深圳市可持續(xù)電力規(guī)劃模型及節(jié)能減排分析

周雅，李永平，黃國和

(區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化教育部重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京市 102206)

深圳市可持續(xù)電力規(guī)劃模型及節(jié)能減排分析

周雅，李永平，黃國和

(區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化教育部重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京市 102206)

合理的電力規(guī)劃是解決電力行業(yè)資源和環(huán)境問題，推進(jìn)節(jié)能減排，保障城市可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。以深圳市為例，運用強健可能性規(guī)劃方法，以電力可持續(xù)供應(yīng)總成本最小為目標(biāo)，以資源、容量、電量、環(huán)境等為約束條件建立深圳市可持續(xù)電力規(guī)劃模型，得到能源供應(yīng)、電源結(jié)構(gòu)、外購電量、環(huán)境排放等符合深圳市電力系統(tǒng)特色的優(yōu)化方案。研究結(jié)果表明，應(yīng)逐漸降低外購電量，借助清潔發(fā)展機制等手段進(jìn)一步加大本地可再生能源開發(fā)利用，實現(xiàn)供電方式多樣化，從而實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、清潔、可持續(xù)的電力供應(yīng)。

電力規(guī)劃； 優(yōu)化模型； 電源結(jié)構(gòu)； 節(jié)能減排

0 引 言

節(jié)能減排，即降低能源消耗與減少污染物排放，是解決我國資源供給與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一項重大戰(zhàn)略舉措。《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》中提出了節(jié)能減排的主要目標(biāo)：“到2015年，全國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2010年下降16%，全國SO2和NOx排放總量比2010年分別下降8%和10%”。作為一次能源消耗大戶，電力行業(yè)是大氣污染物和溫室氣體排放最多的行業(yè)之一，其SO2和煙塵排放量分別占全國工業(yè)排放量的一半[1]。由于長期缺乏對電力系統(tǒng)進(jìn)行有效的科學(xué)管理，我國電力系統(tǒng)面臨著十分嚴(yán)峻的資源、環(huán)境，甚至安全問題：能源過度開采及不合理利用，能源需求巨大及資源短缺嚴(yán)重，能源結(jié)構(gòu)失調(diào)及管理失當(dāng)，大氣污染及溫室效應(yīng)問題嚴(yán)重，能源對外依存度上升及能源安全形勢嚴(yán)峻。顯然，單純依靠我國現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)和發(fā)展模式無法解決上述資源與環(huán)境問題。因此，需要結(jié)合節(jié)能減排政策，通過合理的規(guī)劃來制定符合我國電力系統(tǒng)特色的可持續(xù)電力系統(tǒng)規(guī)劃方案，以降低污染物及溫室氣體排放，減少限電拉閘事件，從而保障電力系統(tǒng)的安全性、可靠性和靈活性，進(jìn)而保障城市可持續(xù)發(fā)展[2]。

