第八届电力与电气工程亚洲会议（ACPEE2023）能源转换与经济圆桌论坛 面向能源转型的综合能源系统 㶲流模型研究初探 王 丹 智能电网教育部重点实验室(天津大学) 2023年4月15日 1 汇报目录 1 研究背景 2 综合能源系统㶲流机理模型 3 综合能源系统㶲流计算模型 4 高㶲综合能源系统及应用 5 总结与展望 2 研究背景：能效和㶲效率的差异性 综合能源系统被国际能源界誉为30~50 年后人类社会能源供用最可能的承载方式，能源站(枢纽)又是其 中核心环节，以某地区能源站示范工程为例，基于黑箱模型，对比改造前后能源站的㶲效率和能效。 居民 热负荷 电热锅炉 电网 居民 热负荷 可再生 能源 太阳能集热器 电负荷 电热锅炉 电网 热电联产 工业 热负荷 工业 热负荷 燃气锅炉 改造前 改造后 能源站 㶲效率 ex  Exout / Exin 能效 en  Enout / Enin 改造前 51.30% 88.40% 改造后 69.29% 60.57%  能效增大（减小），㶲效 率减小（增大），两者间 可能存在互斥的关系； 电热泵 天然气网 燃气锅炉 电负荷 冷负荷 电热泵 天然气网 能达到较高水平； 变压器 冷负荷 热电联产 时，并不意味输送的有效 光伏电厂 变压器  能源站能效达到较高水平 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？ 33 研究背景：有效能供给能力提升 有效能供给能力全面提升！ 阀门 压缩机 压缩机 注氢点 G9 阀门 G10 E1 E2 天然气门站 天然气门站 集中式发电 电力电子 设备 变压器 集中式发电 供㶲 能力 E7 G4 E8 G3 E9 G2 E10 G1 分布式 能源发电 H1 H9 集中式发电 变压器 H2 H8 变压器 集中式发电 HE-IES规划技术 阀门 天然气门站 压缩机 回水管道新建 供水管道 新建 压缩机 天然气管道新建 终端 能质系数 阀门 能源站 ES2改造 热电联产 电锅炉 燃气锅炉 分布式 能源发电 变压器 地源 热泵 电储能 电力线路扩容 可再生能源发电 变压器 电力线路 可再生 能源 新建 电力电子 设备 电力线路新建 天然气管道 电力节点 电储能 可再生能源新建 供水管道 天然气节点 ES1 有效能 利用率 系统 㶲效率 ES2能效 系统能效 回水管道 热力供水节点 ES1㶲损 ES2有效能 利用率 规划前 热力回水节点 基于有效能供给能力提升的IES规划效果示意图 接入、能源管线扩展 能源站内部设备改造 ES1㶲效率 分布式能源发电 变压器 可再生能源发电 标，结合可再生能源 新建（虚线）、能源 H3 ES1能效 系统 㶲损 变压器 集中式发电 效能供给能力提升目 管线扩容（粗线）、 量质 系统有效能 利用率 评估量质 评估 天然气门站 供水管道 回水管道 扩容 扩容 H7 H6 H5 H4 规划结果分析 天然气管道扩容 能源站 ES1改造 储气站 燃气锅炉 集中式发电 注氢点 果，规划中考虑了有 E6 G5 电锅炉 变压器 E5 G6 电储能 热电联产 E4 G7 节点 㶲势 图中展示了IES规划效 E3 G8 ES2㶲效率 ES2㶲损 整体/局部的能效/㶲效 规划后 相互影响相互制约！ 热力出口节点 和设备增容等技术手 段加以实现。 IES规划过程中，应该 避免 低质能干 高级活 、 或者让高质能干低级 活等情况发生； 44 研究背景：能源的量与质  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、相互渗透的辩证关系。能源系统亦是如此，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。 荔枝与腐烂荔枝[1] [1] 图源： https://image.baidu.com 电压与畸变波形电压[1] 55 研究背景：㶲的概念 热力学第一定律与第二定律定义了㶲的概念： 热力学第一定律 热量可从一个物体传 递到另一个物体，也 可以与机械能或其它 能量相互转换，在转 换过程中，能量的总 值保持不变。 焓 + 热力学第二定律 㷻 熵 = 热量不能自发地从低 温物体转移到高温物 体，不可能从单一热 源取热使之完全转换 为有用的功而不产生 其他影响。 㶲 当系统由任意状态 可逆的变化到与给 定环境相平衡的状 态时，理论上可以 全部转换为任何其 他能量形式的那部 分能量。 能量 一切不能转换为有 用功的能量。 在周围环境条件下任一形式能量中理论上能够 转变为有用功的那部分能量称为㶲，而不能转 换为有用功的那部分能量称为㷻。  