能源互聯(lián)網(wǎng)未來能源安全的質(zhì)量保證

謝小軍

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能源互聯(lián)網(wǎng)未來能源安全的質(zhì)量保證

謝小軍

（上海汽輪機(jī)廠有限公司工業(yè)透平部，上海交通大學(xué)，上海 200240）

能源成為當(dāng)今越來越熱門的話題，能源直接關(guān)系著國計(jì)民生，如何保證能源的安全就顯得至關(guān)重要。傳統(tǒng)的大電廠大電網(wǎng)固然能夠保證充裕的電量供應(yīng)，但是局部調(diào)整的能力有限，更不能實(shí)現(xiàn)用戶冷熱電三聯(lián)供。能源互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)將成為未來能源安全的質(zhì)量保證。

能源； 分布式能源； 燃?xì)廨啓C(jī)； 能源互聯(lián)網(wǎng)

一、能源的重要性

能源對(duì)我們非常重要，始終貫穿我們的衣食住行。我們穿的衣服是工廠制造的，工廠的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)需要能源；食物加工需要消耗能源；房子需要空調(diào)來調(diào)節(jié)溫度，需要消耗能源；出行交通工具需要用能源驅(qū)動(dòng)。能源如此重要，保證能源安全，對(duì)國家安全、人民生活有重要意義，這就要保證能源供應(yīng)的質(zhì)量。保證質(zhì)就是要保證能源的品質(zhì)好污染小，就要提高能源的利用效率，對(duì)能源進(jìn)行梯度利用，用能的重心向清潔能源傾斜。要保證能源能源供應(yīng)的量，就要開發(fā)新的能源，節(jié)能，開拓新的能源利用方式。

能源的種類很多，按照是否經(jīng)過轉(zhuǎn)化，可以分為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、未經(jīng)加工轉(zhuǎn)換的能量資源。二次能源是轉(zhuǎn)化過形式的能源。電能是我們應(yīng)用最方便最廣泛最清潔的二次能源。按照應(yīng)用早晚又分為化石能源（煤，石油，天然氣等），新能源。

二、現(xiàn)有的發(fā)電模式

使用最方便，最清潔的當(dāng)然是電能。電能是一種二次能源。目前我國主流的電能生產(chǎn)方式是燃燒化石能源發(fā)電，其中燃煤電廠占很大比重。這也是有我們國家的能源結(jié)構(gòu)決定的。

圖一 中國能源結(jié)構(gòu)

1.火電廠流程如下圖所示

圖二 火電廠流程圖

電廠建有煤場(chǎng)，煤經(jīng)過磨煤機(jī)磨成煤粉后用風(fēng)機(jī)送入爐膛。爐膛內(nèi)設(shè)有水冷壁，受熱的水進(jìn)入鍋筒變成飽和蒸汽，再經(jīng)過過熱器加熱為過熱蒸汽。蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸做功，然后進(jìn)入再熱器加熱再次成為過熱蒸汽，進(jìn)入中壓缸，而后低壓缸。在蒸汽的推動(dòng)下，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)做功。汽輪機(jī)排除的乏汽經(jīng)過冷凝器的冷卻，再次循環(huán)。整個(gè)電廠由于規(guī)模大，可以維持高效穩(wěn)定運(yùn)行。很多電廠可以連續(xù)運(yùn)行一年不小修甚至更長。大型火電廠的效率可以到45%左右，如果采用背壓式汽輪機(jī)供熱，效率可以到60%以上。然而火電廠由于排放較大，噪音大，又需要配備煤場(chǎng)等易產(chǎn)生粉塵的車間，不適合在城市中布置。供熱的范圍一般局限在8Km左右。因此大部分的能源只能以電能的形式利用。