電力規(guī)劃是依據(jù)一定時期的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃，預(yù)測相應(yīng)的能源需求，從而對電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、使用和分配等各個環(huán)節(jié)作出的統(tǒng)籌安排。相比國外，國內(nèi)在城市電力系統(tǒng)規(guī)劃研究方面起步較晚，主要研究集中在國外能源模型的應(yīng)用，如佟慶等運用MARKAL模型對北京中遠(yuǎn)期能源系統(tǒng)進(jìn)行了研究[3]，黃東風(fēng)等利用MESSAGE模型對浙江電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究[4]，余岳峰等采用MARKAL模型對上海能源系統(tǒng)進(jìn)行了情景分析研究[5]，賈彥鵬等運用LEAP模型對江西景德鎮(zhèn)的能源需求與CO2排放進(jìn)行了研究[6]，曾鳴等運用線性規(guī)劃對考慮碳排放約束的電力綜合資源規(guī)劃進(jìn)行了模型研究與模擬分析[7]，馮悅怡等人運用LEAP模型對北京市節(jié)能與碳減排政策情景進(jìn)行了研究[8]。但是國內(nèi)大部分研究都僅限于國外模型的應(yīng)用研究，缺乏對我國電力系統(tǒng)特點的綜合考慮，因此，國外能源系統(tǒng)優(yōu)化模型中某些參數(shù)設(shè)定和情景假設(shè)并不完全符合我國城市電力系統(tǒng)規(guī)劃實際；同時，電力系統(tǒng)規(guī)劃中存在多種由人為因素和客觀因素引起的不確定性，采用情景分析、政策分析、線性規(guī)劃等簡單規(guī)劃方法不足以反映實際情況中的復(fù)雜性，影響了電力系統(tǒng)規(guī)劃模型的適用性。本文以深圳市為例，基于深圳市電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性，運用強健可能性規(guī)劃方法，開發(fā)可持續(xù)電力系統(tǒng)規(guī)劃模型，得到符合深圳市電力系統(tǒng)特色的可持續(xù)電力系統(tǒng)規(guī)劃方案，為深圳市電力系統(tǒng)管理及節(jié)能減排提供參考依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 深圳市電力系統(tǒng)概述

深圳市位于廣東省南部，占地1 994.64 km2。隨著人口的增長和加速的工業(yè)化進(jìn)程，城市經(jīng)濟高速發(fā)展，能源消耗迅猛增長，城市能源消費總量從2005年的2 921萬t標(biāo)準(zhǔn)煤增長到2010年的4 851萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，年增長率達(dá)10.6%[9]。其中，電力行業(yè)是城市的主要能源消費部門，約占工業(yè)總能源消費的39.1%，2010年全市電力行業(yè)消耗超過860萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。同時，全市電力消費以每年8.5%的速度增加，從2005年440.3億kW·h增加到2010年663億kW·h[10]。深圳市電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜系統(tǒng)，如圖1所示，包括能源供應(yīng)、電力轉(zhuǎn)換、電力進(jìn)口、電力出口、電力消費等多個環(huán)節(jié)。由于本地資源極端匱乏，城市能源供應(yīng)(如煤炭、液化天然氣、核燃料和部分電力)完全依靠市外能源輸入。能源消費結(jié)構(gòu)中，煤炭和清潔能源分別占全市電力需求的10.72%和83.06%。受益于“西氣東送”項目，2012年起，每年有4億m3液化天然氣調(diào)入深圳市，替代燃料油用于電力生產(chǎn)。目前深圳市電源結(jié)構(gòu)已初步實現(xiàn)多元化，替代能源也得以發(fā)展。深圳市電力轉(zhuǎn)化技術(shù)包括燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、核電、垃圾焚燒發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、抽水蓄能發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電7種。截至2012年，深圳市發(fā)電總裝機容量為12.80 GW，其中煤電裝機2.54 GW、氣電裝機2.22 GW、燃油改燃?xì)怆姀S的額外氣電裝機1.84 GW、核電裝機6.12 GW、垃圾焚燒發(fā)電裝機75.00 MW、生物質(zhì)發(fā)電裝機8.08 MW、太陽能光伏發(fā)電裝機2.83 MW。

圖1 深圳市電力系統(tǒng)

1.2 深圳市可持續(xù)電力系統(tǒng)規(guī)劃模型構(gòu)建

結(jié)合強健可能性規(guī)劃的優(yōu)點，通過模糊數(shù)表示發(fā)電燃料購買成本、運營成本、污染物減排成本、排污成本、減排設(shè)備的政府補貼等成本以及SO2、NOx、PM、CO2等氣體排放限量。鑒于規(guī)劃過程包括3種燃料類型、6種發(fā)電技術(shù)、3種大氣污染物、1種溫室氣體、3個規(guī)劃時期，以電力可持續(xù)供應(yīng)總成本最小為目標(biāo)，以資源、容量、電量、環(huán)境等為約束建立深圳市可持續(xù)電力系統(tǒng)規(guī)劃模型：

