能源网络融合视角下的工业园区综合能源运营模式研究——以河北安平高新技术开发区为例

叶旭廷，连 莲

(1.国家能源集团神华国华北京分布式能源科技有限公司，北京市朝阳区建国路75号 100142；2.华能资本服务有限公司，北京市西城区复兴门南大街丙2号 100031)

党的十九大报告中指出，我国经济将由高速增长阶段迈向高质量发展阶段，经济增长驱动方式将由要素积累型向质量效率型转变。作为工业经济发展的源动力，能源供应方式也由传统的油、气、电、热等单一能源独立供应体系转向新型的能源网络融合设施共享、清洁高效的多形式综合能源供应体系。与传统能源供应模式相比，新型能源网络融合型的综合能源供应体系是包括以热力管网(含热水与蒸汽)、天然气管网、配电网等高效协同的管网系统为核心，高度整合多种类型能源网络和输送节点，在规划、设计、建设、管理、运营过程中，对各类能源的分配、转化、存储、调节、消费等环节进行有机协调与配置优化，并就近充分利用高效的清洁可再生能源供应系统，实现多形式能源互补，形成“源-网-荷-储-控”协调运作，能为用户提供冷、热、电、水、气等多种能源供应，具备能量流与信息流双向互动特性的区域能源供应与消费系统。从物理实施上看，未来能源网络互联协同体系会形成两大系统：一种是以高效共享的综合管网为基础，形成互为调峰调节的能源输配系统；另一种是综合供能领域内各种互联、互通的智能供能系统，从而实现区域内从生产侧到用户侧能量互济与支撑，进而保障能源供应安全性与经济性的智能管控系统。两种系统之间实现互相支撑，相互促进，软硬件相结合进而实现安全、高效、经济的能源输配体系。

工业园区泛指一个国家或区域的政府根据自身经济发展的内在要求，通过行政手段划出一块区域，集聚各种生产要素，旨在优先发展一种或多种具有禀赋优势的产业，并在此空间范围内进行科学整合，提高要素集约程度，突出产业特色，优化功能布局，降低产业发展成本，使之成为适应市场竞争和产业升级的现代化协作生产区。在我国，工业园区表现的具体设置形式多样，如各类经济技术开发区、高新技术产业开发区、保税区、产业聚集区等都是工业园区的具体设置形式。与城市其它功能区域相比，工业园区对能源的需求有特殊要求，可具体从政府侧、供能侧、用户侧三个维度对能源体系进行具体分析，如表1所示。

从表1中可以看出，园区中政府侧、供能侧、用户侧对能源的选择策略存在差异，如何在这种差异中取得共识，即在用户侧与政府侧、供能侧的能源需求策略取得帕累托最优，使得协同效益最大化，应是综合能源供应体系与运营模式中应该着力解决的问题。基于政府侧、供能侧、用户侧的能源需求策略响应特点，通过研究综合能源供应体系与模式的实践，探索形成能源互联的综合能源供给模式，解决三者间的矛盾，实现三者的帕累托最优。

表1 工业园区能源体系中各方策略选择

1 国内外研究现状

综合能源服务由美国于20世纪60年代提出，当时旨在应对因国际油价大幅上涨而导致的能源成本过高问题，希望能通过综合能源服务的发展有效提高能源使用效率，降低使用成本，带动美国经济增长。2006年底美国将综合能源服务的研究上升到国家战略[1]。此后，日本、韩国等国开始研究适合本国的综合能源发展模式，使综合能源研究在基本框架、内涵及定义、运行方式上都取得较快发展。综合能源服务的理论研发多年以来是美国领先于世界。美国很早就提出了相关的发展计划，目的是通过提高能源利用效率来提高能源系统的可靠性。日本由于地狭人多，资源匮乏，能源供应紧张，对综合能源服务模式有很强的需求，2010年开始成立了相关研究机构，建立了符合当地国民居住特点的社区综合能源服务系统，包括供热、供电和燃气，目前这套系统已经日趋成熟，2012年开始向大型的综合能源服务转型。

