常熟综合能源示范区能源系统规划研究探讨

2020-07-08孙志凰奚巍民蒋一博

电力与能源 2020年3期

孙志凰，金颋，奚巍民，孙强，谢典，蒋一博

(国网(苏州)城市能源研究院，江苏苏州 215000)

常熟市位列2017年和2018年全国中小城市综合实力百强县市第四名。常熟经济技术开发区(以下简称“常熟经开区”)位于常熟东北侧，2010年被国务院批准成为国家级经济技术开发区。

园区能源消费是全国能源消费的重要组成部分[1]，2015年仅计及200余家园区，能源消费就占全国10%，碳排放量占全国11%。苏州作为“国际能源变革论坛”永久会址，以苏州常熟市经开区为样本，有助于探索“四个革命、一个合作”能源战略思想在工业园区落地的战略路径[2]。常熟经开区集聚众多产业园区，对煤炭等传统化石能源消耗巨大，节能减排需求迫切，常熟开展能源变革研究是苏州创建国际能源变革发展典范城市的重要参与和积极实践[3]。

经开区整合冷、热、电等能源生产、传输、存储和消费，实现多能阶梯利用，有利于提高能源综合利用效率[4-5]，降低用能成本，推动能源变革；通过实施能源系统集中托管，增强能源供应保障能力；通过优化能源调度和供需平衡[6-7]，减少“三废”排放，改善园区发展环境，提高园区综合吸引力和竞争力，助力地方可持续高质量发展。

关于电、气、热等多能系统协同规划，能源梯级利用，学者们已开展了大量理论研究：文献[8]分析了能源系统需求预测及需求预测的主要影响因素；文献[9-10]探讨了我国园区、城镇综合能源系统规划方法；文献[11-12]研究了综合能源系统规划优化方法；文献[13-14]探讨了综合能源系统智慧平台开发及其顶层设计；文献[15]总结了综合能源系统的关键技术及方案；文献[16-17]分析了综合能源服务市场交易策略及风险管控；文献[18-19]讨论了综合能源服务产业现状及发展。

本文总结经开区能源系统的3个特征：以工业负荷为主，兼有住宅和商业负荷;靠近长江，可适当考虑利用江水源热泵;自备电厂关停出现电力、蒸汽负荷缺口，同时也靠近两大电厂。对于示范区的综合能源系统规划主要考虑特点2和特点3，综合考虑该示范区电、气、热等能源生产和消费，探索在示范区利用电厂蒸汽或余热资源，结合热泵给建筑供应冷热的经济性，以及研究利用水源热泵等低位热源提升区域能源供应水平的路径。

1 综合能源系统现状及需求分析

1.1 基本情况及规划范围

示范区面积约2 km2，防护、绿化用地占53.6%，工业用地占37.7%，居住用地占7.7%，商业用地占0.96%。其产业规划以大数据、信息装备制造、新材料产业为主。

1.2 资源禀赋

该地属于太阳能资源三类地区，在示范区规划充分利用本地太阳能，规划建设10 MW屋顶光伏。由于周围电力线路走廊密集，不适宜布置大型风机。

该区域靠近长江，在长江水资源利用政策和经济性允许的前提下，可以考虑水源热泵[20-22]。由于政策原因且当地的地热资源一般，示范区地热资源暂不考虑。

示范区与华润电厂、常熟热电厂两座区域电厂相邻，有丰富的蒸汽资源可以利用。但在方案比选时，应慎重考虑利用高品位蒸汽驱动热泵制冷的经济性是否合理。

1.3 需求预测分析

结合地方政府的产业规划及相关规范要求，基于负荷密度法和典型行业用能经验数据，综合能源示范区的负荷预测结果如表1所示，规划水平年为2025年。

压缩空气已由地方政府与地方电厂签订战略合作协议集中供应，电力由电网公司供应。

表1 综合能源示范区负荷预测结果

1.4 规划思路和原则

根据示范区能源资源禀赋和能源利用现状，围绕“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，充分考虑利用电厂蒸汽吸收式热泵方案的经济性与本地的光伏、水源热等清洁资源，从能源供给配置、能源消费优化等环节，开展示范区能源转型方案研究。

(1)对比电制冷冷水机组、吸收式热泵、蓄冷蓄热等技术效率和经济性，形成多元低碳的清洁供给系统。

(2)通过建设绿色节能建筑，推动绿色低碳用能，推广节能新技术、新产品应用，大力提倡节约高效的能源消费。

(3)充分应用云计算、移动互联网、物联网等现代信息技术和先进通信技术，实现智慧精益的能源服务。

2 基于MATLAB能源系统分析

2.1 MATLAB简介

MATLAB是由美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析等，作为经典的计算工具，本文不再赘述。本文仿真计算基于国网(苏州)城市能源研究院综合能源系统分析工具，该工具主要基于MTALAB平台。