目標(biāo)函數(shù)：

(1)

約束條件：

(1)資源約束。

(2)

式中：FEjk為在k時期j種發(fā)電技術(shù)的生產(chǎn)單位電量消耗的能源資源量；ARjk為在k時期j種發(fā)電技術(shù)的能源資源可獲得量。

(2)燃料約束。

(3)

式中：FDik為在k時期電力生產(chǎn)的i種燃料需求。

(3)電量約束。

(4)

式中：TEmk為在k時期內(nèi)m個終端部門的電力需求；LETk為在k時期供電線損率。

(4)容量約束。

(5)

(6)

式中：ELjk為在k時期j種發(fā)電技術(shù)的退役容量；EHjk為在k時期j種發(fā)電技術(shù)的年運行時間；SPRjk為在k時期j種發(fā)電技術(shù)的廠用電率。

(5)尖峰負(fù)荷約束。

(7)

式中：PLk為在k時期本地電網(wǎng)年最高負(fù)荷；EIk為在k時期本地電網(wǎng)年最大負(fù)荷缺口。

(6)環(huán)境約束。

(8)

(9)

(7)擴建約束。

0≤ECEjk≤UEjkBYEjk,?j,k

(10)

(8)非負(fù)約束。

(11)

1.3 強健可能性規(guī)劃及解法

強健可能性規(guī)劃是由Pishvaee等人提出，對于模糊參數(shù)的全部可能值，具有可行性和最優(yōu)性2方面的穩(wěn)健性：優(yōu)化結(jié)果的可行性和優(yōu)化得到的目標(biāo)函數(shù)接近優(yōu)化值或?qū)?yōu)化值有最小偏差的最優(yōu)性[11]。模糊可能性規(guī)劃的一般形式如下：

目標(biāo)函數(shù)：

(12a)

約束條件：

(12b)

X≥0

(12c)

目標(biāo)函數(shù)：

(13a)

約束條件：

(13b)

X≥0

(13c)

0.5≤α≤1

(13d)

2 結(jié)果分析

2.1 能源供應(yīng)

能源需求參數(shù)及能源供應(yīng)優(yōu)化結(jié)果見表1。結(jié)果表明，為了滿足深圳市日益增加的能源和電力需求，液化天然氣供應(yīng)量、本地電力供應(yīng)量和外購電量將增長迅猛，規(guī)劃期內(nèi)增長率分別為10.42%、4.25%、8.10%；煤炭供應(yīng)量將下降2.80%，核燃料供應(yīng)量將呈小幅波動。電廠燃油鍋爐的“油改氣”技改項目將導(dǎo)致液化天然氣供應(yīng)量大幅增加，煤炭消費量有所削減，天然氣將代替煤炭成為深圳市的主要能源。液化天然氣是公認(rèn)的清潔燃料，燃燒后不產(chǎn)生灰、渣等固體雜質(zhì)，排放CO2量少。提高天然氣和核能等清潔能源占能源供應(yīng)總量的比例，降低煤炭供應(yīng)將是城市低碳發(fā)展的重點，有利于提高能源利用效率，優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu)，降低電力行業(yè)污染物和CO2排放，實現(xiàn)低碳能源供應(yīng)。

2.2 電源結(jié)構(gòu)

表1 能源需求參數(shù)及能源供應(yīng)優(yōu)化結(jié)果

圖2 各規(guī)劃期深圳市電源結(jié)構(gòu)

