工业园区多能直供运营模式案例研究

王 乾 ，王 彬，方建勇 ，陈海文，丁智华 ，孙宏斌

（1.上海电力学院 电气工程学院，上海 200090；2.清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京 100084；3.杭州华电下沙热电有限公司，浙江 杭州 310018）

0 引言

全球经济的快速发展伴随着能源产业的不断进步和革新。传统工业中高耗能、高污染发展模式带来的环境污染和低生产效率等问题，极大地制约了经济的可持续发展。近年来，在相关政策支持下，包括天然气在内的清洁能源在能源消耗中的占比不断提高，与之配套的相关技术也取得了长足发展，但能源转型仍伴随着诸多问题。一方面，以煤炭、石油为代表的传统能源依旧占据着能源消费市场主力军的位置，而清洁能源由于受成本、稳定性、容量等技术限制，在短时间内依旧无法与传统能源抗衡。另一方面，现阶段清洁能源产业的发展基本依赖政府补贴和政策扶持，清洁能源产业在市场经济体制下无法与传统能源产业同台竞争，尤其是在现阶段工业产能过剩的背景下，煤炭、钢铁、电力等传统工业去产能压力与提高新能源比重存在严重经济矛盾。因此，清洁能源供应商必须摆脱传统产销模式的束缚以适应能源产业的变革。

能源互联网技术实现了人们对能源生产消费理念的革新［1］，它以互联网先进的发展思维融合当今先进的能源技术实现对传统能源系统的改造。作为一门跨领域的前沿学科，其内涵在不断发展［2-4］。含冷热电联供 CCHP（Combined Cooling Heating and Power）的联产技术近几年取得了快速发展，是能源互联网先进技术的实际应用。作为一种能量多级利用系统，CCHP机组通过燃烧天然气和其他燃料产生电、热、冷能，同时利用废热生产额外的热能，实现能量的多级化梯级利用。通过这种方式，CCHP系统相比传统供能系统拥有更高的综合能源利用率。

关于CCHP系统，文献［5］介绍了CCHP相关技术的发展背景和研究现状；文献［6］分析了工程中典型CCHP系统的组成和结构，提出了包含CCHP机组微电网的通用建模方法；文献［7-8］以不同规划目标对CCHP系统进行了调度优化；文献［9］提出了基于动态经济研究方法和系统配置的优化模型，分析了微电网运行经济性与可靠性的关系；文献［10］建立了对多台CCHP机组统一优化调度以消纳大规模风电的模型；文献［11］在经济优化调度中考虑了风电、光伏的接入和电热负荷的随机性；文献［12］介绍了热电联产在线监测和调度系统。已有研究对包含CCHP机组的微电网系统进行了系统的建模，考虑了可再生能源接入、负荷随机性等对CCHP系统产生的影响，针对规划目标提出了匹配的优化算法。但相关研究没有考虑运营模式对供能主体的实际约束，缺少对系统中产能、售能及用能主体的利益分析。本文在已有研究基础上，结合电力产能过剩背景，从运营模式角度对热电联产优化问题进行了探究，对解决实际工程问题具有借鉴作用。

本文以浙江XS能源互联网工业基地为研究对象，根据调研数据分析了浙江XS热电厂产能现状及经营问题，针对目前园区能源产销模式的弊端，提出了工业园区多能直供运营模式。在此模式下，本文构建了包含浙江XS热电厂、上级电网、园区多能负荷等多主体的园区微电网模型，以浙江XS热电厂最大运营收益为目标对该模型进行优化。然后通过算例对比不同供能模式以及多能直供运营模式优化前后的运营收益关系，结果证明浙江XS热电厂的运营状况得到了有效改善。最后，本文通过售电过网费论证了多能直供运营模式下各主体的收益关系，进一步证明了该运营模式和优化模型具有现实的可行性和有效性。

1 工业园区供能模式对比分析

1.1 园区传统供能模式

浙江XS热电厂为天然气清洁能源供应商，目前配备2台6F级燃机“二拖一”联合循环机组，通过消耗天然气为园区用户供能，能够基本满足园区内热、电负荷需求。园区传统供能模式如图1所示。

