谷菁,張海珍*,阮慧鋒,羅城鑫,劉心喜,王明曉
(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司,杭州 310030;2.浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點實驗室,杭州 310030)
近年來,化石能源帶來的環(huán)境污染、溫室效應(yīng)及能源緊缺問題日益凸顯。在此背景下,綠色低碳的綜合能源系統(tǒng)成為未來我國能源行業(yè)的主要發(fā)展方向之一。綜合能源服務(wù)是多能互補的集成優(yōu)化,是互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費及能源市場深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新業(yè)態(tài)[1-3]。綜合能源服務(wù)能夠有效提升能效、促進(jìn)清潔能源利用,是我國能源革命的重要發(fā)展方向。
隨著能源生產(chǎn)方式和能源消費理念發(fā)生深刻變化,針對綜合能源服務(wù)的新需求將不斷涌現(xiàn),驅(qū)動市場潛力持續(xù)釋放。綜合能源服務(wù)正進(jìn)入快速成長期,預(yù)計到2025 年,中國綜合能源服務(wù)市場規(guī)??蛇_(dá)萬億元[4-5]。而工業(yè)園區(qū)是適合開展綜合能源服務(wù)的重點對象。當(dāng)前,發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)和設(shè)備商等都在策劃綜合能源服務(wù)轉(zhuǎn)型[6-9],分析開展綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)面臨的內(nèi)外部條件,提出綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型的策略及建議。
園區(qū)綜合能源系統(tǒng)是基于電、冷、熱、氣等能源網(wǎng)絡(luò)的多能耦合系統(tǒng),須靈活滿足園區(qū)級用戶側(cè)需求,強調(diào)園區(qū)與用戶的各種互動行為。供能企業(yè)采用何種路徑實現(xiàn)科學(xué)高效轉(zhuǎn)型,以在激烈的市場競爭中脫穎而出,還缺乏成功案例。
以上海某工業(yè)區(qū)內(nèi)供能企業(yè)為例,根據(jù)供能企業(yè)既有供能系統(tǒng)運行狀況、技術(shù)優(yōu)勢及園區(qū)客戶用能規(guī)律和需求,開展供能側(cè)綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型方案研究,以降低企業(yè)運營成本、減少用戶用能成本、提高園區(qū)綜合能效,適應(yīng)能源發(fā)展新形勢。
典型綜合能源服務(wù)系統(tǒng)如圖1所示。供能企業(yè)向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型,必須基于當(dāng)?shù)卣撸Y(jié)合企業(yè)自身特點及服務(wù)區(qū)域用戶特點,培養(yǎng)核心競爭力。本研究主要從當(dāng)?shù)卣呒百Y源、供能企業(yè)自身優(yōu)化、用戶個性化需求調(diào)研、綜合能源增值服務(wù)模式創(chuàng)新和綜合能源服務(wù)管理平臺設(shè)計等方面進(jìn)行分析探討。
圖1 典型綜合能源服務(wù)系統(tǒng)Fig.1 Typical integrated energy service system
(1)政策。綜合能源服務(wù)的發(fā)展需要政策、市場、技術(shù)、合作模式、時機等因素的融合,而在綜合能源服務(wù)的起步階段,政策支持無疑是最重要的助力。政策受到能源需求改變、能源技術(shù)進(jìn)步等因素影響,也體現(xiàn)出政府面對復(fù)雜經(jīng)濟矛盾、環(huán)境矛盾的決策。能源轉(zhuǎn)型如能有助于緩解國家或地區(qū)的重點矛盾,將在經(jīng)濟性和節(jié)能環(huán)保方面獲得相對平衡。此外,綜合能源服務(wù)產(chǎn)業(yè)具有貼近用戶的特點,必須和當(dāng)?shù)卣攸c關(guān)注領(lǐng)域的政策相適應(yīng)。
