产业园区新型多能联供综合能源服务研究

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产业园区新型多能联供综合能源服务研究 发布时间：2023-12-06

在能源变革新时代发展背景下，随着能源转型的不断推进，综合能源系统(integrated energysystem，IES)日渐兴起。IES能够有效促进可再生能源消纳、提升能源利用效率、降低碳排放水平，已经成为国内外能源发展的方向和目标。

IES作为能源互联网的物理载体，已打破电、热、冷、气等多种能源系统的壁垒，实现多种能源系统互联互通、梯级利用的特性，成为能源系统的研究热点。近年来，国内外学者围绕IES的规划、设计、优化运行、市场需求等问题展开了研究，涉及电–气、电–热、电–气–热–冷等多种形式的IES供能模式。

与电–气、电–热、电–气–热–冷类似，电力系统与产业园区需求的输配水系统和压缩空气输配系统存在行业壁垒，长期处于独立设计规划和分立运行的模式；同时，在电力生产过程中也需要大量用水。国内外已见很多关于输配水与能量之间相互促进与协调发展的报道，这些报道主要着重于研究产业园区循环水过程中的能耗、水资源与能量的供需关系，以及能量生产过程的水资源约束与节水技术等问题，而对于电–热–冷–水–压缩空气融合开发利用的新型供能模式却鲜见研究。

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本文以广州某分布式能源站为研究对象，详细介绍了多能联供综合能源系统的基本特征、系统构成和主要关键技术。多能联供系统以原有冷热电三联供为基础，拓展建设产业园区集中供冷、热、电、压缩空气、输配水等多种能源产品，为产业园区企业解决多元化能源需求的问题。

其主要工作包括：建设配套供热水和冷水管网，并充分利用厂内的储水罐；利用园区现有的资源条件，建设压缩空气站、光伏电站、储能设施、绿色交通综合服务站等硬件设备；根据产业园区用能特征和综合响应策略，对园区综合能源系统进行多能联供优化调度，重点设计形成具有园区供用能和精细化管理特色的、以多种能源综合需求响应为导向的能源运行优化方案，设计综合智慧能源管控平台云架构，实现多种能源供需平衡数字化、精确化管控。

产业园区多能联供系统架构设计

▌产业园区多能联供综合能源系统基本特征

多能联供综合能源系统是以综合供能(电、燃气、热、冷)为基础，通过天然气冷热电联供、分布式能源和区域能源互联网等方式，整合可再生能源、储能、电气化交通设施、压缩空气和输配水，实现区域内的多能协同供应和能源综合梯级利用，具有多能互补，供需互动、实时感知和智能管理4个方面主要特征。

1）多能互补。多能联供综合能源系统侧重于传统化石能源与可再生能源(风、光、水、地热、生物质)及储能的协同供能，加大可再生能源的消纳。

2）供需互动。多能联供综合能源系统以需求侧为核心，面对用户多种直接与间接的能源需求，利用多能互补和“源–网–荷–储”优化运行等关键技术，注重多种能源经济性、安全性、舒适性、环保性的协调统一。

3）实时感知。多能联供综合能源系统通过合理的基于信息融合的多元信息体系，实现能源系统中多尺度、多能源数据融合的实时感知检测和故障信号识别。

4）智能管理。通过大量实时数据、历史运行数据、管理数据的整合，建立数据分析模型，提供系统性、智能化解决方案，解决多元化能源生产、传输、存储、消纳之间调度难的问题。

▌产业园区多能联供综合能源系统构成

1、供给侧设备

供给侧设备以分布式能源站为中心，拓展建设分布式供能设备，如分布式光伏、分布式风机、热泵、余热余压发电设备、储能装置、生物质发电设备和压缩空气装置，构成多能联供综合能源系统的基本供能单元。同时，为实现系统多种能源的稳定供应，需构建微电网、热(冷)管网、压缩空气网、输配水管网，以满足不同用户的多元化能源需求。

2、需求侧主体

需求侧主体主要是指产业园区终端用户，其需求包括电、热、冷、压缩空气、输配水等多元化能源产品。

3、能源管理辅助设施

能源管理辅助设施是指供需侧多种能源深度耦合的设施，包括供给侧能源智能管理系统、需求侧能源实时监测系统、综合需求响应调度平台系统、能源安全预警与故障诊断系统以及能源交易平台系统。