图1 工业园区传统供能模式Fig.1 Traditional energy-supply mode for industrial park

在供热方面，浙江XS热电厂是杭州DY食品有限公司、杭州WQ食品有限公司等高耗热企业的唯一热能供应商，按照政府制定的热能价格，由热电厂直接向企业供热并收取供热费用。在供电方面，热电厂受上级电网统一调度并享受热电联产机组上网电量电价和容量电价补贴。园区工业用户按照工业电价从上级电网购电。

1.2 传统供能模式存在的问题

传统供能模式主要存在以下问题。

a.受电力需求增长放缓、新能源机组装机容量占比不断提高等因素的影响，全国火电机组平均利用小时数大幅降低。以2016年上半年为例，全国6000 kW及以上火电厂的机组利用小时数同比减少138 h。受此影响，浙江XS热电厂机组年利用小时数一直维持在较低水平。

b.浙江XS热电厂以天然气为一次能源，属于清洁能源供应商。然而，相比燃煤电厂，该热电厂平均产能成本较高。在供热方面，由于售热价格统一，浙江XS热电厂与燃煤热电厂相比不具有竞争优势。在供电方面，为了促进清洁能源的发展，浙江XS热电厂享受政府优惠上网电价，但受制于上级电网调度，该优惠价格降低了浙江XS热电厂与燃煤热电厂的竞争力。传统燃煤机组和浙江XS热电厂清洁能源机组对比分析如表1所示。

表1 机组相关参数对比分析Table 1 Comparison of relevant parameters between different units

通过以上分析可见，在传统供能模式下，浙江XS热电厂、上级电网、园区工业用户、政府定价部门之间存在利益冲突，彼此相互制约。工业园区无法实现源-网-荷的协同互联，相关产能资源无法进行优化配置。浙江XS热电厂热电联产机组长期处于低负荷率运行工况，热电厂的经济运行无法得到保证。

1.3 工业园区多能直供运营模式

针对以上问题，本文提出将浙江XS热电厂作为整个能源互联网工业基地的能源供应商对园区内工业电热负荷进行能源直供的运行方式。园区多能直供运营模式如图2所示。

图2 园区多能直供模式Fig.2 MEDS mode for industrial park

在供热方面，浙江XS热电厂热电联产机组协同自备燃气锅炉，满足园区内工业负荷用热需求。在供电方面，与传统供能模式相比，浙江XS热电厂采用“工业用户直供”的供电模式。具体而言，一方面浙江XS热电厂直接向园区工业用户供售电，并依据直供电量向上级电网支付相应的过网费［13-14］；另一方面，工业用户直供过程中产生的不平衡功率，由浙江XS热电厂通过外部联络线与上级电网协调解决。

采用多能直供运营模式可以有效改善浙江XS热电厂目前运营模式的弊端。浙江XS热电厂作为园区能源供应商，可根据园区负荷实时调整机组热电出力比和与上级电网进行电量交易，使热电厂在更优的工况下运行。

2 基于最大运行收益优化模型

本文以实际调研数据对浙江XS热电厂机组进行模型刻画，并构建了不同运营模式下的效益函数。根据园区实际电热负荷，本文以浙江XS热电厂在工业园区多能直供运营模式下的运行收益最优为目标对该模型进行优化，算例结果分别对比了不同运营模式以及园区多能直供运营模式优化前后热电厂的运行收益。

2.1 热电厂运行效益模型及优化目标函数

浙江XS热电厂传统供能模式的运行收益构成和价格参数如式（1）所示。

其中，Cf为传统供能模式下浙江XS热电厂的运行收益；Ptn（i）为i时刻浙江XS热电厂向上级电网售电量；pec为清洁能源机组上网电量电价；Htc（i）为i时刻浙江XS热电厂向园区用户售热量；pheat为单位热价；cgas（i）为i时刻浙江XS热电厂总气耗量，包括i时刻热电联产机组气耗量 Cgas，chp（i）及 i时刻燃气锅炉气耗量 Cgas，boiler（i）；pc为单位天然气价格；nb为燃气锅炉日内启停次数；pbs为燃气锅炉启停成本，本文取5000元／次；ηip为容量电价系数，表示容量电价可覆盖热电厂固定成本比例，本文取0.75；Cic为热电联产机组装机容量；pip为热电联产机组容量电价，该价格参数由物价部门制定，主要反映发电厂固定成本，与发电厂类型、投资费用、还贷利率和折旧方式等密切相关［15］。传统供能模式下，容量电费由上级电网承担。

