自備電廠在未來綜合能源領域的應用展望

祝令凱，王為帥，張海靜，鐘子威，鄭 威

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250012）

0 引言

隨著經濟社會的飛速發展，化石能源枯竭，環境污染日益嚴重，能源利用不足等問題逐漸暴露出來，亟待解決。加速可再生能源的開發和發展，提高能源效率，探索新的能源利用方式已受到廣泛關注，綜合能源系統的概念為解決此類問題提供了新的方向［1］。自備電廠作為能源綜合利用過程中的重要組成部分，不容忽視，未來在綜合能源應用領域中探索自備電廠的應用也已成為研究熱點。

1 自備電廠現狀分析

20 世紀80 年代，隨著我國經濟迅速發展，高耗能企業加快了投資建設步伐，導致電力需求快速增長，一些高耗能企業為了滿足自身電力需求開始建立自備電廠。后期，為了緩解電能供需矛盾，政府提出“多電源”和“多通道電源”，用以引導企業自主發電，因此許多高耗能企業紛紛投資建設自己的電廠，而自備電廠的數量也迅速增加［2-4］。在很長的一段時期內，自備電廠在緩解電力供需緊張方面發揮了重要作用，有效促進了國內經濟的發展，但逐漸也暴露了自備電廠發展帶來的許多問題。首先，大多數自備電廠都是燃煤熱電廠，排放物中大多數含有污染環境的成分，但是工廠中的環境保護設施不到位，自備電廠在滿足電能需求的同時又帶來嚴重的環境污染。其次，大多數自備電廠都是由企業獨立投資建設的，管理運行相對獨立，長期缺乏有關部門的約束管理，為追求利益最大化，一些自備電廠違規建設且運行水平低下。一般情況下，自備電廠發電可以滿足企業自身的用電需求，當自備電廠機組不能滿足企業的用電需求時，企業需要從電網用電。大量自備電廠自治運行會導致電網無法及時、準確地制定售電計劃，破壞電網運行的可靠性，并容易造成大規模停電。另外，大量的自備電廠集中發電且不參與電網調峰，導致電網調峰能力不足，導致新能源消納困難。因此，有必要對自備電廠進行深入分析，充分發掘自備電廠的優勢，合理利用并強化管理，不僅能夠改善自備電廠的問題，也可以緩解當前電網調峰和新能源消納的矛盾。

2 綜合能源發展

綜合能源系統是指多種能源綜合利用，主要是促進分布式能源的開發利用，提高能源的綜合利用效率，整合各種形式的能源，實現多種能源之間的耦合、互補、協調和優化運行［5-6］。當前對于綜合能源的研究主要涉及的能源類型包括冷、熱、電和天然氣，綜合能源系統涉及的環節主要包括：能源傳輸，能源分配，能源轉換，能源消耗和能源存儲［7］。文獻［1］詳細介紹了綜合能源系統和能源互聯網的發展理念和研究重點，并比較了兩者之間的區別。文獻［6］詳細闡述了低碳綜合能源系統的優勢，并給出了低碳系統的總體研究框架。文獻［8］集中研究了包含電，氣和熱的綜合能源系統，通過對一組預期事故進行建模分析，用以分析系統的安全性。

綜合能源系統打破了現有的模式，即各種能源系統獨立運行且不相互連接，它可以與各種能源進行有機協調配合，從而耦合多種能源，綜合利用各種能源，將能源的使用從傳統能源轉變為清潔能源，實現了供需之間的互動。綜合能源系統內部相互協調，優勢互補，清潔高效，提高了能源利用率，具有明顯的生態和經濟效益，是未來社會能源利用的一種重要形式。

將自備電廠與綜合能源應用聯系起來，通過分析自備電廠和綜合能源之間的關系，找到自備電廠在綜合能源應用領域的切入口，并著重探討未來自備電廠在綜合能源應用領域中的地位，提出發展中面臨的關鍵技術問題，為后續自備電廠在綜合能源領域的應用研究提供參考。

3 自備電廠在未來綜合能源領域的應用

自備電廠未來在綜合能源領域的應用研究需要綜合考慮兩者的特點，既要考慮自備電廠的靈活性，也要考慮綜合能源開發的全面性。主要介紹自備電廠在未來綜合能源系統中的三種典型應用：基于自備電廠的綜合能源開發，自備電廠和新能源之間的互利發展以及涵蓋自備電廠的區域性能源供應系統。