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▌产业园区多能联供综合能源系统关键技术

1、基于不确定性原理的负荷预测技术

针对综合能源系统常用的调研法无法精确预测冷、热、电、气、水等多种能源精准负荷的问题，本文通过建立供能区域的工厂、酒店等典型建筑模型，采用不确定性原理解决用户端负荷的随机波动对系统运行造成的影响，建立基于深度结构多任务学习的冷、热、电负荷超短期与短期预测模型；

研究负荷分析模型中影响中期和长期负荷因素的权重计算方法，形成基于主成分分析和多元回归分析确立园区多类型用户多元能源需求的中长期负荷预测方法。不确定性因素下的精准负荷预测结果为产业园区多能联供综合能源系统的优化运行提供了重要数据支撑。

2、源–网–荷–储动态协同优化技术

多能联供综合能源系统内设备类型多样，能量流动复杂，各设备之间也存在一定的耦合关系，“源–网–荷–储”多类型能流存在很大波动性及不确定性，尤其是光伏可再生能源的波动和储能系统的充放电效率将影响系统的安全运行。

针对冷、热、电、压缩空气、输配水等多种能源在时间、空间上的不同需求，基于不确定性原理预测用户多元负荷需求和分布式能源站的历史运行数据，对系统中能量生产设备、能量转换设备以及能量存储设备进行独立建模，利用多能流时空上的多能互补耦合机制，研究典型工况下系统动态协同的方法，达到宽幅振荡负荷下多能联供综合能源系统源–网–荷–储动态协同和高效运行。

3、综合能源管理平台技术

综合能源服务平台结合能源站自身管理要求建立数字化支撑平台，采用云计算、大数据、人工智能等数字化技术，为数据自助服务、数据资产运营、数字协同、设备诊断等数字业务提供支撑平台，实现售热服务、多能联供服务、能源交易服务、综合能效服务，支撑综合能源服务发展、公司数字经济业务创新和商业模式创新。

综合能源管理平台系统构架一般由各类不同具体功能的组件和协作配合的不同系统子层级构成。综合能源服务智能化的架构如图1所示，总体可分为数据源层、数据接入层、中间层和服务层4个层次。

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数据源层是基础，此层包含必要的产业园区数据源，提供了服务层所需解决问题的洞察，保证中间层智能化分析必需的海量数据。

数据接入层利用物联网技术通过智能电表、智能水表、智能气表、智能流量计等各类传感器获取数据，并将不同来源的数据进行清洗处理，最终转化为适合数据分析方式的格式。

中间层处理分析从底层获取的数据，为服务层提供可调用或进一步分析的结果，其主要功能为数据传输、数据访问、应用调用、应用分析等。

其中“感知智能”“认知智能”的功能需要兼顾热、气系统与电力系统在调节机制、响应速度上的差异，在稳态状态估计的基础上建立多能流、多时间尺度动态估计方法。该模块功能主要包括状态与测量维护、网络拓扑分析、量测预过滤、可观性分析、伪测量自动生成与处理、状态估计与坏数据识别、网络拓扑检错、参数辨识与估计等。

服务层通过中间层处理分析之后的数据，对应不同用户按需求提供服务，例如：基于多尺度能源数据融合的产业园区能源在线监测，结合源–网–荷–储动态协同优化技术，建立基于产业园区综合需求响应的能源管理运行调控和用能优化，达到辅助决策的目的，以反馈于能源站生产优化和园区经营，为能源站管理人员提供综合决策分析功能。

4、综合需求响应套餐设计

基于综合能源管理系统的数据，对多能联供系统的能源需求特点、用户用能行为进行分析，对用户加以分类。在此基础上，充分考虑用户基础用能需求、政府限价、补贴、多能联供特征和供应能力上下限等必要因素，针对单项能源与综合能源，分别设计灵活多样的能源套餐与优惠政策供用户选择；通过算例分析，对比套餐实施前后用户整体能效提升情况，提供能源套餐推荐方案与能源套餐执行方案。

综合能源套餐的制定：将不同的能源品种按照一定的比例进行打包，原则上系统最优的电/冷(或热)/压缩空气生产比例为最优打包比例。综合能源套餐设计将全面考虑用户用能时空特性，如分时性或季度性、可中断负荷、工业用户生产行为的清洁性等因素，尽量为用户提供多样化、个性化、可定制性套餐方案。

