自备电厂在未来综合能源领域的应用展望

祝令凯，王为帅，张海静，钟子威，郑 威

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250012）

0 引言

随着经济社会的飞速发展，化石能源枯竭，环境污染日益严重，能源利用不足等问题逐渐暴露出来，亟待解决。加速可再生能源的开发和发展，提高能源效率，探索新的能源利用方式已受到广泛关注，综合能源系统的概念为解决此类问题提供了新的方向［1］。自备电厂作为能源综合利用过程中的重要组成部分，不容忽视，未来在综合能源应用领域中探索自备电厂的应用也已成为研究热点。

1 自备电厂现状分析

20 世纪80 年代，随着我国经济迅速发展，高耗能企业加快了投资建设步伐，导致电力需求快速增长，一些高耗能企业为了满足自身电力需求开始建立自备电厂。后期，为了缓解电能供需矛盾，政府提出“多电源”和“多通道电源”，用以引导企业自主发电，因此许多高耗能企业纷纷投资建设自己的电厂，而自备电厂的数量也迅速增加［2-4］。在很长的一段时期内，自备电厂在缓解电力供需紧张方面发挥了重要作用，有效促进了国内经济的发展，但逐渐也暴露了自备电厂发展带来的许多问题。首先，大多数自备电厂都是燃煤热电厂，排放物中大多数含有污染环境的成分，但是工厂中的环境保护设施不到位，自备电厂在满足电能需求的同时又带来严重的环境污染。其次，大多数自备电厂都是由企业独立投资建设的，管理运行相对独立，长期缺乏有关部门的约束管理，为追求利益最大化，一些自备电厂违规建设且运行水平低下。一般情况下，自备电厂发电可以满足企业自身的用电需求，当自备电厂机组不能满足企业的用电需求时，企业需要从电网用电。大量自备电厂自治运行会导致电网无法及时、准确地制定售电计划，破坏电网运行的可靠性，并容易造成大规模停电。另外，大量的自备电厂集中发电且不参与电网调峰，导致电网调峰能力不足，导致新能源消纳困难。因此，有必要对自备电厂进行深入分析，充分发掘自备电厂的优势，合理利用并强化管理，不仅能够改善自备电厂的问题，也可以缓解当前电网调峰和新能源消纳的矛盾。

2 综合能源发展

综合能源系统是指多种能源综合利用，主要是促进分布式能源的开发利用，提高能源的综合利用效率，整合各种形式的能源，实现多种能源之间的耦合、互补、协调和优化运行［5-6］。当前对于综合能源的研究主要涉及的能源类型包括冷、热、电和天然气，综合能源系统涉及的环节主要包括：能源传输，能源分配，能源转换，能源消耗和能源存储［7］。文献［1］详细介绍了综合能源系统和能源互联网的发展理念和研究重点，并比较了两者之间的区别。文献［6］详细阐述了低碳综合能源系统的优势，并给出了低碳系统的总体研究框架。文献［8］集中研究了包含电，气和热的综合能源系统，通过对一组预期事故进行建模分析，用以分析系统的安全性。

综合能源系统打破了现有的模式，即各种能源系统独立运行且不相互连接，它可以与各种能源进行有机协调配合，从而耦合多种能源，综合利用各种能源，将能源的使用从传统能源转变为清洁能源，实现了供需之间的互动。综合能源系统内部相互协调，优势互补，清洁高效，提高了能源利用率，具有明显的生态和经济效益，是未来社会能源利用的一种重要形式。

将自备电厂与综合能源应用联系起来，通过分析自备电厂和综合能源之间的关系，找到自备电厂在综合能源应用领域的切入口，并着重探讨未来自备电厂在综合能源应用领域中的地位，提出发展中面临的关键技术问题，为后续自备电厂在综合能源领域的应用研究提供参考。

3 自备电厂在未来综合能源领域的应用

自备电厂未来在综合能源领域的应用研究需要综合考虑两者的特点，既要考虑自备电厂的灵活性，也要考虑综合能源开发的全面性。主要介绍自备电厂在未来综合能源系统中的三种典型应用：基于自备电厂的综合能源开发，自备电厂和新能源之间的互利发展以及涵盖自备电厂的区域性能源供应系统。