3.1 綜合能源開發利用

自備電廠主要通過燃燒煤炭和其他化石燃料來產生電能和熱能，并將其提供給企業內部用能負荷，在產生能量的同時，還產生大量的灰渣等附屬產品，如果不對這些產品進行處理，將不可避免地對環境造成極大的污染。當前，最理想、最經濟的方法是在自備電廠附近引進相關產業，建立以自備電廠為基礎的綜合能源系統，消耗多余的附屬產品［9］。引入水泥廠，商業攪拌站，石膏板廠和礦渣板廠等相關產業用于消耗自備電廠發電產生的粉煤灰、石膏、礦渣和其他廢物；引入釀酒廠、干燥廠和其他工廠充分利用自備電廠生產過程中的蒸汽、水和其他產品；對于機組生產過程中的余熱、余氣、余壓的回收利用［10-12］可以通過安裝余熱、余氣、余壓發電設備，低溫余熱和廢氣回收利用裝置，吸收式制冷裝置等；同時，為了促進低谷時期的電能消耗，自備電廠可以通過出售多余的電力來獲取利潤，以實現最大的經濟回報，另外還可以在發電廠周圍建儲能電站和燃氣發電廠。通過對多個行業的整合，建立一個復合的能源系統，充分利用彼此之間的產品，不僅可以獲得環境效益，還可以提高該地區的能源效率，節省經濟成本。圖1展示了以自備電廠為中心的綜合能源開發和利用系統。

圖1 以自備電廠為中心的綜合能源開發和利用系統

熱電聯產發電廠輸出能量形式既有電能又有熱能，通常被認為是典型的綜合能源系統。以熱電聯產發電廠為例，在發電廠周圍引入一個燃氣發電廠，建立具有電能和天然氣互補的多能量流綜合能源系統，用以研究自備電廠在綜合能源系統的應用中面臨的關鍵問題。該系統的總體結構如圖2所示。

圖2 自備電廠和天然氣廠組成的綜合能源系統

與傳統的燃煤發電機組相比，燃氣發電機組運行靈活、啟動迅速、污染物排放少，具有明顯的環保優勢。燃氣—熱電聯產機組主要以天然氣為燃料，通過燃氣—蒸汽聯合循環機組發電，發電后再利用排汽余熱生產高溫熱水，滿足供熱需求，能源的分層梯次利用有效地提高了能源利用效率。天然氣廠中電能到天然氣的轉化生產過程包括以下兩個步驟：首先電解水產生氫氣和氧氣，然后氫氣和二氧化碳在甲烷化反應裝置中生成甲烷和水。二氧化碳在整個反應過程中作為能量載體進行再循環，不會產生有害氣體，是一種零碳排放能源的使用方法。

燃氣熱電聯產自備電廠和天然氣廠的結合可以共享彼此的產品，有效地促進區域內能源的協調利用，減少環境污染，并促進煤改電政策的實施［13］。當自備電廠的發電供給大于需求時，多余的電力被發送到天然氣廠生產天然氣，天然氣被通過管網輸送到儲存罐存儲。當電力需求大于供給時，天然氣被直接輸送到自備電廠的燃氣輪機，作為能源驅動燃氣輪機生產電能和熱能。在整個過程中，自備電廠與天然氣廠的結合打破了原來的煤基能源結構，實現了電、熱、氣、水等多種形式的能源協同供應合作，在自備電廠的基礎上構建了智慧能源系統，該能源系統是低碳且綜合的。

3.2 新能源消納與轉型

隨著化石能源的逐漸枯竭和環境污染的日益嚴重，可再生能源的開發和利用越來越受到關注，包括風能、光伏發電和太陽能在內的各種新能源的優勢已得到充分發揮。這些可再生能源已經占能源供應的很大一部分，有效緩解了能源短缺，促進了電網和熱網的清潔發展。但是，由于可再生能源本身的特殊特性，例如區域差異較大，時空分布不均勻。另外，對能量的遠距離傳輸也有限制，如果所產生的能量沒有及時消耗掉，將導致大量的棄風棄光，而自備電廠參與電網調峰，是促進新能源消納、防止棄風棄光的有效解決方案。早在2015 年，有關部門就在《關于加強和規范自備燃煤電廠監督管理的指導意見》中指出［14］，要切實加強能源利用，大力發展清潔能源，取代燃煤自備電廠，減少煤炭燃燒，促進中國能源和電力市場健康發展。

以自備電廠參與電網調節為例，當電網處于用電低谷或新能源發電過剩時，降低自備電廠機組出力，企業從網上多用電，促進新能源消納；當電網用電高峰時，增加自備電廠機組出力，在滿足自身用能負荷需求的前提下，多余的電能送入電網滿足電網用電需求。對熱網的調節也是如此，有必要根據實際情況建立區域供熱的協調機制和運行策略，在滿足供熱的前提下保證自備電廠的經濟效益。自備電廠在新能源消納中的應用，既可以保證本地區電網和熱網的穩定運行，又可以避免能源浪費，實現兩者互利共贏。圖3 是自備電廠促進新能源消納的結構示意。

