工業園區綜合能源服務方案配置方法研究（一）

趙林坤，雷 鳴，伍濟開，譚煒東，楊松坤

（1.國網湖南省電力有限公司 長沙供電分公司，湖南 長沙 410000；2.天地電研（北京）科技有限公司，北京 100083）

0 引 言

為了應對化石能源的枯竭、溫室效應以及環境污染等威脅人類可持續發展的問題，必須改變現有的粗放式和不可持續的能源生產與消費模式。電網作為能源革命的基礎性平臺，未來將發展成大規模新能源電力輸送和分配的智能電網，并將成為能源、電力以及信息綜合服務體系的支撐平臺[1]。基于這個需求，以電力系統為核心的能源互聯網應運而生。

能源互聯網作為能源系統的新一步革新，將分布式能量轉化、存儲裝置以及各類型負荷構成的冷、熱、電以及氣等能源節點連接起來，可以實現多種能量的雙向互補與集成優化[2]。國內外對于能源互聯網的研究眾多，其中能源樞紐的概念極為重要。能源樞紐作為能源轉換單元，可以為多種能源和負荷提供接口，并通過管理能源的供應與消費關系，實現多種能源的綜合利用[3]。在該概念的基礎上，研究人員綜合分析多能互補系統的運行與調度問題，逐步實現了系統中多種元件的統一建模，并提出了眾多調度方法和手段[4-6]。同時，眾多示范項目也相繼開展。例如，德國開展了Smart Watts項目和E-Energy項目，實現了能量流、信息流以及資金流的高度融合[7]。美國能源部在2001年提出了綜合能源系統（Integrated Energy System，IES）發展計劃，重點是促進對分布式能源（Distributed Energy Resources，DER）和冷熱電聯供（Combined Cooling，Heating and Power，CCHP）技術的推廣應用。國內近年來也開展了眾多示范項目，如北京市延慶縣的“城市能源互聯網”綜合示范工程、雄安新區的多能互補工程以及張家口的張北風光熱儲輸多能互補示范工程等。示范工程均實現了區域內的多能互補和可再生能源的綜合利用，有效提升了能源的利用效率[8-10]。

在能源互聯網模式下，傳統的能源系統將轉化為綜合能源系統。傳統能源供應商也將向綜合能源服務商轉型，并通過綜合能源服務的形式，向用戶提供綠色清潔能源供應、生產技術解決方案以及綜合能源增值服務，并向城市清潔金融服務和交易服務等方面延伸[11,12]。文獻[13]從綜合能源服務商、服務內容、商業模式以及支撐技術4個方面介紹了園區綜合能源服務。此外，絕大多數研究集中在服務商風險規避和需求響應調控策略問題，并已構建了多種目標、多種條件以及多種運營模式下的能源購置策略[14,15]。

目前，國內綜合能源服務仍處于起步階段，綜合能源服務平臺建設是現階段的主要任務。服務商的主要工作是結合用戶用能特征設計服務方案，并計算用戶通過綜合能源服務獲得收益。但是，綜合能源服務方案配置方法卻鮮有報道。基于此，本文將結合工業園區的用能特征，提出貼合工程實際的工業園區綜合能源服務方案配置方法，指導綜合能源服務業務的開展。

1 工業園區企業特征分類

工業園區內企業眾多。由于產品種類各不相同，因此工業用戶具有產業結構多樣、工作班制多樣、能源需求多樣、廠區環境多樣以及用能結構多樣等特征。本文作者通過實地走訪多個企業，分析企業用能特征和需求，將工業園區企業分為4類，并總結這4類企業的特征。

1.1 多屋頂、輕負荷型企業

該特征類型企業為工業園區數量最多的一類用戶。其用能形式比較單一，主要用能形式為電能。每年用電量在1×106～5×106kW·h，用電量適中。除電能以外，僅使用極少量燃氣，一般用于企業食堂。企業生產中冷熱需求較少，夏季制冷主要為滿足車間和宿舍降溫，冬季少量供熱需求也限于辦公區和宿舍，冷熱幾乎都由空調設備提供。企業占地面積大，車間屋頂面積大，廠區內一般建有大面積車間廠房，并相對應的存在大面積的屋頂。此外，工作班制靈活，按照訂單需求靈活使用一班制或兩班制的工作班制，三班制的使用時間較少。

