宋卓然，張子信，張明理，王 勇，顧同剛

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

電熱供需矛盾下的遼寧地區(qū)熱電機(jī)組規(guī)劃研究

宋卓然1，張子信1，張明理1，王 勇2，顧同剛2

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

遼寧乃至東北地區(qū)受經(jīng)濟(jì)形勢(shì)影響，用電增長(zhǎng)低速徘徊，同時(shí)集中供熱面積缺口大，熱力與電力如何協(xié)調(diào)發(fā)展的問題亟待解決。分析了遼寧地區(qū)電力供大于求與熱力供小于求的矛盾問題，系統(tǒng)論述了現(xiàn)有的供熱方式、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境保護(hù)等方面的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，提出采用背壓機(jī)組加大型熱水鍋爐為主的多元供熱方式作為遼寧地區(qū)熱電發(fā)展規(guī)劃主要思路，并通過經(jīng)濟(jì)分析驗(yàn)證了該方式的可行性。

電力供需；熱力供需；供熱平衡；供熱方案；經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

受經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于三期疊加階段影響，東北地區(qū)負(fù)荷在十二五末期增長(zhǎng)放緩，電源裝機(jī)發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了負(fù)荷增長(zhǎng)需求。目前，東北電網(wǎng)已全面呈現(xiàn)供大于求的用電形勢(shì)，遼吉黑及蒙東火電裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)分別為4 353 h、3 433 h、4 134h、4 278 h，均排在全國后五位之中。由于富裕電力較多，本地區(qū)消納能力有限，現(xiàn)已向華北送電約300萬kW，造成了煤電倒流的不合理局面。遼寧電網(wǎng)機(jī)組利用小時(shí)數(shù)連續(xù)9年持續(xù)下滑，統(tǒng)調(diào)火電利用小時(shí)數(shù)已由2006年最高時(shí)的6 000 h下降到目前的4 200 h左右。

在遼寧負(fù)荷增長(zhǎng)速度放緩的情況下，隨著風(fēng)電的快速發(fā)展、供熱機(jī)組容量不斷增加、核電機(jī)組陸續(xù)投產(chǎn)，遼寧電網(wǎng)出現(xiàn)了低谷調(diào)峰困難、難以全額接納清潔能源發(fā)電的情況，導(dǎo)致風(fēng)電、核電窩電現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，科學(xué)制定電力、熱力協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃是能源發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

為提高供熱效率，創(chuàng)新熱電規(guī)劃技術(shù)，文獻(xiàn)［1］綜述了熱電聯(lián)產(chǎn)面臨的企業(yè)虧損、供熱規(guī)劃與電力發(fā)展規(guī)劃不協(xié)調(diào)等問題，文獻(xiàn)［2］通過對(duì)三北電網(wǎng)區(qū)域現(xiàn)役電廠供熱改造可行性研究的調(diào)研評(píng)估分析，論證了城市周邊現(xiàn)役電廠125 MW及以上純凝機(jī)組供熱改造在技術(shù)上是可行的；文獻(xiàn)［3－5］以供熱聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為研究對(duì)象，分析了主機(jī)選型、聯(lián)合循環(huán)配置、燃機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化措施，使機(jī)組性能得到優(yōu)化；文獻(xiàn)［6－7］針對(duì)不同類型機(jī)組熱電負(fù)荷優(yōu)化分配問題進(jìn)行建模，提高了熱電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)［8］提出黑龍江省熱電規(guī)劃重點(diǎn)是發(fā)展單機(jī)容量300 MW的大型熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，文獻(xiàn)［9］結(jié)合上海市居民采暖不需要集中供熱的地區(qū)特點(diǎn)，以服務(wù)石化、鋼鐵、輕紡、造紙工業(yè)企業(yè)熱負(fù)荷角度進(jìn)行了熱電機(jī)組規(guī)劃。文獻(xiàn)［10－11］從熱電機(jī)組運(yùn)行角度，建立了冷熱電聯(lián)供生產(chǎn)成本和環(huán)境成本目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用目標(biāo)隸屬度函數(shù)模糊算法，將其轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化并利用二次規(guī)劃法求解。既有的研究局限于個(gè)體熱電機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行研究，并且與遼寧地區(qū)熱負(fù)荷、電負(fù)荷特性不盡相同。

本文結(jié)合經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)下，面對(duì)地區(qū)裝機(jī)過剩、用電量增速放緩、熱負(fù)荷需求持續(xù)增加的新的復(fù)雜環(huán)境，立足于供熱規(guī)劃與供電規(guī)劃協(xié)調(diào)發(fā)展，提出有效的熱電發(fā)展規(guī)劃方案。

