常熟綜合能源示范區能源系統規劃研究探討

孫志凰，金 颋，奚巍民，孫 強，謝 典，蔣一博

(國網(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力百強縣市第四名。常熟經濟技術開發區(以下簡稱“常熟經開區”)位于常熟東北側，2010年被國務院批準成為國家級經濟技術開發區。

園區能源消費是全國能源消費的重要組成部分[1]，2015年僅計及200余家園區，能源消費就占全國10%，碳排放量占全國11%。蘇州作為“國際能源變革論壇”永久會址，以蘇州常熟市經開區為樣本，有助于探索“四個革命、一個合作”能源戰略思想在工業園區落地的戰略路徑[2]。常熟經開區集聚眾多產業園區，對煤炭等傳統化石能源消耗巨大，節能減排需求迫切，常熟開展能源變革研究是蘇州創建國際能源變革發展典范城市的重要參與和積極實踐[3]。

經開區整合冷、熱、電等能源生產、傳輸、存儲和消費，實現多能階梯利用，有利于提高能源綜合利用效率[4-5]，降低用能成本，推動能源變革；通過實施能源系統集中托管，增強能源供應保障能力；通過優化能源調度和供需平衡[6-7]，減少“三廢”排放，改善園區發展環境，提高園區綜合吸引力和競爭力，助力地方可持續高質量發展。

關于電、氣、熱等多能系統協同規劃，能源梯級利用，學者們已開展了大量理論研究：文獻[8]分析了能源系統需求預測及需求預測的主要影響因素；文獻[9-10]探討了我國園區、城鎮綜合能源系統規劃方法；文獻[11-12]研究了綜合能源系統規劃優化方法；文獻[13-14]探討了綜合能源系統智慧平臺開發及其頂層設計；文獻[15]總結了綜合能源系統的關鍵技術及方案；文獻[16-17]分析了綜合能源服務市場交易策略及風險管控；文獻[18-19]討論了綜合能源服務產業現狀及發展。

本文總結經開區能源系統的3個特征：以工業負荷為主，兼有住宅和商業負荷;靠近長江，可適當考慮利用江水源熱泵;自備電廠關停出現電力、蒸汽負荷缺口，同時也靠近兩大電廠。對于示范區的綜合能源系統規劃主要考慮特點2和特點3，綜合考慮該示范區電、氣、熱等能源生產和消費，探索在示范區利用電廠蒸汽或余熱資源，結合熱泵給建筑供應冷熱的經濟性，以及研究利用水源熱泵等低位熱源提升區域能源供應水平的路徑。

1 綜合能源系統現狀及需求分析

1.1 基本情況及規劃范圍

示范區面積約2 km2，防護、綠化用地占53.6%，工業用地占37.7%，居住用地占7.7%，商業用地占0.96%。其產業規劃以大數據、信息裝備制造、新材料產業為主。

1.2 資源稟賦

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

該區域靠近長江，在長江水資源利用政策和經濟性允許的前提下，可以考慮水源熱泵[20-22]。由于政策原因且當地的地熱資源一般，示范區地熱資源暫不考慮。

示范區與華潤電廠、常熟熱電廠兩座區域電廠相鄰，有豐富的蒸汽資源可以利用。但在方案比選時，應慎重考慮利用高品位蒸汽驅動熱泵制冷的經濟性是否合理。

1.3 需求預測分析

結合地方政府的產業規劃及相關規范要求，基于負荷密度法和典型行業用能經驗數據，綜合能源示范區的負荷預測結果如表1所示，規劃水平年為2025年。

壓縮空氣已由地方政府與地方電廠簽訂戰略合作協議集中供應，電力由電網公司供應。

表1 綜合能源示范區負荷預測結果

1.4 規劃思路和原則

根據示范區能源資源稟賦和能源利用現狀，圍繞“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展理念，充分考慮利用電廠蒸汽吸收式熱泵方案的經濟性與本地的光伏、水源熱等清潔資源，從能源供給配置、能源消費優化等環節，開展示范區能源轉型方案研究。

(1)對比電制冷冷水機組、吸收式熱泵、蓄冷蓄熱等技術效率和經濟性，形成多元低碳的清潔供給系統。

(2)通過建設綠色節能建筑，推動綠色低碳用能，推廣節能新技術、新產品應用，大力提倡節約高效的能源消費。

(3)充分應用云計算、移動互聯網、物聯網等現代信息技術和先進通信技術，實現智慧精益的能源服務。

2 基于MATLAB能源系統分析

2.1 MATLAB簡介

MATLAB是由美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析等，作為經典的計算工具，本文不再贅述。本文仿真計算基于國網(蘇州)城市能源研究院綜合能源系統分析工具，該工具主要基于MTALAB平臺。

該工具可以經濟性最優、碳排放最優等單個或多個指標為目標函數，經過系統優化計算，實現區域綜合能源系統的優化配置。

2.2 電力供應方案

在區內布置6座10 kV開關站，10 kV電網采用雙環網接線方式，上級電源來自110 kV碧溪變電站和110 kV吳市變電站。示范區電網地理接線示意圖如圖1所示。

