陳 貺 吳振華 曹 亮 田文奇 劉大瑋

(1.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038； 2.交通運輸部水運科學研究院， 北京 100088)

0 前言

有色工業(yè)園聚集了眾多大工業(yè)用戶，對電、冷、熱、氣、水等多種能源的需求量很大且集中，能耗量也較均勻、波動小，具有較高熱電負荷比，并對供能的可靠性和質量要求較高。傳統(tǒng)的工業(yè)園區(qū)各種能源均分開和獨立，且產能側與需求側缺乏有效互動, 普遍存在能耗較高、資源浪費等問題, 極大影響了能源利用效率和經濟環(huán)境效益。隨著綜合能源服務和“互聯網+”理念的推出，具有綠色化、集約化和智慧化特點的綜合能源服務技術在有色工業(yè)園中的應用前景越來越廣闊。下文以某有色工業(yè)園為背景，引入綜合能源系統(tǒng)，優(yōu)化生產工藝, 生產綠色能源，改善企業(yè)能源結構, 加大余熱資源的回收利用；引入智慧能源管控平臺, 提高能源利用率。

1 綜合能源系統(tǒng)在某有色工業(yè)園的應用

綜合能源系統(tǒng)是能源互聯網的物理載體，接入分布式電源與儲能系統(tǒng)較多，能進行多能源協(xié)調互補、促進能源階梯利用、源網荷儲協(xié)同互動、物理信息系統(tǒng)高度融合、能源調度管控精細化等，與大電網靈活互動，實現備用、調峰、需求側響應等雙向服務。某有色工業(yè)園的綜合能源系統(tǒng)由以下幾個部分組成。

1.1 微電網建設

某有色工業(yè)園以110 kV變電站為核心變電站，通過不同區(qū)域變電站完成各廠區(qū)電力負荷的供應，各110 kV變電站以點的形式分別接入國網的220 kV或330 kV變電站，形成環(huán)網供電[1]。某有色工業(yè)園內的主要負荷包括冶煉爐、電解、電動機等，電網采用系統(tǒng)多電源放射式供電方案。綜合能源系統(tǒng)的應用，要求對有色工業(yè)園已有電網架構進行智能微電網的優(yōu)化和改造，重點包括多種能源一體化規(guī)劃、分布式能源接入、源網荷儲協(xié)調調度、逆向潮流保護、功率預測和控制、低周減載和故障解列等。

1.2 節(jié)能和計量改造

1.2.1 節(jié)能改造

在滿足工藝生產的前提下，對場內已有的部分大電機采取變頻、軟起等方式進行改造，降低啟動時負荷沖擊和調速節(jié)能；對照明系統(tǒng)采取更換節(jié)能燈具、設置照明控制器等方式進行改造。有色冶煉工藝要求配置大量的風機和水泵，因此對風機和水泵的節(jié)能改造潛力巨大。

1)傳統(tǒng)調節(jié)方式存在的問題。傳統(tǒng)調節(jié)方法有節(jié)流調節(jié)和導向器調節(jié)等，節(jié)流調節(jié)是通過調節(jié)風機或水泵的出口風門、擋板等的開度，即人為地增加系統(tǒng)阻力，改變風道、水管的特性曲線，從而實現流量調節(jié)。該調節(jié)方式有相當一部分的壓降是被風門、擋板的關小后額外增加的阻力所消耗掉，不經濟；風機導向器調節(jié)則是通過改變安裝在風機入口處導向葉片的角度來調節(jié)風機流量，增加了渦流損失，降低效率。

2)變頻調節(jié)的優(yōu)勢。通過對風機和水泵加裝變頻器，采用變頻調速方式調節(jié)風機、水泵的轉速，根據風機、水泵特性曲線，從而實現調節(jié)風壓、水壓和風量、水量的目的，降低原動機能耗，提升風機、水泵在各運行工況的效率，能源利用率最高，經濟性最佳。

