從綠色應急救能車到E2S應急能源系統(tǒng)的研究探討

朱國皓 方建平 劉惠萍 宋天琦

1．上海航天能源股份有限公司

2．上海航天工業(yè)（集團）有限公司

3．上海市交通工程學會

0 概述

能源保障是所有應急安全保障的重要基礎。能源與城市的發(fā)展、人民的生活密不可分?？箵魹暮?，能源是所有應急手段的重要支撐。城市化加速，突發(fā)事件頻發(fā)，對能源的應急供應和保障提出了挑戰(zhàn)。為此，航天智慧能源研究院于2018年牽頭承擔了上海市科委社發(fā)重大專項《超大型城市保障重要負荷安全的智慧能源關鍵技術及應用》，形成了系統(tǒng)級的解決方案，研制了應急供能關鍵設備綠色應急救能車，并在張家港和上海的兩個廠房完成了兩次計劃停電救援演練。

2021年7月20日，河南遭暴雨災害，綠色應急救能車緊急前往實施救援，成功為河南省衛(wèi)輝市下園村一物資派發(fā)點提供了五天四夜的應急電力保障，直到當?shù)仉娋W(wǎng)恢復，救能車通過實戰(zhàn)考驗，圓滿完成救援任務。

在此次救災過程中，救能車也碰到了電壓和功率等級單一、網(wǎng)絡信號不暢、通過性受限等諸多新的挑戰(zhàn)。將來，災害發(fā)生的情況或?qū)絹碓筋l繁，憑單一種類救援設備難以形成系統(tǒng)級的應急能源保障能力，除在非常態(tài)場景下需要進一步優(yōu)化完善產(chǎn)品外，常態(tài)化管理方面，更需要布局多能源、可移動、可組合、平戰(zhàn)結合的分布式應急能源體系來提升超大城市的風險防范能力，并通過清潔的綠色應急能源，為我國在雙碳背景下的降碳作出貢獻。

1 綠色應急救能車開發(fā)與應用

1.1 綠色應急救能車新形勢下的新型應急能源裝備

能源產(chǎn)業(yè)是生活之保障體系、應急之支撐體系，構建應急能源基礎能力，打造應急能源立體交叉保障體系，具有重要的戰(zhàn)略意義?！冻笮统鞘斜Ｕ现匾摵砂踩闹腔勰茉搓P鍵技術及應用》項目圍繞“常態(tài)和非常態(tài)情況下保障城市重要負荷中心的能源安全”這一核心問題，通過對重要負荷能源安全保障的用戶需求、應用場景、系統(tǒng)技術、政策機制和示范應用等方面進行了長期研究積累，形成了對重要負荷用戶進行了分類，超大型城市大科學設施、交通樞紐、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心、重要實驗室、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基地等重要負荷中心的用能安全保障體系及解決方案，并研發(fā)了MNY120重要負荷保障智慧能源設備和綠色應急救能車等重要成果（見表1）。

表1 重要負荷用戶分類

以下是以機場為例的重要電力負荷再細化分析（見表2）。

表2 以機場為例的重要電力負荷再細化分析

綠色應急救能車的研發(fā)也源于能源應急領域?qū)τ谝苿邮侥茉磻毖b備的迫切需求，可為黨政司法機關、廣播電視與通信、公共事業(yè)、交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、人員密集場所等社會類重要負荷用戶以及各類生產(chǎn)重要用戶提供應急供電保障。如在機場風險防范措施中，應急救能車可作為能源保障的其中一個環(huán)節(jié)，為通信設施、站坪照明、應急指揮中心、消防站和供油設施等一級負荷提供應急供能、備份電源、能源補充等保障措施，也可為二級和三級負荷，如賓館、辦公樓和生活區(qū)提供電力保障。

綠色應急救能車設計理念來源于航天空間站艙段式能源系統(tǒng)，具有模塊化、智能化、平戰(zhàn)結合、功能多樣、機動性強、供能時間長、綠色環(huán)保、噪音低等特點。該設備以液化天然氣為發(fā)電燃料，具有三相交流供電、直流新能源車快充、應急照明、支持數(shù)據(jù)傳輸和智能調(diào)度等功能，可用于城市應急、搶險救災和軍需供能等社會類和生產(chǎn)類場景的能源保障、補充和備份。產(chǎn)品已完成整車公告、環(huán)保公開、3C認證和免征購置稅等各項認證工作，具備上牌和現(xiàn)場作業(yè)資格（見圖1）。