3.1 综合能源开发利用

自备电厂主要通过燃烧煤炭和其他化石燃料来产生电能和热能，并将其提供给企业内部用能负荷，在产生能量的同时，还产生大量的灰渣等附属产品，如果不对这些产品进行处理，将不可避免地对环境造成极大的污染。当前，最理想、最经济的方法是在自备电厂附近引进相关产业，建立以自备电厂为基础的综合能源系统，消耗多余的附属产品［9］。引入水泥厂，商业搅拌站，石膏板厂和矿渣板厂等相关产业用于消耗自备电厂发电产生的粉煤灰、石膏、矿渣和其他废物；引入酿酒厂、干燥厂和其他工厂充分利用自备电厂生产过程中的蒸汽、水和其他产品；对于机组生产过程中的余热、余气、余压的回收利用［10-12］可以通过安装余热、余气、余压发电设备，低温余热和废气回收利用装置，吸收式制冷装置等；同时，为了促进低谷时期的电能消耗，自备电厂可以通过出售多余的电力来获取利润，以实现最大的经济回报，另外还可以在发电厂周围建储能电站和燃气发电厂。通过对多个行业的整合，建立一个复合的能源系统，充分利用彼此之间的产品，不仅可以获得环境效益，还可以提高该地区的能源效率，节省经济成本。图1展示了以自备电厂为中心的综合能源开发和利用系统。

图1 以自备电厂为中心的综合能源开发和利用系统

热电联产发电厂输出能量形式既有电能又有热能，通常被认为是典型的综合能源系统。以热电联产发电厂为例，在发电厂周围引入一个燃气发电厂，建立具有电能和天然气互补的多能量流综合能源系统，用以研究自备电厂在综合能源系统的应用中面临的关键问题。该系统的总体结构如图2所示。

图2 自备电厂和天然气厂组成的综合能源系统

与传统的燃煤发电机组相比，燃气发电机组运行灵活、启动迅速、污染物排放少，具有明显的环保优势。燃气—热电联产机组主要以天然气为燃料，通过燃气—蒸汽联合循环机组发电，发电后再利用排汽余热生产高温热水，满足供热需求，能源的分层梯次利用有效地提高了能源利用效率。天然气厂中电能到天然气的转化生产过程包括以下两个步骤：首先电解水产生氢气和氧气，然后氢气和二氧化碳在甲烷化反应装置中生成甲烷和水。二氧化碳在整个反应过程中作为能量载体进行再循环，不会产生有害气体，是一种零碳排放能源的使用方法。

燃气热电联产自备电厂和天然气厂的结合可以共享彼此的产品，有效地促进区域内能源的协调利用，减少环境污染，并促进煤改电政策的实施［13］。当自备电厂的发电供给大于需求时，多余的电力被发送到天然气厂生产天然气，天然气被通过管网输送到储存罐存储。当电力需求大于供给时，天然气被直接输送到自备电厂的燃气轮机，作为能源驱动燃气轮机生产电能和热能。在整个过程中，自备电厂与天然气厂的结合打破了原来的煤基能源结构，实现了电、热、气、水等多种形式的能源协同供应合作，在自备电厂的基础上构建了智慧能源系统，该能源系统是低碳且综合的。

3.2 新能源消纳与转型

随着化石能源的逐渐枯竭和环境污染的日益严重，可再生能源的开发和利用越来越受到关注，包括风能、光伏发电和太阳能在内的各种新能源的优势已得到充分发挥。这些可再生能源已经占能源供应的很大一部分，有效缓解了能源短缺，促进了电网和热网的清洁发展。但是，由于可再生能源本身的特殊特性，例如区域差异较大，时空分布不均匀。另外，对能量的远距离传输也有限制，如果所产生的能量没有及时消耗掉，将导致大量的弃风弃光，而自备电厂参与电网调峰，是促进新能源消纳、防止弃风弃光的有效解决方案。早在2015 年，有关部门就在《关于加强和规范自备燃煤电厂监督管理的指导意见》中指出［14］，要切实加强能源利用，大力发展清洁能源，取代燃煤自备电厂，减少煤炭燃烧，促进中国能源和电力市场健康发展。

以自备电厂参与电网调节为例，当电网处于用电低谷或新能源发电过剩时，降低自备电厂机组出力，企业从网上多用电，促进新能源消纳；当电网用电高峰时，增加自备电厂机组出力，在满足自身用能负荷需求的前提下，多余的电能送入电网满足电网用电需求。对热网的调节也是如此，有必要根据实际情况建立区域供热的协调机制和运行策略，在满足供热的前提下保证自备电厂的经济效益。自备电厂在新能源消纳中的应用，既可以保证本地区电网和热网的稳定运行，又可以避免能源浪费，实现两者互利共赢。图3 是自备电厂促进新能源消纳的结构示意。

