能源互联网未来能源安全的质量保证

谢小军



能源互联网未来能源安全的质量保证

谢小军

（上海汽轮机厂有限公司工业透平部，上海交通大学，上海 200240）

能源成为当今越来越热门的话题，能源直接关系着国计民生，如何保证能源的安全就显得至关重要。传统的大电厂大电网固然能够保证充裕的电量供应，但是局部调整的能力有限，更不能实现用户冷热电三联供。能源互联网的出现将成为未来能源安全的质量保证。

能源； 分布式能源； 燃气轮机； 能源互联网

一、能源的重要性

能源对我们非常重要，始终贯穿我们的衣食住行。我们穿的衣服是工厂制造的，工厂的机器运转需要能源；食物加工需要消耗能源；房子需要空调来调节温度，需要消耗能源；出行交通工具需要用能源驱动。能源如此重要，保证能源安全，对国家安全、人民生活有重要意义，这就要保证能源供应的质量。保证质就是要保证能源的品质好污染小，就要提高能源的利用效率，对能源进行梯度利用，用能的重心向清洁能源倾斜。要保证能源能源供应的量，就要开发新的能源，节能，开拓新的能源利用方式。

能源的种类很多，按照是否经过转化，可以分为一次能源和二次能源。一次能源（英文Primary energy），是指自然界中以原有形式存在的、未经加工转换的能量资源。二次能源是转化过形式的能源。电能是我们应用最方便最广泛最清洁的二次能源。按照应用早晚又分为化石能源（煤，石油，天然气等），新能源。

二、现有的发电模式

使用最方便，最清洁的当然是电能。电能是一种二次能源。目前我国主流的电能生产方式是燃烧化石能源发电，其中燃煤电厂占很大比重。这也是有我们国家的能源结构决定的。

图一 中国能源结构

1.火电厂流程如下图所示

图二 火电厂流程图

电厂建有煤场，煤经过磨煤机磨成煤粉后用风机送入炉膛。炉膛内设有水冷壁，受热的水进入锅筒变成饱和蒸汽，再经过过热器加热为过热蒸汽。蒸汽进入汽轮机高压缸做功，然后进入再热器加热再次成为过热蒸汽，进入中压缸，而后低压缸。在蒸汽的推动下，汽轮机转动带动发电机做功。汽轮机排除的乏汽经过冷凝器的冷却，再次循环。整个电厂由于规模大，可以维持高效稳定运行。很多电厂可以连续运行一年不小修甚至更长。大型火电厂的效率可以到45%左右，如果采用背压式汽轮机供热，效率可以到60%以上。然而火电厂由于排放较大，噪音大，又需要配备煤场等易产生粉尘的车间，不适合在城市中布置。供热的范围一般局限在8Km左右。因此大部分的能源只能以电能的形式利用。

2.核电厂流程如下图所示

图三 核电厂流程图

我们以田湾核电的WWER-1000机组为例，这是典型的二代半压水堆技术。整个电厂分为两个回路。一回路的水始终工作在不饱和区，由主泵驱动源源不断的冷却堆芯。一回路的水进入蒸汽发生器加热二回路水产生蒸汽，驱动汽轮机做功。单就二回路来说，核电站和常规火电厂的流程区别不是很大。但是核电站主蒸汽参数比较低，又经过了蒸汽发生器的再次能量传递，整体能量转换效率比较低。核电站的优势是可以将规模建设的很大而不用配置煤厂、铁路等配套设施，单位质量燃料产生的电能是火电机组所不能企及的。但是由于核安全角度的考虑，核电厂不能供暖。

核电站和火电机组非常适合带电网的基本负荷。

3.燃机电站与联合循环

燃机从设计之初就是为了在飞机上使用的，所以适合频繁起停，重型燃机是进一步优化以适合电厂发电使用的，可用于负荷波动较大的场所，也可以用于电网调峰。

图四 燃机电厂模型图

单燃机的效率并不是很高，在40%左右。但是燃机能够产生温度很高的烟气，通过余热锅炉再次实现火电厂的朗肯循环。并可以结合溴化锂制冷机实现冷热电三联供。这样一来整个联合循环的效率高达70%以上。所以目前燃机电厂大多使用联合循环（CCPP）。

图五 火电厂与燃机电厂效率对比

燃机本身排放低，噪音相对较小，联合循环又可以实现冷热电三联供（CCHP），所以燃机电厂可以布置在近郊甚至市区，直接实现热能的分级利用。高品质的用于发电，低品质的用于供暖，最次的低品位蒸汽驱动溴化锂制冷机。

图六 天然气冷热电三联供流程

由于前面提到的供热半径的限值，冷热电三联供的电站趋向于做的规模较小，分布零散，往往又搭配燃气内燃机、光伏发电、风力发电等作为补充。我们把这种近用户侧，小型化，规模小，分散布局，结合多种能源利用形式实现能量提及利用的能源利用形式称为分布式能源。

分布式能源主要依托天然气发电，能源综合利用效率高，输配电损耗较小。

三、分布式能源

图七 分布式能源与常规能源利用率对比

分布式能源还能起到削峰填谷的作用。以夏季用电为例：

图八 分布式能源“削峰填谷”