圖1 綠色應急救能車效果圖

綠色應急救能車的主要用途是應急供電保障，能源方艙是它的核心部件，方艙內(nèi)包含一臺LNG發(fā)電機組，發(fā)電的同時可實現(xiàn)低排放；而使用LNG作為發(fā)電燃料也提升了低溫啟動能力，可實現(xiàn)-20℃啟動；整個能源方艙進行了靜音設計，結合低噪音的LNG發(fā)電機組，工作噪音低于70 d B（見表3）。

表3 能源方艙參數(shù)

二代綠色應急救能車較一代產(chǎn)品增加了數(shù)據(jù)傳輸和遠程調(diào)度功能，并開發(fā)了調(diào)度管理平臺，提升了智能化程度。二代車上裝有一套智能終端設備，包含智能終端主機、高清攝像頭、各能源輸入輸出傳感器、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等組件，可通過智慧化調(diào)度管理平臺實時采集綠色應急救能車工況參數(shù)、現(xiàn)場視頻、地理位置等數(shù)據(jù)，并可提供可視化指揮調(diào)度、實時預警推送、大數(shù)據(jù)分析等功能，實現(xiàn)車輛智能化管控，大大降低了運維成本（見圖2）。

圖2 智慧化調(diào)度管理平臺

1.2 綠色應急救能車平戰(zhàn)結合的實戰(zhàn)應用

綠色應急救能車可用于常態(tài)情況下的能源風險防范和非常態(tài)情況下的應急能源保障場景。常態(tài)情況下，可用城市計劃性能源保障，如社區(qū)、工廠、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心、演出場館、交通樞紐、智慧交通大數(shù)據(jù)中心等的能源供給、補充和備份，也可供普通老百姓預約提供供能服務；非常態(tài)情況下可用于如方艙醫(yī)院、救援裝備、臨時安置點、物資補給點等搶險救災供能場景。

常態(tài)應急場景方面，綠色應急救能車已針對工廠計劃性停電案例，在張家港和上海分別進行了兩次救援演練。張家港的救援演練地點在一個停電的壓力容器制造廠車間內(nèi)，用戶預約了一輛綠色應急救能車來到現(xiàn)場，通過救能車為工廠車間內(nèi)行車及空壓機等設備應急供電，此次演練導通了應急發(fā)電應用場景的技術路徑。上海的演練安排在一個能源設備制造廠房，主要結合調(diào)度管理平臺進行應用應急供電演練，為車間行車、照明等設備供電的同時，也驗證了數(shù)據(jù)傳輸、智能調(diào)度、工況監(jiān)控等功能。在兩次演練中，綠色應急救能車低噪音、低污染和智能化等優(yōu)點發(fā)揮了良好的效果，演練成果顯著。

非常態(tài)應急場景方面，在“720河南暴雨災害”期間，八院上航工業(yè)當?shù)弥嵵菁爸苓叾鄶?shù)重災區(qū)供電中斷的情況后，迅速成立了援豫救災搶險工作組和突擊隊，并緊急調(diào)用應急救能車前往救援，開啟了五天四夜的抗災之旅。

突擊隊歷經(jīng)36 h長途跋涉1 000 km抵達河南新鄉(xiāng)，隨時準備執(zhí)行發(fā)電救援任務。7月26日，突擊隊受當?shù)乜篂闹笓]部統(tǒng)一調(diào)度安排，前往衛(wèi)輝市下園村一容納5 000人左右的物資派發(fā)集散點執(zhí)行救能供電任務。衛(wèi)輝是受災最嚴重的地方，為了安全，電網(wǎng)無法開啟，電力成為最稀缺的資源，集散點人員密集。室外溫度居高不下，通風、潮濕等一系列問題，使得多名群眾和志愿者中暑暈倒，白天有100多位工作人員及災民參與物資發(fā)放和接收，夜間有20個房間供40人休息，主要用電設施為空調(diào)、照明燈、水泵、電磁爐、電水壺等，用電負荷在5~20 kW，現(xiàn)場僅有一臺5．5 kW的小型發(fā)電機，難以發(fā)揮作用。突擊隊于27日凌晨成功將應急救能車接到現(xiàn)場配電柜，為整個安置點提供了電力保障。