工业园区多能直供运营模式下浙江XS热电厂运行收益可由式（2）表示：

其中，Cd为多能直供运营模式下浙江XS热电厂的运行收益；Ptc（i）为i时刻浙江XS热电厂向园区用户销售电量；Pbn（i）为 i时刻浙江XS热电厂向上级电网外购电量；pet为工业分时电价；pep为煤电标杆上网电价；pgrid为单位过网电费。在工业园区多能直供运营模式下，上级电网不再向浙江XS热电厂支付容量电费。本文针对工业园区多能直供运营模式，以浙江XS热电厂最大运行收益为目标函数，目标函数可表示为：

2.2 热电联产机组模型

浙江XS热电厂为清洁能源供应商，图3为机组简化模型示意图。整个机组由2台6F级燃气轮发电机组（PG6111FA）、2台余热锅炉（双压带自除氧、卧式自然循环余热锅炉）、母管制供1台抽凝式汽轮发电机（LCZ57-7.1／1.27／0.59 型）组成，另配自备燃气锅炉。系统总装机容量为246 MW，热电联产机组供热能力为120 t／h，燃气锅炉供热能力为100 t／h。

图3 浙江XS热电厂机组示意图Fig.3 Schematic diagram of CHP unit of Zhejiang XS thermal power plant

机组发电出力和供热出力的可行域可近似描述为多边形。对机组进行临界工况试验，以多边形区域极点的凸组合表示机组出力限制：

其中，Pchp（i）、Hchp（i）分别为热电联产机组 i时刻的电出力和热出力；（Pk，Hk）表示运行可行域近似多边形第k个极点；ak为第k个极点的凸组合系数；N为运行可行域近似多边形极点个数。

热电联产机组气耗量可以表示为发电出力和供热出力的二次函数。

其中，Cgas，chp（i）为热电联产机组 i时刻的气耗量；a、b、c、d、e、f为函数系数。

同时，热电联产机组电出力和热出力爬坡约束分别用式（7）、（8）表示。

其中，RUp、RDp分别为相邻时刻热电联产机组发电出力的最大向上爬坡速率和最大向下爬坡速率；RUh、RDh分别为相邻时刻热电联产机组热出力的最大向上爬坡速率和最大向下爬坡速率。

2.3 燃气锅炉模型

浙江XS热电厂的自备燃气锅炉协同热电联产机组为园区工业用户提供供热服务，式（9）和式（10）分别为燃气锅炉热出力上下限约束和爬坡约束。

其中，Hb（i）为 i时刻燃气锅炉的供热量；Hbmax为燃气锅炉最大热出力；RUb、RDb分别为相邻时刻燃气锅炉的向上和向下最大爬坡速率；ηb为燃气锅炉热效率系数，本文取0.9；qgas为天然气低位热值，具体数值如表1所示。

2.4 系统能量平衡约束方程

工业园区在供能过程中满足电功率平衡和热功率平衡关系。

式（12）和式（13）表示园区电功率平衡关系。

其中，Eload（i）为 i时刻园区电负荷量。

式（14）表示热功率平衡满足的不等式关系。

其中，Hload（i）为工业园区i时刻的热负荷量。

浙江XS热电厂与上级电网联络线存在功率传输限制，可由式（15）表示。

其中，Psysterm为浙江XS热电厂与上级电网联络线功率传输极限。

3 算例分析

3.1 热电联产机组运行可行域及参数获取

对浙江XS热电厂热电联产机组进行临界工况试验以获得机组真实出力可行域。试验分6组，分别对应热电联产机组的不同临界工况，单次试验的时间为1 h。试验实测结果如表2所示。

