制定综合能源规划的物理数学模型

一、制定综合能源规划是促进社会可持续发展的当务之急

为贯彻执行“十一五”节能减排的目标，建设能源节约型和环境友好型社会，实现经济的可持续发展，我国各省市自治区及县镇地方政府、各类型开发区及新型园区的建设部门开始把制定能源规划作为制定经济社会发展规划的重要组成部分。

传统的能源规划是以满足能源供求关系为基本出发点、以化石能源资源为物质基础、核心内容是电力、热力、燃气等各行业制定的专项规划。这种方法已不能适应当前经济体制和社会发展的需求，制定以科学的理念和新型的物理数学模型为基础，最大限度地节约资源、减低有害物排放、促进社会经济可持续发展的综合能源规划已经提到重要的地位。

由于20世纪后期可持续发展概念的提出，特别是我国改革开放的不断深化和市场经济体制的逐步完善，编制“十五”、“十一五”期间能源规划的总体思路及方法在不断改进和发展，体现在能源规划与社会经济发展规划的协调关系，从简单的能源配套到社会经济规划的基础支撑；从自上而下的计划到加强市场引导；从资源开发的被动增长到终端能源的高效利用；从规划与管理脱节到规划－管理－反馈的实效目标。然而，由于能源管理体制的制约及电力、热力、燃气等行业长期形成的独立经营的管理模式，致使国内在制定综合能源规划方面至今停留在探索阶段，尚未在规划行业得到共识，没有在制定市政规划、区域发展规划和能源规划中作为必要的环节并形成行业规范。规划部门的有些人仍然抱着传统规划的理念和方法，在一些市区县级的能源规划中仍然把专项规划作为制定规划的基点，违背能源综合利用的原则，不认识在专项规划前制定综合能源规划的必要性，甚至成为阻力。任何新思想新事物的形成、发展、传播、和应用都需要一个过程，如何缩短这个过程正是摆在各级政府领导、规划主管部门面前的责任。

制定综合能源规划的技术关键首先在于建立科学的物理模型与数学模型。 物理模型反映规划的目标、功能、范围、和方法。国外工业发达国家编制复杂能源规划的历史较早，从20世纪70年代开始，由于石油危机的冲击，主要石油进口国为了能源供应的安全研制了预测供应和需求的能源供求模型；80年代中期世界环境温度变暖，控制温室气体排放成为全球关注的焦点，相应发展了能源与环境结合的能源－环境模型；90年代以后，随着世界范围能源需求的急剧增长和经济可持续发展概念的提出，研究和发展了多目标的能源－经济－环境－技术综合性模型。目前国际尚未有对能源模型有统一的分类方法，除了上述按目标与功能的分类外还可按规划的范围分类，有全球能源模型、国家能源模型、区域能源模型、和部门能源模型。也可按建模的方法分类，有自上而下、自下而上、及混合模型。本文介绍的物理模型与上诉分类意义上的模型不同，是更深层的技术性模型，从本质上规定了制定规划的基本原理、组成要素、总体结构、建模方法。由于这种模型反映了综合能源规划的物理内涵和基本特征，从而具有普遍的实用意义，适用于编制不同时空与地域范围的综合能源规划，大到国家、省市县地区，小到有限范围的园区规划。本文介绍的数学模型是在物理模型的基础上实现量化过程的数学方法，隶属于系统分析和数学规划范畴，其基本结构是以数据库为中心，以能源预测、能源平衡、能源优化一体化的三元模型。

二、综合能源规划物理模型制定

综合能源规划的目的在于规避以专项规划为基点的诸多弊病，最大限度地节约资源、减低有害物排放、获得最佳经济效益与社会效益，促进经济的可持续发展。其性质和作用决定了综合能源规划物理模型的组成要素为一些遵从能源生产、转化、分配、利用过程的自然规律、利于能源的综合利用、有最佳节能减排效果的能源新技术所组成。对于新开发的区域制定综合能源规划与对老区域已有能源系统的综合能源规划需要采用不同的模型。