工作时间天然气用量较低，用电量较大，而下班之后恰恰相反。如果在工作时间用天然气发电对电网进行补充，就能够用天然气的峰去填电网的谷。

自从爱迪生点亮了我们的夜晚，人类的生活就跟电能密不可分。越来越密集的电网，越来越多的电器设备，电在我们的生活中的重要性也越来越高。供电的可靠性和安全性也越来越重要。

图九 美国夜间卫星图（白色为城市照明）

注：照片来源于美国国家地理网

1965年在短短的四分钟内从加拿大到纽约，从波士顿到马萨诸塞，整个加拿大和美国东部陷入一片黑暗。因为安大略省供电站的失误，繁华的美国东部当晚最亮的只剩下一轮月亮。医生甚至不得不借助应急照明来做手术。1977年长达24小时的停电甚至导致纽约发生了暴乱。2003年加拿大和美国东部又发生了大规模停电，大部分公共交通设施瘫痪，城市接近停摆近五千万人受到影响。还有2008年雪灾导致的中国湖南省大停电，2012年印度大停电，等等大规模停电事故对人们的生产、生活带来了巨大的损失。在这些大规模的停电事故中，一些配备了分布式能源医院、学校不仅仅维持了机构本身的正常运行，也为周边居民提供了帮助和便利。分布式能源具有独立性和自控性，能够在电网出现问题时实现一段时间的自持，进行孤岛运行。

分布式能源结合传统能源构成能源互联网能够大大增加电网的鲁棒性。能源互联网的建立可以起到1+1>2的效果。

四、能源需求侧规划与能源互联网

1.合理的能源需求侧规划是能源互联网的基础

关注能源安全，应要对需求侧进行合理的规划。合理配置能源，能够降低能源的利用成本，保证供给质量。需求侧规划更多强调的是节能。从一开始把控住能源不过剩。合理规划是保证能源安全，建设能源互联网的基础，实现合理规划的根本是精准的负荷预测。

传统能源规划方式是负荷的简单叠加。比如有一处写字楼和酒店毗邻，酒店耗能总计280W/m2，写字楼总计420W/m2，负荷的变化如下图所示。如果简单叠加则最大能耗为700W/m2，如果按照负荷随时间的变动叠加最大570W/m2。如果按照570W/m2配置，按前者选择制冷机，装机量只要(0.57×面积)kW，70%以上运行时段超过10小时。但是如果按照700MW/m2配置制冷机组，全天负荷率在57%以下，这就造成了资源的浪费和经济效益降低。

在负荷分析时，保证结果准确的做法应该是建立各种建筑的模型，根据各种类型的建筑在不同情况下负荷的变化情况，模拟不同的使用情景，生成逐时的负荷因子。最终结果的叠加应该按照时段，不同建筑之间乘以负荷因子叠加。取叠加结果的峰值再计算一定的裕量用于设备的选型。

图十 需求侧负荷逐时分析举例

2.能源互联网是结合传统能源和新能源的桥梁

在合理规划的基础上，利用智能电网将传统能源、分布式能源有机结合起来的能源互联网，是我们保障能源安全，实现能源合理配给的保证。能源互联网是利用先进的能源管理技术将传统能源、分布式能源有机融合到电网中，以电能的形式实现能源的双向传递的能源网络。电网稳定时，分布式能源站可以选择自发自用，富余的电量上网，或者从电网购电进行补充；也可以选择只从电网购电，将分布式能源站作为应急电源使用。电网出现波动时，分布式能源站可以在同意调控下协助调峰机组稳定电网，也可以保障周边用户的用电需求。能源互联网也可以理解为能源云，每个能源站都可独立的产生发电、供能，在部分用户负荷需求升高时，依托智能电网在各个用户之间灵活调配。近距离的用户甚至可以调配蒸汽和冷气。电能的交易、冷热的交易可能无时无刻不在发生。

图十一 需求侧负荷分析流程

图十二 能源互联网的架构

从能源互联网的架构来看，能源互联网结合了传统能源和新能源，传统电厂、分布式能源站、新能源电站、智能电网和大数据计算中心是它的物质基础。能源互联网有助于管理者从宏观角度实现对能源的调控和统筹，有利于运营者实现与消费者的互动，提高能源利用效率，有利于消费者灵活得获取更多的能源形式。在能源互联网中对分布式能源站节点来说，运营者和消费者的角色不是固定不变的，当分布式能源站的能源有富裕时，原来的消费者就变成了运营者；当能源站发电不足时，运营者又变成了消费者。当然，对于传统电厂和传统用户来说，他们更多时候扮演的是固定的运营者和固定消费者的角色。

能源互联网要求共享的不仅仅是能源，还有各个节点实时的功率、负荷信息。如果把电能看作是血液，这些信息就是把控血液流动的神经信号。依托实时的信息共享进行的能源调配和能源交易，正是国家进行的供给侧改革追求的目标。

鉴于能源互联网与信息互联网的相似性，可以设想，能源互联网的发展将经历与信息互联网发展相似的路线。能源互联网能否广泛普及并如信息互联网那样创造出与传统经济完全不同的互联网经济模式，并将如何改变人类的生活与工作方式，现在还不可预知。但可以肯定的是能源互联网定会跟信息互联网有机结合在一起，让我们未来的生活产生新的变革。

2016-09-30

谢小军（1989-），男，山东潍坊人，上海汽轮机厂有限公司助理工程师，上海交通大学硕士在读。主要研究方向：分布式能源规划。

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