通過分析各規(guī)劃期深圳市電源結(jié)構(gòu)(見圖2)可知，煤電和核電所占比例逐漸降低，氣電和外購電所占比例明顯增加，可更新能源發(fā)電比重基本不變。氣電占城市本地電力供應(yīng)的比重最大，主要來自本市的東部電廠、前灣電廠，以及南山熱電、美視、鈺湖、福華得、寶昌等油改氣電廠。目前，深圳市有大亞灣核電站、嶺澳核電站一期、嶺澳核電站二期3座已投產(chǎn)核電站，其中部分嶺澳核電站二期發(fā)電量直接供本市使用，大亞灣核電站70%的發(fā)電量和3座核電站剩余發(fā)電量分別銷往香港九龍電網(wǎng)和廣東電網(wǎng)，緩解香港和廣東地區(qū)的電力供應(yīng)緊張。同時，本地電力供應(yīng)無法滿足城市高速增長的電力需求，電力缺口從廣東電網(wǎng)外購來填補，規(guī)劃期內(nèi)外購電約占全市電力需求的2/5。此外，本地可更新能源發(fā)電所占比重仍較小。深圳市具有很豐富的太陽能資源和可利用的風(fēng)能資源[14]，可借助清潔發(fā)展機制等手段加大本地可再生能源開發(fā)利用，并加快抽水蓄能電站等項目建設(shè)，代替部分化石能源，實現(xiàn)供電方式多樣化，進(jìn)一步提高清潔能源比例，降低能源消耗、電力行業(yè)污染物和溫室氣體排放，進(jìn)而推進(jìn)電力行業(yè)的節(jié)能減排。

2.3 環(huán)境排放

大氣污染物及溫室氣體排放限量參數(shù)及排放結(jié)果分別如表2和圖3所示。結(jié)果表明，在規(guī)劃期內(nèi)，SO2，NOx，PM及CO2排放量逐漸增加，增長率分別為5.21%，4.83%，5.49%和6.06%。深圳市電力行業(yè)污染物和碳排放主要來自本地發(fā)電和外購電。本地電廠已安裝脫硫、脫硝及除塵等設(shè)備，因而本地發(fā)電所排放的污染物和CO2所占比重相對較小，主要來自煤電廠和垃圾焚燒發(fā)電廠，其排放量在規(guī)劃期內(nèi)逐漸降低。相比之下，外購電對大氣污染物及溫室氣體排放貢獻(xiàn)很大。深圳市每年需從廣東電網(wǎng)購買一定電量滿足本市的電力缺口，廣東電網(wǎng)的電力主要來自廣東省內(nèi)的煤電，也有部分核電、水電，其能源轉(zhuǎn)化效率低于本地能源轉(zhuǎn)化效率，其單位大氣污染物和CO2排放也高于本地電力生產(chǎn)的排放水平[15]。因此，逐漸降低外購電量，增強本地清潔電力供應(yīng)能力，擴大本地清潔電力生產(chǎn)規(guī)模，是進(jìn)一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)城市電力系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

表2 大氣污染物及溫室氣體排放限量參數(shù)

圖3 大氣污染物及溫室氣體排放結(jié)果

2.4 發(fā)電成本

折現(xiàn)率為5%，則規(guī)劃期內(nèi)發(fā)電總成本為84.40×109元，各環(huán)節(jié)成本及收益結(jié)果見表3。結(jié)果表明，在發(fā)電總成本中，外購電成本所占比重最大，其次是燃料購買成本和發(fā)電運營成本。由于深圳市能源資源匱乏，大部分發(fā)電燃料需從外地輸入，2/5的城市電力需從廣東電網(wǎng)購買，進(jìn)而導(dǎo)致了較高的外購電成本和燃料購買成本。因此，過度依賴進(jìn)口能源和外購電力，將使電力系統(tǒng)安全面臨巨大挑戰(zhàn)。規(guī)劃期內(nèi)各發(fā)電技術(shù)發(fā)電成本結(jié)果見圖4，結(jié)果表明，發(fā)電成本主要來自氣電和煤電。燃料成本是氣電和煤電發(fā)電成本的主要組成部分，分別占其發(fā)電成本的68.29%和78.21%；氣電和煤電的運行成本分別占15.85%和19.61%。對于可再生能源發(fā)電(如風(fēng)電、太陽能發(fā)電)，沒有燃料成本和大氣污染物減排及排放成本，運行成本相對較低，清潔環(huán)保。隨著技術(shù)進(jìn)步，風(fēng)電和太陽能發(fā)電成本將顯著下降，競爭力日益增強。因此，大力發(fā)展可再生能源，有助于開展節(jié)能減排，保證電力供應(yīng)安全，降低系統(tǒng)風(fēng)險。

