城市區域能源互聯網的應用研究與實例分析

田松峰， 田 鵬， 劉丹娜， 牛騰赟， 谷秋實

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

2016 年 2 月國家發改委等相關部門聯合下發了《關于推進“互聯網+”智慧能源的指導意見》等文件，對能源產業結構調整進行了多方向討論，區域性能源互聯供能為我國能源的高效利用提供了全新的思路與模式。同時，為建設低能耗、低污染、低排放的生態城市[1]，傳統的“高能低用”的用能模式并無法達到生態城市要求，因此需要將區域性能源互聯供能系統與低碳生態城市的建設進行結合，堅持“因地制宜、有序推進”的原則，根據區域能源現狀，整合本地資源，優先采取以可再生能源供能，并以天然氣等清潔能源作為保障的思路，將分布式多能源綜合利用新技術與模式融入到生態城市的建設中，提高能源綜合利用率，減輕環境壓力。

The Economist 在2004 年發表了“Building the Energy Internet”，首次提出建設能源互聯網 (Energy Internet)的概念，通過借鑒互聯網自愈和即插即用的特點，將傳統電網轉變為智能、響應和自愈的數字網絡，支持分布式發電和儲能設備的接入，以減少大停電及其影響[2]。

K.A. Corzine 等將能源互聯網與Internet相比較，提出了“能量包”的概念，將能源轉換系統儲能裝置及能源請求模塊結合為一體，根據用戶不同需要及儲能請求通過通信線路進行傳輸[3]。Alex Q Huang 等認為能源互聯網是通過即插即用的接口、能源路由器等新一代的電子通信技術整合的高效能源系統。并根據構想研發了FREEDM系統，對接入的分布式能源實現即插即用并作為電力-能源互聯網的原始模型推廣[4-5]。馬釗、周孝信等提出能源互聯網的交易核心與決策中心闡述了通過能源路由器把雙向信息進行匯總，實現用戶需求側的反應與調控信息的傳達[6]。董朝陽、查亞兵等認為能源互聯網是以網絡信息技術為支撐，以電力網絡為核心，以風能、光伏等分布式可再生能源消納為目的，實現電力、交通、天然氣及信息多網絡聯合的復雜系統[7-8]。慈松等將互聯網思維引入到分布式儲能系統設計及數據中心的優化管理方面，并總結出適合于大規模分布式儲能網絡化管理的方法，為能源互聯網中重要的儲能技術研究提供了理論指導和技術支撐[9]。周海明等分析了未來能源的約束條件以及供應和消費技術的匹配水平，通過研究建立了能源互聯網框架模型，整體優化資源利用結構提高能源利用效率[10]。

此外，清華大學、浙江大學等均成立了能源互聯網研究院，白建華等認為開發分布式可再生能源是緩解能源危機、環境污染的重要方式，并針對分布式能源供能間斷性的特點建立了新型電力規劃和生產模擬模型，對未來中國實現高比例可再生能源的電源結構開展了研究[11]。查亞兵、張濤等[12]分別從管理者、運行者及消費者視角分析了能源互聯網的結構框架，并分析能源互聯網與傳統能源系統相比所獨具的特征[12]。

依據能源互聯網思維，我國采取“互聯網+能源”的模式，通過綜合運用先進的電力電子技術、信息技術和智能管理技術，將大量有分布式能量采集裝置，分布式能量儲存裝置和各類型負載構成的新型電力網絡、天然氣網絡等能源節點互聯起來，形成實現能量雙向流動對等交換與共享的網絡，使智能電網和能源微網得到快速發展，能源利用效率大幅提升。

本文通過設計一種區域性能源管控體系，可以實時監測區域內建筑的冷、熱、電負荷，對能源站供能側與需求側能源進行合理配置，方便相關部門進行能耗信息處理、查詢以及通過Internet平臺對能耗分布進行位置顯示，大幅度提高了機組處理負荷的響應速度。并以某市開發區區域能源項目為實例，計算熱、電負荷和節能經濟效益，給城市規劃建設提供借鑒。