2.核電廠流程如下圖所示

圖三 核電廠流程圖

我們以田灣核電的WWER-1000機(jī)組為例，這是典型的二代半壓水堆技術(shù)。整個(gè)電廠分為兩個(gè)回路。一回路的水始終工作在不飽和區(qū)，由主泵驅(qū)動(dòng)源源不斷的冷卻堆芯。一回路的水進(jìn)入蒸汽發(fā)生器加熱二回路水產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功。單就二回路來說，核電站和常規(guī)火電廠的流程區(qū)別不是很大。但是核電站主蒸汽參數(shù)比較低，又經(jīng)過了蒸汽發(fā)生器的再次能量傳遞，整體能量轉(zhuǎn)換效率比較低。核電站的優(yōu)勢(shì)是可以將規(guī)模建設(shè)的很大而不用配置煤廠、鐵路等配套設(shè)施，單位質(zhì)量燃料產(chǎn)生的電能是火電機(jī)組所不能企及的。但是由于核安全角度的考慮，核電廠不能供暖。

核電站和火電機(jī)組非常適合帶電網(wǎng)的基本負(fù)荷。

3.燃機(jī)電站與聯(lián)合循環(huán)

燃機(jī)從設(shè)計(jì)之初就是為了在飛機(jī)上使用的，所以適合頻繁起停，重型燃機(jī)是進(jìn)一步優(yōu)化以適合電廠發(fā)電使用的，可用于負(fù)荷波動(dòng)較大的場(chǎng)所，也可以用于電網(wǎng)調(diào)峰。

圖四 燃機(jī)電廠模型圖

單燃機(jī)的效率并不是很高，在40%左右。但是燃機(jī)能夠產(chǎn)生溫度很高的煙氣，通過余熱鍋爐再次實(shí)現(xiàn)火電廠的朗肯循環(huán)。并可以結(jié)合溴化鋰制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供。這樣一來整個(gè)聯(lián)合循環(huán)的效率高達(dá)70%以上。所以目前燃機(jī)電廠大多使用聯(lián)合循環(huán)（CCPP）。

圖五 火電廠與燃機(jī)電廠效率對(duì)比

燃機(jī)本身排放低，噪音相對(duì)較小，聯(lián)合循環(huán)又可以實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供（CCHP），所以燃機(jī)電廠可以布置在近郊甚至市區(qū)，直接實(shí)現(xiàn)熱能的分級(jí)利用。高品質(zhì)的用于發(fā)電，低品質(zhì)的用于供暖，最次的低品位蒸汽驅(qū)動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)。

圖六 天然氣冷熱電三聯(lián)供流程

由于前面提到的供熱半徑的限值，冷熱電三聯(lián)供的電站趨向于做的規(guī)模較小，分布零散，往往又搭配燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等作為補(bǔ)充。我們把這種近用戶側(cè)，小型化，規(guī)模小，分散布局，結(jié)合多種能源利用形式實(shí)現(xiàn)能量提及利用的能源利用形式稱為分布式能源。

分布式能源主要依托天然氣發(fā)電，能源綜合利用效率高，輸配電損耗較小。

三、分布式能源

圖七 分布式能源與常規(guī)能源利用率對(duì)比

分布式能源還能起到削峰填谷的作用。以夏季用電為例：

圖八 分布式能源“削峰填谷”

工作時(shí)間天然氣用量較低，用電量較大，而下班之后恰恰相反。如果在工作時(shí)間用天然氣發(fā)電對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充，就能夠用天然氣的峰去填電網(wǎng)的谷。

自從愛迪生點(diǎn)亮了我們的夜晚，人類的生活就跟電能密不可分。越來越密集的電網(wǎng)，越來越多的電器設(shè)備，電在我們的生活中的重要性也越來越高。供電的可靠性和安全性也越來越重要。

圖九 美國夜間衛(wèi)星圖（白色為城市照明）

注：照片來源于美國國家地理網(wǎng)