交流供電方面，通過遠程監(jiān)控平臺上讀取數(shù)據(jù)顯示，移動能源車全天發(fā)電功率區(qū)間在5~15 kW，頻率50．1 Hz。圖3和圖4為調(diào)度平臺和車載顯示器呈現(xiàn)的典型瞬時運行參數(shù)。

圖3 救能車平臺實時反饋的發(fā)電參數(shù)

圖4 救能車控制屏實時反饋的發(fā)電參數(shù)

應急照明方面，救能車應急照明系統(tǒng)可實現(xiàn)水平360°、垂直90°旋轉(zhuǎn)。在實際應用的5個晚上，應急照明系統(tǒng)均正常運行，實際效果在100 m范圍內(nèi)可提供足夠亮度的照明，有效照明距離達250 m（見圖5、圖6）。

圖5 、圖6 能源車應急照明應用情況

此次援豫救災之行從出發(fā)到返程一共補充了3次燃料，每次400 L，約180 kg（見表4具體參數(shù)）。

表4 燃料使用和發(fā)電成本計算表

監(jiān)控方面，在E2S應急服務平臺地圖調(diào)度界面，選取目標車輛，可獲得車輛GIS信息及發(fā)電艙參數(shù)等基礎信息，進一步點擊擴展按鈕，可了解發(fā)電系統(tǒng)詳細工況及傳感器狀態(tài)、歷史行駛軌跡（見圖7）、工單執(zhí)行情況及歷史工單情況。

圖7 歷史行駛軌跡查詢界面

在整個救援行動中，應急救能車共為物資派發(fā)點的空調(diào)、照明燈、水泵、電磁爐、電水壺等設備供電約1 200 kWh，最長連續(xù)運行時間達40 h，大大改善了現(xiàn)場條件的同時，也驗證了綠色應急救能車在搶險救災實戰(zhàn)場景中的重要作用。

通過此次援豫救災行動，綠色應急救能車進行了一次全方位實戰(zhàn)演練，雖然總體應用情況良好，但單一應急供能設備也存在應用的局限性：一是能源種類單一，目前應急救能車僅能提供400 V/80 kW的電力，如遇到民用家電或不匹配的負荷等級，就難以發(fā)揮作用；二是提供的救援種類少，目前救能車僅能應急供電和照明，而災區(qū)往往還有生活用水、天然氣等多種資源需求；三是通信不暢，災區(qū)現(xiàn)場通信設施基本處于癱瘓狀態(tài)，需要穩(wěn)定的通信設施提高通信能力；四是受災地區(qū)車輛通過性不佳，為加強運輸能力，需要陸地和空中多種運輸方式提升相應能力。針對以上幾點，急需一套可提供多類型能源、充足的燃料保障、通信穩(wěn)定、運輸方式多樣、響應能力更強的分布式應急能源系統(tǒng)，提升應急能源保障能力和風險防范能力（見表5）。

表5 綠色應急救能車提升空間

2 E2S應急能源系統(tǒng)設想

航天智慧能源研究院牽頭開展對艙段式、可移動、模塊化、多能源、平戰(zhàn)結合的E2S應急能源系統(tǒng)的技術研究，并成立了“E2S應急能源系統(tǒng)生態(tài)圈”。目前，系統(tǒng)已列入《上海市應急管理“十四五”規(guī)劃》，已有申能集團、上海電力公司浦東供電公司、上海電力大學、臨港集團等單位陸續(xù)加入了生態(tài)圈。

E2S應急能源系統(tǒng)具備平戰(zhàn)結合的應用場景：在常態(tài)場景下，可通過公共服務熱線，向社會提供跨區(qū)域、快速反應、管理智能的綜合能源保障服務，如辦公樓、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心的能源保障，充電站、工廠、商業(yè)中心、演出場館等的電力調(diào)峰；在非常態(tài)場景下，可針對目標應急能源場景，通過多能的移動能源模塊（艙段），進行快速組合，形成不同時長、不同能源供給能力的新型、智慧、快捷、可靠的應急能源系統(tǒng)，處理超大城市區(qū)域突發(fā)、緊急能源保障事件，如災區(qū)能源保障方面，E2S應急能源系統(tǒng)可根據(jù)需求進行方案規(guī)劃并調(diào)度各站點資源，通過網(wǎng)絡或高效的衛(wèi)星連接通信，從各個能源站點調(diào)用可用方艙，組成能源供給系統(tǒng)，通過車輛、飛機、輪船等運輸方式，將方艙運至現(xiàn)場，通過標準接口快速搭建組合，第一時間為災區(qū)提供電、熱、冷能和天然氣輸出（見圖8）。

