常熟綜合能源示范區(qū)能源系統(tǒng)規(guī)劃研究探討

孫志凰，金 颋，奚巍民，孫 強(qiáng)，謝 典，蔣一博

(國網(wǎng)(蘇州)城市能源研究院，江蘇 蘇州 215000)

常熟市位列2017年和2018年全國中小城市綜合實(shí)力百強(qiáng)縣市第四名。常熟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(以下簡稱“常熟經(jīng)開區(qū)”)位于常熟東北側(cè)，2010年被國務(wù)院批準(zhǔn)成為國家級(jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。

園區(qū)能源消費(fèi)是全國能源消費(fèi)的重要組成部分[1]，2015年僅計(jì)及200余家園區(qū)，能源消費(fèi)就占全國10%，碳排放量占全國11%。蘇州作為“國際能源變革論壇”永久會(huì)址，以蘇州常熟市經(jīng)開區(qū)為樣本，有助于探索“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源戰(zhàn)略思想在工業(yè)園區(qū)落地的戰(zhàn)略路徑[2]。常熟經(jīng)開區(qū)集聚眾多產(chǎn)業(yè)園區(qū)，對(duì)煤炭等傳統(tǒng)化石能源消耗巨大，節(jié)能減排需求迫切，常熟開展能源變革研究是蘇州創(chuàng)建國際能源變革發(fā)展典范城市的重要參與和積極實(shí)踐[3]。

經(jīng)開區(qū)整合冷、熱、電等能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)和消費(fèi)，實(shí)現(xiàn)多能階梯利用，有利于提高能源綜合利用效率[4-5]，降低用能成本，推動(dòng)能源變革；通過實(shí)施能源系統(tǒng)集中托管，增強(qiáng)能源供應(yīng)保障能力；通過優(yōu)化能源調(diào)度和供需平衡[6-7]，減少“三廢”排放，改善園區(qū)發(fā)展環(huán)境，提高園區(qū)綜合吸引力和競爭力，助力地方可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)于電、氣、熱等多能系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃，能源梯級(jí)利用，學(xué)者們已開展了大量理論研究：文獻(xiàn)[8]分析了能源系統(tǒng)需求預(yù)測及需求預(yù)測的主要影響因素；文獻(xiàn)[9-10]探討了我國園區(qū)、城鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法；文獻(xiàn)[11-12]研究了綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化方法；文獻(xiàn)[13-14]探討了綜合能源系統(tǒng)智慧平臺(tái)開發(fā)及其頂層設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[15]總結(jié)了綜合能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及方案；文獻(xiàn)[16-17]分析了綜合能源服務(wù)市場交易策略及風(fēng)險(xiǎn)管控；文獻(xiàn)[18-19]討論了綜合能源服務(wù)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展。

本文總結(jié)經(jīng)開區(qū)能源系統(tǒng)的3個(gè)特征：以工業(yè)負(fù)荷為主，兼有住宅和商業(yè)負(fù)荷;靠近長江，可適當(dāng)考慮利用江水源熱泵;自備電廠關(guān)停出現(xiàn)電力、蒸汽負(fù)荷缺口，同時(shí)也靠近兩大電廠。對(duì)于示范區(qū)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃主要考慮特點(diǎn)2和特點(diǎn)3，綜合考慮該示范區(qū)電、氣、熱等能源生產(chǎn)和消費(fèi)，探索在示范區(qū)利用電廠蒸汽或余熱資源，結(jié)合熱泵給建筑供應(yīng)冷熱的經(jīng)濟(jì)性，以及研究利用水源熱泵等低位熱源提升區(qū)域能源供應(yīng)水平的路徑。

1 綜合能源系統(tǒng)現(xiàn)狀及需求分析

1.1 基本情況及規(guī)劃范圍

示范區(qū)面積約2 km2，防護(hù)、綠化用地占53.6%，工業(yè)用地占37.7%，居住用地占7.7%，商業(yè)用地占0.96%。其產(chǎn)業(yè)規(guī)劃以大數(shù)據(jù)、信息裝備制造、新材料產(chǎn)業(yè)為主。

1.2 資源稟賦

該地屬于太陽能資源三類地區(qū)，在示范區(qū)規(guī)劃充分利用本地太陽能，規(guī)劃建設(shè)10 MW屋頂光伏。由于周圍電力線路走廊密集，不適宜布置大型風(fēng)機(jī)。

該區(qū)域靠近長江，在長江水資源利用政策和經(jīng)濟(jì)性允許的前提下，可以考慮水源熱泵[20-22]。由于政策原因且當(dāng)?shù)氐牡責(zé)豳Y源一般，示范區(qū)地?zé)豳Y源暫不考慮。