新开发区域综合能源规划应该采用完全新的理念，尽可能应用成熟的能源新技术，这些新技术既是有独立意义的子模型，又相互融合，通过能流网络有机结合成一个完整的能源模型系统。图示如下：1 分布式能源技术子模型：分布式能源是指将能源生产系统以小规模(几千瓦至数万千瓦)分散的方式配置在用户端附近，可独立满足用户的电、热、冷、蒸汽、热水等负荷，根据用户用能的特点，定制式的能源生产系统。分布式能源系统的构成是资源的多元化和能源转化利用技术的多元化，可以开发利用当地各种可再生能源（如地热能、太阳能、风能、生物质能、水能、工业余压余热利用等）。由于分布式能源避免了传统的大机组、大电厂、大电网带来的能源生产和长距离传输损失，在更大范围以能源联供替代分供方式，是节能减排最有效的途径。

当电力最初进入了人类的生活和生产活动，无论煤电、水电、核电都由于其固有的生产特点采用了集中供应的方式。随着工业化的进程和电力工业的迅速发展，各国政府对集中供电采取了一些保护政策，助长了行业垄断的形成，大机组、大电厂、大电网的趋势越演越烈。然而，随着能源、环境、安全问题的突出及多种因素的影响，分布式能源技术（DE）应运而生。其发展优势表现于： 集中发电不能最有效的利用余热，而分布式发电可以就地消化余热，能源利用效率从平均30－40％提高到80%以上；根据研究结果，传递1MWh热能比传递同样数量电能的损失增大7倍，集中供电将余热传递远处后再回收利用是很不经济的，而分布发电不存在这个障碍；此外，很多工业部门如炼钢、炼铝、化学、石油、炼焦、玻璃等有大量的废热和低热值可燃气，这些能量传递到远处发电或余热利用是不经济的，而给分布发电提供了巨大的潜力。实际上，开发利用当地资源的区域性能源规划必然应用到分布式能源的概念和技术。

美、英、日、尤其是欧洲国家如丹麦、瑞典、芬兰等国自上世纪末期开始了分布式能源的研究并得到迅速发展。以芬兰为例，由于政府对分布式能源的政策导向和优惠条件，2000年前后全国能源供应的布局发生了根本变化，从大城市为中心的集中供能改变成星罗棋布的分布式能源，其效果是国内GDP增长一倍，但总能耗反而减小，生态环境进一步改善。分布式能源以成为当前国际范围能源技术领域发展的大趋势。

2 能源梯级利用子模型：根据热力学第一定律，由一次能源转化成二次能源直到用户负荷的过程都是功与能的转换过程，在这个过程中虽然依据能源守恒，能量总合保持不变，但能量品质和能级发生着变化。以化石燃料的煤、石油、天然气为例，燃料燃烧过程中最高温度可在摄氏千度以上，首先可用于发电，转换成具有最高能级和品质的二次能源。发电后的余热可以随着温度的逐渐降低加以逐级利用，发电机组排放的余热温度在300－500℃范围可以作为热泵或吸收式空调机组的驱动热源用于供暖和制冷，温度降到200℃以下的低温段可用于除湿或生产生活热水，直到温度降低到接近环境温度排放到大气。

的热力学效率。如果将化石燃料在锅炉燃烧后直接供热，转化后的能级及有用能的比例将显著降低，造成能源品质和能源效率的浪费。冷热电三联供是能源梯级利用最典型的方式，在综合能源规划的能源转换环节中采用三联供工艺流程及设备是首要考虑的要素之一。

3 三联供、可再生能源、蓄能耦合子模型：冷热电三联供是分布式能源系统的核心技术，三联供与可再生能源不同方式的结合已成为世界能源技术发展的前沿技术。一种耦合方式是各种生物质燃料、垃圾及污水处理沼气、及工业废气等直接作为燃气内燃机等动力机的燃料，驱动发电机组，国外许多知名发动机制造厂家开发了适用于代用燃料和不同热值的机型，广泛应用于冷热电联供装置。另一种耦合方式是同一个工程项目中采用三联供装置与可再生能源装置的组合共同满足冷热电负荷，如水源或污水源热泵、地热热泵、太阳能发电或供热水、都可作为三联供的辅助或调峰供能装置。采用蓄能装置如冰蓄冷、水蓄冷、蓄热等对于实行峰谷平分时电价及冷热负荷大的用户具有很好的经济运行效果。多种多样的能源种类与转换技术的耦合实现了节能减排的更大效果，开辟了能源综合利用的广阔途径。

