祝令凱，王為帥，張海靜，鐘子威，鄭 威

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250012）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，化石能源枯竭，環(huán)境污染日益嚴重，能源利用不足等問題逐漸暴露出來，亟待解決。加速可再生能源的開發(fā)和發(fā)展，提高能源效率，探索新的能源利用方式已受到廣泛關注，綜合能源系統(tǒng)的概念為解決此類問題提供了新的方向［1］。自備電廠作為能源綜合利用過程中的重要組成部分，不容忽視，未來在綜合能源應用領域中探索自備電廠的應用也已成為研究熱點。

1 自備電廠現(xiàn)狀分析

20 世紀80 年代，隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，高耗能企業(yè)加快了投資建設步伐，導致電力需求快速增長，一些高耗能企業(yè)為了滿足自身電力需求開始建立自備電廠。后期，為了緩解電能供需矛盾，政府提出“多電源”和“多通道電源”，用以引導企業(yè)自主發(fā)電，因此許多高耗能企業(yè)紛紛投資建設自己的電廠，而自備電廠的數(shù)量也迅速增加［2-4］。在很長的一段時期內(nèi)，自備電廠在緩解電力供需緊張方面發(fā)揮了重要作用，有效促進了國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展，但逐漸也暴露了自備電廠發(fā)展帶來的許多問題。首先，大多數(shù)自備電廠都是燃煤熱電廠，排放物中大多數(shù)含有污染環(huán)境的成分，但是工廠中的環(huán)境保護設施不到位，自備電廠在滿足電能需求的同時又帶來嚴重的環(huán)境污染。其次，大多數(shù)自備電廠都是由企業(yè)獨立投資建設的，管理運行相對獨立，長期缺乏有關部門的約束管理，為追求利益最大化，一些自備電廠違規(guī)建設且運行水平低下。一般情況下，自備電廠發(fā)電可以滿足企業(yè)自身的用電需求，當自備電廠機組不能滿足企業(yè)的用電需求時，企業(yè)需要從電網(wǎng)用電。大量自備電廠自治運行會導致電網(wǎng)無法及時、準確地制定售電計劃，破壞電網(wǎng)運行的可靠性，并容易造成大規(guī)模停電。另外，大量的自備電廠集中發(fā)電且不參與電網(wǎng)調(diào)峰，導致電網(wǎng)調(diào)峰能力不足，導致新能源消納困難。因此，有必要對自備電廠進行深入分析，充分發(fā)掘自備電廠的優(yōu)勢，合理利用并強化管理，不僅能夠改善自備電廠的問題，也可以緩解當前電網(wǎng)調(diào)峰和新能源消納的矛盾。

2 綜合能源發(fā)展

綜合能源系統(tǒng)是指多種能源綜合利用，主要是促進分布式能源的開發(fā)利用，提高能源的綜合利用效率，整合各種形式的能源，實現(xiàn)多種能源之間的耦合、互補、協(xié)調(diào)和優(yōu)化運行［5-6］。當前對于綜合能源的研究主要涉及的能源類型包括冷、熱、電和天然氣，綜合能源系統(tǒng)涉及的環(huán)節(jié)主要包括：能源傳輸，能源分配，能源轉(zhuǎn)換，能源消耗和能源存儲［7］。文獻［1］詳細介紹了綜合能源系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展理念和研究重點，并比較了兩者之間的區(qū)別。文獻［6］詳細闡述了低碳綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)勢，并給出了低碳系統(tǒng)的總體研究框架。文獻［8］集中研究了包含電，氣和熱的綜合能源系統(tǒng)，通過對一組預期事故進行建模分析，用以分析系統(tǒng)的安全性。

綜合能源系統(tǒng)打破了現(xiàn)有的模式，即各種能源系統(tǒng)獨立運行且不相互連接，它可以與各種能源進行有機協(xié)調(diào)配合，從而耦合多種能源，綜合利用各種能源，將能源的使用從傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵞茉矗瑢崿F(xiàn)了供需之間的互動。綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部相互協(xié)調(diào)，優(yōu)勢互補，清潔高效，提高了能源利用率，具有明顯的生態(tài)和經(jīng)濟效益，是未來社會能源利用的一種重要形式。

將自備電廠與綜合能源應用聯(lián)系起來，通過分析自備電廠和綜合能源之間的關系，找到自備電廠在綜合能源應用領域的切入口，并著重探討未來自備電廠在綜合能源應用領域中的地位，提出發(fā)展中面臨的關鍵技術問題，為后續(xù)自備電廠在綜合能源領域的應用研究提供參考。