示范區(qū)與華潤電廠、常熟熱電廠兩座區(qū)域電廠相鄰，有豐富的蒸汽資源可以利用。但在方案比選時(shí)，應(yīng)慎重考慮利用高品位蒸汽驅(qū)動(dòng)熱泵制冷的經(jīng)濟(jì)性是否合理。

1.3 需求預(yù)測分析

結(jié)合地方政府的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃及相關(guān)規(guī)范要求，基于負(fù)荷密度法和典型行業(yè)用能經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合能源示范區(qū)的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果如表1所示，規(guī)劃水平年為2025年。

壓縮空氣已由地方政府與地方電廠簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議集中供應(yīng)，電力由電網(wǎng)公司供應(yīng)。

表1 綜合能源示范區(qū)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果

1.4 規(guī)劃思路和原則

根據(jù)示范區(qū)能源資源稟賦和能源利用現(xiàn)狀，圍繞“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，充分考慮利用電廠蒸汽吸收式熱泵方案的經(jīng)濟(jì)性與本地的光伏、水源熱等清潔資源，從能源供給配置、能源消費(fèi)優(yōu)化等環(huán)節(jié)，開展示范區(qū)能源轉(zhuǎn)型方案研究。

(1)對(duì)比電制冷冷水機(jī)組、吸收式熱泵、蓄冷蓄熱等技術(shù)效率和經(jīng)濟(jì)性，形成多元低碳的清潔供給系統(tǒng)。

(2)通過建設(shè)綠色節(jié)能建筑，推動(dòng)綠色低碳用能，推廣節(jié)能新技術(shù)、新產(chǎn)品應(yīng)用，大力提倡節(jié)約高效的能源消費(fèi)。

(3)充分應(yīng)用云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)和先進(jìn)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智慧精益的能源服務(wù)。

2 基于MATLAB能源系統(tǒng)分析

2.1 MATLAB簡介

MATLAB是由美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析等，作為經(jīng)典的計(jì)算工具，本文不再贅述。本文仿真計(jì)算基于國網(wǎng)(蘇州)城市能源研究院綜合能源系統(tǒng)分析工具，該工具主要基于MTALAB平臺(tái)。

該工具可以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、碳排放最優(yōu)等單個(gè)或多個(gè)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算，實(shí)現(xiàn)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置。

2.2 電力供應(yīng)方案

在區(qū)內(nèi)布置6座10 kV開關(guān)站，10 kV電網(wǎng)采用雙環(huán)網(wǎng)接線方式，上級(jí)電源來自110 kV碧溪變電站和110 kV吳市變電站。示范區(qū)電網(wǎng)地理接線示意圖如圖1所示。

圖1 示范區(qū)電網(wǎng)地理接線示意圖

2.3 建筑冷熱供應(yīng)方案

基于MATALAB計(jì)算工具，以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，給出綜合能源系統(tǒng)配置方案。其中，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)包括設(shè)備固定成本、設(shè)備運(yùn)維成本、燃料成本等，目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)

式中Cost——總成本；k——設(shè)備編號(hào)常數(shù)，如空調(diào)設(shè)備、電制冷冷水機(jī)組設(shè)備、CHP設(shè)備等；c——成本；cinv——初投資年化成本；com——運(yùn)維成本；t——時(shí)間，全年時(shí)間8 760 h；pgrid——網(wǎng)供電；pele——電費(fèi)；pgas——天然氣費(fèi)用。

通過計(jì)算仿真，得出以下系統(tǒng)配置方案。能源站主要設(shè)備清單如表2所示。

表2 能源站主要設(shè)備清單

水源熱泵機(jī)組設(shè)備投資昂貴，約為3 500元/kW，電制冷機(jī)成本約為600元/kW，仿真系統(tǒng)在以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)時(shí)，將水源熱泵方案篩選出局。此處，認(rèn)為水源熱泵制冷系統(tǒng)的綜合COP系數(shù)為4.0，電制冷冷水機(jī)組系統(tǒng)的綜合制冷COP系數(shù)為3.5。

系統(tǒng)的供電功率仿真圖如圖2所示，示范區(qū)的電負(fù)荷以電網(wǎng)供電為主，小型CHP在滿足建筑熱負(fù)荷需求的同時(shí)，產(chǎn)生的電能可滿足一部分的電負(fù)荷。

電制冷冷水機(jī)組供冷負(fù)荷曲線圖如圖3所示。系統(tǒng)的供熱功率仿真圖如圖4所示。由燃?xì)忮仩t和小型CHP供應(yīng)的熱負(fù)荷，燃?xì)忮仩t還承擔(dān)著熱負(fù)荷調(diào)峰的功能。