(2)資源特點。綜合能源包含電、冷、熱、氣等多種能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、儲存、消費等環(huán)節(jié),涉及多種類能量轉(zhuǎn)換裝置耦合。選擇能源設(shè)備時必須基于當(dāng)?shù)刈匀毁Y源條件和社會需求,服務(wù)市場和用戶,實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境目標(biāo)雙向最優(yōu)。
大部分供能企業(yè)長期深耕于能源領(lǐng)域,自身具有一定基礎(chǔ),在向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型時,必須充分發(fā)揮自身已有優(yōu)勢。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)是產(chǎn)銷一體化的供能系統(tǒng),可實現(xiàn)自給自足。供能企業(yè)應(yīng)基于園區(qū)能源資源、運行環(huán)境、用戶需求等特點,通過資料分析、現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)模擬等手段充分評估自身運行現(xiàn)狀,調(diào)研已有設(shè)備潛力,優(yōu)化系統(tǒng)運行狀態(tài),達(dá)到最佳輸出。
園區(qū)供能企業(yè)大多數(shù)是利用天然氣三聯(lián)供、電制熱、電制氣等多能生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換技術(shù),建設(shè)園區(qū)綜合能源站,實現(xiàn)多種能源的一站式集成供應(yīng)。供能企業(yè)自身優(yōu)化可以從機組的技術(shù)改造及系統(tǒng)的運行優(yōu)化兩方面開展。
(1)由于用戶負(fù)荷變化較大,機組長期未在額定工況下運行,部分設(shè)備的性能下降,重要性能參數(shù)會受影響。能源領(lǐng)域多種設(shè)備、系統(tǒng)前沿技術(shù)創(chuàng)新突破和成熟應(yīng)用[10-12],為能源設(shè)備的改造和更新提供更優(yōu)質(zhì)的選擇?;诖耍┠芷髽I(yè)可從設(shè)備檢修維護(hù)及技術(shù)改造等方面對發(fā)電機組進(jìn)行優(yōu)化,以提高機組利用率,降低廠用電率。
(2)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)包含多個用戶,在進(jìn)行能量管理和優(yōu)化調(diào)度時需要利用不同能源介質(zhì)的特點和時間特性進(jìn)行互補配置,以滿足不同的用戶需求。供能企業(yè)需要在機組輸出預(yù)測、用戶多種能源負(fù)荷預(yù)測、市場清算價格分析、生態(tài)環(huán)保指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上制定能源生產(chǎn)計劃,并在實際運行過程中實時調(diào)整生產(chǎn)計劃。優(yōu)化調(diào)度涉及不同的調(diào)度主體、周期和目的。要達(dá)到最優(yōu)調(diào)度策略,可采用粒子群算法、遺傳算法和模擬退火算法等智能方法進(jìn)行求解。
除了充分發(fā)揮已有設(shè)備潛力外,供能企業(yè)應(yīng)響應(yīng)國家和政府政策應(yīng)用新能源設(shè)備,如熱泵、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、儲能、生物質(zhì)發(fā)電等,代替用戶側(cè)燃煤供電、供暖等傳統(tǒng)能源消費方式,實現(xiàn)清潔高效綠色供能。