1 遼寧地區(qū)電熱供需基本形式

1.1 電力供需基本形式

根據(jù)地方政府的經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)以及電力歷史彈性系數(shù)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，十三五負(fù)荷增長(zhǎng)率約為7.2%，遼寧省2015—2020年電力平衡結(jié)果如表1所示。遼寧省目前電力盈余裝機(jī)約442萬，隨著負(fù)荷的增長(zhǎng)裝機(jī)盈余狀況將在2020年發(fā)生轉(zhuǎn)變，2020年缺少裝機(jī)379萬kW。

表1 遼寧省2015—2020年電力平衡表萬kW

1.2 熱力供需基本形式

遼寧省是城市化率比較高的省份，全省總?cè)丝? 375萬。其中城鎮(zhèn)人口2 717萬，占62%。城市規(guī)模擴(kuò)展和城市化進(jìn)程的加快，人民生活水平的不斷提高，導(dǎo)致集中供熱負(fù)荷需求急劇增加，2014年，全省城市建筑面積約8.5億m2，其中大中型熱電聯(lián)產(chǎn)占城市集中供熱面積41%。燃煤熱水鍋爐占比50%（其中29 MW以下燃煤鍋爐供熱面積占比15%）；燃?xì)忮仩t占比1%；其它（含水源和地源熱泵等供熱）占比8%。根據(jù)國家及地方政府節(jié)能減排相關(guān)政策，29 MW以下燃煤鍋爐為高耗能低效率供熱方式，將逐步被淘汰。屆時(shí)，燃煤鍋爐供熱占比將下降為35%，熱電聯(lián)產(chǎn)供熱面積比例將上升到56%。

預(yù)計(jì)2015年城市采暖建筑面積達(dá)到9億m2，新增采暖面積0.5億m2；到2020年，供熱面積超過11.58億m2。新增采暖面積3億m2。

2 主要供熱方式及機(jī)組類型

2.1 熱電聯(lián)產(chǎn)

電廠鍋爐產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電以后，排出的蒸汽仍含有大部分熱量被冷卻水帶走，因而火電廠的熱效率只有30%～40%。如果蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的過程或之后的抽汽或排汽的熱量能加以利用，可以既發(fā)電又供熱。這種生產(chǎn)方式稱為熱電聯(lián)產(chǎn)。其熱效率可達(dá)80%～90%，能源利用效率比單純發(fā)電約提高1倍以上。

a.大型抽凝供熱機(jī)組。單機(jī)容量達(dá)到20萬kW及以上，包括20萬kW、30萬kW、33萬kW、35萬kW熱電機(jī)組，主要用為熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱。單臺(tái)20萬kW熱電機(jī)組供熱能力200 MW，單臺(tái)30～35萬kW熱電機(jī)組供熱能力300 MW。抽凝式汽輪機(jī)組的特點(diǎn)是，對(duì)熱負(fù)荷的適應(yīng)性好，運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活可靠。一般情況下2臺(tái)350 MW級(jí)抽凝機(jī)組，可滿足1 200萬m2以上的采暖供熱面積。

b.大型凝汽機(jī)組改造抽汽機(jī)組供熱。將原有30萬kW、33萬kW、60萬kW凝汽機(jī)組改造為抽汽機(jī)組，主要用為熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱。改造后的30～33萬kW抽汽機(jī)組供熱能力150 MW，60萬kW抽汽機(jī)組供熱能力300 MW。該改造方式的優(yōu)點(diǎn)是改造投資相對(duì)較少，不用新增機(jī)組容量，缺點(diǎn)是受原機(jī)組汽缸結(jié)構(gòu)條件制約，機(jī)組抽汽能力有限。

c.中型抽凝供熱機(jī)組。包括10萬kW、12.5萬kW、13.5萬kW熱電機(jī)組，主要用為熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱。