1 區域能源互聯網與城市規劃的耦合研究

我國城市大部分人口多數居住在多層建筑樓宇內，同時城市的商業區、工業區以及生活居住區的空間位置相對較近，負荷集中化程度較高，所以根據用能終端負荷的布局、人口密度情況和經濟供能距離等要求，選擇區域性的能源供能系統向規劃區域內同時提供熱、電、冷能源可以獲得更高能效。針對城市中區域能源供能系統的不同應用環境，分為如下兩種類型：

(1)樓宇建筑型：為了減輕環境的壓力和降低建筑供能能耗，樓宇式熱、電、冷三聯供系統以其經濟、節能、環保等特點被廣泛應用。上海浦東國際機場能源中心建設了4 000 kW燃氣輪機聯供項目，上海黃浦區中心醫院采用1 000 kW 燃氣輪機及余熱利用設備為醫院提供熱、電、冷能源，另外上海迪士尼樂園也是采用了5×4.4 MW的顏巴赫機組，實現了冷熱電及壓縮空氣的四聯供[13]。由于樓宇建筑用能的特殊性，樓宇聯供系統一次能源采用天然氣為主，以太陽能、氫能、生物質能為輔，不但可以滿足制冷與供熱要求同時還可提供電力負荷，此外通過配置蓄能系統對用能低谷時的能量儲存用于尖峰供能，具有節能性、經濟性、環保性和調峰蓄能作用。

(2)工業園區型：一些工業園區在集中供能方面大多缺乏統一的規劃，工業園區熱電冷多種能量需求較大，在入園企業的冷、熱負荷不能得到保證的情況下，大多企業都采取自己建設小型鍋爐來滿足用熱負荷，因此能源效率與設備利用率低，同時粉塵及NOX的排放使得霧霾天氣的日漸嚴重，危害人民的身體健康。因此，將區域能源互聯網與工業園區耦合已逐漸成為解決工業園區用能問題的一種有效手段。采用分布式集中供熱或制冷將自備鍋爐以大型余熱鍋爐替代，以大、中型燃氣輪機為原動機進行發電，高溫煙氣余熱用來供熱或制冷，實現一次能源的梯級利用，提高能源綜合利用率。從根本上降低環境污染，同時減少用水與污水排放改善區域內的環境[14]。

2 基于區域互聯網管控體系的城市規劃建設分析

生態城市的建設首先要進行初步的能源區域規劃，根據區域內不同用能需求制定相應的供能計劃，同時結合區域資源可利用現狀以及供能對區域環境的影響進行綜合分析研究才能設計出最合理的區域能源互聯系統，因此區域能源規劃是生態城市建設的重要一環。

區域能源互聯綜合服務系統涉及能源的轉換、輸配、管控及儲存等方面，依靠物聯網技術實現全方位的信息流與能量流的交匯，分析能源是否被有效利用并根據采集到的信息進行能源利用的優化[15]，打破現有能源之間的界限，統籌一、二次能源供應網絡的規劃，實現用能網絡無縫對接以及運行管控高度智能化，從而實現整個能源利用體系橫向“多能互補”和縱向“源—網—荷—儲”的協調發展[16]。

區域能源智能化管理的核心工作是安全、高效地處理好供應側與需求側的能源布局，供應側需結合區域實際選擇適合自身的能源及利用方案，將輸配管網及能源站的建設加入到供給側能源規劃中進行綜合分析；在能源需求側需針對用戶用能品位、數量、需求時段等不同情況，建立區域供能智能化能源管理體系，通過智能化終端信息采集設備實時地將信息匯總并進行大數據分析，并根據數據分析對供能系統進行優化調整。

一般情況下，區域能源互聯網的管控系統基本要求是包涵能源的生產與利用情況?！肮堋毕到y包括數據的采集、分析過程，“控”系統是負責運行調整直接或間接控制。能源管控系統整個網絡層次如圖1所示，通過管控網絡中各個層面應用軟件的使用實時地對系統進行監測，避免設備異常報警或能量跑冒滴漏現象的發生，保障系統的正常運行。

