推动高耗能行业参与电力辅助服务 . 市场的思考

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姚明涛1,韩 雪1,郑雅楠1,胡兆光 2 (1. 国家发展和改革委员会能源研究所,北京 100038;2. 国网能源研究院,北京 102209)

摘要:可再生能源电力的快速发展对电力系统灵活性提出了越来越高的要求,灵活性不 足也将成为制约高比例可再生能源发展的关键问题,而高耗能行业是我国工业部门的电力消费主体,具备参与电力辅助服务市场、提供大量灵活性响应资源的潜力。本文概述了高耗能负荷特点及灵活性响应机理,以电解铝、水泥、钢铁等典型行业为例,系统分析了其灵活性响应潜力,并在此基础上提出了再认识工业灵活性资源的短期和长期价值,以标准化体系建设推动辅助服务市场向供需两侧平等开放,依托售电侧改革加快挖掘高耗能灵活性资源等相关思考。

关键词:电力体制改革;高耗能行业;灵活性资源;辅助服务市场 中图分类号:c426 文献标识码:A 文章编号:1003-2355-(2018F02-0022-05 Doi: 10.3969Lj.issn.1003-2355.2018.02.004

Abstract: Power system with high penetration of renewables demand large amount of flexibility in the system, lack of flexibility will also be a key constraint to the development of high proportions of renewable energy. High Energyintensive Industries are the main body of electricity consumption of Chinese industrial sectorsI which have the potential to provide flexibility for ancillary services. In this paper, we summarize the characteristics and response mechanisms of the industrial loadI and choose typical energy-intensive industriesI such as aluminum smelterI cement and steel to analyze the flexibility response capability. Based on this analysis, we propose that the short-term and long-term value of the flexibility from energy-intensive industries should be recognizedI and the standardization of ancillary services should be developed to coordinate the flexible resources from both power supply and demand sides. In addition, we suggest accelerating the flexibility response resources of energy-intensive industries to follow up the pace of the retail side reform.

Key words: Electricity System Reform; High Energy-intensive Industry; clexibility Resource; Ancillary Service Market

1 引言

伴随风电及光伏发电等可再生能源装机容量的快速增长以及大规模集中并网,其出力的随机波动性极大增加了电网运行调度的难度,并对系统灵活性资源提出了较高需求。发电侧燃煤机组不仅受爬坡、滑坡速率约束,反应较慢且成本高;而且如果长期依靠煤电应对日益增加的灵活性需求,在带来巨大建设投入的同时,还将难以改变对煤电的路径依赖,对进一步推动电源结构去碳

化形成阻碍。因此,针对高比例可再生能源发展和发电侧有限的灵活性供应,仅仅依靠常规电源提供灵活性的方式难以适应长期发展要求,加快挖掘响应快且成本低的需求侧灵活性资源将具有重要意义。

在这一背景下,结合我国电力消费结构,工业灵活性资源的价值需引起我们的特别关注。一直以来,工业都是我国能源以及电力消费的主体,工业用电量占全社会用电量的比重始终保持在T0B 以上,仅钢铁、有色、建材、化工四大高耗能工业用

电量就占 30B左右。随着绿色低碳发展要求不断深化,我国在工业领域围绕淘汰落后产能、节能与提高能效等方面开展了一系列卓有成效的工作,使我国工业能效水平有了较大提升。但长期以来始终未对工业用户参与调峰、调频的灵活性响应能力给予充分重视。随着新一轮电力体制改革再次起航,加快建立电力辅助服务市场,满足系统优化运行所需的灵活性资源,成为推进电力转型的重要议题。高耗能行业作为电力大用户,最先受电力市场化改革影响,未来在继续推进节能节电工作的同时,还应注重从不同工业用户的特点出发,挖掘其灵活性响应潜力,这将对推动高比例可再生能源发展、加快产业结构调整等一系列工作产生深远影响,有助于实现电力行业与高耗能行业的双赢。

