深圳市可持續電力規劃模型及節能減排分析

周雅，李永平，黃國和

(區域能源系統優化教育部重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206)

深圳市可持續電力規劃模型及節能減排分析

周雅，李永平，黃國和

(區域能源系統優化教育部重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206)

合理的電力規劃是解決電力行業資源和環境問題，推進節能減排，保障城市可持續發展的重要途徑。以深圳市為例，運用強健可能性規劃方法，以電力可持續供應總成本最小為目標，以資源、容量、電量、環境等為約束條件建立深圳市可持續電力規劃模型，得到能源供應、電源結構、外購電量、環境排放等符合深圳市電力系統特色的優化方案。研究結果表明，應逐漸降低外購電量，借助清潔發展機制等手段進一步加大本地可再生能源開發利用，實現供電方式多樣化，從而實現安全、經濟、清潔、可持續的電力供應。

電力規劃； 優化模型； 電源結構； 節能減排

0 引 言

節能減排，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境保護之間的矛盾，實現可持續發展的一項重大戰略舉措。《“十二五”節能減排綜合性工作方案》中提出了節能減排的主要目標：“到2015年，全國萬元國內生產總值能耗比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，電力行業是大氣污染物和溫室氣體排放最多的行業之一，其SO2和煙塵排放量分別占全國工業排放量的一半[1]。由于長期缺乏對電力系統進行有效的科學管理，我國電力系統面臨著十分嚴峻的資源、環境，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重，能源結構失調及管理失當，大氣污染及溫室效應問題嚴重，能源對外依存度上升及能源安全形勢嚴峻。顯然，單純依靠我國現有能源結構和發展模式無法解決上述資源與環境問題。因此，需要結合節能減排政策，通過合理的規劃來制定符合我國電力系統特色的可持續電力系統規劃方案，以降低污染物及溫室氣體排放，減少限電拉閘事件，從而保障電力系統的安全性、可靠性和靈活性，進而保障城市可持續發展[2]。

電力規劃是依據一定時期的國民經濟和社會發展規劃，預測相應的能源需求，從而對電力系統的結構、生產、轉換、使用和分配等各個環節作出的統籌安排。相比國外，國內在城市電力系統規劃研究方面起步較晚，主要研究集中在國外能源模型的應用，如佟慶等運用MARKAL模型對北京中遠期能源系統進行了研究[3]，黃東風等利用MESSAGE模型對浙江電源結構進行了優化研究[4]，余岳峰等采用MARKAL模型對上海能源系統進行了情景分析研究[5]，賈彥鵬等運用LEAP模型對江西景德鎮的能源需求與CO2排放進行了研究[6]，曾鳴等運用線性規劃對考慮碳排放約束的電力綜合資源規劃進行了模型研究與模擬分析[7]，馮悅怡等人運用LEAP模型對北京市節能與碳減排政策情景進行了研究[8]。但是國內大部分研究都僅限于國外模型的應用研究，缺乏對我國電力系統特點的綜合考慮，因此，國外能源系統優化模型中某些參數設定和情景假設并不完全符合我國城市電力系統規劃實際；同時，電力系統規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、線性規劃等簡單規劃方法不足以反映實際情況中的復雜性，影響了電力系統規劃模型的適用性。本文以深圳市為例，基于深圳市電力系統的復雜性和不確定性，運用強健可能性規劃方法，開發可持續電力系統規劃模型，得到符合深圳市電力系統特色的可持續電力系統規劃方案，為深圳市電力系統管理及節能減排提供參考依據。