为了这种耦合模型的实际运行效果，必须配置具有优化调度功能的自动控制系统。对于这种多机种、多台数、多工况的复杂系统，必须跟踪实时变化的冷热电负荷，以最佳的运行模式调动各台机组的启停和出力，达到最大的节能与经济运行。由此可知，综合能源规划不是一个目的，只是一个过程中的环节，只有着眼于规划的可行性和可操作性，把规划和运行管理紧密结合，才能取得实际的效果。

4 系统分析与能流网络：系统分析是制定综合能源规划的中心环节，依据当地用户的负荷特点，从可以利用的各种资源、及与其相应的各种能源转化技术出发，对资源－转化－终端负荷的全过程进行系统分析和统筹规划，不需要以某种资源或转化技术装置为主，其它为辅的人为规定，规划的最终选择取决于达到规划的优化目标，如满足负荷前提下最小的能源系统建设成本、或最佳的节能、或最小的碳排放、或最低的运行费用和最短的投资回收期等，也可规定为多个优化目标进行优化方案的排序和决策建议。

系统分析采用能流网络作为工具，以节点和有向连线表示的拓扑结构能流网络可以具体形象地表示出资源－转化－终端负荷的过程路线和有序的衔接关系、各环节的进出口能流中各类能源的比例、及转化装置的特性等。对于自下而上的规划方法，可以把负荷预测得到的各种负荷作为已知的外生变量，从负荷端开始计算，通过矩阵运算求得中间各环节和资源端的结果。网络模型由于可以自由的选择当地的资源、当地可用的技术及设备特性，因此可以隐含地包括了分布式能源技术、能源梯级利用技术和三联供、可在生能源、蓄能耦合技术，成为制定综合能源规划的基础工具模型。

老区域的综合能源规划这些区域已经存在传统的能源系统，综合能源规划必须在原有系统的基础上加以利用和改造，以能源政策为导向尽可能注入新的能源理念和技术，形成一个传统能源系统与新能源系统相耦合的综和能源模型,这种耦合模型的创新点仍然在于融入了新能源与可再生能源技术、能源梯级利用技术、分布式能源及冷热电三联供技术、及能源网络技术的子模型，如下图所示。

三、综合能源规划数学模型

在确定了综合能源规划物理模型的基础上需要通过数学方法进行量化分析计算，得到能源系统从一次能源到终端用户的能流量的分配及各种过程参数，以及评价体系所需的各项技术经济指标。数学方法的实质是建立一个描述物理模型的数学模型及数值解法。本文提出的数学模型是以数据库为中心的能源预测、能源平衡、能源优化的三元模型。

1 能源预测模型：用户端的负荷预测是制定规划的基础。预测需要从研究当地能源消费的历史和现状开始，分析影响能源消费的各种因素，找出这些因素与能源需求量之间的量化关系，并根据这种关系对规划期内各阶段和年度的能源需求进行估计和评价。这些因素一般包括资源、人口、经济发展速度及结构、生产技术水平、能源生产和消费的构成等。应该强调，必须把规划期内的技术进步和节能潜力作为需求预测的重要因素之一。我国已把“十一五”期间单位GDP能耗减低20％作为实现的目标，各省市地方也相应提出了自己的指标，在能源预测中应该考虑规划期内采用的各种节能技术的应用及效果，在按常规情况预测的冷热电各种负荷量中扣除可能的节能量才能得到规划期的实际需求。