2 高耗能工业灵活性响应资源概述

2.1 负荷特点钢铁、建材、有色、化工等高耗能行业属于重工业,生产班制多为三班制,全天 24 小时保持连续生产,在无检修或事故情况下日负荷率一般保持在 80B 以上,具有负荷比较集中、负荷曲线相对平稳、基本不受季节性影响等特点。这与单班制和两班制居多的轻工业差异较大,该类用户的负荷主要集中在白天,夜间负荷非常小,日峰谷差大,负荷率较低。与高耗能行业相比,轻工业普遍表现为用电负荷相对分散,负荷规模相对较小。典型重工业、轻工业日负荷曲线如图1 所示。

从传统分析角度出发,通常认为高耗能负荷曲线较为理想,而忽视了其作为我国主要用电负荷所具有的特殊价值。特别是随着风电及光伏发电等可再生能源的规模化发展,提升高耗能工业负荷的灵 活性将更适应未来转型趋势。与其他用户相比,高耗能工业负荷提供灵活性响应具有多重优势。一是负荷容量大,单个用户即可提供较大可调度响应容量,容量等级通常为兆瓦级,而其他用户负荷水平较低,通常需要多个用户联合才能提供较大响应容量,响应容量等级一般为千瓦级。二是气候敏感度低,受季节变换的影响小,而其他用户负荷水平在夏季与冬季通常差别较大,这导致可调度响应资源季节性波动明显。三是自动化水平高,各类用电设备可实现自动灵活控制,响应迅速且安全性高,相比于其他分散负荷更易于管理。四是电力负荷价格弹性高,安装的电表通常精确计量到每小时或每15分钟的负荷,电力现货市场的价格信号可实现有效传导。五是直接投资成本低,工艺升级、节能降耗等常规工作均有助于提升高耗能工业负荷灵活性响应能力,成本低于煤电灵活性改造。六是资产归属比较明确,以大用户身份参与市场障碍较小,软环境相对宽松。

2.2 灵活性响应机理高耗能工业负荷调节的灵活性与用电设备类型和生产流程关联较大。主要的工业设备类型包含电力机械设备、直流用电设备、电焊机、工业电炉以及温控设备等,以上各类工业用电设备在高耗能行业中均有较为广泛的应用。进一步考虑生产流程特点,可初步将高耗能工业用户的响应模式分为三大类,分别为基于温度控制、基于仓储容量和基于生产节奏的响应模式。此外,在部分生产流程长、用电设备类型多的高耗能工业用户中,还存在至少涵盖两类的混合响应模式。 (1)基于温度控制众多高耗能工业过程涉及到温度控制。其中,对生产设备内部温度控制的目的一般在于建立设备内化学反应所需的环境,如电解、煅烧等工艺流程。而对于外部环境温度的控制,一部分在于生产环节的特殊要求,如干燥、冷藏等加工环节;另一部分在于保障高强度生产的必要环境,如通

风、空调等辅助设备的用电管理。在确保一定时段内输入输出热平衡的前提下,该类工业用户可通过调节用电负荷使生产设备内部或外部环境温度在较小范围内波动。

(2)基于仓储容量部分高耗能工业用户在生产过程中,会附加产生中间产品或最终产品的中间状态,各个生产环节之间存在紧密联系,其中一类设备的负荷变化会影响整个生产流程。为了应对生产过程中的设备检修、突发事故等情况,该类用户多根据生产特点备有一定的仓储容量,以便于当某类处于中间环节的设备断电停产时,下一环节可调用仓储库内的该中间产品以维持生产的连续性。仓储容量大小直接决定该类用户的负荷调节潜力。(3)基于生产节奏部分高耗能工业用户同时生产多类产品,各类产品的生产流程和设备基本相似,生产设备多为连续运转,但各类产品的生产过程非连续,具有相对明确的起止时间。这就为工业用户根据实际需要灵活调整生产组织方式提供了可能,一方面可以调整同一种产品的生产间隔时间,另一方面还可以根据不同产品的电耗调整生产顺序,实现对生产节奏的灵活控制。生产规模及产品种类直接决定该类用户的负荷调节潜力。