圖8 E2S應急能源系統(tǒng)應用示意圖

E2S應急能源系統(tǒng)基于航天艙段式空間站理念設計，具備艙段式、可移動、模塊化、多能源、平戰(zhàn)結合等特點。較傳統(tǒng)應急能源體系，E2S應急能源系統(tǒng)有燃料種類多、運行可靠性好、功能豐富、智能化程度高、環(huán)境適應性好、噪聲污染低、運輸方式多等優(yōu)勢（見表6）。各方艙功能：E2S應急能源系統(tǒng)包含E2S云平臺、能源方艙、集控方艙、服務方艙；E2S云平臺及智能終端設備可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸、移動能源裝備調(diào)度、跨站信息對接，實現(xiàn)應急裝備智能化管理和調(diào)度；能源方艙以天然氣、太陽能或谷電為能源輸入，提供電、熱、冷能和天然氣輸出，能源方艙包含電能方艙、冷能方艙、熱能方艙、儲能方艙、燃料方艙、應急救能車等；集控方艙提供數(shù)據(jù)通信和應急能源站內(nèi)能源調(diào)度控制等；服務方艙存放工作設備、工具、測試儀器等物資，并設有對外工作區(qū)域，為各類應急供能場景提供對接及保障服務。

表6 E2S應急能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)應急能源體系比較

能源方艙、集控方艙、服務方艙進行組合，可形成不同規(guī)模、不同時長、不同能源供給能力、規(guī)模從100 kW~1 MW不等的應急能源站，在城市中按需求布局若干應急能源站，形成應急能源體系，由E2S云平臺統(tǒng)一調(diào)度管理。

3 思考與建議

分布式的E2S應急能源系統(tǒng)可實現(xiàn)電、熱、冷、氣等能源的互保。在常態(tài)情況下可預防城市或區(qū)域突發(fā)、緊急能源保障事件。在非常態(tài)情況下，可針對不同目標場景，快速形成對應應急能源保障系統(tǒng)。作為電網(wǎng)和氣網(wǎng)的補充力量，守住基本能源供應底線，為城市和人民提供移動式、安全、清潔、智慧的可持續(xù)能源。

在未來，自然災害和停電限電情況或?qū)⒃桨l(fā)頻繁，布局分布式的E2S應急能源系統(tǒng)，可作為城市常態(tài)化應急管理下的重要能源保障手段，提升超大城市的風險防范能力，同時可帶動新型能源保障產(chǎn)品的形成，促進應急能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與產(chǎn)值的提升。在力爭2030年前碳達峰和2060年前碳中和的國家戰(zhàn)略背景下，E2S應急能源系統(tǒng)的綠色清潔能源也可為超大型城市的降碳貢獻力量。為充分發(fā)揮E2S應急能源系統(tǒng)在超大型城市能源安全防范中的作用，建議可從技術、機制等方面系統(tǒng)設計、科學推進各項工作。

技術方面，建議依托上海市等地方政府開展對E2S應急能源系統(tǒng)的技術研究與應用示范，通過標準化設計，開發(fā)集控、能源、服務等方艙，形成可復制、可推廣的技術方案，并針對城市能源安全風險防范、自然災害等重點場景進行應用示范和實戰(zhàn)考驗。另外，可持續(xù)吸納用戶單位、高校、科研院所、行業(yè)單位、協(xié)會等擴大“E2S應急能源系統(tǒng)生態(tài)圈”，通過“產(chǎn)、學、研、用”的平臺合作，夯實研究成果。

機制方面，E2S應急能源系統(tǒng)作為一項新技術來進行示范運行及推廣，現(xiàn)有相關法律、政策、機制等必然會對其有所限制，需在政府的指導下、行業(yè)標準的支持下，通過課題研究或應用示范項目在機制方面進行充分研究，探索適合E2S應急能源系統(tǒng)的全新機制模式，為促進應急產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、提升超大型城市的風險防范能力與雙碳目標下的降碳減排作出應有的貢獻。