从高效率能源利用走向高品质能源利用：综合能源系统能源品质提升关键技术及应用

汇报人：王丹天津大学 全球能源互联网：以清洁和绿色方式满足全球电力需求Global Energy Interconnection: Meeting Global Power Demand withClean and Green Alternatives Global Energy InterconnectionDevelopment and Cooperation Organization 全球能源互联网发展合作组织 7hGEICONFERENCE第七届全球能源互联网大会 汇报内容 1研究背景与意义 ■概念，模型和方法 ■高品质能源利用关键技术 ■技术实现及应用 能源与环境现状 能源综合利用效率的提升需求一能量“数量”节能 ■开源：增加“风、光、地热”等可再生能源接入，减少化石能源消耗。 ■节流：减少“跑、冒、滴、漏”的现象，降低损失。 ■我国能量“数量”节能的幅度逐年下降，是否意味若能效提升需要引入新的思路模式？ 用能的本质是利用其做功能力能量“品质”节能 ■用能的核心需求在于能量品质，而非单纯的能量数量。 ■保障用户能量品质需求的前提下优化用能策略>可在维持相同功效的同时减少能耗总量 能量的“量”与“质” 1数量与质量 “数量”与“质量”的讨论，无时无刻不在生活中上演。例如一箱水果，有100颗，这是“数量”的体现，但是其中10颗坏了，只有90颗可以吃，那么这就是“质量”的问题了。 能源的“量”与“质” 任何事物都是量与质的统一，量变和质变是相互转化、相互渗透的证关系。能源系统亦是如此，首能源本身也具有“量”与”质”两种属性，热力学第一定律表明能源在“量”上具有守恒特性，热力学第二定律表明能源在”质”上具有贬值特性XX 能效和效率的差异性 ■能源站能效达到较高水平时，并不意味输送的有效能达到较高水平能效增大(减小），效率减小（增大），两者间可能存在互斥的关系推广 基于上述分析，引发思考：具有网络属性的综合能源系统，是否也具有同样问题？更进一步地，其整体和局部的能源品质该如何分析？ 能源站整体效率不高，意味着供能枢纽提供的能源做功能力不强！ 低品质能量利用的具体案例 随着热量传输的距离延申，热能的做功能力在逐步减弱 助若燃气传输的距离延申，燃气做功能力（热值）在逐步减弱！ ■热力系统：通过“量调节”或“质调节”手段可使用户获得相同的热量（能量），即Q=Q2:热力用户实际获得的有效能（值）不同！即 ■掺氢天然气系统：通过“流量调节”的手段，可使用户获得相同的能量，即Q=Qg2 燃气用户实际获得的有效能（值）并不相同！ 能量损失”研究：能量退化，能量不确定性（导致失配） 2.能量不确定性（EnergyUncertainty） 能量退化（EnergyDegradation） 源荷预测的误差、可再生能源（RE）不确定性将会导致系统供需不匹配 为了保证供需平衡所引发的额外操作，将会产生新的能量损失，换句话说，将会导致部分能量不能被使用 退化3：车转化损耗 能量的“多流”属性 汇报内容 研究背景与意义 ■概念，模型和方法 高品质能源利用关键技术 ■技术实现及应用 汇报内容 研究背景与意义 ■概念，模型和方法 高品质能源利用关键技术 ■技术实现及应用 综合能源系统流的概念 综合能源系统拥流：综合能源系统负荷、多能耦合环节消耗的能量烟在能源网络中的分布 ■电力系统流：电能在电网中的分布均视为流，电能损耗视为拥损。 ■天然气系统拥流：负荷消耗的燃料拥在天然气网络中的分布。 ■热力系统流：介质从环境温度加热至当前温度，所吸收的热量拥伴随介质在热网中的分布。 综合能源系统势的概念 综合能源系统拥势：描述综合能源系统中能源网络中输运能量品质能力的标量物理量，定义为系统中某一点与零势点的势差，反映电流、气流、水流等单位流率介质承载的有效能。 