相對于傳統(tǒng)單一能源供應(yīng)商,綜合能源服務(wù)企業(yè)向用戶提供的能源品種與服務(wù)模式更加多元化、個性化。供能企業(yè)應(yīng)從用戶個體特征和群體特性角度出發(fā),通過企業(yè)銷售數(shù)據(jù)分析、多方式與用戶交流、客戶滿意度調(diào)研等方式收集和記錄用戶用能需求數(shù)量、頻率特征,通過建立消費模型模擬分析,形成考慮用戶消費行為時空演變規(guī)律和隨機性的綜合能源消費預(yù)測,分析用戶與企業(yè)能源產(chǎn)品匹配程度,設(shè)計用戶分類與個性化服務(wù)策略。
針對能源用戶需求呈現(xiàn)綜合化、定制化的新特征[13-14],供能企業(yè)的商業(yè)模式不再停留于傳統(tǒng)的能源供銷服務(wù)模式,而需提供更多類型的能源資產(chǎn)服務(wù)模式、能源設(shè)備服務(wù)模式和能源信息服務(wù)模式等增值服務(wù)模式[15-17]。一方面,針對用戶能源管理的復(fù)雜性顯著提升,能源服務(wù)商提供“一攬子”能源解決方案,如能源托管、能源一體化供應(yīng)、運維檢修服務(wù)等;另一方面,針對用戶用能需求具有明顯的屬地化、個性化特點,能源服務(wù)商依托5G、先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)存儲與分析技術(shù)等先進(jìn)信息技術(shù),提供定制化服務(wù),如定制化節(jié)能方案設(shè)計、智能能量管控等。在用戶綜合化、個性化用能特點的驅(qū)動下,橫向多能互補、縱向“源網(wǎng)荷儲”集成的綜合服務(wù)模式將會成為未來滿足園區(qū)級多類別用能需求的主要服務(wù)模式。
針對能源產(chǎn)品業(yè)務(wù)多元化、用戶服務(wù)需求差異化,需采用綜合能源服務(wù)管理平臺實現(xiàn)高效服務(wù)。園區(qū)級綜合能源包含電、熱、冷、氣多種能源,涉及源-網(wǎng)-荷-儲多個環(huán)節(jié),打破了傳統(tǒng)多能源系統(tǒng)之間獨立規(guī)劃與運行的模式,需構(gòu)建充分協(xié)同、深度耦合綜合能源系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)。在傳統(tǒng)能源管理平臺能源監(jiān)控和能源系統(tǒng)運行管理等模塊的基礎(chǔ)上,增加以設(shè)備管理為導(dǎo)向的運行維護(hù)層、以需求側(cè)管理和能源診斷為導(dǎo)向的決策支持層、以客戶服務(wù)為導(dǎo)向的經(jīng)營管理層,形成具有園區(qū)供用能特征和精細(xì)化管理特色的綜合能源服務(wù)管理平臺,為綜合能源服務(wù)提供信息化、智慧化支持。
以上海某工業(yè)園區(qū)內(nèi)供能企業(yè)為例,探討供能企業(yè)向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型方案。該供能企業(yè)已建設(shè)2 套60 MW 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組,二期工程2 套30 MW 的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組正在建設(shè),可滿足工業(yè)園區(qū)及附近地區(qū)的工業(yè)用汽和采暖(制冷)的任務(wù)。
近年來,國家和上海的能源政策不斷調(diào)整,供能企業(yè)目前及長遠(yuǎn)發(fā)展受以下因素制約:(1)燃?xì)鈨r格高,燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)上網(wǎng)電價補償價格較低,有時燃?xì)鈨r格甚至高于發(fā)電成本而導(dǎo)致虧損,已成為園區(qū)級綜合智慧能源系統(tǒng)所面臨的共性問題;(2)用戶用能類型多樣,負(fù)荷預(yù)測困難,導(dǎo)致供需之間不能較好匹配,導(dǎo)致能源浪費或供應(yīng)不足;(3)在能源變革轉(zhuǎn)型大背景下,企業(yè)需尋求新的收益點。
基于當(dāng)?shù)卣?,在供能企業(yè)自身優(yōu)化、調(diào)研用戶個性化需求、綜合能源增值服務(wù)模式創(chuàng)新和綜合能源服務(wù)管理平臺設(shè)計等方面分析探討該供能企業(yè)的轉(zhuǎn)型方法,以擴大企業(yè)收益、提升園區(qū)用能效率。