d.背壓供熱機(jī)組。包括1.2萬kW、1.5萬kW、2.5萬kW、5萬kW背壓機(jī)組，除解決工業(yè)熱負(fù)荷外，還可通過汽水換熱為采暖熱用戶供熱。背壓機(jī)組是真正意義上的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，機(jī)組不設(shè)置凝汽器，直接利用高參數(shù)的排汽提供采暖或工業(yè)用蒸汽，由于機(jī)組不存在冷源損失，具有最高的熱力循環(huán)效率，從而降低了發(fā)電煤耗、節(jié)約能源，故而得以廣泛應(yīng)用。然而，背壓機(jī)亦有下述缺點(diǎn)：對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性差，機(jī)組發(fā)電量受制于熱負(fù)荷變化。當(dāng)?shù)蜔嶝?fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)效率下降，從而使經(jīng)濟(jì)效益降低。對(duì)于常年用熱在6 000 h或以上，且只有一種參數(shù)的穩(wěn)定的熱用戶，選用背壓式機(jī)組是最理想的。1座2臺(tái)5萬kW背壓機(jī)組的電廠供熱面積在1 000萬m2左右。

e.小型抽凝供熱機(jī)組。包括6 000 kW、1.2萬kW、2.5萬kW、5萬kW抽凝熱電機(jī)組，利用小型抽汽機(jī)組汽水換熱供熱。

f.企業(yè)自備熱電機(jī)組供熱。除解決各自企業(yè)生產(chǎn)用汽外，為周邊提供部分采暖用熱。

g.小型熱電機(jī)組與大型熱水鍋爐聯(lián)合供熱。隨著熱負(fù)荷的增加，部分小型熱電機(jī)組廠區(qū)內(nèi)擴(kuò)建大型熱水鍋爐，為采暖熱用戶供熱。

2.2 區(qū)域鍋爐房供熱

大型熱水鍋爐供熱方式越來越多的應(yīng)用在供熱行業(yè)，具有投資省、見效快、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。特別是隨著大型循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的成熟，單臺(tái)容量168 MW、116 MW、70 MW、58 MW的循環(huán)流化床熱水鍋爐在我國得到快速發(fā)展和應(yīng)用。當(dāng)然，大型熱水鍋爐項(xiàng)目由于只供熱、不發(fā)電，需要電網(wǎng)提供大量的電力，增加了大型熱水鍋爐項(xiàng)目的供熱成本。另外，還有許多單臺(tái)容量29 MW以下的低效率燃煤鍋爐運(yùn)行，浪費(fèi)能源、污染環(huán)境。

a.大型熱水鍋爐供熱。在熱電廠供熱區(qū)域外，新建、擴(kuò)建大型熱水鍋爐供熱系統(tǒng)；在熱電廠供熱區(qū)域內(nèi)，新建、擴(kuò)建大型熱水鍋爐作為大型熱電廠調(diào)峰熱源。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，大型熱水鍋爐供熱規(guī)模在各大城市所占比例均較大，單臺(tái)168 MW熱水鍋爐可以滿足320萬m2的供熱。

b.中小型熱水鍋爐供熱。單臺(tái)容量29 MW以下的熱水鍋爐供熱系統(tǒng)。由于該規(guī)模的燃煤鏈條鍋爐供熱量小、鍋爐熱效率低，均在規(guī)劃拆除的范圍內(nèi)；對(duì)于該規(guī)模新型高效煤粉鍋爐由于鍋爐熱效率高，符合分布式供熱系統(tǒng)的相關(guān)條件，應(yīng)有條件保留。

c.大型供熱鍋爐與污水源熱泵聯(lián)合供熱。大型熱水鍋爐、蒸汽鍋爐與污水源熱泵聯(lián)合供熱，蒸汽鍋爐主要提供熱泵機(jī)組動(dòng)力，排汽汽水換熱供熱。通過能源梯級(jí)利用、利用中水熱量、節(jié)能減排，節(jié)能量達(dá)30%以上。

3 供熱方案分析

3.1 供熱方案

為滿足供熱需求，可以采用現(xiàn)有熱電廠擴(kuò)建大型熱水鍋爐、大型凝汽機(jī)組改造抽汽機(jī)組供熱等改造方式，也可采用新建熱電廠的方式。由于改造方案模型涉及影響因素較多，而且規(guī)劃也以新增電廠為主，因此本文僅對(duì)新建熱電廠的3種方案進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。

表2 供熱方案

方案1：電廠新建2×350 MW抽汽機(jī)組。

在額定工況下，單臺(tái)機(jī)組采暖抽汽參數(shù)：壓力0.39 MPa，溫度251.7℃，焓值2 968.3 kJ／kg。供蒸汽量515 t／h，2臺(tái)機(jī)組供汽量1 030 t／h，蒸汽疏水按110℃計(jì)算，電廠供熱量717.22 MW，供熱面積1 200萬m2。