1.2 高耗能、低能效型企業

該特征類型企業的年用電量和用氣量巨大。企業年用電超過1×107kW·h，年用氣量接近甚至超過5×106m3。這類企業中一般有大功率的用電設備和用氣設備，用于企業生產。因為用電量和用氣量比較大，所以廠內用能較為粗放，沒有形成合理的用能體系，生產過程中大量設備的用能不科學。

1.3 重質量、問題多型企業

該特征類型企業主要包括兩類。一類是對電能質量要求較高的企業，如精密制造業。這類企業的電能質量問題不僅影響產品質量，而且可能損壞生產設備，造成巨額損失。另一類是現階段電能質量問題突出的企業。這部分企業雖然對于電能質量問題并不特別敏感，但企業卻存在嚴重的電壓暫降和三相電壓電流不平衡等問題。現階段電能質量問題雖未暴露，但長此以往，必將影響廠內生產。

1.4 多冷熱、未利用型企業

該特征類型企業是指冷熱資源需求較多，但未加合理利用的客戶。這類用戶又可以分為制冷需求大、供熱需求大以及冷熱需求都大的3種類型。對于制冷需求大的用戶而言，制冷不僅僅是用于夏季消暑，更主要的是用于生產。因此廠內制冷設備眾多，一般有多臺冷水機和制冰機，制冷功率高達數千千瓦。對于供熱需求大的用戶而言，廠內一般有燃氣鍋爐或余熱鍋爐。每日需蒸汽量可能在數十噸以上，但往往蒸汽余熱都未加有效利用。對于冷熱需求都大的用戶而言，廠內一般既有大量制冷設備，又有鍋爐設備。需要說明的是，一個企業可能被同時劃分到多個類型，如部分企業可能既是重質量、問題多型企業，也是高耗能、低能效型企業。出現這種情況的原因主要是由于4個企業類型的劃分并不互斥。此外，由于企業多樣化的特征，使得這種不互斥的劃分方式反而更貼合實際。

2 工業園區綜合能源服務方案配置方法

將工業園區企業合理分類以后，即可根據各類企業特征，提出適合工程實踐的各類企業綜合能源服務方案及方案配置方法。

2.1 多屋頂、輕負荷型企業

結合該類型企業的用能特性、廠區結構以及工作班制，可以設計符合該類型企業的綜合能源服務方案。方案具體包括光伏系統、儲能系統以及企業可自主選擇的普適性方案。

2.1.1 光伏發電系統配置

具有該特征的用戶一般具有較大面積的屋頂，而且這類企業生產過程中一般不會產生影響光伏發電的廢棄物，所以可以在該類企業配置屋頂光伏發電系統。光伏發電系統配置方法如圖1所示，將配置方法分為3個階段。

（1）第一階段：光伏發電系統容量選擇

在選擇光伏發電系統容量之前，應該通過調研確定可建設光伏發電系統的屋頂面積。隨后，確定光伏電池的型號參數，并計算屋頂安裝光伏電池的理論數量。計算公式如下：

圖1 光伏發電系統配置過程流程圖

式中，Cg1表示光伏電池理論安裝數量；Sg表示單個光伏電池面積；Sw表示屋頂面積。

由于還需考慮安裝間隙和輔助設備安裝空間等因素，所以光伏電池實際安裝數量并不能達到理論數值，須在理論數值上略微減少。光伏電池實際安裝數量如下：

式中，Cgs為光伏電池實際安裝數量；Cgj為考慮安裝間隙等原因減少的光伏電池數量，通常取300～500。

根據計算結果，即可利用公式（3）計算出企業光伏發電系統裝機容量：

式中，Pgz表示企業光伏發電系統裝機容量；Pgd表示單塊光伏電池發電功率。

（2）第二階段：光伏發電系統運營方式選擇

由于企業屋頂面積各不相同，因此可建設光伏發電系統容量也各不相同。若采用單一的投資運營方式，部分企業難以獲得最大收益。為此，可提供兩種投資運營方式，一種是企業自行投資，采用“自發自用，余電上網”的運營模式；另一種是服務商投資，采用綜合能源管理的運營模式。決定企業光伏發電系統運營方式的因素包括企業能否支撐光伏發電系統投資和企業能否消納光伏系統的發電量兩點。通過比較兩個因素，可以確定光伏系統運營方式。光伏發電系統投資金額計算公式為：