表3各環(huán)節(jié)成本及收益

Tab.3Eachprocesscostandrevenue109元

圖4 各發(fā)電技術(shù)發(fā)電成本

3 結(jié) 論

(1)本文結(jié)合強健可能性規(guī)劃的優(yōu)點，以電力可持續(xù)供應(yīng)總成本最小為目標(biāo)，以資源、容量、電量、環(huán)境等為約束建立深圳市可持續(xù)電力系統(tǒng)規(guī)劃模型，得到能源供應(yīng)、電源結(jié)構(gòu)、外購電量、環(huán)境排放等符合深圳電力系統(tǒng)特色的優(yōu)化方案。

(2)通過模型計算得出規(guī)劃期內(nèi)外購電約占全市電力需求的2/5，外購電成本占發(fā)電總成本比重最大。因此，應(yīng)逐漸降低外購電量，增強本地清潔電力供應(yīng)能力，擴大本地清潔電力生產(chǎn)規(guī)模，從而實現(xiàn)大氣污染物及溫室氣體排放最少、發(fā)電成本最低、系統(tǒng)風(fēng)險最小的目標(biāo)。

(3)目前深圳市本地發(fā)電結(jié)構(gòu)是以氣電為主，煤電和核電為輔，垃圾焚燒發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、光伏發(fā)電作適當(dāng)補充，但本地可再生能源發(fā)電所占比重仍較小。隨著技術(shù)進(jìn)步，風(fēng)電和太陽能發(fā)電成本將顯著下降，應(yīng)借助清潔發(fā)展機制等手段進(jìn)一步加大本地可再生能源開發(fā)利用，實現(xiàn)供電方式多樣化，優(yōu)化能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、清潔、可持續(xù)的電力供應(yīng)。

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李永平 (1970)，女，教授，主要從事能源模型、能源系統(tǒng)分析、環(huán)境影響與風(fēng)險評價方面的研究工作；

黃國和 (1961)，男，教授，主要從事能源與環(huán)境系統(tǒng)分析、循環(huán)能源經(jīng)濟分析方面的研究工作。

(編輯：張小飛)

SustainableElectricPowerPlanningModelandEnergy-Saving&Emission-ReductionAnalysisinShenzhen

ZHOU Ya, LI Yongping, HUANG Guohe

(MOE Key Laboratory of Regional Energy Systems Optimization, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Reasonable electric power planning is an important way to tackle resource and environmental problems of electric industry, promote energy-saving and emission-reduction, and guarantee city’s sustainable development. Based on robust possibilistic programming, the sustainable electric power planning model for Shenzhen was formulated with taking the minimum total cost of sustainable power supply as target and the resource, capacity, electricity and environmental as constraints, the optimization scheme was obtained in which the energy supply, power structure, imported electricity and environmental emissions accorded with the characteristics of power system in Shenzhen. The results show that the imported electricity amount should be gradually reduced and the renewable resources utilization should be further increase by clean development mechanism to realize the diversification of power supply mode, which can realize safe, economic, clean, sustainable power supply.

electric power planning; optimization model; power structure; energy saving and emission reduction

教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項目(311013)；國家杰出青年科學(xué)基金(51225904)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金。

TM 715； TK 01+8

： A

： 1000-7229(2014)06-0075-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.014

2014-03-10

：2014-03-17

周雅 (1987)，女，博士研究生，主要從事能源系統(tǒng)分析與建模、能源系統(tǒng)規(guī)劃方面的研究工作，Email：yazhou.szu2010@gmail.com；