图3 自备电厂参与新能源消纳示意

随着自备电厂参与了新能源消纳的深入发展，一些新的交易机制和办法纷纷出台，例如替代机制，发电权交易和机组转换计划。目前，许多学者对于自备电厂参与新能源消纳的问题展开了深入研究，文献［15］以自备电厂经济利益最大化为出发点，提出了自备电厂和新能源之间的电力置换交易模型，从匹配规则，执行规则和结算规则三个方面设计了交易规则，分析了用电交易的方式。文献［16］主要分析了自备电厂在促进新能源消纳时替代交易中的风险因素，作者基于不同市场环境下自备电厂的交易利润，风险价值和其他参数构建了分析模型，为自备电厂参与新能源消纳提供交易决策和风险评估参考。文献［17］以自备电厂的调峰补偿机制为基础，建立了自备电厂与新能源发电企业的经济利益模型，研究两者的发电权交易模型。文献［18］针对中国某些地区严重弃风弃光现象，在现有电力市场交易政策的框架内，提出了自备电厂与新能源企业之间的发电权转移交易模式，促进自备电厂承担公共调峰责任，从而提高电网调峰能力。目前，政府已大力加强了对自备电厂的监管力度，与新能源消纳有关的政策和措施也在逐步完善，通过合理安排自备电厂与新能源发电之间的关系，可以有效地实现两者之间的互利发展。

3.3 区域性能源网络

电力、热水和气体通过传输线和管道进行长距离传输，不可避免地存在线路损耗和能量损耗，区域性能源内部供应可以有效避免能量输送过程中的损耗。自备电厂作为一个独立的能源个体，其内部有很多生产环节比如能源的生产，传输和使用都是互联互通的。自备电厂可作为大型“热源”或“电源”供应站，但长期以来一直处于自发自用状态，如果将自备电厂纳入当地的能源网络中进行统一的管理和规划，建立区域性的能源网络［19-20］，自备电厂可在满足其自身负荷需求的同时满足周围企业和居民的电、热需求，从而保证区域性能源网络的供应稳定。将自备电厂纳入区域能源网络，并在自备电厂与能源公司之间进平衡，以确保在经济利益最大化的前提下及时提供所需电能和热负荷，保障区域能源网络的稳定性，这种方式改变了以往电能和热能相互独立运营，缺乏沟通的情况，避免了电能和热能的长距离传输损失，能源公司和自备电厂实现合作共赢，这是未来自备电厂在综合能源领域的重要应用。

4 关键技术问题

随着新型综合能源系统的不断发展，能源系统的发展已经从传统的单体系统发展到多能流系统的统一发展。涉及越来越多的能源，能源转换、输送和利用等相关环节越来越紧密，自备电厂作为能源领域的重要角色不容忽视。由于长期的自由式发展，自备电厂暴露出许多问题，发展已接近瓶颈，迫切需要改革，寻求规范发展的方法［21-22］。将自备电厂纳入综合能源体系中一体化发展已成为重要途径，本部分从政府、能源企业、自备电厂三个方面简要介绍了自备电厂参与能源综合应用开发过程中需要解决的关键问题。

首先，政府应出台政策，推动将自备电厂纳入综合能源系统的发展。长期以来，自备电厂由企业独立管理和运营，机组运行、发用电以及设备运行和维护状态等信息很少与外界互动，政府应出台相关政策，鼓励自备电厂与能源企业积极互动，开展合作加强沟通。针对自备电厂环境污染、运行不规范等问题，国家先后制定了自备电厂环保、安全、运行管理等政策，鼓励现有自备电厂积极改造为清洁、环保高效电厂，引导自备电厂积极参与综合能源建设，但目前相关政策落实不到位。政府有必要在发展框架内继续引入符合当地实际情况的管理措施和标准，打破自备电厂与公用电厂、电网公司、能源公司以及其他机构之间的壁垒，使自备电厂在综合能源利用方面符合国家管理标准。

其次，能源公司应将自备电厂纳入综合能源系统建设并进行深入研究。目前针对单一能源系统的研究和分析相对成熟，但由于综合能源系统的应用涉及多种能源形式，多种能量流的时空尺度不同，相互之间的耦合特性复杂，综合能源系统的研究仍处于初级阶段［23-25］。因此，必须保证各能源系统的稳定可靠运行。自备电厂的影响不容忽视。建立自备电厂并网规范，开发电能质量辅助装置，开发多智能体运行分析软件，寻找主要运营商与自备电厂的商业模式和利益平衡点，实现区域电网的优化规划和配置，确保综合能源系统和自备电厂的安全运行。

最后，自备电厂要积极主动地参与综合能源体系建设。今天面临的许多能源问题不再是单方面的，而是受到多方的影响。随着经济的发展，自备电厂对电网的补充作用并不像以前那么明显。相反，由于存在诸多问题，自备电厂在未来社会的发展方向值得深思。参与综合能源的应用，促进多种能源的高效利用，无疑是自备电厂的一个不错的选择。因此，自备电厂要主动转变观念，变被动为主动，结合自身优势，利用丰富、实惠的电力、蒸汽资源作为企业改革发展的跳板，积极参与到综合能源应用建设中。

5 结语

根据自备电厂的发展现状，重点介绍了自备电厂发展中存在的诸多问题，提出了自备电厂与综合能源开发相结合的途径。通过三个典型应用分析，重点分析了自备电厂在未来综合能源应用领域的地位，同时提出了发展自备电厂综合能源应用需要解决的关键问题，为今后的研究提供参考。