方案2：電廠新建2×350 MW抽汽機(jī)組＋4×116 MW熱水鍋爐。

熱電機(jī)組參數(shù)同上。熱水鍋爐4×116 MW，單臺(tái)116 MW熱水爐循環(huán)水量1 652 t／h，額定出水壓力1.6 MPa，額定出水溫度130℃，額定進(jìn)水溫度70℃。4臺(tái)鍋爐供熱量464 MW。

電廠總供熱量1 181.22 MW。綜合熱指標(biāo)50 W／m2，電廠可供采暖面積為2 362萬m2。熱化系數(shù)為0.607。

方案3：電廠新建2×B50背壓機(jī)組＋4×168 MW熱水鍋爐。

額定工況下，單臺(tái)機(jī)組采暖排汽參數(shù)：壓力0.294 2 MPa，溫度138.16℃，焓值2 735.3 kJ／kg。供蒸汽量273 t／h，2臺(tái)機(jī)組供汽546 t／h，蒸汽疏水按110℃計(jì)算，電廠供熱量344.89 MW。

熱水鍋爐4×168 MW，單臺(tái)168 MW熱水爐循環(huán)水量2 392 t／h，額定出水壓力1.6 MPa，額定出水溫度130℃，額定進(jìn)水溫度70℃。4臺(tái)鍋爐供熱量為672 MW。

電廠總供熱量1 016.89 MW。綜合熱指標(biāo)50 W／m2，電廠可供采暖面積2 033萬m2。熱化系數(shù)為0.34。

3.2 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

以基準(zhǔn)收益率為7.5%，投資方內(nèi)部收益率為8%測(cè)算上網(wǎng)電價(jià)，如表3所示。通過項(xiàng)目財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)，按熱價(jià)63元／GJ（含稅）、項(xiàng)目投資內(nèi)部收益率8%時(shí)，在現(xiàn)行條件下測(cè)算上網(wǎng)電價(jià)方案1為347.33元／MWh（含稅），方案2為356.39元／MWh（含稅），方案3為339.18元／MWh（含稅），低于國家發(fā)改委核定的遼寧省標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)414元／MWh（含稅），3種方案在財(cái)務(wù)上均具有盈利能力，具有操作性。

表3 3種方案電價(jià)測(cè)算

3種方案的主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。為滿足電力、熱力供應(yīng)需要，3種方案分別需要新建電廠14座、7座與9座。方案對(duì)應(yīng)指標(biāo)如表3所示。在滿足熱力供應(yīng)需求之后，電力供應(yīng)方案1是方案2的2倍，是方案3的11倍；氣體污染物排放量方案1、方案2比方案3高出近1倍，總投資方案1比方案2高出近1.5倍，比方案3高出2.5倍。此外，采用方案3可以提高火電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)近700 h，使得既有火電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)能夠達(dá)到5 000 h的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行空間。由此可見，方案3更適合電力冗余的供熱省份，而方案1、2則更適合電力緊缺的省份。

表4 供熱方案技術(shù)對(duì)比表

綜合熱力平衡、電力平衡結(jié)果，推薦采用方案3，盡管到2020年遼寧仍將處于缺電狀態(tài)，但是考慮到負(fù)荷增長(zhǎng)的不確定性及東北地區(qū)的特高壓電網(wǎng)規(guī)劃，建議電力缺口通過聯(lián)絡(luò)線受入及發(fā)展清潔能源解決。

4 遼寧地區(qū)熱電發(fā)展規(guī)劃

4.1 遼寧地區(qū)熱電規(guī)劃基本思路

為了節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，滿足北方地區(qū)不斷增長(zhǎng)的采暖供熱需求，建議分兩步完善遼寧地區(qū)供熱方式。

近期，在現(xiàn)有城市2臺(tái)30萬kW級(jí)供熱電廠內(nèi)不再擴(kuò)建同類熱電機(jī)組，應(yīng)根據(jù)熱負(fù)荷發(fā)展和落實(shí)情況，擴(kuò)建2～4臺(tái)168 MW熱水鍋爐，解決城市熱負(fù)荷增長(zhǎng)需求；同時(shí)規(guī)劃新建N個(gè)2臺(tái)5萬kW背壓式供熱機(jī)組＋2～4臺(tái)168 MW熱水鍋爐熱電項(xiàng)目，滿足城市供熱面積增長(zhǎng)需求。

中遠(yuǎn)期，將原有規(guī)劃建設(shè)2臺(tái)30萬kW級(jí)供熱電廠方案調(diào)整為2臺(tái)5萬kW背壓式供熱機(jī)組＋2～4臺(tái)168 MW熱水鍋爐方案。