相比美国、日本等发达国家，我国对综合能源服务的研究起步较晚。官方正式提出综合能源服务是在2017年国家电网公司正式下发的《关于在各省公司开展综合能源服务的意见》，正式将“综合能源服务”列为国家电网的主营业务。此后国内学者对综合能源及其分支领域的研究才逐渐兴起。比较有代表性的，王秀强[2]主要从综合能源发展的企业动因领域进行了论述；闫庆友和米乐乐[3]主要从综合能源的商业模式进行了研究，旨在理论上探讨建立综合能源发展中具备描述、可视、评估综合能源发展模式的工具；刘军会[4]等则主要在宏观层面对综合能源的实施意义与服务层面对综合能源发展进行了论述，其中就区域综合能源供能模式进行了简要论述；王旭东[5]等虽然立足园区综合能源系统进行了研究，但其主要研究仍然是以主电网为核心的安全性为前提进行的综合能源模式研究，对可再生能源的接入与燃气，水，热力等能源其它方式论述不足；刘凌燕[6]等从电网侧需求响应的角度出发探讨论述综合能源，其核心仍然是维护电网的供电可靠性，而非从政府侧降低成本与排放，用户侧能够更为高效便捷低廉地使用能源进行论述。关于工业园区综合能源系统的研究，目前刚刚起步，较为有代表性的如盛超群[7]等关于工业园区运营模式的评估方法研究，主要从综合能源系统的运营收益角度进行了分析与探讨，对于综合能源系统相比于传统能源系统在响应机制环境影响方面的益处与特性论述不足。

我国的研究方向大都集中在电力负荷侧与供给侧，以电网为核心，以保障微网供电可靠性与安全性为前提下，研究综合能源发展模式，缺乏从多方视角，研究如何通过综合能源发展实现社会效益最大化。本文从政府侧、供能侧、用户侧三方的角度，探讨如何通过多种能源协同发展，在供求平衡的基础上实现环境排放最优。

2 综合能源用能模式

河北安平高新技术开发区位于衡水市安平县，位于河北省中南部。安平县区域位置优越，交通通达性较好，北靠保定市，西接石家庄市，南、东三面分别与衡水市深州市、饶阳县接壤，距离北京四环220 km，距离雄安新区50 km，项目所在地具体区位位置如图1中箭头所示。以河北安平高新技术开发区的综合能源试点为例，旨在对比分析综合能源供能、用能模式与传统供能模式在供能侧、用户侧及政府侧的优劣势，为多种能源协同发展提供实践经验。

安平县拥有世界最大的丝网产业集群，丝网尤其是金属丝网的产销量占国内80%以上，曾先后被国家命名为“中国丝网之乡”“中国丝网产业基地”“中国丝网产销基地”，丝网产业年消耗钢材量近1000万t。项目所在地安平县高新技术开发区主要区域位于安平县东北部，区域面积约23 km2，为丝网企业聚集地，因此安平经济开发区对能源的需求极为旺盛。2018年安平高新技术开发区年用电量接近17亿kW·h，年燃气需求量约11亿标准方(折合替代煤炭消费量152万吨标准煤)，工业用热量约132万GJ。该区域的能源供应主体分别为国家电网公司(电力供应)、辉煌燃气公司(燃气供应)和中电京安秸秆发电有限公司(工业蒸汽)。安平县由于能源需求巨大，产业用能协同性强，导致能源保供压力大；同时伴随近年来经济增速放缓，安平丝网产业利润率较前些年大幅收窄，能源成本高企使丝网产业不堪重负。因此，单一的能源供应服务已经适应不了安平高新技术开发区的用能特点和丝网产业的用能需求，建设综合协调、低碳安全、高效灵活的能源服务体系日趋迫切。

图1 安平高新技术开发区综合能源项目位置示意图Fig.1 Location of comprehensive energy project in Anping Hi-tech Development Zone

根据安平高新技术开发区的产业生产特点与用能现状，结合安平县自身的能源基础设施禀赋特点与自身的环境容量约束条件，安平高新技术开发区确定了以天然气为基础能源的综合能源解决方案，即运用安平县能源基础设施完善(陕京二、三线进入河北区域的汇集与分输站建立在安平，鄂安沧国家输气管道冀中区域分输站也建在安平)的优势，修建自国家干线一级门站直接到终端用户的燃气管输供应系统，替代丝网产业中工业窑炉的煤炭消费；在燃气供应管线末端本着“以热定电”“气电热联调互补”的原则，建设4×10MW+4×20 t/h燃气锅炉的分布式燃气机组系统。燃气机组系统既参与属地电网、气网调峰，又可实现能源的梯级利用，解决当地企业与居民的用热需求；同时燃气系统所发电量全部输入当地的增量配电网系统。根据国家第四批增量配网试点规划，安平县经济技术开发区10.44 km2,新建3座110 kV变电站，变电容量567 MVA，按照1.8电网容载比计算，可满足供电315 MVA，年供应电量接近20亿kW·h，完全能够消纳4×10MW年所发2.8亿kW·h电量，并可按照比例接入分散式风电与分布式光伏发电，实现园区内所发清洁电量全额保障上网，园区供能实现清洁高效低碳能源供应。具体供能系统如图2所示。