㶲可以表征能量转换为功的能力，用来反映 能源品质(价值)；  数量相同而形式不同的能量，含㶲多的其品 质较高，反之含㶲少的其品质较低；  在实际能量转换过程中，㶲必然会减少，即 能量转换过程㶲损是必然存在的；  利用能源时应尽量减少㶲的损失，节能的 本质就是节㶲！ 66 研究背景：综合能源系统“量质协同”研究方向  随着多能耦合技术的发展，区域能 源系统涉及到大量能源转化场景， 不同能源的品质有高低之分，除了 能源转化的数量研究之外，在现有 能源转型大环境下，转化过程中能 源品质提升研究显得极其重要。  目前综合能源的能流研究中比较关 注能源的量(能效)，忽略了能源品 质，对于多能流研究除了能源的量 还应考虑质，才能建立更加完善的 多能源统一分析模型。 传统研究：较多关注“量”的提升 能效 > 某一个阈值 思维 转变 未来研究：量质协同提升 能效 + 㶲效 > 某一个阈值 77 汇报目录 1 研究背景 2 综合能源系统㶲流机理模型 3 综合能源系统㶲流计算模型 4 高㶲综合能源系统及应用 5 总结与展望 8 综合能源系统㶲流机理模型：研究范围 流量(电流、气流、水流)可以描述系统的运行状态，能流可描述能量大小，而㶲流可以描述有价值的能量大小，可将不同形式能 源在统一框架下进行量化表示。具体研究的物理范围如下：  本研究重点关注电力系统中的电能㶲、天然气系统中的燃料㶲，以及热力系统中的热量㶲等能量㶲；  本研究不关注IES中某一能源转换环节具体的㶲变化过程；  本研究不关注不具有网络属性的㶲、水和天然气的压力㶲等不被用户消耗的能量㶲在系统中的分布。 考虑 不考虑 重点关注网络内部 有效能流动 特别需要注意得是，  热力系统分析中不关注水压力㶲分 布，但考虑压力㶲对热量㶲的间接 影响；  热源循环泵为维持水压所消耗的电 发电过程㶲变化 换热过程㶲变化 配电网电能㶲 配气网热量㶲 能㶲；  天然气系统分析中不关注天然气压 力㶲分布，但考虑压力㶲对燃料㶲 的间接影响； 能源站内部㶲变化 （视能源站为节点） 天然气燃烧㶲变化 供热网热量㶲 能源站等效㶲损 （视能源站为节点）  电压缩机或燃气压缩机为维持气压 所消耗的电能㶲或燃料㶲。 99 荷 荷 输入燃料㶲 综合能源系统㶲流机理模型：㶲流的概念 压缩机 燃气锅炉 ein 输入㶲 能源站㶲损 = 输入㶲 - 输出㶲 eout ein 输出㶲 输入㶲 燃气锅炉 eout 能源站㶲损 = 输入㶲 - 输出㶲 输出㶲 能源站ES2 能源站ES1 注热点 气源㶲 （输入来自上级系统） 输出电能㶲 注气源㶲 （输入来自上级系统） 工业热负荷 阀门 变压器 地热能热源㶲 （输入来自自然界） 压缩机 气源㶲 （输入来自上级系统） 压缩机 热力负荷 㶲损 阀门 分布式注气点 天然气门站 输入电能㶲 热电联产 天然气门站 电锅炉 输出热量㶲 输入燃料㶲 压缩机 输出热量㶲 电储能 输入燃料㶲 压缩机 燃气锅炉 e eout in 输入㶲 能源站㶲损 = 输入㶲 - 输出㶲 回水管道 ein 输出㶲 能源站 输入㶲 储气站 电锅炉 输入电能㶲 压缩机 分布式能源发电 流入热力 负荷㶲流 气源㶲 （输入来自上级系统） 热力负荷 㶲损零电源㶲 ES2 非零电源㶲 (输入来自上级系统) 热力 负荷㶲 （输入来自上级系统） 集中式发电 变压器 地热能热源㶲 （输入来自自然界） 压缩机 流出热力 负荷㶲流 输出㶲 零电源㶲 （输入来自自然界） 节点㶲损 供水管道㶲损 注气源㶲 工业热负荷 变压器 阀门 热源㶲 供水管道 注热点 气源㶲 （输入来自上级系统） 能源站 流入热源 㶲流 eout ES1 = 输入㶲 - 输出㶲 能源站㶲损 节点㶲损 非零电源㶲 (输入来自上级系统) 能源站ES2 商务热负荷 回水管道㶲损 燃气锅炉 阀门 变压器 商务热负荷 民用热负荷 电力电子 设备 联络开关 零电源㶲 （输入来自自然界） （输入来自自然界） 输出热量㶲 分布式注气点 电储能 天然气门站 可再生能源发电 变压器 天然气门站 集中式发电 分布式能源发电 分段开关 变压器 电力支路㶲损 可再生能源发电 输入燃料㶲 压缩机 电力支路㶲流 燃气锅炉 ein eout 输入㶲 回水管道 能源站 储气站 节点㶲损 ES1 供水管道㶲流 回水管道㶲流 地源能管道㶲流 电储能 商务热负荷 回水管道㶲损 能源站㶲损 = 输入㶲 - 输出㶲 天然气管道㶲流 注气管道㶲流 流入热源 输出㶲 㶲流 能源站 电力负荷㶲 节点㶲损 零电源㶲 燃气负荷㶲 （输入来自自然界） 热力供水节点 热力回水节点 热力出口节点 流出热力 典型综合能源系统㶲流分布示意图（20节点电气-14节点燃气-5节点热力耦合系统） ES2 负荷㶲流 热源㶲 分布式能源发电 定义：IES负荷、多能耦合环节消耗的能量㶲在能源网络中的分布 ，即为IES㶲流。 供水管道 注气源㶲 非零电源㶲 （输入来自上级系统） (输入来自上级系