式中，Iz表示光伏發電系統總投資額；Id表示光伏發電系統單位投資成本。

光伏系統年發電量的計算公式為：

式中，Wgs表示光伏年實際發電量；μzh表示系統綜合效率，通常取65.7%；F表示年平均太陽輻射總量；μgd表示光電轉換效率。

（3）第三階段：光伏發電系統收益計算

選擇光伏發電系統運營模式以后，即可計算光伏發電系統收益。采用企業自行投資，“自發自用，余電上網”的運營模式時，計算收益以前需要首先計算企業年自用光伏發電量和上網電量。企業年自用光伏發電量和光伏發電系統上網電量需根據企業典型日負荷曲線和光伏發電系統典型日出力曲線計算。無法獲取負荷曲線時，可以根據當地年光照日進行估算。計算公式如下：

式中，Wzy表示企業年自用光伏發電系統電量；Wsw表示上網電量；Wyd表示企業年用電量；Dgz表示當地年光照日；Dkg表示企業年開工日。

上述公式計算結果比較粗略。但由于該類用戶負荷功率不是很大，而光伏發電系統裝機容量一般較大，光伏發電系統開始發電以后基本可以滿足企業負荷需求，因此上述計算方法已經能夠滿足需要。企業年收益為：

式中，Egf表示企業年收益；Iyd表示企業用電單價；Isw表示脫硫機組上網電價。

采用服務商投資，綜合能源管理運營模式時，服務商運營光伏發電系統獲得的收益可由下式計算：

式中，Efw表示服務商運營光伏發電系統獲得的收益；μzk為企業用電享受的折扣率；μfc為企業和服務商的收益分成比例。企業年收益為：

式中，Egf表示企業年收益。

發電系統每年節約標準煤和減少二氧化碳量的計算公式如下：

式中，Mbm表示年節約標準煤數；Mco2表示年減少二氧化碳排放量。

2.1.2 儲能系統配置

該類用戶峰電電費占比較大，導致企業用電單價過高。建設儲能系統，谷電時段充電，峰電時段放電，可以降低企業電費單價。儲能系統的配置過程如圖2所示。

圖2 儲能系統配置過程流程圖

（1）第一階段：儲能系統容量選擇

在計算儲能系統容量之前，需要通過調研獲取企業用電單價和各時段的用電比例等數據。總之，儲能系統容量計算公式如下：

式中，Wc1表示儲能系統理論容量；Cfb表示企業峰電用量比例；Wpj表示企業日平均用電量。由于用戶日平均用電量可以有效表征企業最常見的用能狀況，因此以該值為基準可以保證儲能系統具有較高的利用率。為了方便選擇電池艙，通常會在理論容量的基礎上略微放大至一整百數值。略微放大也可保證儲能系統容量充足。即：

式中，Wcs表示儲能系統實際容量；ΔWc表示在儲能系統理論容量上的放大值。

（2）第二階段：儲能系統設備選擇

選擇預制艙型號時，需保證設備總充電時間不超過谷電時長，且建議預制艙充電功率盡可能多樣，從而方便優化儲能裝置的充放電過程。

初步選擇儲能裝置設備型號以后，需要核算充電功率是否在廠內變壓器要求范圍內。一般而言，儲能裝置充電時，負荷功率（含充電功率）不得超過變壓器容量的80%。若超過，應考慮通過優化儲能裝置型號組合和充電順序，使充電功率降低至允許范圍內。若無法通過優化設備型號組合使充電功率降低至允許范圍，那么可以考慮略微降低儲能系統容量。但不建議增設配變電設備以達到要求，因為增設配變電設備必然導致成本增加。