零势点：定义电力系统以大地为势参考点、天然气系统和热力系统以环境温度为拥势参考点。 势：反映电流、气流、水流等单位流率介质承载的。 势差：反映电流、气流、水流等单位流率介质传递的能力。 综合能源系统流机理模型 对于具有网络属性的综合能源系统，建立相应的斓流机理模型 天然气系统 热力系统 电力系统 集线器 热力系统涉及烘流分布包括三部分：烟损热源焊、负荷娟、元件流。 ：能源站的烟分折考虑电能焊天然气的燃料和水传递的热i虽。 ：气负荷消蚝的燃料可等效为！天然气燃烧过程中由环境温度！加热到理论燃烧温度产生的燃！料 电能理论上可全部阵转换为功或：其他形式能量，可全视为拥。 ■拥势为单位质量水由环境温度变为实际温度传递的热吊焊■烟势差的含义为温度变化过程中单位质量水传递的热品斓的大小■拥势高低决定了相同质量的水在系统不同位置承载的拥值大小，可规为流的一种量度 基于能源集线器的能源站！忽视了多能系统之问的能；源品质差异的问题：■拥集线器侧重分析能源站！内部的流规律，适用于：更为复杂的系统 ！■节点电压即为电力系统埋势。反映单位电流所承载的拥流；反映 烟势差（电压差）单位电流在线路上产生的拥损. ！■定义天然气拥势为能质系数、热值、常数的乘积；■忽略管道天然气流失和气质改变等条件下，天然气系统满足无损的条件。 综合能源系统路的概念 汇报内容 研究背景与意义 ■概念，模型和方法 ■高品质能源利用关键技术 ■技术实现及应用 高品质能源利用：高综合能源系统 综合能源系统的发展正经历由传统追求“高效-安全-低碳”向着“高效-安全-低碳-高”多目标协同演进从而推动能源利用从数量优化扩展到品质优化 ■提出在能源生产、传输、分配、转换、存储、消费等环节中，满足低损、高终端能质系数、高效率、高有效能利用率的“一低三高”能源品质目标的IES，称之为高综合能源系统（HE-IES） ■类似低碳电力系统既念，高综合能源系统是未来能源系统建设形态之一。 损：Exis=Ex.-Exut?终端能质系数：S=Exo.n/Enou?拥效率：er=Exout/Exin有效能利用率：元=Ex/En 面向高品质能源利用的关键技术 高综合能源系统以低三高”为能源品质目标，以综合能源系统拥流机理模型为理论支撑，在规划、运行优化和能量调度、！交易与市场化机制、量质协同评价等方面助力构建量质协同发展的综合能源系统工程应用 高规划 高拥规划其本质是：避免让“低质能干“高级活”、或者让“高质能”干“低级活”等情况发生 图中展示了HE-IES规划效果，规划中考虑了高能源品质自标，结合可再生能源新建、能源管线扩展新建（虚线）能源管线扩容（粗线）、能源站内部设备改造和设备增容等技术手段实现高规划。17 高运行和高品质能量调度 HE-IES运行优化和能量调度需重点考虑以下问题： ■建立合理的量测数据集合，实现系统状态的量质协同状态估计和精准预测技术；■以IES运行安全稳定要求、爬坡出力、经济运行及拥平衡等为约束条件，以量质协同、经济成本、可再生能源消纳能力、综合能效等为优化目标，建立面向智能调度的优化模型：计及有效能利用率、效率、热效率和节能率等核心指标，构建量质协同的多能运行效率状态评估体系，并建立评估模型18 经济学和交易 从市场和经济的角度来看，反映了能量中的有效能部分 ■这决定了能够统一表示多能源的共有属性，这种普适属性可作为一种商品特性 ■考虑到”能源品质效益最大化”和“成本最小化”之间的内在矛盾，结合拥经济学等基础，可建立更为深入的拥交易、炜市场方面的研究理论：拥在市场化环境下商品质性和交易机制，主要包括：1）基于拥流追踪的经济成本分摊方法：2）基于的多元化市场交易机制 汇报内容 研究背景与意义 ■概念，模型和方法 ■高品质能源利用关键技术 ■技术实现及应用 案例分析：中国能源系统流传播与变迁 分析近十年中国能源系统流传播与变迁情况，归纳中国能源行业有效能利用情况，提出相关能效提升建议 高品质电能的低质利用、热能的不匹配利用、能源燃烧过程的不可逆损失等等，这将是未来中国能源系统在深水构建多能互补、信息物理融合的能源共享网络E 2020年中国能源系统流传播图 案例分析：中国能源系统环节滴增分配与演化 分析近十年中国能源系统环节摘增与演化情况，归纳中国能源行业“有效能退化”情况，提出相关节能优化建议： 摘增主要集中于燃料燃烧环节和发电环节，用户终端其次，能源输入端占比较少，说明中国能源系统存在高能量的低质利用、终端低设备占比大等问题。