图2 安平高新技术开发区综合能源供能系统示意图Fig.2 Schematic diagram of comprehensive energy supply system of Anping Hi-tech Development Zone

从图2中可以看出，安平高新技术开发区通过气网—热网—电网三网融合联动，嵌入了燃气分布式能源系统、分散式风电与分布式光伏，既实现了燃气，电力，热力协调供应，峰谷相宜；又便利了可再生能源的协调接入，使得能源综合使用效率最优。这种三网融合联动式的综合能源运营模式相较于传统单一独立的能源供应模式具有显著优势。

3 综合能源运营模式优势

3.1 调节峰谷，保障区域能源供应稳定

从能源使用方式与能源使用效率上看，任何能源都有使用峰谷，如何尽量减少峰谷差额，才能保障能源使用效率最大化。传统的单一独立的供能方式往往只能通过价格引导机制缩小用能的峰谷余差，例如电价的峰谷平段电价就是这一机制的实践。而通过综合能源系统，不仅能实现单一能源的峰谷调节，还能实现多种能源的联调联动。安平开发区运用夏春季节天然气价格相对低廉且由于夏季采暖量减少使得供应相对充足的特点，通过燃气机组将剩余的燃气转换为电力，从而缓解迎峰度夏期间企业用电紧张局面；而到了冬季，居民用气量上升，丝网企业生产迎来淡季，用电用热用气都呈下降趋势，此时综合能源系统可以相对减少燃机出力，减少发电供热量，将多余的燃气用于保障居民与生产用气，从而保障整个区域内能源供应稳定。

3.2 安全便捷，提升区域用户用能体验

区域能源供应中，由于供能端供能的连续性与用户端生产的间断性导致能源供需的不匹配，由此会导致供能过程存在安全风险。为了解决这种不匹配性，适应供能端与需求端的峰谷调节，电网企业与燃气企业都采取了设置储能与储气设施来解决这一难题，但储能本身就是一种非经济的能源使用方式，会带来能源使用效率降低与储能资产闲置等问题，间接推高了用户端的能源使用成本。本案例中，安平高新技术开发区通过将气网—热网—电网三网融合，并规划建设了分布式燃气机组系统，通过燃气机组启停灵活、负荷瞬间调节性高的特点，可以实现用户侧用气的峰谷瞬间调节；同时由于燃气机组工作时只有旋转运动，电调反应速度快、工况平稳，发电机输出电压和频率的精度高、波动小，机组运行参数非常稳定，优于柴油发电机组及常规煤电的电气性能指标。其作为电网的调峰机组，响应速度快、电能质量好，可以作为增量配网内应急电源，从而增量配网内客户用电的安全性与便捷性。

3.3 降低成本，提升区域用户的综合竞争力

较传统单一的能源供给系统，综合能源供能体系实现了公用系统的综合集成，减少了调峰储能储气设施的投资，同时实现了气网—热网—电网三网融合，进一步减少了调峰成本支出。因此，供能的产品热、电、气等都比单一能源供给产品价格有所下降。以安平高新技术开发区供能价格为例，价格对比如表2所示。

表2 综合能源供能与传统供能模式供能价格对比表Tab.3 Comparison of energy prices between comprehensive energy supply and traditional energy supply mode

从表3中可以看出，通过综合能源供能系统可以使得企业用能成本大幅下降，热力、供气、供电分别相较于传统单一供能模式下降4.56%，13.33%，4.92%；以2018年企业用能数据为参考，通过综合能源供能系统可以在保障安全供应的前提下，企业供能成本分别能节约电力成本5100万元、燃气成本4.4亿元，热力成本531.96万元，合计节约能源成本4.96亿元，可大幅提升区域内用户的综合竞争力。

3.4 低碳清洁，提升区域环境承载力

安平高新技术开发区通过综合能源供能系统的建设，提高了能源综合使用效率，降低了能源消耗；同时通过燃气替代战略，累计替代标准煤152万t，大幅降低污染物排放。综合能源系统实现了能源的梯级利用，排气与排烟可通过管道输送供企业蒸汽与居民采暖，替代了分散低效的小锅炉，减少了全县的排放强度。具体如表3所示。