（3）第三階段：儲能系統投資收益計算

儲能系統投資金額計算公式為：

式中，Ic表示儲能系統投資總金額；Icd表示單位投資成本。

在計算儲能系統收益之前，需要計算儲能系統的充放電量。一般而言，企業需要儲能系統提供的電能等于企業峰電電量，所以企業充電電量計算公式為：

式中，Wd1表示儲能系統充電電量；μfs表示儲能系統放電深度。

儲能系統收益計算公式為：

式中，Ecn表示儲能系統收益；Ifd表示峰時電價；Igd表示谷時電價。

除上述利用峰谷電價差值獲得的利潤以外，儲能系統還可以作為企業備用電源參與需求側響應。這些方式都將為企業創造收益，具體收益視企業情況而定。

2.1.3 其他服務方案配置

該類企業同樣可以選擇適合企業的增值服務方案。對于該類型企業，著重推薦合同能源管理、設備代維代修以及綠色智慧照明等服務。

2.2 高能耗、低能效型企業

針對該類企業自身特征，綜合能源服務的重點是提供給企業節能減耗方案并提供電能替代服務。因此，對這類企業配置的綜合能源服務方案包括合同能源管理、電能替代以及結合企業自身情況自主選擇的項目。

2.2.1 合同能源管理

對于符合該特征的用戶而言，進行合同能源管理很有必要。針對廠內現階段生產設備用能處于分散無序狀態且各設備用能狀況未加有效監控的情況，服務商可在廠區內裝設能源監測平臺，獲取各設備用能信息，并通過分析這些用能信息獲得企業的用能特性，設計節能減耗方案，優化廠區設備工作方式，達到節能減耗的目的。節能減耗成果可以采用多種方式和綜合能源服務商共享。

2.2.2 電能替代

電能替代方案可以幫助企業減少煤或天然氣的使用量，提升用能效率，進而減少用能費用，提升產品質量。一般而言，電能替代設備包括電鍋爐替代和感應加熱熱處理設備。對于用氣設備為鍋爐的企業而言，可將燃氣鍋爐或煤鍋爐替換為電鍋爐。電鍋爐沒有燃燒時發生化學反應的爐膛，是靠電器元件通電達到加熱的目的，不產生污染排放，具有無污染、無噪音以及占地少等優點。此外，電鍋爐還可以在電價低谷時段對水進行加熱，并將熱水存儲于蓄熱罐中。在白天電網高峰時段，由蓄熱罐釋放熱量滿足企業的熱水需要，實現削峰填谷和降低運行費用的目的。對于用氣設備主要為熔煅爐這類設備的企業而言，電能替代的主要內容是用感應加熱設備替代傳統的燃氣加熱設備。感應加熱技術具有快速、清潔、節能、易于實現自動化、在線生產以及生產效率高等特點，是綠色環保型的加熱工藝。使用感應加熱設備，不僅可以幫助企業節能減耗，還可以提升產品質量。若在企業未建成階段便規劃使用，則不會增加企業成本。

2.2.3 其他服務方案配置

除上述符合該特征企業進行的綜合能源服務方案以外。企業還可以根據自身特點和需求選擇適合的其他綜合能源服務方案。

3 典型企業案例分析

為驗證本文方法的正確性，以中部某省工業園內的企業為例，配置了綜合能源服務方案，并分析了企業的投資收益。

3.1 企業一：多屋頂、輕負荷典型企業

3.1.1 企業特征

該企業廠區占地面積大，廠房屋頂面積也較大，約為1.8×104m2。企業主要的工作班制為一班制或兩班制，具有明顯的峰谷時段用電量差距，峰時電費占比較高，電費單價高。廠區內變壓器容量為1 750 kVA。部分變壓器老化，生產于1995年和2002年的變壓器依然在運行。配電設備較多，且后期建設分布式電源等系統時，現有電工人數和技術水平都難以達到要求。結合企業特征，可判斷該企業屬于多屋頂、輕負荷型企業。

3.1.2 光伏發電系統方案配置

利用本文方法配置光伏發電系統。在建設面積為1.8×104m2的屋頂光伏系統中，選用光伏電池的功率為235 W、長為1.65 m、寬為0.998 m。系統總計安裝光伏電池數量為1.05萬塊，裝機容量約為2 460 kW，系統年發電量為2.5008×106kW·h，投資成本為1 107萬元。投資成本適中，且企業有可能消納光伏系統發電量，故系統選擇“自行投資，自發自用，余電上網”模式。