1 模型構建

1.1 深圳市電力系統概述

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化進程，城市經濟高速發展，能源消耗迅猛增長，城市能源消費總量從2005年的2 921萬t標準煤增長到2010年的4 851萬t標準煤，年增長率達10.6%[9]。其中，電力行業是城市的主要能源消費部門，約占工業總能源消費的39.1%，2010年全市電力行業消耗超過860萬t標準煤。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]。深圳市電力系統是一個復雜的相互關聯的復雜系統，如圖1所示，包括能源供應、電力轉換、電力進口、電力出口、電力消費等多個環節。由于本地資源極端匱乏，城市能源供應(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。能源消費結構中，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液化天然氣調入深圳市，替代燃料油用于電力生產。目前深圳市電源結構已初步實現多元化，替代能源也得以發展。深圳市電力轉化技術包括燃煤發電、燃氣發電、核電、垃圾焚燒發電、生物質發電、抽水蓄能發電和太陽能光伏發電7種。截至2012年，深圳市發電總裝機容量為12.80 GW，其中煤電裝機2.54 GW、氣電裝機2.22 GW、燃油改燃氣電廠的額外氣電裝機1.84 GW、核電裝機6.12 GW、垃圾焚燒發電裝機75.00 MW、生物質發電裝機8.08 MW、太陽能光伏發電裝機2.83 MW。

圖1 深圳市電力系統

1.2 深圳市可持續電力系統規劃模型構建

結合強健可能性規劃的優點，通過模糊數表示發電燃料購買成本、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。鑒于規劃過程包括3種燃料類型、6種發電技術、3種大氣污染物、1種溫室氣體、3個規劃時期，以電力可持續供應總成本最小為目標，以資源、容量、電量、環境等為約束建立深圳市可持續電力系統規劃模型：

目標函數：

(1)

約束條件：

(1)資源約束。

(2)

式中：FEjk為在k時期j種發電技術的生產單位電量消耗的能源資源量；ARjk為在k時期j種發電技術的能源資源可獲得量。

(2)燃料約束。

(3)

式中：FDik為在k時期電力生產的i種燃料需求。

(3)電量約束。

(4)

式中：TEmk為在k時期內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種發電技術的退役容量；EHjk為在k時期j種發電技術的年運行時間；SPRjk為在k時期j種發電技術的廠用電率。

(5)尖峰負荷約束。

(7)

式中：PLk為在k時期本地電網年最高負荷；EIk為在k時期本地電網年最大負荷缺口。

(6)環境約束。

(8)

(9)

(7)擴建約束。

0≤ECEjk≤UEjkBYEjk,?j,k

(10)

(8)非負約束。

(11)

1.3 強健可能性規劃及解法

強健可能性規劃是由Pishvaee等人提出，對于模糊參數的全部可能值，具有可行性和最優性2方面的穩健性：優化結果的可行性和優化得到的目標函數接近優化值或對優化值有最小偏差的最優性[11]。模糊可能性規劃的一般形式如下：

目標函數：

(12a)

約束條件：

(12b)

X≥0

(12c)

目標函數：

(13a)

約束條件：

(13b)

X≥0

(13c)

0.5≤α≤1

(13d)

2 結果分析

2.1 能源供應

能源需求參數及能源供應優化結果見表1。結果表明，為了滿足深圳市日益增加的能源和電力需求，液化天然氣供應量、本地電力供應量和外購電量將增長迅猛，規劃期內增長率分別為10.42%、4.25%、8.10%；煤炭供應量將下降2.80%，核燃料供應量將呈小幅波動。電廠燃油鍋爐的“油改氣”技改項目將導致液化天然氣供應量大幅增加，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。液化天然氣是公認的清潔燃料，燃燒后不產生灰、渣等固體雜質，排放CO2量少。提高天然氣和核能等清潔能源占能源供應總量的比例，降低煤炭供應將是城市低碳發展的重點，有利于提高能源利用效率，優化城市能源結構，降低電力行業污染物和CO2排放，實現低碳能源供應。

2.2 電源結構

表1 能源需求參數及能源供應優化結果

圖2 各規劃期深圳市電源結構

通過分析各規劃期深圳市電源結構(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，可更新能源發電比重基本不變。氣電占城市本地電力供應的比重最大，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座已投產核電站，其中部分嶺澳核電站二期發電量直接供本市使用，大亞灣核電站70%的發電量和3座核電站剩余發電量分別銷往香港九龍電網和廣東電網，緩解香港和廣東地區的電力供應緊張。同時，本地電力供應無法滿足城市高速增長的電力需求，電力缺口從廣東電網外購來填補，規劃期內外購電約占全市電力需求的2/5。此外，本地可更新能源發電所占比重仍較小。深圳市具有很豐富的太陽能資源和可利用的風能資源[14]，可借助清潔發展機制等手段加大本地可再生能源開發利用，并加快抽水蓄能電站等項目建設，代替部分化石能源，實現供電方式多樣化，進一步提高清潔能源比例，降低能源消耗、電力行業污染物和溫室氣體排放，進而推進電力行業的節能減排。