在縣級(jí)城市，根據(jù)熱負(fù)荷，規(guī)劃建設(shè)2臺(tái)1.2～2.5萬kW背壓式供熱機(jī)組＋2～4臺(tái)168 MW（或116 MW）熱水鍋爐熱電項(xiàng)目，替代原有熱源項(xiàng)目，滿足城市現(xiàn)有和發(fā)展供熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)省政府“藍(lán)天工程”和“一縣一熱源”的戰(zhàn)略規(guī)劃。

4.2 地區(qū)熱電發(fā)展政策探討

由于采用背壓供熱機(jī)組供暖，只能在采暖季運(yùn)行，導(dǎo)致機(jī)組設(shè)備利用率低，實(shí)際供熱運(yùn)行小時(shí)數(shù)約為2 320 h，機(jī)組全年大部分時(shí)間停止運(yùn)行，嚴(yán)重影響背壓機(jī)組供熱優(yōu)越性的發(fā)揮，并使項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益大大降低。

因此，為提高熱電企業(yè)的建設(shè)積極性，除讓業(yè)主享受目前國家和地方政府出臺(tái)關(guān)于“熱電聯(lián)產(chǎn)”扶持政策外，還需進(jìn)一步爭(zhēng)取國家和地方政府有關(guān)主管部門給予其它方面的優(yōu)惠政策。主要包括以下幾點(diǎn)。

a.背壓供熱機(jī)組容量不納入當(dāng)?shù)仉娏ㄔO(shè)規(guī)模。

b.熱電廠與大型熱水調(diào)峰鍋爐在同一個(gè)場(chǎng)地建設(shè)時(shí)，應(yīng)視為同一熱源項(xiàng)目，同等享受國家和地方政府給予的各項(xiàng)優(yōu)惠政策。同時(shí)，熱源與熱網(wǎng)的建設(shè)及運(yùn)營管理應(yīng)由同一個(gè)項(xiàng)目業(yè)主負(fù)責(zé)。

c.上網(wǎng)電價(jià)實(shí)行兩部制電價(jià)機(jī)制，電量電價(jià)按當(dāng)?shù)厝济簷C(jī)組脫硫和脫硝標(biāo)桿電價(jià)執(zhí)行。容量電價(jià)由國家物價(jià)主管部門制定。

d.地方政府應(yīng)該出臺(tái)提供建設(shè)用地、熱網(wǎng)配套費(fèi)差異化等方面優(yōu)惠政策給予支持。

5 結(jié)束語

本文對(duì)遼寧地區(qū)電熱供需矛盾問題進(jìn)行了分析，提出采用供熱方式多元化來緩解電熱供需矛盾。通過分析背壓機(jī)組加熱水鍋爐與大型抽凝機(jī)組等多種供熱方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，給出遼寧地區(qū)未來熱電發(fā)展思路及相關(guān)政策建議，可為地區(qū)能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃提供重要參考。

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［10］ 周任軍，冉曉洪，毛發(fā)龍，等.分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（6）：8－14.

［11］ 龍虹毓，何國軍，徐瑞林，等.計(jì)及分布式電源熱泵的熱電聯(lián)產(chǎn)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度與能效分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（14）：38－42.

Cogeneration Planning Based on the Imbalance of Power and Heat Supplying in Liaoning

SONG Zhuo?ran1，ZHANG Zi?xin1，ZHANG Ming?li1，WANG Yong2，GU Tong?gang2
（1.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China；2.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

The growth of electricity consumption of Liaoning and northeast area has maintained a low speed by the impact of economic situation.Meanwhile，the centralized heating area demand increases year by year，How to coordinate the development of heating and electricity becomes to be urgently solved.The contradiction problem of heating and electricity supply and demand is discussed in this paper.The advantages and disadvantages of existing heating mode is analyzed as well as technology，economy，environmental protec?tion and other aspects.The heat supply plan of back pressure unit and large hot water boiler combined with various heat supply is put forward as the thermal power development planning of Liaoning.The feasibility is verified by economic analysis.

Power supply and demand；Heat supply and demand；Heat balance；Heat supplying plan；Economic evaluation

TM611

A

1004－7913（2016）01－0005－04

國網(wǎng)遼寧省電力有限公司青年研究促進(jìn)費(fèi)資助項(xiàng)目（5222JJ14001D）

宋卓然（1985—），男，碩士，工程師，主要從事為電力系統(tǒng)規(guī)劃、電源規(guī)劃、能源規(guī)劃相關(guān)研究。

2015－10－20）