上海作為中國最大的城市之一,其能源發(fā)展戰(zhàn)略走在前列。近幾年上海出臺多項政策推動綜合能源發(fā)展,見表1。
表1 近幾年上海市綜合能源相關(guān)政策Table 1 Recent integrated-energy-related policies in Shanghai
該供能企業(yè)建設(shè)了2 套60 MW 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組,每套機組由1 臺燃?xì)獍l(fā)電機組、1 臺雙壓余熱鍋爐和1臺抽凝式汽輪發(fā)電機組成。正常聯(lián)合循環(huán)運行期間,燃?xì)廨啓C為機組的原動機,以天然氣作為燃料,燃?xì)廨啓C的熱排氣進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生高/低壓蒸汽,高壓蒸汽驅(qū)動汽輪機,汽輪機第1 級葉片后抽汽作為供熱汽源;低壓蒸汽一部分提作為汽輪機補汽源,另一部分作為溴化鋰機組的驅(qū)動蒸汽(夏季)或換熱機組的熱源(冬季),滿足空調(diào)冷熱負(fù)荷。另設(shè)1 臺20 t/h 燃?xì)饧夥邋仩t。機組主要參數(shù)見表2。由表2可見,實際投運后的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)未完全達(dá)到設(shè)計的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。在電力過剩、電改逐步推進(jìn)的大背景下,企業(yè)還需大力推進(jìn)市場覆蓋,進(jìn)一步拓寬供熱市場。隨著園區(qū)熱用戶及冷用戶的不斷開發(fā),全廠熱效率會進(jìn)一步提高。
表2 機組主要參數(shù)Table 2 Main parameters of the unit
該機組投入運行時間較短,主要采取運行優(yōu)化。根據(jù)供能企業(yè)機組生產(chǎn)運行實際情況,對能源系統(tǒng)生產(chǎn)運行實際數(shù)據(jù)進(jìn)行摸底分析,并根據(jù)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型,對生產(chǎn)運行情況進(jìn)行模擬,系統(tǒng)分析分布式能源系統(tǒng)中主要運行參數(shù)對機組整體的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)和經(jīng)濟性的影響。根據(jù)模型獲得機組在不同負(fù)荷需求情況下的最優(yōu)運行方式作為指導(dǎo),開展現(xiàn)場優(yōu)化調(diào)整研究,獲得機組在典型運行工況下的最優(yōu)運行曲線和最優(yōu)運行方式。
此外,針對上海頒布的政策,以企業(yè)現(xiàn)有產(chǎn)品業(yè)務(wù)為基礎(chǔ),結(jié)合用戶側(cè)特性分析,研究提出用戶側(cè)余熱余壓蒸汽發(fā)電、屋頂光伏、儲能、光儲充一體化等新產(chǎn)品與新業(yè)務(wù)。通過對現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)化與新業(yè)務(wù)拓展的耦合分析,形成協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合智慧能源系統(tǒng)技術(shù)體系,提升企業(yè)供能質(zhì)量、降低生產(chǎn)運行成本,形成新的業(yè)務(wù)增長點,實現(xiàn)產(chǎn)品業(yè)務(wù)的多元化發(fā)展。
通過調(diào)研可知,園區(qū)用戶有冷、熱、電、熱水等需求。目前供能企業(yè)主要是熱。園區(qū)目前共有33個中壓熱用戶,均為工業(yè)蒸汽熱負(fù)荷,且大多為生產(chǎn)加熱系統(tǒng)用熱,需要0.4~0.6 MPa的飽和蒸汽,最大流量一般發(fā)生在白天,最小流量發(fā)生在晚上。最大工業(yè)熱負(fù)荷約為106.54 t/h、最小工業(yè)熱負(fù)荷約為19.89 t/h、平均值約為53.58 t/h。2018 年全年一期蒸汽供應(yīng)量為23.35 萬t,全年蒸汽熱負(fù)荷波動呈現(xiàn)季節(jié)性波動,最大月供應(yīng)量達(dá)到9.350 萬t;最小月供應(yīng)量為4.811 萬t,最小月供應(yīng)量僅為最大月供應(yīng)量的50%左右。