3 自備電廠在未來綜合能源領域的應用

自備電廠未來在綜合能源領域的應用研究需要綜合考慮兩者的特點，既要考慮自備電廠的靈活性，也要考慮綜合能源開發(fā)的全面性。主要介紹自備電廠在未來綜合能源系統(tǒng)中的三種典型應用：基于自備電廠的綜合能源開發(fā)，自備電廠和新能源之間的互利發(fā)展以及涵蓋自備電廠的區(qū)域性能源供應系統(tǒng)。

3.1 綜合能源開發(fā)利用

自備電廠主要通過燃燒煤炭和其他化石燃料來產(chǎn)生電能和熱能，并將其提供給企業(yè)內(nèi)部用能負荷，在產(chǎn)生能量的同時，還產(chǎn)生大量的灰渣等附屬產(chǎn)品，如果不對這些產(chǎn)品進行處理，將不可避免地對環(huán)境造成極大的污染。當前，最理想、最經(jīng)濟的方法是在自備電廠附近引進相關產(chǎn)業(yè)，建立以自備電廠為基礎的綜合能源系統(tǒng)，消耗多余的附屬產(chǎn)品［9］。引入水泥廠，商業(yè)攪拌站，石膏板廠和礦渣板廠等相關產(chǎn)業(yè)用于消耗自備電廠發(fā)電產(chǎn)生的粉煤灰、石膏、礦渣和其他廢物；引入釀酒廠、干燥廠和其他工廠充分利用自備電廠生產(chǎn)過程中的蒸汽、水和其他產(chǎn)品；對于機組生產(chǎn)過程中的余熱、余氣、余壓的回收利用［10-12］可以通過安裝余熱、余氣、余壓發(fā)電設備，低溫余熱和廢氣回收利用裝置，吸收式制冷裝置等；同時，為了促進低谷時期的電能消耗，自備電廠可以通過出售多余的電力來獲取利潤，以實現(xiàn)最大的經(jīng)濟回報，另外還可以在發(fā)電廠周圍建儲能電站和燃氣發(fā)電廠。通過對多個行業(yè)的整合，建立一個復合的能源系統(tǒng)，充分利用彼此之間的產(chǎn)品，不僅可以獲得環(huán)境效益，還可以提高該地區(qū)的能源效率，節(jié)省經(jīng)濟成本。圖1展示了以自備電廠為中心的綜合能源開發(fā)和利用系統(tǒng)。

圖1 以自備電廠為中心的綜合能源開發(fā)和利用系統(tǒng)

熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠輸出能量形式既有電能又有熱能，通常被認為是典型的綜合能源系統(tǒng)。以熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠為例，在發(fā)電廠周圍引入一個燃氣發(fā)電廠，建立具有電能和天然氣互補的多能量流綜合能源系統(tǒng)，用以研究自備電廠在綜合能源系統(tǒng)的應用中面臨的關鍵問題。該系統(tǒng)的總體結(jié)構如圖2所示。

圖2 自備電廠和天然氣廠組成的綜合能源系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電機組相比，燃氣發(fā)電機組運行靈活、啟動迅速、污染物排放少，具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢。燃氣—熱電聯(lián)產(chǎn)機組主要以天然氣為燃料，通過燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組發(fā)電，發(fā)電后再利用排汽余熱生產(chǎn)高溫熱水，滿足供熱需求，能源的分層梯次利用有效地提高了能源利用效率。天然氣廠中電能到天然氣的轉(zhuǎn)化生產(chǎn)過程包括以下兩個步驟：首先電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，然后氫氣和二氧化碳在甲烷化反應裝置中生成甲烷和水。二氧化碳在整個反應過程中作為能量載體進行再循環(huán)，不會產(chǎn)生有害氣體，是一種零碳排放能源的使用方法。

燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)自備電廠和天然氣廠的結(jié)合可以共享彼此的產(chǎn)品，有效地促進區(qū)域內(nèi)能源的協(xié)調(diào)利用，減少環(huán)境污染，并促進煤改電政策的實施［13］。當自備電廠的發(fā)電供給大于需求時，多余的電力被發(fā)送到天然氣廠生產(chǎn)天然氣，天然氣被通過管網(wǎng)輸送到儲存罐存儲。當電力需求大于供給時，天然氣被直接輸送到自備電廠的燃氣輪機，作為能源驅(qū)動燃氣輪機生產(chǎn)電能和熱能。在整個過程中，自備電廠與天然氣廠的結(jié)合打破了原來的煤基能源結(jié)構，實現(xiàn)了電、熱、氣、水等多種形式的能源協(xié)同供應合作，在自備電廠的基礎上構建了智慧能源系統(tǒng)，該能源系統(tǒng)是低碳且綜合的。