1.2.2 能源計量系統(tǒng)改造

能源計量系統(tǒng)改造包括電、水、冷/熱、氣/汽等能源或介質的計量儀表和信號傳輸：

1)充分利用已有的計量信號，從全廠DCS和電力綜保系統(tǒng)中將相應信號通信至綜合能源系統(tǒng)。

2)對部分不具備遠傳功能的計量儀表進行改造或更換，并在對應工藝環(huán)節(jié)增加相應計量儀表燈，計量數據傳輸至綜合能源系統(tǒng)。

1.3 分布式能源

1.3.1 分布式光伏發(fā)電

綜合利用某有色工業(yè)園內已建成閑置廠房屋頂、停車場和道路等資源，按“分散發(fā)電、集中并網、就近接入、完全消納”的設計原則，建設20 MWp光伏電站，光伏發(fā)電接入各廠房10 kV及以下變電站，預計年均能提供2 400萬kWh新能源電能。

1.3.2 分散式風力發(fā)電

結合當地優(yōu)越的風力資源，選用兼具景觀性和實用性的1.5 MW大型風力發(fā)電機組，布置于工業(yè)園空曠、離變電站較近區(qū)域，風力發(fā)電機組分散式接入各企業(yè)35～110 kV主變電站，確保實現電能在工業(yè)園區(qū)內就地消納。風電總裝機容量15 MW，預計年均提供3 500萬kWh新能源電能。

1.3.3 儲能系統(tǒng)

在某有色工業(yè)園110 kV變電站新建一座500 kW/1 000 kWh的磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)，一方面能實現與新能源的配套，解決光伏、風電等具有的間歇性、不穩(wěn)定性和波動的特點；另一方面，根據某有色工業(yè)園執(zhí)行的峰谷平電價，實現削峰填谷，提高經濟效益，還能提供無功補償、頻率響應等多種功能，提高負荷平穩(wěn)度。

1.3.4 電動充電裝置

根據某有色工業(yè)園區(qū)人員和車輛配置，結合員工充電實際需求，物流車、通勤車等優(yōu)選純電動新能源汽車，新能源車位比例不低于20%，擬在各停車場新建70個乘用車充電工位，配置10臺60 kW一體式直流充電機和60臺7 kW交流充電樁，均采用落地式安裝方式，可滿足80臺電動車同時充電的需要，綠色出行，提高新能源比率。

1.4 余熱綜合利用

1.4.1 高溫煙氣余熱回收利用

采用余熱鍋爐有效地將冶煉各環(huán)節(jié)產生的高溫煙氣中的熱能進行回收利用，高溫煙氣先進入爐膛，再進入前煙箱的余熱回收裝置，余熱鍋爐生產熱水或蒸汽供給其他工段使用[2]。

1.4.2 爐渣余熱回收利用

采用水淬法渣粒化和直熱機換熱器相結合的余熱回收技術對爐渣進行余熱回收利用，產生熱水和蒸汽供后續(xù)工段使用，并且提供副產物粒狀渣用作建筑或路面材料。

1.4.3 循環(huán)水余熱回收利用

某有色工業(yè)園內冷卻水系統(tǒng)包括熔煉循環(huán)水、制酸循環(huán)水、電解循環(huán)水、空壓機循環(huán)水等，水溫基本介于40～50 ℃，采用增熱型熱泵，以蒸汽、熱水為驅動熱源，溴化鋰溶液作為吸附劑，水為工質，利用水的閃蒸吸熱，通過向系統(tǒng)輸入少量高溫熱源，回收低溫熱能，產生70～80 ℃的高溫熱水，可作為園區(qū)供暖、生活熱水使用，熱力系數能達到1.6～2.5[3]。

1.4.4 數據機房余熱回收利用

將傳統(tǒng)的數據機房空調冷卻水采用的開式冷卻塔冷卻降溫方式，改造為采用熱泵回收利用，將冷卻水引入換熱器，制備22/12 ℃的冷卻水，經循環(huán)泵輸送至熱泵機組，制備出55/40 ℃熱水供園區(qū)生產、生活使用。

1.5 智慧能源管控平臺

依托某有色工業(yè)園內各有色企業(yè)生產實際和園區(qū)管理需求，以及各部門關于能源、資源、環(huán)保和節(jié)能減排等監(jiān)管考核要求，整個工業(yè)園需建設智慧能源管控平臺。平臺采用分層分布式和雙機雙網冗余的物理化架構，通訊方式采用工業(yè)以太網結構，以千兆光纖雙環(huán)網作為骨干網絡，將園內各個企業(yè)互聯起來，建立可靠的數據采集通訊網絡，保證各作業(yè)單元的獨立性和安全性。整個智慧能源管控平臺分為工業(yè)園級和企業(yè)級兩級。