圖1 管控系統網絡層次圖

該系統主要由系統管理、添加企業、查詢企業位置查詢以及區域能耗分布圖等模塊組成，其功能結構框圖如圖2所示。

圖2 區域能源管控系統結構流程圖

利用網絡地圖平臺，以Visual Basic 語言、Access 數據庫及Dreamweaver 軟件為工具，編寫能耗信息管理系統，通過該系統可使不同權限用戶對區域能耗信息進行訪問，對區域內能耗信息進行添加、查詢等操作，并可以借助Internet 平臺進行區域能耗分布的位置顯示。根據統計數據將用戶用能信息標記到地圖上，并以html 文件形式進行保存以方便查看，以下圖3 為例。

圖3 區域能耗分布演示圖

該區域互聯網管控系統采用全廠集中控制方式，并通過采用DCS、TSI、DEH 等控制系統對能源系統進行實時監控，同時還在輔助車間設置機組就地監控設施，作為調試與巡檢員的人機接口。機組運行管理采用MIS系統，通過站內網絡或GPRS 傳輸方式，通過TCP/IP 協議完成終端與數據服務層的連通，實現能源從生產到消費節能控制一體化系統[17]。隨著互聯網絡的發展與機組運行智能化水平的不斷提升，區域能源管控的網絡化已成為區域能源互聯網發展的重要推動力。

3 區域能源規劃實例應用研究

3.1 規劃能源區域概況

該市規劃能源區域項目建設地地面平均高程為 24.10 m，該區域不受附近河道河岸變遷的影響，不存在內澇積水災害。境內氣候四季分明，年均氣溫 17.4 ℃，年均降水量600 ml，年均日照 2 522.9 h，屬于典型溫帶半濕潤大陸性季風氣候。

目前區域內的企業有W有限公司、F食品有限公司、B生產企業、H建筑材料有限公司等并且陸續有企業入駐。該區域目前尚無法實現集中供熱或者集中供熱無法提供入駐企業生產用蒸汽的要求，所以部分企業仍采取利用自備散煤燃燒鍋爐采暖或用汽的模式。

3.2 區域能源利用現狀及負荷規劃

圖4 區域能源規劃裝機流程

本區域能源規劃項目規劃建設總量為 40 MW燃氣輪機機組及其配套工程，項目工程分為兩期建設，其中一期工程建設 1×20 MW燃氣輪機+ 1×35 t/h煙氣余熱鍋爐與煙氣冷凝器的機組型式，系統布置結構圖如圖4所示，本項目機組選型時遵循“以熱定電、梯級利用”的原則，利用天然氣發電的同時，利用煙氣余熱滿足企業的工藝用熱以及冬季滿足規劃區域的采暖需求。下面分別從區域熱負荷、電負荷現狀及未來規劃方面綜合分析。3.2.1 熱負荷

區域部分企業的常年性熱負荷與企業增容規劃熱負荷統計結果如表1所示。

根據市場的發展，擴大產能的需要，規劃區域內部分企業計劃在2019 年或2020 年進行生產增容滿足市場需求，并根據規劃以本區域能源規劃二期工程作為生產所需熱源，具體負荷見表2。

表1 部分企業熱負荷及熱負荷增容統計

表2 H公司采暖面積及熱負荷統計

由于企業要求連續生產模式且生產班組負荷曲線變化較大，機組需調峰運行?？紤]靈活性與調峰經濟性，工程建設采用1×20 MW燃氣輪機 +1×35 t/h煙氣余熱鍋爐可達到生產工藝用能需求，通過余熱鍋爐尾部的煙氣熱網加熱器來滿足冬季采暖的需求，并根據企業增容情況以蒸汽型溴化鋰機組作為冷負荷基礎保障，保證用戶多種能量需求，從而保證了規劃區域熱負荷的穩定性。