除了已有的單一售能模式,供能企業(yè)可針對不同行業(yè)類型的用能企業(yè)對象提供個性化能耗顧問與診斷服務(wù),以便為用戶提供專業(yè)化技術(shù)指導(dǎo)、定制化節(jié)能方案,降低用能企業(yè)成本;提供定制化設(shè)施管理服務(wù),包括對用能企業(yè)自有設(shè)備提供運維服務(wù),及為用能企業(yè)提供可租賃能源設(shè)備及相關(guān)套餐運維服務(wù)等。通過增值服務(wù)模式創(chuàng)新,推動供能企業(yè)產(chǎn)品業(yè)務(wù)多元化、增加收益;以“能源管家”為創(chuàng)新服務(wù)模式,為用戶提供全方位的能源管理。
園區(qū)級綜合能源服務(wù)管理平臺可以涵蓋多能源耦合供給調(diào)度策略、設(shè)備運行性能監(jiān)控、用戶用能數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及綜合能源交易等部分內(nèi)容。各部分相互聯(lián)系,共同完成園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)的信息收集、分析和利用,為數(shù)據(jù)自助服務(wù)、數(shù)據(jù)資產(chǎn)運營、數(shù)字協(xié)同、設(shè)備診斷等數(shù)字業(yè)務(wù)提供支撐平臺,實現(xiàn)多能聯(lián)供服務(wù)、能源交易服務(wù)、綜合能效服務(wù),支撐供能企業(yè)數(shù)字經(jīng)濟業(yè)務(wù)創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)新。
(1)多能源耦合供給調(diào)度策略。根據(jù)用戶側(cè)對各類能源的負(fù)荷需求特性,以經(jīng)濟環(huán)保為目標(biāo)進(jìn)行仿真模擬,得出系統(tǒng)各類能源出力預(yù)測結(jié)果及實際優(yōu)化運行方案,為供能企業(yè)提供輔助決策建議。
(2)設(shè)備運行性能監(jiān)控。通過設(shè)備實際測量點數(shù)值及系統(tǒng)仿真模擬值實時監(jiān)控綜合能源系統(tǒng)中各設(shè)備運行狀態(tài),評估設(shè)備性能,發(fā)現(xiàn)設(shè)備性能大幅下降或處于非正常狀態(tài)及時報警,指導(dǎo)檢修作業(yè),保證系統(tǒng)安全可靠。
(3)用戶用能數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。通過安裝在用戶側(cè)的各級儀表數(shù)據(jù),實時監(jiān)測用戶所有設(shè)備用能數(shù)據(jù),對每個用戶根據(jù)能耗數(shù)據(jù)單獨建模,通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和分析,確定用戶需求后提供所需的節(jié)能咨詢、運維等能源管理服務(wù)。
(4)綜合能源交易?;陔娏Α⑻烊粴夂蜔崃灰讬C制,構(gòu)建綜合能源市場交易模型,開展電、熱、冷、氣等能量交易及增值、輔助服務(wù)等園區(qū)級綜合能源交易仿真,輔助供能企業(yè)和用戶開展交易。
通過供能企業(yè)自身優(yōu)化、用戶個性化需求調(diào)研、綜合能源增值服務(wù)模式創(chuàng)新和綜合能源服務(wù)管理平臺設(shè)計等方面多方位改造,未來該供能企業(yè)可擁有電能、工業(yè)蒸汽、空調(diào)冷熱水、生活熱水4 種能源產(chǎn)品,并開展產(chǎn)品維保、余熱發(fā)電試驗平臺等增值服務(wù),成為成熟的綜合能源服務(wù)商,在能源改革大背景下保證自身優(yōu)勢,并提升園區(qū)用能水平,如圖2所示。