未来应加速清洁能源的开发与应用，建立健全各层级的能源利用规划体系，构建效率高、经济效益高和环境友好的能源系统 型电力系统, 2025, 3(02): 184-199 案例分析：构建路 建立中国北方某工业城镇示范区综合能源系统路图，，通过将各类能源设备、网络节点和拥流路径转化为图形化的拓扑结构，直观反映各个元件的能量品质为后续流分布分析提供计算依据与机理模型支撑 示范区能源系统网架图 Mechsrgy System[J]. Applied Enengy, Vol. 324, 119725, 2022 案例分析：流分布 采用上述路模型，分析示范区能源系统在典型场景下的流分布特征：“数量 ■与基于能流的建模方法相比，流机理模型兼顾了能量的和“品质”信息； 与传统基于黑箱模型的效率分析方法相比，IES拥流机理模型可实现示范区能源系统整体和局部能量品质的全面分析：流分布与能源网络类型以及拓扑结构密切相关：■整个系统或部能量的“量”和“质”指标可能存在互斥性；整体和局部的能量品质指标也可能存在互斥性 IES-TJBC各能源系统的炜流分布示意图 案例分析：流分布 示范区能流和流的桑基图存在明显差异，能源站拥损较大，说明能源站输送的高品质能源的能力较为欠缺目前主要以热能为主，后续可通过能源站规划改造降低损，提升输运高品质能源的能力C 流与能流分布结构存在差异，能量的“量多”不代表“质高”：拥损与能量损失也存在差异，拥损代表做功能力的不足和丧失；通过改善能源结构、选择合适设备类型和容量、设计合理的能源站运行模式、采用合理网络拓扑结构等，提高系统的高品质能源供应能力。 Mechan 案例分析：做功安全和评估 传统IES安全域或运行域研究，刻画了安全约束下能量供应数量的运行范围和供能能力极限，但是在能量品质视角，我们更加关注能源系统的做功能力的安全范围及极限 类比IES运行（安全）域，提出了IES做功（安全）域模型和做功安全边界求解算法 量化分析安全约束下IES在多能流耦合、能量转换与传输过程中的做功安全范围，识别IES各能源环节潜在的做功安全瓶颈节点为后续高IES实时调度和应急响应提供预警机制 品质研究（做功能力） 案例分析：面向做功能力提升的高规划 传统IES规划方法局限在于，求解满足能量数量要求的最优系统配置与拓扑结构，忽略了能量品质的需求 构建IES做功能力均衡度模型，提出面向整体/局部做功能力提升的IES高规划技术 ■可在规划阶段避免因设备选型不当，负布局不合理，引起的局部做功能力差异，减少在运行阶段因提升做功能力而进行的运维投资，为后续高ES的做功安全评估、市场化交易等提供场景支撑。 最优方案保证了用户获得做功能力的绝对值，也保证了用户用能的公平性！ 案例规划方案的做功能力对比 晨部做功能力差异优化对比 案例分析：量质协同状态估计 ■现有IES能量管理系统中，能量品质分折功能模块尚属空白，同时，缺少流运行状态参数的数据处理工具，无法为流计算及其高级应用提供可信的熟数据。 ■基于电力、天然气、热力系统和能源站各子系统的能流-流耦合关系，建立了IES量质协同量测模型 ■IES-TJBC实际算例的能流参数和流参数精确度高，1体现了面对IES工程算例开展状态估计计算的有效性和通用性，为后续能量市场交易与拥交易以及做功安全评估等高级应用提供了数据支持。 IES-T'BC的量质协