圖3 自備電廠參與新能源消納示意

隨著自備電廠參與了新能源消納的深入發展，一些新的交易機制和辦法紛紛出臺，例如替代機制，發電權交易和機組轉換計劃。目前，許多學者對于自備電廠參與新能源消納的問題展開了深入研究，文獻［15］以自備電廠經濟利益最大化為出發點，提出了自備電廠和新能源之間的電力置換交易模型，從匹配規則，執行規則和結算規則三個方面設計了交易規則，分析了用電交易的方式。文獻［16］主要分析了自備電廠在促進新能源消納時替代交易中的風險因素，作者基于不同市場環境下自備電廠的交易利潤，風險價值和其他參數構建了分析模型，為自備電廠參與新能源消納提供交易決策和風險評估參考。文獻［17］以自備電廠的調峰補償機制為基礎，建立了自備電廠與新能源發電企業的經濟利益模型，研究兩者的發電權交易模型。文獻［18］針對中國某些地區嚴重棄風棄光現象，在現有電力市場交易政策的框架內，提出了自備電廠與新能源企業之間的發電權轉移交易模式，促進自備電廠承擔公共調峰責任，從而提高電網調峰能力。目前，政府已大力加強了對自備電廠的監管力度，與新能源消納有關的政策和措施也在逐步完善，通過合理安排自備電廠與新能源發電之間的關系，可以有效地實現兩者之間的互利發展。

3.3 區域性能源網絡

電力、熱水和氣體通過傳輸線和管道進行長距離傳輸，不可避免地存在線路損耗和能量損耗，區域性能源內部供應可以有效避免能量輸送過程中的損耗。自備電廠作為一個獨立的能源個體，其內部有很多生產環節比如能源的生產，傳輸和使用都是互聯互通的。自備電廠可作為大型“熱源”或“電源”供應站，但長期以來一直處于自發自用狀態，如果將自備電廠納入當地的能源網絡中進行統一的管理和規劃，建立區域性的能源網絡［19-20］，自備電廠可在滿足其自身負荷需求的同時滿足周圍企業和居民的電、熱需求，從而保證區域性能源網絡的供應穩定。將自備電廠納入區域能源網絡，并在自備電廠與能源公司之間進平衡，以確保在經濟利益最大化的前提下及時提供所需電能和熱負荷，保障區域能源網絡的穩定性，這種方式改變了以往電能和熱能相互獨立運營，缺乏溝通的情況，避免了電能和熱能的長距離傳輸損失，能源公司和自備電廠實現合作共贏，這是未來自備電廠在綜合能源領域的重要應用。

4 關鍵技術問題

隨著新型綜合能源系統的不斷發展，能源系統的發展已經從傳統的單體系統發展到多能流系統的統一發展。涉及越來越多的能源，能源轉換、輸送和利用等相關環節越來越緊密，自備電廠作為能源領域的重要角色不容忽視。由于長期的自由式發展，自備電廠暴露出許多問題，發展已接近瓶頸，迫切需要改革，尋求規范發展的方法［21-22］。將自備電廠納入綜合能源體系中一體化發展已成為重要途徑，本部分從政府、能源企業、自備電廠三個方面簡要介紹了自備電廠參與能源綜合應用開發過程中需要解決的關鍵問題。

首先，政府應出臺政策，推動將自備電廠納入綜合能源系統的發展。長期以來，自備電廠由企業獨立管理和運營，機組運行、發用電以及設備運行和維護狀態等信息很少與外界互動，政府應出臺相關政策，鼓勵自備電廠與能源企業積極互動，開展合作加強溝通。針對自備電廠環境污染、運行不規范等問題，國家先后制定了自備電廠環保、安全、運行管理等政策，鼓勵現有自備電廠積極改造為清潔、環保高效電廠，引導自備電廠積極參與綜合能源建設，但目前相關政策落實不到位。政府有必要在發展框架內繼續引入符合當地實際情況的管理措施和標準，打破自備電廠與公用電廠、電網公司、能源公司以及其他機構之間的壁壘，使自備電廠在綜合能源利用方面符合國家管理標準。

其次，能源公司應將自備電廠納入綜合能源系統建設并進行深入研究。目前針對單一能源系統的研究和分析相對成熟，但由于綜合能源系統的應用涉及多種能源形式，多種能量流的時空尺度不同，相互之間的耦合特性復雜，綜合能源系統的研究仍處于初級階段［23-25］。因此，必須保證各能源系統的穩定可靠運行。自備電廠的影響不容忽視。建立自備電廠并網規范，開發電能質量輔助裝置，開發多智能體運行分析軟件，尋找主要運營商與自備電廠的商業模式和利益平衡點，實現區域電網的優化規劃和配置，確保綜合能源系統和自備電廠的安全運行。

最后，自備電廠要積極主動地參與綜合能源體系建設。今天面臨的許多能源問題不再是單方面的，而是受到多方的影響。隨著經濟的發展，自備電廠對電網的補充作用并不像以前那么明顯。相反，由于存在諸多問題，自備電廠在未來社會的發展方向值得深思。參與綜合能源的應用，促進多種能源的高效利用，無疑是自備電廠的一個不錯的選擇。因此，自備電廠要主動轉變觀念，變被動為主動，結合自身優勢，利用豐富、實惠的電力、蒸汽資源作為企業改革發展的跳板，積極參與到綜合能源應用建設中。

5 結語

根據自備電廠的發展現狀，重點介紹了自備電廠發展中存在的諸多問題，提出了自備電廠與綜合能源開發相結合的途徑。通過三個典型應用分析，重點分析了自備電廠在未來綜合能源應用領域的地位，同時提出了發展自備電廠綜合能源應用需要解決的關鍵問題，為今后的研究提供參考。