表2 热电联产机组临界工况试验结果Table 2 Results of CHP unit tests in critical working conditions

由实测试验数据可得到浙江XS热电厂热电联产机组出力可行域，结果如图4所示。

图4 热电联产机组运行可行域Fig.4 Applicable operating area of CHP unit

由于热电联产机组运行可行域是非凸的，为了便于优化计算，可将可行域分为A、B 2个子区间分别求解，通过比较局部优化结果最终得到最优解。式（6）中热电联产机组气耗量函数相关系数也可由试验结果数据拟合得到，具体数值为：a＝0.0016，b＝1.3520，c＝-0.0009，d＝0.0007，e＝0.5684，f＝40。

将相关系数代入式（6）可以得到热电联产机组天然气气耗量与机组出力的函数关系。

3.2 热电联产机组出力优化结果

本文以浙江XS热电厂最大运行收益为目标对机组进行优化调度，模型目标函数如式（3）所示。相关价格参数如表1所示，其中园区外购电价按照浙江省35 kV工业用户三段制分时电价计算，具体价格见表3。该优化问题属于二次规划问题，使用MATLAB中的ipopt工具进行求解。

表3 工业用户分时电价表Table 3 Time-of-use tariffs for industrial users

在园区多能直供运营模式下，优化前浙江XS热电厂热电联产机组在以热定电模式下运行。根据现场运行经验，热电联产机组运行点如图4中虚线a1a2所示。优化前后的园区电功率平衡关系如图5所示。

图5 园区电功率平衡优化结果Fig.5 Results of electric power balance optimization for industrial park

优化前浙江XS热电厂热电联产机组电出力无法实时跟踪园区电负荷变化，工业园区需要与上级电网进行频繁的电能交换才能维持系统的电功率平衡。此外，园区与上级电网最大交换功率超过了联络线功率约束。因此这种调度模式不利于浙江XS热电厂的经济和安全运行。

优化后热电联产机组电出力与园区电负荷实现了互动。00∶00—08∶00时段园区电负荷较低，该时段机组运行效率偏低，发电成本较高。因此机组不能随负荷下降而继续降低出力，热电联产机组必须保持一定的电出力水平维持发电成本，多余发电量需向电网输出。19∶00—22∶00时段园区处于电负荷峰值期，热电联产机组处于最大发电出力，不足电量通过上级电网外购获得，园区与上级电网最大电功率交换满足系统安全约束。可见经过优化调度，系统的经济性和安全性均得到了保障，优化取得了预期效果。

图6为园区热功率平衡优化结果。

图6 园区热功率平衡优化结果Fig.6 Results of heat balance optimization for industrial park

由于热电联产机组优化前在以热定电模式下运行，机组运行优先满足用户用热需求，因此相对于电功率平衡结果，浙江XS热电厂热电联产机组的热出力优化空间有限。优化前后热电联产机组热出力与热负荷基本实现了高度拟合，燃气锅炉在白天用热高峰期启动补充热电联产机组热出力不足。

19∶00—22∶00时段为园区工业用户用电尖峰期，结合图5所示的电功率平衡优化结果，此时段热电联产机组通过降低部分热出力，使机组运行在更高电出力工况下，有效减少了园区外购电量，使供电系统交换电功率满足了安全约束，同时，通过提高热电厂自备燃气锅炉热出力补充供热不足，实现了电能和热能的协同优化互补。

优化前浙江XS热电厂自备燃气锅炉作为热电联产机组热出力备用，只能被动响应园区热负荷变化，锅炉存在频繁启停现象，通过优化，热电联产机组在热负荷高峰期通过改变热出力，避免了燃气锅炉因频繁启停带来的高运行成本。可见，经过优化，热电联产机组出力更加灵活，机组可充分发挥热、电出力的互补性，根据实际工况改变热电出力比，使浙江XS热电厂获得了更大的经济效益。

综合电功率平衡和热功率平衡优化结果，优化后浙江XS热电厂充分利用机组之间的热、电耦合互补特性，根据实时电、热能价调整供售能策略，在满足与上级电网功率传输限制的同时取得了更佳的运行收益。