圖2 該供能企業(yè)向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型路徑組成Fig.2 Transformation path of the energy supply enterprise transferring to an integrated energy service provider
(1)光伏發(fā)電。利用園區(qū)屋頂和可利用空地建設(shè)光伏發(fā)電項目,初步估計光伏發(fā)電容量的峰值為10 MW??紤]系統(tǒng)首年的衰減率為3.0%,之后每年的衰減率降為0.7%。邊界條件如下:(1)靜態(tài)投資,3 500 元/kW;(2)經(jīng)營期,20 a;(3)修理及維護(hù)費,運營期1~5 a(質(zhì)保期內(nèi))為8 元/kW,6~10 a 為15 元/kW,11~25 a 為20 元/kW;(4)保險費,按總投資額的0.25%計算;(5)其他費用,按30 元/kW 計算;(6)年利用小時數(shù),1 486.98。
通過計算得到重要經(jīng)濟性指標(biāo)數(shù)據(jù)見表3。
表3 光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟性指標(biāo)Table 3 Economic index of a photovoltaic generation system
(2)光儲充一體化?!肮鈨Τ洹币惑w化充電設(shè)施可以實現(xiàn)電力就地生產(chǎn)消納,滿足用戶電動汽車充電需求。初步設(shè)置5 個直流10.0 kW 充電樁、10 個交流3.5 kW 充電樁。充電樁和儲能電池容量比為1.0∶1.7,儲能電池容量為144.6 kW·h。根據(jù)上海市頒布的政策[18-20],對光伏一體化儲能充電等新技術(shù)的設(shè)備投資(不含光伏發(fā)電)給予30%的財政補貼;在運營環(huán)節(jié),其他公用充換電設(shè)施補貼標(biāo)準(zhǔn)為0.2~0.8 元/(kW·h),每年補貼電量上限為每千瓦充電功率補貼1 MW·h。若充電站運營周期為10 a,儲能電池使用壽命為10 a。邊界條件[21]為:(1)單個直流10.0 kW 充電樁平均服務(wù)費用11 520 元/a,單個交流3.5 kW 充電樁平均服務(wù)費用4 032 元/a;(2)經(jīng)初步統(tǒng)計,公共充電樁的年利用小時數(shù)為300~800,按最高800 h進(jìn)行測算。
表4 為光儲充一體化經(jīng)濟性指標(biāo),通過經(jīng)濟性分析可見,光伏發(fā)電及光儲充一體化系統(tǒng)均能給供能企業(yè)帶來新的增長點。
表4 光儲充一體化經(jīng)濟性指標(biāo)Table 4 Economic index of an integrated PV-storage-charging system
在供電、熱、冷、熱水等多種能源基礎(chǔ)上,供能企業(yè)應(yīng)充分考慮政府限價、補貼、用戶基礎(chǔ)能源需求、企業(yè)能源生產(chǎn)特點等必要約束,分別設(shè)計單項能源套餐與綜合能源套餐。針對用熱行為不規(guī)律用戶設(shè)計單項能源的階梯熱價套餐;針對用熱行為規(guī)律用戶設(shè)計單項能源分時熱價套餐;設(shè)計熱/電/冷耦合的綜合能源套餐。
以上海某工業(yè)園區(qū)內(nèi)供能企業(yè)及其所提供服務(wù)工業(yè)區(qū)為研究對象,針對供能企業(yè)能源生產(chǎn)供應(yīng)受到天然氣市場價格波動影響較大,上網(wǎng)補貼電價受國家政策影響較深等關(guān)鍵共性問題,探索向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型路徑,通過發(fā)展光伏發(fā)電、光儲充一體化系統(tǒng)等技術(shù),在獲得經(jīng)濟收益的同時提升用戶服務(wù)能力,形成一種以工業(yè)園區(qū)為服務(wù)對象的新型供能企的區(qū)域綜合能源服務(wù)能力提升方案,在能源改革大背景下保證自身優(yōu)勢,提高園區(qū)能源利用效率、降低用能成本。