1965年在短短的四分鐘內(nèi)從加拿大到紐約，從波士頓到馬薩諸塞，整個(gè)加拿大和美國東部陷入一片黑暗。因?yàn)榘泊舐允」╇娬镜氖д`，繁華的美國東部當(dāng)晚最亮的只剩下一輪月亮。醫(yī)生甚至不得不借助應(yīng)急照明來做手術(shù)。1977年長達(dá)24小時(shí)的停電甚至導(dǎo)致紐約發(fā)生了暴亂。2003年加拿大和美國東部又發(fā)生了大規(guī)模停電，大部分公共交通設(shè)施癱瘓，城市接近停擺近五千萬人受到影響。還有2008年雪災(zāi)導(dǎo)致的中國湖南省大停電，2012年印度大停電，等等大規(guī)模停電事故對(duì)人們的生產(chǎn)、生活帶來了巨大的損失。在這些大規(guī)模的停電事故中，一些配備了分布式能源醫(yī)院、學(xué)校不僅僅維持了機(jī)構(gòu)本身的正常運(yùn)行，也為周邊居民提供了幫助和便利。分布式能源具有獨(dú)立性和自控性，能夠在電網(wǎng)出現(xiàn)問題時(shí)實(shí)現(xiàn)一段時(shí)間的自持，進(jìn)行孤島運(yùn)行。

分布式能源結(jié)合傳統(tǒng)能源構(gòu)成能源互聯(lián)網(wǎng)能夠大大增加電網(wǎng)的魯棒性。能源互聯(lián)網(wǎng)的建立可以起到1+1>2的效果。

四、能源需求側(cè)規(guī)劃與能源互聯(lián)網(wǎng)

1.合理的能源需求側(cè)規(guī)劃是能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)

關(guān)注能源安全，應(yīng)要對(duì)需求側(cè)進(jìn)行合理的規(guī)劃。合理配置能源，能夠降低能源的利用成本，保證供給質(zhì)量。需求側(cè)規(guī)劃更多強(qiáng)調(diào)的是節(jié)能。從一開始把控住能源不過剩。合理規(guī)劃是保證能源安全，建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)合理規(guī)劃的根本是精準(zhǔn)的負(fù)荷預(yù)測(cè)。

傳統(tǒng)能源規(guī)劃方式是負(fù)荷的簡單疊加。比如有一處寫字樓和酒店毗鄰，酒店耗能總計(jì)280W/m2，寫字樓總計(jì)420W/m2，負(fù)荷的變化如下圖所示。如果簡單疊加則最大能耗為700W/m2，如果按照負(fù)荷隨時(shí)間的變動(dòng)疊加最大570W/m2。如果按照570W/m2配置，按前者選擇制冷機(jī)，裝機(jī)量只要(0.57×面積)kW，70%以上運(yùn)行時(shí)段超過10小時(shí)。但是如果按照700MW/m2配置制冷機(jī)組，全天負(fù)荷率在57%以下，這就造成了資源的浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)效益降低。

在負(fù)荷分析時(shí)，保證結(jié)果準(zhǔn)確的做法應(yīng)該是建立各種建筑的模型，根據(jù)各種類型的建筑在不同情況下負(fù)荷的變化情況，模擬不同的使用情景，生成逐時(shí)的負(fù)荷因子。最終結(jié)果的疊加應(yīng)該按照時(shí)段，不同建筑之間乘以負(fù)荷因子疊加。取疊加結(jié)果的峰值再計(jì)算一定的裕量用于設(shè)備的選型。