3.2 新能源消納與轉(zhuǎn)型

隨著化石能源的逐漸枯竭和環(huán)境污染的日益嚴重，可再生能源的開發(fā)和利用越來越受到關注，包括風能、光伏發(fā)電和太陽能在內(nèi)的各種新能源的優(yōu)勢已得到充分發(fā)揮。這些可再生能源已經(jīng)占能源供應的很大一部分，有效緩解了能源短缺，促進了電網(wǎng)和熱網(wǎng)的清潔發(fā)展。但是，由于可再生能源本身的特殊特性，例如區(qū)域差異較大，時空分布不均勻。另外，對能量的遠距離傳輸也有限制，如果所產(chǎn)生的能量沒有及時消耗掉，將導致大量的棄風棄光，而自備電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰，是促進新能源消納、防止棄風棄光的有效解決方案。早在2015 年，有關部門就在《關于加強和規(guī)范自備燃煤電廠監(jiān)督管理的指導意見》中指出［14］，要切實加強能源利用，大力發(fā)展清潔能源，取代燃煤自備電廠，減少煤炭燃燒，促進中國能源和電力市場健康發(fā)展。

以自備電廠參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)為例，當電網(wǎng)處于用電低谷或新能源發(fā)電過剩時，降低自備電廠機組出力，企業(yè)從網(wǎng)上多用電，促進新能源消納；當電網(wǎng)用電高峰時，增加自備電廠機組出力，在滿足自身用能負荷需求的前提下，多余的電能送入電網(wǎng)滿足電網(wǎng)用電需求。對熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)也是如此，有必要根據(jù)實際情況建立區(qū)域供熱的協(xié)調(diào)機制和運行策略，在滿足供熱的前提下保證自備電廠的經(jīng)濟效益。自備電廠在新能源消納中的應用，既可以保證本地區(qū)電網(wǎng)和熱網(wǎng)的穩(wěn)定運行，又可以避免能源浪費，實現(xiàn)兩者互利共贏。圖3 是自備電廠促進新能源消納的結(jié)構示意。

圖3 自備電廠參與新能源消納示意

隨著自備電廠參與了新能源消納的深入發(fā)展，一些新的交易機制和辦法紛紛出臺，例如替代機制，發(fā)電權交易和機組轉(zhuǎn)換計劃。目前，許多學者對于自備電廠參與新能源消納的問題展開了深入研究，文獻［15］以自備電廠經(jīng)濟利益最大化為出發(fā)點，提出了自備電廠和新能源之間的電力置換交易模型，從匹配規(guī)則，執(zhí)行規(guī)則和結(jié)算規(guī)則三個方面設計了交易規(guī)則，分析了用電交易的方式。文獻［16］主要分析了自備電廠在促進新能源消納時替代交易中的風險因素，作者基于不同市場環(huán)境下自備電廠的交易利潤，風險價值和其他參數(shù)構建了分析模型，為自備電廠參與新能源消納提供交易決策和風險評估參考。文獻［17］以自備電廠的調(diào)峰補償機制為基礎，建立了自備電廠與新能源發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟利益模型，研究兩者的發(fā)電權交易模型。文獻［18］針對中國某些地區(qū)嚴重棄風棄光現(xiàn)象，在現(xiàn)有電力市場交易政策的框架內(nèi)，提出了自備電廠與新能源企業(yè)之間的發(fā)電權轉(zhuǎn)移交易模式，促進自備電廠承擔公共調(diào)峰責任，從而提高電網(wǎng)調(diào)峰能力。目前，政府已大力加強了對自備電廠的監(jiān)管力度，與新能源消納有關的政策和措施也在逐步完善，通過合理安排自備電廠與新能源發(fā)電之間的關系，可以有效地實現(xiàn)兩者之間的互利發(fā)展。