表4—6分别从浙江XS热电厂、园区工业用户和上级电网的角度对比了传统供能模式、优化前后工业园区多能直供运营模式下的相关运行参数和费用。

表4 浙江XS热电厂运行效益结果对比Table 4 Comparison of operating data of Zhejiang XS thermal power plant

表5 工业园区用户用能结果对比Table 5 Comparison of energy consumption data of industrial parks

表6 电网供电结果对比Table 6 Comparison of power supply by grid

由表4效益数据可知，相比传统供能模式，工业园区多能直供运营模式可以有效改善浙江XS热电厂的经营状况。建模优化使热电联产机组在该种模式下以更优的工况运行，机组年利用小时数、热电厂运行收益得到进一步提升。

表5数据表明工业园区多能直供运营模式及其优化模式并未增加工业用户的购能成本，运营模式的改变优化了园区用户的用能结构，经过进一步优化，工业用户基本可以在园区内购得所需能源。

结合表5、6数据，通过改变运营模式，上级电网对工业园区供电量减少。上级电网在工业园区多能直供模式下省去了容量电费支出。通过优化，工业园区可以满足上级电网联络线传输功率约束。

3.3 过网费分析

在工业园区多能直供运营模式下，浙江XS热电厂需要向上级电网支付过网费。考虑到在实际工况下，机组不可能全年投入运营。因此有必要分析在热电联产机组不同利用小时数下，浙江XS热电厂运行收益与过网费用的关系。图7表示不同年利用小时数下浙江XS热电厂的日内收益与过网费用的关系。

图7 热电联产机组不同年利用小时数下过网费与运行收益的关系Fig.7 Relationship between network fee and operational benefit for different annual operating hours of CHP unit

由图7可见，热电联产机组的年利用小时数越大，热电厂收益越高；浙江XS热电厂向上级电网支付过网费用越低，热电厂收益越高。定义热电厂维持收支平衡可向上级电网支付的最大过网费为临界过网费。以热电联产机组在理想工况、年利用小时数为6281 h为例，浙江XS热电厂临界过网费用为0.1608元／（kW·h），对比2016年山西省大用户直供0.05～0.078 元／（kW·h）输配电价，可见在此运行工况下，浙江XS热电厂具有较大的议价空间和盈利空间。图8为年利用小时数与临界过网费用的关系。

图8 热电联产机组年利用小时数与临界过网费的关系Fig.8 Curve of critical network fee vs.annual operating hours of CHP unit

图8中标识点为临界过网费零点，表示对应热电厂维持收支平衡的最小年利用小时数。在优化工况下，当浙江XS热电厂热电联产机组的年利用小时数低于2756 h时，电厂无法维持运营的收支平衡。

4 结论

本文以浙江XS热电厂为研究对象，探讨了工业园区多能直供运营模式和优化运行方法，主要工作如下：

a.分析了浙江XS热电厂在传统供能模式下遇到的运营和运行实际问题，提出了浙江XS热电厂为工业园区用户提供综合能源供应的多能直供运营模式，算例结果表明，多能直供运营模式可显著提升浙江XS热电厂的综合收益；

b.在多能直供运营模式下，提出了浙江XS热电厂综合运行效益最优为目标的热电联合优化调度方法，算例结果表明，通过联合优化调度，热电厂可充分挖掘利用热电联产机组的多能互补潜力，提高热电厂的综合运行效益；

c.分析了在不同售电过网费条件下，热电厂和电网2个利益主体的收益关系，算例结果表明，在多能直供运营模式下，热电厂具有一定的议价自由度和盈利空间。

下一步研究重点如下：

a.本文结合浙江XS热电厂的实际条件，研究了热电联合的运营和运行模式，未来可结合实际现场数据，进一步研究冷／热／电／气等更多种能源形式参与综合能源服务的运营和运行模式；

b.对燃煤电厂进行技术改造以提供热电联合的综合能源供应是目前业界热点，未来在进一步掌握了燃煤机组热电耦合关系的基础上，本文所提出的方法可用于解决以燃煤电厂为能源中枢的工业园区多能直供运营问题。

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