3 典型高耗能行业灵活性响应潜力分析

图 2为四大高耗能行业主要产品结构图,主要产品合计用电量均达到该行业用电量的 50B 以上。其中,电解铝、水泥和钢铁等三类高耗能产品的用电量遥遥领先于其他高耗能产品,也是我国推动供给侧结构性改革关注的重点。以下以这三类高耗能产品为例,分别对应基于温度控制、仓储容量和生产节奏的这三类响应模式,剖析典型高耗能行业灵活性响应潜力。 3.1 电解铝作为典型高耗能用户,电解铝负荷曲线较为 平稳,受天气、季节与昼夜等因素影响较小,在不考虑检修等特殊因素情况下,负荷率可达90B以上,甚至可达 95B。

电解槽是电解铝生产的核心设备,其耗电约占电解铝生产总电耗的90B,是典型的直流用电设备,具有控制灵活、操作简单等特点,直接决定电解铝企业的灵活性响应潜力大小。在不对生产设备进行改造且不影响企业正常生产的前提下,电解铝企业可通过调节电解槽设备负荷功率的方式向电力系统提供相应容量,即通过调节电解槽两端电压,改变其电流大小,进而引起设备功率变化,实现对企业负荷水平的灵活控制,且不会影响产品的质量。在生产过程中,电解铝企业可通过提高电解槽两端电压实现负荷功率向上调节,或通过降低电解槽两端电压实现向下调节。该方式可近似实现对负荷功率的瞬时调节。向上调节负荷会增加对电解槽设备的能量输入,导致槽内温度上升;向下调节负荷会减少对电解槽设备的能量输入,导致槽内温度下降。为了提供响应容量获取额外收入且不影响正常生产,企业需确保在一定时间内电解槽输入输出的能量维持不变,即向上、向下调节负荷容量基本相等。例如,一个负荷水平为 100Mt 的电解铝企业,计划向电力系统调度机构提供3Mt的可调容量,可以通过调节使功率在 9TMt 到 103Mt 的范围内波动,而在这一过程中该企业只需确保平均功率维持在100Mt 即可。且电解铝企业通常建有自备电厂,可通过电解槽与自备电厂协同优化自身发、用电行为,极大地增强了其负荷调节的灵活性。

3.2 水泥水泥生产包括生料制备、熟料煅烧和水泥制成等三个工序,整个生产流程可概括为“两磨一窑”。在水泥生产过程中,磨制生料、制备煤粉和

制成水泥都要进行粉磨作业,粉磨用电约占水泥生产全流程用电量的 60B 以上,且水泥粉磨是耗电最多的一个工序。

熟料烧成系统,即回转窑系统,是水泥生产的中心环节,也是大量消耗燃料的工序,主要用煤作为燃料。该系统包括窑、预热器、冷却机、喂料系统以及其他附属设备,涉及较多设备的协调,在无检修、无事故情况下需保持连续运转。煤磨主要用于煤粉制备,为回转窑系统提供运转所需的燃料。因此煤磨与回转窑系统存在生产上的关联,且煤磨的电耗水平远低于生料磨和水泥磨,灵活性响应潜力有限。而耗电量较大的两个生产工序—生料磨和水泥磨,均可以根据实际需要调整运行时间。该两个工序的用电量约占水泥生产总用电量的 60B~T0B,具有非常可观的灵活性响应潜力。