表3 安平综合能源一体化项目排放指标表

结合安平综合能源一体化项目的增量配网的建设，安平开发区同时还规划了50 MW分散式风电与30 MW屋顶分布式光伏项目的建设，风电与光伏所发电量全部接入园区所辖增量配网，实现配网110 KV以下高效消纳。项目建成后可实现发电量1亿kW·h，折合标准煤3万吨，同比折算减少二氧化碳排放量7.5万吨，可实现区域低碳清洁能源供应，大幅度减少污染排放与碳排放量，有效提升区域的环境承载力，为区域未来发展提供环境容量支撑。

4 结论与建议

能源行业作为国民经济的重要组成部分，对支持一国或一个地区的经济发展具有无可替代的作用。能源供应及使用方式的变化，对一国或一个地区的经济发展方式具有很强的带动作用。当前，我国属于经济增长方式的深度变革期，也是能源行业进行行业变革的深度转型期，发展综合能源，提高能源综合使用效率，实现能源的多重互补、相互调节，对于深化能源体制改革，促进能源生产与消费革命，推动经济高质量发展具有深刻内涵，通过三网融合实现能源多能互补的综合能源发展模式具有诸多优点与现实意义。通过安平综合能源一体化项目的实践可以看出，能源网络融合式的综合能源系统相比于传统的单一能源供给模式，具有能源调节性强、供能成本低、排放污染少、安全便捷等优势，完全符合习近平总书记关于能源行业“四个革命，一个合作”的战略思想的总要求，是未来能源行业推动体制革命，实现供给侧改革的优先选择。为此，建议应当尽快出台相关政策，助力推进综合能源模式的开展。

4.1 将综合能源发展纳入能源总体规划战略

目前综合能源发展模式尚处于自下而上的底层探索阶段，学术界对综合能源的实践形式论述不一；从国家与地方层面，关于综合能源发展战略在政策与规划层面尚未有明确而清晰的战略。基于此，建议国家、各省市相关部门正式将综合能源纳入我国整体能源发展战略，给予明确的战略支持方向，在国家层面打造一批各种类型的综合能源示范项目，并确立综合能源发展的目标体系，为整个综合能源行业与模式的规范发展提供规划依据。

4.2 明确综合能源的定义，规范综合能源行业的发展

随着社会各界对综合能源发展的日趋关注，各地方政府陆续出台了一些支持政策以支持综合能源项目的发展。但目前在国家层面尚未明确综合能源的定义，未设立明确的综合能源指标体系。基于此，建议国家应当尽早明确综合能源的定义，设立综合能源的指标体系，如图3所示，明确实现热电气冷水氢等多种能源形态供给，拥有燃气、光伏、风电、煤基等多重能源形态供应，能源综合使用效率达到70%以上，实现多能互补，拥有多重网络融合，并能给予用户端协同供能并保障供能安全性的项目才能叫综合能源项目。

图3 综合能源集成系统定义示意图Fig.3 Definition diagram of integrated energy system

4.3 鼓励产业聚集区采用综合能源发展模式

国家层面应正式将综合能源纳入产业支持名录，并鼓励各地方政府在产业聚集区，各类开发区、自贸区、工业集中区等能源负荷密集的区域推广采用综合能源的发展模式。具体可出台相关鼓励政策，明确新建的工业园区、产业聚集区等各类负荷集中区，原则上采用这类多网融合式的综合能源供能模式。对于采用综合能源供能模式的开发区，在污染总量，碳排放强度，能耗指标等给予适当倾斜，从而调动各个开发区及地方政府的积极性，推广采用综合能源发展模式。

4.4 给予综合能源项目适当补贴或税收优惠，支撑项目发展

由于综合能源项目紧贴用户，相比于传统能源项目，其市场化程度较高。同时作为区域的能源基础设施，综合能源项目往往具有投资上的先行性，因此导致了在区域用能负荷未达设计负荷时，其经济性往往不佳。因此，建议在综合能源项目发展的初期，参照新能源发展初期给予一定的投资补贴或者税收优惠，用以扶持弱小产业初期发展。在达到设计负荷与收益率要求时，补贴与税收优惠可随之退出，进而支持综合能源项目的发展。