圖2 系統(tǒng)的供電功率仿真圖

圖4 系統(tǒng)的供熱功率仿真圖

3 基于EnergyPlan能源系統(tǒng)分析

3.1 EnergyPlan軟件簡介

EnergyPlan分析工具由丹麥奧爾堡大學(xué)開發(fā)，其主界面示意如圖5所示。

EnergyPlan軟件可以比較全面地涵蓋一個(gè)區(qū)域的綜合能源系統(tǒng)[20]，主要有：電力、熱力、交通、工業(yè)等系統(tǒng)的能源生產(chǎn)與消費(fèi)。主要有以下特點(diǎn)[21]。

(1)可用于分析不同能源發(fā)展政策對(duì)某一地區(qū)或國家能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性的影響；對(duì)綜合能源系統(tǒng)按能源生產(chǎn)、消費(fèi)進(jìn)行概括性描述。

(2)程序運(yùn)行不需要通過迭代等復(fù)雜算法，這一特點(diǎn)使模型的計(jì)算速度非?？焖伲瑢?duì)某地區(qū)全年能源數(shù)據(jù)計(jì)算一般只需幾秒。

(3)不足之處：該模型本身不具有系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化功能，但與MATLAB有接口，可利用MATLAB實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的優(yōu)化功能。

本文分別使用MATLAB和EnergyPlan軟件，利用MATLAB給出系統(tǒng)方案優(yōu)化配置，利用EnergyPlan分析系統(tǒng)不同情景的經(jīng)濟(jì)性，未作系統(tǒng)優(yōu)化，只是通過計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)比分析。

圖5 EnergyPlan工具主界面

3.2 基于EnergyPlan的配置方案及經(jīng)濟(jì)性分析

方案一：電廠蒸汽利用型(如圖6所示)，雖然蒸汽利用型方案在MATLAB以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)優(yōu)化過程中已被淘汰，但出于學(xué)術(shù)對(duì)比研究，此處以數(shù)據(jù)對(duì)比說明。

方案二：電壓縮式空調(diào)制冷熱(如圖7所示)。

圖6 余熱利用型供建筑冷熱負(fù)荷

圖7 電壓縮空調(diào)供應(yīng)建筑冷熱負(fù)荷

EnergyPlan工具本身沒有優(yōu)化功能，電壓縮空調(diào)制冷COP系數(shù)可分別手動(dòng)設(shè)置為2.0和3.0，利用蒸汽的溴化鋰吸收式制冷COP取1.5。8:00-24:00時(shí)段，一般工商業(yè)電價(jià)取0.705 4元/kWh，0:00-8:00時(shí)段，低谷電價(jià)為0.335 1元/kWh，蒸汽220元/t。

溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的COP1系數(shù)選取1.5，電制冷冷水機(jī)系統(tǒng)是一種高效的壓縮式空調(diào)系統(tǒng)，其綜合制冷COP2系數(shù)分別取2.0和3.0。

COP2=2.0時(shí)，兩種方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表3所示。COP2=3.0時(shí)，兩種方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表4所示。

如表3和表4所示， COP2系數(shù)越大，采用電制冷冷水機(jī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性越好，因?yàn)槭痉秴^(qū)建筑冷負(fù)荷需求大于熱負(fù)荷需求。

經(jīng)計(jì)算，在蒸汽價(jià)格、電價(jià)一定的條件下，若COP2取3.0時(shí)電制冷冷水機(jī)組方案已具有經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)際工程中，電制冷冷水機(jī)組制冷系統(tǒng)的COP很容易實(shí)現(xiàn)3.0，通常為3.5，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性會(huì)更好。反之，在COP2=3.0時(shí)，溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)若期望經(jīng)濟(jì)性高于電制冷冷水機(jī)，則供熱蒸汽價(jià)格需降到170元/t，而這在當(dāng)?shù)睾茈y實(shí)現(xiàn)。

示范區(qū)全年電力平衡如圖8所示，區(qū)域熱力需求如圖9所示。其中，熱力需求包括用于吸收式制冷機(jī)組使用蒸汽需求。

表3 COP2=2.0時(shí)，兩種方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

表4 COP2=3.0時(shí)，兩種方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

圖8 示范區(qū)全年電力平衡仿真圖

圖9 示范區(qū)全年區(qū)域熱需求仿真圖

4 結(jié)語

本文運(yùn)用兩種方法分析了綜合能源示范區(qū)不同系統(tǒng)配置方案的經(jīng)濟(jì)性。

(1)方法一：基于MATLAB工具，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，給出系統(tǒng)優(yōu)化配置方案；

(2)方法二：基于EnergyPlan工具，分析對(duì)比余熱利用、電制冷冷水機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

通過數(shù)據(jù)對(duì)比，推薦示范區(qū)建筑冷熱負(fù)荷宜采用電制冷冷水機(jī)組供應(yīng)方案，并合理配置蓄冷蓄熱系統(tǒng)，在電價(jià)峰值時(shí)段，配置使用小型燃?xì)忮仩t等設(shè)備，隨著一般工商業(yè)電價(jià)進(jìn)一步降低，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步提升。