圖1 示范區電網地理接線示意圖

2.3 建筑冷熱供應方案

基于MATALAB計算工具，以系統經濟性最優為目標函數，給出綜合能源系統配置方案。其中，經濟性最優包括設備固定成本、設備運維成本、燃料成本等，目標函數如下：

(1)

式中Cost——總成本；k——設備編號常數，如空調設備、電制冷冷水機組設備、CHP設備等；c——成本；cinv——初投資年化成本；com——運維成本；t——時間，全年時間8 760 h；pgrid——網供電；pele——電費；pgas——天然氣費用。

通過計算仿真，得出以下系統配置方案。能源站主要設備清單如表2所示。

表2 能源站主要設備清單

水源熱泵機組設備投資昂貴，約為3 500元/kW，電制冷機成本約為600元/kW，仿真系統在以系統經濟性最優為目標時，將水源熱泵方案篩選出局。此處，認為水源熱泵制冷系統的綜合COP系數為4.0，電制冷冷水機組系統的綜合制冷COP系數為3.5。

系統的供電功率仿真圖如圖2所示，示范區的電負荷以電網供電為主，小型CHP在滿足建筑熱負荷需求的同時，產生的電能可滿足一部分的電負荷。

電制冷冷水機組供冷負荷曲線圖如圖3所示。系統的供熱功率仿真圖如圖4所示。由燃氣鍋爐和小型CHP供應的熱負荷，燃氣鍋爐還承擔著熱負荷調峰的功能。

圖2 系統的供電功率仿真圖

圖4 系統的供熱功率仿真圖

3 基于EnergyPlan能源系統分析

3.1 EnergyPlan軟件簡介

EnergyPlan分析工具由丹麥奧爾堡大學開發，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區域的綜合能源系統[20]，主要有：電力、熱力、交通、工業等系統的能源生產與消費。主要有以下特點[21]。

(1)可用于分析不同能源發展政策對某一地區或國家能源、環境、經濟性的影響；對綜合能源系統按能源生產、消費進行概括性描述。

(2)程序運行不需要通過迭代等復雜算法，這一特點使模型的計算速度非常快速，對某地區全年能源數據計算一般只需幾秒。

(3)不足之處：該模型本身不具有系統自動優化功能，但與MATLAB有接口，可利用MATLAB實現相應的優化功能。

本文分別使用MATLAB和EnergyPlan軟件，利用MATLAB給出系統方案優化配置，利用EnergyPlan分析系統不同情景的經濟性，未作系統優化，只是通過計算實現對比分析。

圖5 EnergyPlan工具主界面

3.2 基于EnergyPlan的配置方案及經濟性分析

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以系統經濟性最優為目標優化過程中已被淘汰，但出于學術對比研究，此處以數據對比說明。

方案二：電壓縮式空調制冷熱(如圖7所示)。

圖6 余熱利用型供建筑冷熱負荷

圖7 電壓縮空調供應建筑冷熱負荷

EnergyPlan工具本身沒有優化功能，電壓縮空調制冷COP系數可分別手動設置為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時段，一般工商業電價取0.705 4元/kWh，0:00-8:00時段，低谷電價為0.335 1元/kWh，蒸汽220元/t。

溴化鋰吸收式制冷系統的COP1系數選取1.5，電制冷冷水機系統是一種高效的壓縮式空調系統，其綜合制冷COP2系數分別取2.0和3.0。

COP2=2.0時，兩種方案經濟性對比如表3所示。COP2=3.0時，兩種方案經濟性對比如表4所示。

如表3和表4所示， COP2系數越大，采用電制冷冷水機系統的經濟性越好，因為示范區建筑冷負荷需求大于熱負荷需求。

經計算，在蒸汽價格、電價一定的條件下，若COP2取3.0時電制冷冷水機組方案已具有經濟性。在實際工程中，電制冷冷水機組制冷系統的COP很容易實現3.0，通常為3.5，系統的經濟性會更好。反之，在COP2=3.0時，溴化鋰吸收式制冷系統若期望經濟性高于電制冷冷水機，則供熱蒸汽價格需降到170元/t，而這在當地很難實現。

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

表3 COP2=2.0時，兩種方案經濟性對比

表4 COP2=3.0時，兩種方案經濟性對比

圖8 示范區全年電力平衡仿真圖

圖9 示范區全年區域熱需求仿真圖

4 結語

本文運用兩種方法分析了綜合能源示范區不同系統配置方案的經濟性。

(1)方法一：基于MATLAB工具，以經濟性最優為目標，給出系統優化配置方案；

(2)方法二：基于EnergyPlan工具，分析對比余熱利用、電制冷冷水機的經濟性。

通過數據對比，推薦示范區建筑冷熱負荷宜采用電制冷冷水機組供應方案，并合理配置蓄冷蓄熱系統，在電價峰值時段，配置使用小型燃氣鍋爐等設備，隨著一般工商業電價進一步降低，系統經濟性進一步提升。