面的态势感知能力、大数据处置惩罚盘算能力以及漫衍式协同控制能力。3.3源网荷储协调互动工业园区综合能源系统能量流与信息流深度融合使传统能源到场主体由单纯的生产、传输、消费和存储者,转变为集成能源生产、传输、消费和存储者的多种角色于一体的自我平衡主体。

传统用户成为产消者,能源生产和能源消费的界限将不再清晰,对应的角色和功效可以实现相互兼容和替代。园区综合能源系统运营商、电力公司、各种工业、商业和住民用户、电动汽车、漫衍式可再生能源、储能、热电冷联产系统等各种到场主体在供需关系和价钱机制的引导下,灵活调整能源供应、能源消费和能源存储,从而实现综合能源柔性互动以及供需储的纵向一体化。4、工业园区综合能源系统演化门路工业园区综合能源系统是能源工业生长的全新形态,相关关键技术、业态及模式等正处于起步和和探索生长阶段。园区综合能源系统的生长和实现并非一蹴而就的,其技术体系的形成以及种种技术的应用和实践,不仅取决于技术自己的成熟度,还与技术的依赖性和技术应用的经济性以及社会效益,以及国家战略、庞大的外部情况密切相关。

思量到这些因素,对工业园区相关技术生长及应用推广的路径举行前瞻性研究,有助于政策制定者合理地使用政策资源,为工业园区综合能源系统的生长提供良好的政策情况;有利于相关企业和研究机构提前结构科研和技术开发项目;也有助于引导资本市场为相关领域提供富足的资金支持。未来工业园区综合能源系统将以互联网深度应用为基础,以电力系统为焦点,将供气系统、供热系统与电力系统等集成,横向角度实现电力、燃气、供热等一体化多能互补,纵向角度实现源网荷储全环节高度协调与灵活互动、集中化与漫衍式相互联合的能源网络。岂论是单一的电力互联,还是能源领域演变发生的创新商业模式,亦或是互联网思维与技术对能源工业的革新升级,都是多能互补综合能源系统中的差别生长阶段中的应有要素。

本质上而言,工业园区综合能源系统的生长是能源与信息不停融合以及相互促进的历程,是一个渐进的生长历程。综合我国能源和信息基础设施及能源市场等方面的现有条件,工业园区综合能源系统演化门路图如图6所示。随着时间推移,工业园区综合能源系统或许可以分为近期、中期和远期3个生长阶段。

本质上而言,这3个生长阶段是一个同步生长、相互渗透和逐级递进的历程。3个阶段的生长目的和功效划分论述如下。

图6:工业园区综合能源系统演化门路图4.1近期生长目的与功效近期,第一阶段是工业园区能源自身的互联阶段,以电力系统为中心,多类型能源网络物理上实现互联互通,实现横向角度的多能互补。鼎力大举推动工业园区综合能源系统试点和示范工程,因地制宜、努力建设一批差别规模和类型的试点和示范工程,推动综合能源信息基础设施的建设,包罗园区综合能源系统智能化能源生产消费基础设施、信息通信基础设施以及多能协同综合能源网络建设。

与此同时基本完成机制制度的准备。4.2中期生长目的与功效中期,第二阶段是工业园区综合能源系统能源基础设施和信息基础设施相互促进的阶段,信息引导能量,同时能量实现价值提升。一方面,互联网深度应用促进工业园区综合能源系统发生新的商业模式,形成第三方综合能源服务和能源金融等一批新型业态;在另一方面,漫衍式能量治理体系形成,信息的高效流动使疏散式决议取代了集中式决议的全局系统优化,实现工业园区综合能源系统资源设置的最优。

与此同时,工业园区综合能源系统尺度体系逐步建设,形成一批关键技术规范和尺度。4.3远期生长目的与功效远期,第三阶段是工业园区综合能源系统的能源基础设施和信息基础设施的深度融合,能源生产及消费各环节到达深度自动化、智能化和定制化,能源系统多到场主体之间,并实现灵活协和谐互动,工业园区综合能源系统多形态、规模化生长,形成新型综合能源系统工业格式,园区综合能源系统工业体系基本完善,成为经济生长和增长的重要动力。并形成比力完善的工业园区综合能源系统市场机制,建成统一开放的现代能源市场体系;形成开放、共享的工业园区综合能源系统生态新情况,整体能源使用效率显着提高,可再生能源比重占主导职位,民众到场水平大幅度提高,为能源生产和消费革命提供有力支撑。

5、结语综合能源系统作为将多类型能源生产、存储、传输、消费以及能源市场生意业务深度融合而衍生的全新能源工业形态,是未来能源互联网的主要物理载体。各种工业园区具备综合能源系统建设的自然资源、空间资源、电网基础和用户资源,成为综合能源服务、业务创新和效益增长的主战场。本文研究了工业园区综合能源系统形态特征与演化门路这一科学问题,首先分析了工业园区中离散制造业、历程工业和新型研发工业的多元化的综合能源需求以及差别的自然资源优势。思量综合能源系统因地制宜、统筹开发、互补使用的实施原则,未来工业园区综合能源系统将出现多元化典型形态,包罗冷热电联供漫衍式能源站、园区光储微网、小水电+疏散式风电、园区能源互联主动配电网和多能互补综合能源系统。

从本质上看,园区综合能源系统具备多能互补、物理信息深度融合以及源网荷储协调互动的特征内在。随着时间推移,工业园区综合能源系统可分为近期、中期和远期3个生长阶段,从能源自己的互联阶段,到能源基础设施和信息基础设施相互促进,再到能源和信息深度融合。这3个生长阶段是一个同步生长、相互渗透和逐级递进的历程。

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