生料磨和水泥磨的灵活性响应潜力主要取决于水泥生产流程中各原料存量、各类磨的容量和类型。对生料磨来说,由于生料磨在生产流程上优先于回转窑系统,如果其生产速率高于回转窑系统的生产速率,那么生料磨设备可以被灵活中断,中断期间回转窑系统的物料供给可由生料存储负责供给;如果其生产速率低于回转窑系统的生产速率,那么生料磨设备的中断主要受生料存储规模的限制,而由于水泥企业回转窑系统的年利用率高于生料磨的年利用率,这种情况一般不会存在,在规划设计阶段即通过合理的设备选型避免该情况的发生。另外,水泥生产中还需力求生料质量具有较好的均一性,生料存量不易过低。当低于一定比例时,中断生料磨负荷会导致产品质量下降,即企业生产过程中各仓储存量既存在上限,也存在下限,其取值决定了该企业此类设备的响应持续时间。而对于水泥磨,当选择中断水泥磨时,经回转窑系统煅烧后产生的熟料经过冷却后可先放置于熟料存储内,待水泥磨恢复运行后再进行粉磨并将其制成水泥。如果水泥磨设计容量较小,为防止瓶颈效应, 水泥磨的灵活性响应潜力会受到一定限制。由此可见,生产线较多的大型水泥企业具有更为显著的灵活性响应潜力。

3.3 钢铁钢铁生产工艺可分为长流程和短流程。长流程包括原料供应、炼铁、炼钢、轧钢等生产工序,任何一个环节出现问题都有可能影响整个生产的顺利进行。而短流程则是以废钢为原料、以炼钢为开始。无论长流程、短流程,炼钢、轧钢两个工序都是钢铁企业的主要耗电工序。

钢铁生产主要用电设备包括电动鼓风机、制氧机、电炉、轧机,此外还有水泵、空气压缩机等。钢铁企业主要耗电环节为冶炼、轧钢和能源(制氧,鼓风),分别约占钢铁生产总用电量的 1L3左右。其中,能源环节的电能消耗主要是由于电动鼓风机、制氧机、水泵等用电设备的长时间不间断运转产生的。制氧机由于单机容量大,占能源环节电能消耗的比重较大,但由于制氧车间主要生产氧、氮、氩气(液态)等危险性较高的产品,对用电设备安全性的要求远高于其他生产工序,灵活性响应潜力也极为有限。因此,钢铁企业灵活性响应潜力主要集中在冶炼和轧钢环节。

冶炼环节包含炼铁和炼钢两道生产工序。其中,炼铁为钢铁企业的最大耗能工序,其耗能约占重点钢铁行业总能耗的2L3,但由于该工序的能源消耗主要以煤炭为主,电能消耗占企业总电耗的比重远低于其他生产工序,灵活性响应潜力相对有限。而在我国,炼钢工序有转炉和电炉两种,电炉炼钢的吨钢综合电耗分别约为转炉炼钢和高炉炼铁的 6.5 倍和 5倍,为冶炼环节的主要耗电工序。电炉炼钢需要一炉一炉完成冶炼,属于典型的间歇工作方式,电炉开启的节奏直接影响钢铁企业的用电负荷变化。随着废钢资源量的增长,我国钢铁生产工艺将逐渐由长流程转为短流程,电炉炼钢的占比提升在带动钢铁行业用能结构发生显著变化的同

时,也将进一步提升全行业灵活性响应潜力。

轧钢环节的电能消耗主要集中在轧机设备。轧机设备属于连续生产设备,单机设备容量大,在实际运行中会对电网造成很大的冲击负荷。而在企业非满负荷生产的前提下,轧钢环节生产节奏的快慢直接决定冲击负荷的大小。生产节奏慢时,同一时刻生产线上的钢坯数量少,则冲击负荷相对较小;生产节奏快时,同一时刻生产线上的钢坯数量多,则冲击负荷较大。此外,以建筑用材为主的企业吨钢电耗水平相对较低,以冷轧板材产品为主的企业电耗相对较高,生产特钢及钢管的电耗最高。因此,产品多样的大型钢铁企业可选择在尖峰时段生产电耗小的产品,在其他时段生产耗电相对较多的品种,多种举措调节生产节奏。