综合能源套餐的定价：定价的基本原则是套餐价格应低于购买单项能源的价格，且用能量越大，单价越低；用能行为越接近多能联供系统最优生产比例，单价越低；用户生产行为越清洁，单价越低；用户的冷热电刚性能源消费量为基础价，灵活消费量越大，单价越低。

典型案例分析

▌项目简介

广州某分布式能源站装机容量为2×115 MW燃气–蒸汽联合循环机组已建成投产，机组配置型式：2套1+1+1燃气–蒸汽联合循环(即1台燃机、1台余热锅炉和1台汽机)，燃机和汽机分轴布置，各自带一发电机。

2020年，该机组年供蒸汽量36万t。设计供热抽汽压力为1.4 MPa，平均供热蒸汽计量参数为1 MPa，260℃。目前，分布式能源站的用户主要为产业园区蒸汽用户。园区内的大型食品企业除了蒸汽和用电需求外，还有较大的压缩空气和园区内草坪绿化用水需求。

以分布式能源站冷热电三联供系统为基础，拓展建设园区集中供冷、热、电、压缩空气、输配水等多种能源产品，广泛吸纳周边的光伏等可利用的能源，适当配置储能设施，新建绿色交通综合服务站，进一步完善系统提高能源供应的能力。

此外，充分利用分布式能源的软实力，积极拓展售电、综合能源管理、设备检修维护、企业产品辅助销售等多元服务，形成一个功能齐全、硬实力和软实力并重的多元化能源供应系统，为园区用户提供优质的服务，如图2所示。

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▌系统建设

以原有冷热电三联供系统为基础，建设压缩空气站、光伏电站、储能设施、绿色交通综合服务站等硬件设备，拓展建设园区集中供冷、热、电、压缩空气、绿化消防水等多种能源产品，为园区企业解决多元化能源需求的问题。

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表1 某分布式能源站综合能源服务建设具体工作内容

1）热网和冷网建设。通过铺设供热管网完成产业园区存量和增量热用户的供热，年供热负荷达到80万t，年供热量为235万GJ；通过进一步扩大铺设产业园区供冷管网，用户可消纳的年供冷量达到10万GJ。

2）压缩空气网建设。产业园区大多是食品饮料行业，在生产过程中对压缩空气有大量需求。采用单台容量为400m³/min的离心式压缩机，总容量为800 m³/min。

3）水网建设。园区内草坪土质较薄，不能蓄水，为保证园区草坪的正常生长，平均每天需要耗水10t以上，园区还存有消防水池。通过溴化锂冷却水塔的冷却水取水，从冷水泵出口母管引出小股流量，用管道运输方式提供绿化消防用水和草坪用水。通过完成产业园区水网建设，每月供水量达到9000 t，年供水量达到10万t。

4）光伏和储能建设。由于广东省建设的光伏发电站收益良好，需充分利用园区内及周边企业屋顶条件，创造开展光伏电站项目建设的条件。利用产业园区屋顶面积约6.6万㎡，建设11 MW光伏发电站。

根据园区内企业用电数据，大多企业一天24 h用电较为平均，峰、谷、平用电量几乎各占1/3，因此配置储电设备容量约为企业平均每日用电量的1/3。充分考虑到园区电价的峰谷价差及企业用电特性，在园区建设容量共计约3MW·h的电储能设备，利用园区电价的峰谷价差为用户节约综合用电成本。

5）绿色交通综合服务站建设。利用能源站附近闲置用地，建设一个集成60个充电桩的智慧停车场，合计占地面积3650㎡，为园区的电动汽车提供充电服务，此外还提供了电池检修、诊断、维护、保养等附加服务。

▌多能联供系统成效

该能源站以原有冷热电三联供系统为基础，通过打造一个以冷、热、电、压缩空气多能联供为主要纽带，同时提供多能源形式合同管理、绿色交通充电等延伸的综合能源服务系统，为园区企业解决多元化能源需求的问题。

2020年该能源站发电利用时间稳定在4500 h以上，多联供产品达到了7种，即电、热、冷、压缩空气、水、冰和数据。7类多联供产品销售折算总焓值达到648万GJ，其中，非电多联供产品折算输出焓值占比与未建成多能联供系统时(2016年)相比提升了116.4%。预计到2025年该分布式能源站综合能源服务业务收入约9亿元，年均增长10%。

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