该工具可以经济性最优、碳排放最优等单个或多个指标为目标函数，经过系统优化计算，实现区域综合能源系统的优化配置。

2.2 电力供应方案

在区内布置6座10 kV开关站，10 kV电网采用双环网接线方式，上级电源来自110 kV碧溪变电站和110 kV吴市变电站。示范区电网地理接线示意图如图1所示。

图1 示范区电网地理接线示意图

2.3 建筑冷热供应方案

基于MATALAB计算工具，以系统经济性最优为目标函数，给出综合能源系统配置方案。其中，经济性最优包括设备固定成本、设备运维成本、燃料成本等，目标函数如下：

(1)

式中Cost——总成本；k——设备编号常数，如空调设备、电制冷冷水机组设备、CHP设备等；c——成本；cinv——初投资年化成本；com——运维成本；t——时间，全年时间8 760 h；pgrid——网供电；pele——电费；pgas——天然气费用。

通过计算仿真，得出以下系统配置方案。能源站主要设备清单如表2所示。

表2 能源站主要设备清单

水源热泵机组设备投资昂贵，约为3 500元/kW，电制冷机成本约为600元/kW，仿真系统在以系统经济性最优为目标时，将水源热泵方案筛选出局。此处，认为水源热泵制冷系统的综合COP系数为4.0，电制冷冷水机组系统的综合制冷COP系数为3.5。

系统的供电功率仿真图如图2所示，示范区的电负荷以电网供电为主，小型CHP在满足建筑热负荷需求的同时，产生的电能可满足一部分的电负荷。

电制冷冷水机组供冷负荷曲线图如图3所示。系统的供热功率仿真图如图4所示。由燃气锅炉和小型CHP供应的热负荷，燃气锅炉还承担着热负荷调峰的功能。

图2 系统的供电功率仿真图

图4 系统的供热功率仿真图

3 基于EnergyPlan能源系统分析

3.1 EnergyPlan软件简介

EnergyPlan分析工具由丹麦奥尔堡大学开发，其主界面示意如图5所示。

EnergyPlan软件可以比较全面地涵盖一个区域的综合能源系统[20]，主要有：电力、热力、交通、工业等系统的能源生产与消费。主要有以下特点[21]。

(1)可用于分析不同能源发展政策对某一地区或国家能源、环境、经济性的影响；对综合能源系统按能源生产、消费进行概括性描述。

(2)程序运行不需要通过迭代等复杂算法，这一特点使模型的计算速度非常快速，对某地区全年能源数据计算一般只需几秒。

(3)不足之处：该模型本身不具有系统自动优化功能，但与MATLAB有接口，可利用MATLAB实现相应的优化功能。

本文分别使用MATLAB和EnergyPlan软件，利用MATLAB给出系统方案优化配置，利用EnergyPlan分析系统不同情景的经济性，未作系统优化，只是通过计算实现对比分析。

图5 EnergyPlan工具主界面

3.2 基于EnergyPlan的配置方案及经济性分析

方案一：电厂蒸汽利用型(如图6所示)，虽然蒸汽利用型方案在MATLAB以系统经济性最优为目标优化过程中已被淘汰，但出于学术对比研究，此处以数据对比说明。

方案二：电压缩式空调制冷热(如图7所示)。

图6 余热利用型供建筑冷热负荷

图7 电压缩空调供应建筑冷热负荷

EnergyPlan工具本身没有优化功能，电压缩空调制冷COP系数可分别手动设置为2.0和3.0，利用蒸汽的溴化锂吸收式制冷COP取1.5。8:00-24:00时段，一般工商业电价取0.705 4元/kWh，0:00-8:00时段，低谷电价为0.335 1元/kWh，蒸汽220元/t。

溴化锂吸收式制冷系统的COP1系数选取1.5，电制冷冷水机系统是一种高效的压缩式空调系统，其综合制冷COP2系数分别取2.0和3.0。

COP2=2.0时，两种方案经济性对比如表3所示。COP2=3.0时，两种方案经济性对比如表4所示。

如表3和表4所示， COP2系数越大，采用电制冷冷水机系统的经济性越好，因为示范区建筑冷负荷需求大于热负荷需求。

经计算，在蒸汽价格、电价一定的条件下，若COP2取3.0时电制冷冷水机组方案已具有经济性。在实际工程中，电制冷冷水机组制冷系统的COP很容易实现3.0，通常为3.5，系统的经济性会更好。反之，在COP2=3.0时，溴化锂吸收式制冷系统若期望经济性高于电制冷冷水机，则供热蒸汽价格需降到170元/t，而这在当地很难实现。

示范区全年电力平衡如图8所示，区域热力需求如图9所示。其中，热力需求包括用于吸收式制冷机组使用蒸汽需求。