圖十 需求側(cè)負(fù)荷逐時(shí)分析舉例

2.能源互聯(lián)網(wǎng)是結(jié)合傳統(tǒng)能源和新能源的橋梁

在合理規(guī)劃的基礎(chǔ)上，利用智能電網(wǎng)將傳統(tǒng)能源、分布式能源有機(jī)結(jié)合起來的能源互聯(lián)網(wǎng)，是我們保障能源安全，實(shí)現(xiàn)能源合理配給的保證。能源互聯(lián)網(wǎng)是利用先進(jìn)的能源管理技術(shù)將傳統(tǒng)能源、分布式能源有機(jī)融合到電網(wǎng)中，以電能的形式實(shí)現(xiàn)能源的雙向傳遞的能源網(wǎng)絡(luò)。電網(wǎng)穩(wěn)定時(shí)，分布式能源站可以選擇自發(fā)自用，富余的電量上網(wǎng)，或者從電網(wǎng)購電進(jìn)行補(bǔ)充；也可以選擇只從電網(wǎng)購電，將分布式能源站作為應(yīng)急電源使用。電網(wǎng)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，分布式能源站可以在同意調(diào)控下協(xié)助調(diào)峰機(jī)組穩(wěn)定電網(wǎng)，也可以保障周邊用戶的用電需求。能源互聯(lián)網(wǎng)也可以理解為能源云，每個(gè)能源站都可獨(dú)立的產(chǎn)生發(fā)電、供能，在部分用戶負(fù)荷需求升高時(shí)，依托智能電網(wǎng)在各個(gè)用戶之間靈活調(diào)配。近距離的用戶甚至可以調(diào)配蒸汽和冷氣。電能的交易、冷熱的交易可能無時(shí)無刻不在發(fā)生。

圖十一 需求側(cè)負(fù)荷分析流程

圖十二 能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)

從能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)來看，能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合了傳統(tǒng)能源和新能源，傳統(tǒng)電廠、分布式能源站、新能源電站、智能電網(wǎng)和大數(shù)據(jù)計(jì)算中心是它的物質(zhì)基礎(chǔ)。能源互聯(lián)網(wǎng)有助于管理者從宏觀角度實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的調(diào)控和統(tǒng)籌，有利于運(yùn)營者實(shí)現(xiàn)與消費(fèi)者的互動(dòng)，提高能源利用效率，有利于消費(fèi)者靈活得獲取更多的能源形式。在能源互聯(lián)網(wǎng)中對(duì)分布式能源站節(jié)點(diǎn)來說，運(yùn)營者和消費(fèi)者的角色不是固定不變的，當(dāng)分布式能源站的能源有富裕時(shí)，原來的消費(fèi)者就變成了運(yùn)營者；當(dāng)能源站發(fā)電不足時(shí)，運(yùn)營者又變成了消費(fèi)者。當(dāng)然，對(duì)于傳統(tǒng)電廠和傳統(tǒng)用戶來說，他們更多時(shí)候扮演的是固定的運(yùn)營者和固定消費(fèi)者的角色。

能源互聯(lián)網(wǎng)要求共享的不僅僅是能源，還有各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)的功率、負(fù)荷信息。如果把電能看作是血液，這些信息就是把控血液流動(dòng)的神經(jīng)信號(hào)。依托實(shí)時(shí)的信息共享進(jìn)行的能源調(diào)配和能源交易，正是國家進(jìn)行的供給側(cè)改革追求的目標(biāo)。

鑒于能源互聯(lián)網(wǎng)與信息互聯(lián)網(wǎng)的相似性，可以設(shè)想，能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將經(jīng)歷與信息互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展相似的路線。能源互聯(lián)網(wǎng)能否廣泛普及并如信息互聯(lián)網(wǎng)那樣創(chuàng)造出與傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)完全不同的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)模式，并將如何改變?nèi)祟惖纳钆c工作方式，現(xiàn)在還不可預(yù)知。但可以肯定的是能源互聯(lián)網(wǎng)定會(huì)跟信息互聯(lián)網(wǎng)有機(jī)結(jié)合在一起，讓我們未來的生活產(chǎn)生新的變革。

2016-09-30

謝小軍（1989-），男，山東濰坊人，上海汽輪機(jī)廠有限公司助理工程師，上海交通大學(xué)碩士在讀。主要研究方向：分布式能源規(guī)劃。

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1672-4437（2016）04-0055-06