4 相关思考

4.1 再认识工业灵活性资源的短期和长期价值2015 年,中共中央、国务院印发的《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》中指出“按照谁受益、谁承担的原则,建立用户参与的辅助服务分担共享机制。用户可以结合自身负荷特性,自愿选择与发电企业或电网企业签订保供电协议、可中断负荷协议等合同”。随后印发的配套文件《关于推进电力市场建设的实施意见》中进一步明确“在现货市场开展备用、调频等辅助服务交易,中长期市场开展可中断负荷、调压等辅助服务交易”。由此,确立了电力辅助服务市场将不仅面向供给侧的灵活性机组,也将向需求侧的灵活性资源开放的基本思路。

工业用户作为我国的电力、电量主体,在电力需求侧的重要地位不容忽视,如何更好的发挥其价值需处理好短期和长期的关系。短期来看,应将高耗能工业用户作为一个整体纳入调峰辅助服务补偿机制,由企业自主决策如何调节用电负荷或自备电厂出力,更为科学的促进局部地区可再生能源就地消纳;还应有针对性的挖掘高耗能工业负荷的向上、向下响应容量,以向下响应容量作为增强受端电网安全的有效举措,以向上响应容量作为煤电灵活性改造的有效补充,切实提高电力系统调峰能力;此外还应继续推行峰谷分时电价,根据各地情况尽量拉大峰谷电价差,多措并举引导高耗能工业用户积极释放灵活性。长期来看,则应逐步转变工业用户“负荷平稳即安全”的传统观念,推动其在能源生产和消费革命中扮演更为重要的角色,特别是顺应信息化、智能 化的发展趋势,有效替代发电侧灵活性电源的建设需求,降低全社会转型成本。

4.2 以标准化体系建设推动辅助服务市场向供需两侧平等开放

建立供需两侧平等参与、开放包容的电力辅助服务市场,关键在于同步推进辅助服务标准化体系建设。

辅助服务标准化体系是市场充分开放前提下确保安全的有效壁垒。需求侧各类用户参与辅助服务属于个体行为,对自身生产运行影响较小,但在现有电力运行模式下仍属新生事物,大规模参与将对传统调度模式产生深刻影响。当前,在电力体制改革背景下推进辅助服务市场建设,目的在于建立电力运行所需的灵活性资源的常态化响应机制,增强电力系统主动安全,显著区别于电力供需紧张时段临时性启动有序用电等被动措施,这就要求对参与辅助服务市场的需求侧资源设立必要的门槛,确保满足对应辅助服务的基本要求,加强对各类参与主体的规范培育,打造适应高比例可再生能源发展的辅助服务长效机制。

辅助服务标准化体系同样是防止形成路径依赖、打破体制壁垒的有效工具。我国经济发展经历了多轮“电荒”,“扩张保供”一直是我国电力发展的主基调,“发电计划 H标杆电价”为各类电源提供了稳定的盈利预期,构成了发电企业的核心盈利模式,辅助服务更多被认定为义务而由发电侧公平承担,这也导致我国发电侧提供辅助服务的潜力还未得到充分挖掘。当前处于发电计划逐步放开、辅助服务渐进完善的过渡阶段,发电侧相比于需求侧具有提前适应的先天优势,以煤电灵活性改造为代表的先期投入也已开展,对缓解局部地区调峰资源紧张发挥了积极作用。但长期来看,需重视过度依赖煤电提供灵活性而形成的路径依赖,导致电力转型陷入新的瓶颈,还应以标准化体系建设为供需两侧奠定平等参与的基础,引导供需两侧灵活性资源自发形成成本曲线,防止需求侧灵活性资源的价值长期被忽视。

4.3 依托售电侧改革加快挖掘高耗能行业灵活性资源

售电侧改革是电力体制改革的重要组成部分。电力体制改革配套文件《关于推进售电侧改革的实施意见》明确了以单位能耗、环保排放符合国家排放标准和产业政策的电力大用户为切入点、

图 5 钢铁生产流程图

图 4 水泥生产流程图

图 3 电解铝生产流程图

图 2 高耗能行业主要产品结构图

注:P 是一天 24 小时不同时段的用电负荷,Pmax是一天24 小时内的最大负荷。

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