3.2.2 電力負荷

該經濟開發區已成為當地經濟發展的重要引擎，目前主要電力來源為電網。本區域規劃能源站機組容量基本可實現就地消納，滿足開發區電力負荷需求，該區域電網可與大電網相互支持有益補充，提高用戶端的供電安全性。該區域能源規劃采用 20 MW發電機組，廠用電率控制在3.4%左右，發電機出口電壓等級暫定為10.5 kV，根據規劃區域內企業年度電力需求數據對未來電力負荷需求作出預測，見表3所示。

表3 電力負荷需求預測(2017～2020) kW·h

該區域能源規劃建設采取“以熱定電，余電上網”的原則，因此在保證企業用熱負荷的情況下，進行區域內部分電力的供給就近實現電力消納，提高能源利用率，減少由于長距離輸送產生的損耗以及輸變設備的成本投入。

3.3 區域能源系統能耗與節能經濟效益分析

本區域能源系統燃料以管道輸送天然氣為主，年供應量為2 億Nm3，根據規劃該區域能源站兩期建成投運后最大需求量約為0.896 億Nm3/年，完全可以滿足能源站需求。為了保證天然氣的供給，同時應對華北地區冬季供暖用氣量驟增發生“氣荒”的現象，能源站設置了LNG作為備用燃料，以保證能源站燃料充足。機組所用天然氣低位熱值以35.098 MJ/Nm3，機組日運行22 h，年利用7 160 h估算，天然氣年消耗量44.8×106Nm3，折算標煤量為5 361.08×104kgce。

根據《天然氣分布式能源示范項目實施細則》中給出的年平均能源綜合利用效率計算公式：

(1)

式中：η為年平均能源綜合利用效率；W為年聯供系統凈輸出電量，kW·h；Q1為年有效余熱供熱總量，MJ；Q2為年有效余熱供冷總量,MJ；B為年聯供系統燃氣總耗量，m3；QL為燃氣低熱值，MJ/m3。

對該區域能源系統進行分析，并與常規供能系統對比計算，得到該系統的能源年均綜合利用率達81.4%。通過技術經濟分析本區域能源規劃項目與常規供給系統，其一次能源節約量及污染物減排量見表4所示，每年總節約標準煤18 645 t/a，減少CO245 866.7 t，減少氮氧化物699.187 t，減少排放SO245 866.7 t，能源站節能減排效果明顯。

表4 一次能源節約及減排量 (t/a)

根據國家工程預算相關規程，經過計算，本能源站靜態投資約 15 803 萬元，項目建設期為 12 個月，運營期 20 年，系統運行滿足含稅供電價為 706 元/MW·h，含稅供熱價為 88.4 元/GJ[18]，投資回收周期約為 4.37 年，見表5。

表5 能源規劃投資收益參數

通過以上計算結果表明，與傳統的能源供給方式相比，本區域能源規劃系統實現了能源的梯級利用，大大提高了能源效率。系統運行中通過對煙氣中余熱進行回收，解決了區域內主要的能源供應問題；系統運行可削減和代替同等容量的燃煤鍋爐，使得當地冬季采暖期的環境狀況明顯改善，同時系統向區域內用戶供電作為大電網的補充，提高區域內用電安全可靠性，在設計、規劃等方面符合國家節能減排的要求。因此，在國家大力推廣分布式區域能源熱、電、冷聯供的背景下，該區域能源供給工程具有良好的地區項目示范作用。

4 結論

(1)區域性能源互聯網與城市建設規劃相結合，綜合利用天然氣等清潔能源，推進區域能源綜合利用與大電網的集成，利用區域性能源管控系統，實時監測能源配置充分發揮優勢互補，兩者有機結合將推動我國生態城市的建設發展。

(2)通過對某市的項目改造，建設總量為40 MW燃氣輪機機組及其配套工程，節約標煤量18 645 t/年，能源年均綜合利用率達81.4%，投資回收周期約為4.37 年。該區域能源規劃項目能源利用效率發揮到最大，達到了節能減排的目的，對城市規劃建設具有指導性意義。

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