計算可得企業在系統建成10年的收益情況。光伏發電建成10年期間，光伏發電系統可為企業供電總計1.4486×107kW·h，向電網銷售余電1.0594×107kW·h，創造收益1448.63萬元。在系統建設后的第9年，企業即可收回成本。按照企業用電增長，在光伏系統建成后第17年，企業就可以消納所有光伏發電量，不再需要向電網銷售余電，此時每年光伏發電創造的收益達到最大，為162.66萬元。同時，光伏發電系統每年節約標準煤307.6 t，減少二氧化碳排放830.5 t。按照光伏發電系統使用壽命為25年計算。假設25年電價等因素沒有變化，那么25年間光伏發電可以為企業累計創造收益3 850萬余元。除去建設成本，創造利潤2 743萬余元，節約標準煤7 690 t，減少二氧化碳排放20 763 t。

3.1.3 儲能系統方案配置

利用本文方法選擇儲能裝置容量與功率，最終選定廠區儲能系統容量配置為1 800 kW·h，充電功率選擇為500 kW。該容量難以從現有成品型號中選取，所以選擇從廠家定制。系統成本合計950萬元。建成以后，儲能設備每次充放電最多可為企業提供電能1 620 kW·h，全年最多可為企業提供電能48.6萬 kW·h，每年充電費用為17.69萬元，節約峰電電費為51.01萬元，即每年可節約電費33.32萬元。儲能系統還可以通過參與需求側相應和作為后備電源等方式為企業創造收益，這些方式每年可為企業創造收益約10萬元。因此，儲能系統每年可為企業創造收益合計約43.32萬元，經過約22年企業可收回投資。儲能系統全壽命可為企業創造利潤約349.6萬元。

3.1.4 其他綜合能源服務方案

（1）高損耗配電設備損耗治理

高損耗配電設備損耗治理即更換廠內現有的高損耗變壓器，需投入成本7.2萬元。治理完成后，企業每年可節約用電1.19×104kW·h，節約電費7 410元，經過大約9.7年即可收回成本。

（2）設備代維代修

設備代維代修服務意在解決企業電工數量與技術短板。服務開展后，可幫助企業減少最少4名電工，每年可為企業節約人工成本24萬元。

3.2 企業二：高能耗、低能效典型企業

3.2.1 企業特征

該企業用氣量巨大。鋁材生產過程中，需要對鋁進行熔鑄，因此需要大量熱量。現在有方案采用天然氣加熱，可開展電能替代服務。此外，企業有大量屋頂，面積約為4.4×104m2，屋頂無遮擋物。企業內建筑較多，廠房、辦公樓以及宿舍內均需要安裝照明設施，廠內全年兩班制工作，夜晚照明需求大，所以廠區照明用電量較大。結合企業特征，可判斷該企業屬于高損耗、低能耗型企業。

3.2.2 電能替代方案

企業用氣量巨大，主要原因是由于鋁材生產過程中，需要對鋁進行熔鑄。現在最常用方案是采用天然氣加熱。但天然氣加熱具有熱量利用效率低和溫度控制精度低等缺點，因此建議使用電磁感應加熱處理設備。

3.2.3 其他綜合能源服務方案

結合廠區特征，還可在企業建設光伏發電系統，并開展綠色智慧照明服務。

4 結 論

針對現階段缺少合適的綜合能源服務方案配置方法的現狀，本文研究了工業園區企業的特征，得出了如下兩點結論。一是根據工業園區企業特征，可將工業園區企業劃分為多屋頂、輕負荷型企業，高耗能、低能效型企業，重質量、問題多型企業以及多冷熱、未利用型企業4類。二是結合多屋頂、輕負荷型企業和高耗能、低能效型企業的企業特征，提出了適用于工程實踐的綜合能源服務方案配置方法，并結合企業做出實例分析。此外，從本文配置方法可以看出，綜合能源服務方案中往往包含各種分布式電源，這是綜合能源系統能夠提升新能源消納能力的原因。