3.3 區(qū)域性能源網(wǎng)絡

電力、熱水和氣體通過傳輸線和管道進行長距離傳輸，不可避免地存在線路損耗和能量損耗，區(qū)域性能源內(nèi)部供應可以有效避免能量輸送過程中的損耗。自備電廠作為一個獨立的能源個體，其內(nèi)部有很多生產(chǎn)環(huán)節(jié)比如能源的生產(chǎn)，傳輸和使用都是互聯(lián)互通的。自備電廠可作為大型“熱源”或“電源”供應站，但長期以來一直處于自發(fā)自用狀態(tài)，如果將自備電廠納入當?shù)氐哪茉淳W(wǎng)絡中進行統(tǒng)一的管理和規(guī)劃，建立區(qū)域性的能源網(wǎng)絡［19-20］，自備電廠可在滿足其自身負荷需求的同時滿足周圍企業(yè)和居民的電、熱需求，從而保證區(qū)域性能源網(wǎng)絡的供應穩(wěn)定。將自備電廠納入?yún)^(qū)域能源網(wǎng)絡，并在自備電廠與能源公司之間進平衡，以確保在經(jīng)濟利益最大化的前提下及時提供所需電能和熱負荷，保障區(qū)域能源網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，這種方式改變了以往電能和熱能相互獨立運營，缺乏溝通的情況，避免了電能和熱能的長距離傳輸損失，能源公司和自備電廠實現(xiàn)合作共贏，這是未來自備電廠在綜合能源領域的重要應用。

4 關鍵技術問題

隨著新型綜合能源系統(tǒng)的不斷發(fā)展，能源系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)從傳統(tǒng)的單體系統(tǒng)發(fā)展到多能流系統(tǒng)的統(tǒng)一發(fā)展。涉及越來越多的能源，能源轉(zhuǎn)換、輸送和利用等相關環(huán)節(jié)越來越緊密，自備電廠作為能源領域的重要角色不容忽視。由于長期的自由式發(fā)展，自備電廠暴露出許多問題，發(fā)展已接近瓶頸，迫切需要改革，尋求規(guī)范發(fā)展的方法［21-22］。將自備電廠納入綜合能源體系中一體化發(fā)展已成為重要途徑，本部分從政府、能源企業(yè)、自備電廠三個方面簡要介紹了自備電廠參與能源綜合應用開發(fā)過程中需要解決的關鍵問題。

首先，政府應出臺政策，推動將自備電廠納入綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展。長期以來，自備電廠由企業(yè)獨立管理和運營，機組運行、發(fā)用電以及設備運行和維護狀態(tài)等信息很少與外界互動，政府應出臺相關政策，鼓勵自備電廠與能源企業(yè)積極互動，開展合作加強溝通。針對自備電廠環(huán)境污染、運行不規(guī)范等問題，國家先后制定了自備電廠環(huán)保、安全、運行管理等政策，鼓勵現(xiàn)有自備電廠積極改造為清潔、環(huán)保高效電廠，引導自備電廠積極參與綜合能源建設，但目前相關政策落實不到位。政府有必要在發(fā)展框架內(nèi)繼續(xù)引入符合當?shù)貙嶋H情況的管理措施和標準，打破自備電廠與公用電廠、電網(wǎng)公司、能源公司以及其他機構之間的壁壘，使自備電廠在綜合能源利用方面符合國家管理標準。

其次，能源公司應將自備電廠納入綜合能源系統(tǒng)建設并進行深入研究。目前針對單一能源系統(tǒng)的研究和分析相對成熟，但由于綜合能源系統(tǒng)的應用涉及多種能源形式，多種能量流的時空尺度不同，相互之間的耦合特性復雜，綜合能源系統(tǒng)的研究仍處于初級階段［23-25］。因此，必須保證各能源系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。自備電廠的影響不容忽視。建立自備電廠并網(wǎng)規(guī)范，開發(fā)電能質(zhì)量輔助裝置，開發(fā)多智能體運行分析軟件，尋找主要運營商與自備電廠的商業(yè)模式和利益平衡點，實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃和配置，確保綜合能源系統(tǒng)和自備電廠的安全運行。

最后，自備電廠要積極主動地參與綜合能源體系建設。今天面臨的許多能源問題不再是單方面的，而是受到多方的影響。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，自備電廠對電網(wǎng)的補充作用并不像以前那么明顯。相反，由于存在諸多問題，自備電廠在未來社會的發(fā)展方向值得深思。參與綜合能源的應用，促進多種能源的高效利用，無疑是自備電廠的一個不錯的選擇。因此，自備電廠要主動轉(zhuǎn)變觀念，變被動為主動，結(jié)合自身優(yōu)勢，利用豐富、實惠的電力、蒸汽資源作為企業(yè)改革發(fā)展的跳板，積極參與到綜合能源應用建設中。

5 結(jié)語

根據(jù)自備電廠的發(fā)展現(xiàn)狀，重點介紹了自備電廠發(fā)展中存在的諸多問題，提出了自備電廠與綜合能源開發(fā)相結(jié)合的途徑。通過三個典型應用分析，重點分析了自備電廠在未來綜合能源應用領域的地位，同時提出了發(fā)展自備電廠綜合能源應用需要解決的關鍵問題，為今后的研究提供參考。