2.3 環境排放

大氣污染物及溫室氣體排放限量參數及排放結果分別如表2和圖3所示。結果表明，在規劃期內，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%。深圳市電力行業污染物和碳排放主要來自本地發電和外購電。本地電廠已安裝脫硫、脫硝及除塵等設備，因而本地發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電廠，其排放量在規劃期內逐漸降低。相比之下，外購電對大氣污染物及溫室氣體排放貢獻很大。深圳市每年需從廣東電網購買一定電量滿足本市的電力缺口，廣東電網的電力主要來自廣東省內的煤電，也有部分核電、水電，其能源轉化效率低于本地能源轉化效率，其單位大氣污染物和CO2排放也高于本地電力生產的排放水平[15]。因此，逐漸降低外購電量，增強本地清潔電力供應能力，擴大本地清潔電力生產規模，是進一步優化能源結構，實現城市電力系統可持續發展的重要途徑。

表2 大氣污染物及溫室氣體排放限量參數

圖3 大氣污染物及溫室氣體排放結果

2.4 發電成本

折現率為5%，則規劃期內發電總成本為84.40×109元，各環節成本及收益結果見表3。結果表明，在發電總成本中，外購電成本所占比重最大，其次是燃料購買成本和發電運營成本。由于深圳市能源資源匱乏，大部分發電燃料需從外地輸入，2/5的城市電力需從廣東電網購買，進而導致了較高的外購電成本和燃料購買成本。因此，過度依賴進口能源和外購電力，將使電力系統安全面臨巨大挑戰。規劃期內各發電技術發電成本結果見圖4，結果表明，發電成本主要來自氣電和煤電。燃料成本是氣電和煤電發電成本的主要組成部分，分別占其發電成本的68.29%和78.21%；氣電和煤電的運行成本分別占15.85%和19.61%。對于可再生能源發電(如風電、太陽能發電)，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，清潔環保。隨著技術進步，風電和太陽能發電成本將顯著下降，競爭力日益增強。因此，大力發展可再生能源，有助于開展節能減排，保證電力供應安全，降低系統風險。

表3各環節成本及收益

Tab.3Eachprocesscostandrevenue109元

圖4 各發電技術發電成本

3 結 論

(1)本文結合強健可能性規劃的優點，以電力可持續供應總成本最小為目標，以資源、容量、電量、環境等為約束建立深圳市可持續電力系統規劃模型，得到能源供應、電源結構、外購電量、環境排放等符合深圳電力系統特色的優化方案。

(2)通過模型計算得出規劃期內外購電約占全市電力需求的2/5，外購電成本占發電總成本比重最大。因此，應逐漸降低外購電量，增強本地清潔電力供應能力，擴大本地清潔電力生產規模，從而實現大氣污染物及溫室氣體排放最少、發電成本最低、系統風險最小的目標。

(3)目前深圳市本地發電結構是以氣電為主，煤電和核電為輔，垃圾焚燒發電、生物質發電、光伏發電作適當補充，但本地可再生能源發電所占比重仍較小。隨著技術進步，風電和太陽能發電成本將顯著下降，應借助清潔發展機制等手段進一步加大本地可再生能源開發利用，實現供電方式多樣化，優化能源供應結構，實現安全、經濟、清潔、可持續的電力供應。

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

黃國和 (1961)，男，教授，主要從事能源與環境系統分析、循環能源經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

教育部科學技術研究重大項目(311013)；國家杰出青年科學基金(51225904)；中央高校基本科研業務費專項資金。

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，主要從事能源系統分析與建模、能源系統規劃方面的研究工作，Email：yazhou.szu2010@gmail.com；