1.5.1 工業(yè)園級智慧能源管控平臺

工業(yè)園級智慧能源管控平臺(圖1)由綜合能源數據中心、綜合能源管理中心、用戶服務互動中心、綜合能源分析診斷中心、碳減排管理中心等多個部分組成，將分散各處的企業(yè)級平臺的監(jiān)控和管理變?yōu)榧谢捅馄交?，促進能源資源節(jié)約集約利用，減少碳排放，緩解資源環(huán)境壓力，不但能實現數據采集與處理、能源監(jiān)控與調度、用能預測與分析、報警與報表等功能，還能對園區(qū)內各企業(yè)提供能耗優(yōu)化、節(jié)能評估、碳排放與交易以及能源交易等增值服務，并做好與工業(yè)、能源、環(huán)保、電網等主管部門的資源能源環(huán)保的數據共享和做好監(jiān)督考核的前站。

圖1 工業(yè)園級智慧能源管控平臺系統(tǒng)框圖

1.5.2 企業(yè)級智慧能源管控平臺

企業(yè)級智慧能源管控平臺是基于各企業(yè)已有的各工藝控制系統(tǒng)、能源動力公輔控制系統(tǒng)以及能源計量系統(tǒng)等建立集中統(tǒng)一的能源監(jiān)控和調度管理平臺，對企業(yè)內水、電、熱冷、氣汽等多種能源進行統(tǒng)一能量調度和管理，實現對各種能源介質從生產、傳輸、分配、轉化、存儲和使用環(huán)節(jié)進行統(tǒng)一監(jiān)控、有機協(xié)調與優(yōu)化調度，實時掌控生產管理狀態(tài)，實現公司能源系統(tǒng)集中、一體化運行的目標。

2 工業(yè)園綜合能源系統(tǒng)面臨的問題和未來發(fā)展

2.1 面臨的問題

國內暫還未出臺綜合能源系統(tǒng)相關技術規(guī)范和質量認證等文件，缺乏統(tǒng)一的考核和監(jiān)督標準。由于余熱回收熱水主要用于供暖、生產生活熱水供應，有色企業(yè)一般每年均有檢修期，若將檢修期安排在冬季，可能對園區(qū)供暖與熱水供應產生影響，需做好園區(qū)企業(yè)檢修與供暖計劃的統(tǒng)籌協(xié)調。

綜合能源系統(tǒng)側重于分布式能源和一體化規(guī)劃、協(xié)同運行、優(yōu)化調度以及信息共享和市場化運營，強調多能互補以及能源供應與用戶需求之間的匹配響應。目前，以價格型需求響應、激勵型需求響應和可再生能源配比為基礎的多主體多時間尺度的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)互動機制在國外已有應用，但是國內受限于電力、供暖、燃氣、燃油等體制方面改革，還面臨能源市場化交易制度未完全建立，暫無成熟的商業(yè)運作和盈利模式供借鑒，還存在需求側競價、約定需求響應、熱電耦合互動等多主體協(xié)調互動等相關問題[4]。

2.2 未來的發(fā)展

近期，基于云架構和“互聯網+”的技術發(fā)展迅速，預計將為工業(yè)園區(qū)各能源實時數據共享至云端，為綜合能源系統(tǒng)實現遠程集群智能優(yōu)化調度提供條件，進一步增加管控平臺對園區(qū)能源全局的管控力[5]。

3 結束語

基于有色工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的應用方式，結合當前政策、技術和裝備水平等，認為根據園區(qū)自身資源條件和用能需求，因地制宜建設綜合能源系統(tǒng)，發(fā)展綜合能源技術是必要的。有色工業(yè)園綜合能源系統(tǒng)應依托工藝生產流程，重點解決分布式能源接入、源網荷儲協(xié)調微電網、已有設備節(jié)能改造、余熱回收利用、冷熱電多能互補和智慧能源管控平臺等技術, 促進園區(qū)內多類型能源的相互融合，做好開源節(jié)流，實現綜合能源系統(tǒng)帶來的經濟和社會效益。本文探討的某有色工業(yè)園綜合能源系統(tǒng)能夠有效降低互動調度成本和綜合用能成本, 擴大各方利益, 實現多方共贏，具有較強的創(chuàng)新性和操作可行性，后續(xù)將隨著國內改革推進和技術發(fā)展而不斷進行完善和應用。