事实上，这里把节能当作一种外来的能源。负荷预测的准确性直接影响能源供应及各中间转换环节的量化，最终决定了综合能源规划的可靠性。

数学模型是一组变量间的一组数学关系，其中一些变量可以直接取值称为外生变量，另些变量需由直接取值的变量通过数学关系确定，称为内生变量。因此，能源预测模型的整体求解包括三个基本环节，即构造一个完整的模型，给各外生变量赋值，及求解模型确定出各内生变量。

能源预测模型种类繁多，分别适用于超短期规划、短期预测、中期预测、或远期预测，以及针对不同的规划范围。如传统的最简单的综合性预测模型，即弹性系数模型，适用于全国、地区、或行业的规划，但不适用于行业或企业的超短期规划，其它传统的预测有时间序列法、因果分析法等统计预测方法，正在发展的动态预测如模糊预测、人工神经网络法等。

对于新开发的区域或园区进行综合能源规划时由于没有历史数据和运行数据，负荷预测实际上是采用负荷分析的方法。对于热、电、冷负荷分析一般是参考数据库中典型建设的资料、结合设计资料和现场调研，选择一些具有不同特点，有代表性的典型日来分析计算负荷。为了设备选型及系统优化集成的需要，要确定典型日的逐时负荷曲线和相应的年度负荷延时曲线。

2 能源平衡模型：传统的能量平衡分析多采用能量平衡表，它用表格的形式综合能源系统内属于一次能源和二次能源数据，把各种能源在能源系统中的所有转化环节和流程关系在同一表中表示出来。目前我国统计部门已编制了各行业、各类型的能源平衡表并在广泛应用。

本文介绍的能源平衡分析模型是能流网络模型，是进行系统技术经济分析更简便快捷的定量方法，适用于大量能源规划方案的比选。其构造可直观表示为有向连线与节点的组合，有向连线表示系统各环节的工艺过程，其方向代表能流的流向。各过程在节点处相互衔接。在目前研究的静态平衡系统中系统内的能量流动状态是连续的，且在过程内部与过程之间都处于平衡状态。系统的能量平衡过程由三个约束条件描述：① 每个工艺过程的输入与输出能量流之间存在确定的关系，用过程效率或损失相关联；② 在各过程的衔接点处流入的能流量总和等于流出的能流量总和；③ 对于给定的系统，各节点处各过程之间的能流量分配可有预定的比例关系。

以上三个约束条件保证了在分析计算中无论改变一次能源、转化方法、二次能源、或负荷需求时，系统总处于能量平衡状态。

能流网络平衡模型可用于两类分析，一是进行能源系统的供求综合平衡分析，二是进行能源系统的技术经济分析比较。

3 能源优化模型：能源系统优化是综合能源规划确定决策方案的关键环节。即所谓“最优化决策分析模型”。优化的目标函数可人为规定为：能源系统的供能成本最低；排放指标尽可能低；供能安全系数尽可能高；这是一个多目标规划模型。

优化约束条件主要有 满足当地热、电、冷、热水、蒸汽、燃气等用能负荷要求；各种化石燃料供应和可再生资源类型与总量的约束；各种能源利用与转化设备的效率、出力范围、变工况性能曲线；各种可在生能源消耗与再生的平衡条件； 排放指标的约束；投资总额、系统生命周期成本、其它经济指标的约束等。

优化求解的算法基本分为两类，将多目标函数利用加权简化为单目标函数求解；以及采用定量与经验结合的方法，如层次分析，模糊优化等。

优化过程可以是局部优化也可是全局优化，局部优化可用于能源系统某些中间过程，如能流分配的优化，转化设备配置的优化。全局优化用于得到能源系统总体最优的技术经济指标。

结束语

为了贯彻执行国家“十一五”规划，建设能源节约型和环境友好型社会，促进经济可持续发展，各级能源规划部门把制定和实施综合能源规划的工作提升到应有的地位，作为制定各专项规划的基础和指导是当务之急，具有重大的现实意义。

制定综合能源规划的技术关键在于以新的理念和科学的方法建立符合自然规律，体现国内外能源技术发展趋势的物理数学模型，本文提出的物理数学模型属于能源－经济－环境－技术综合模型，以分布式能源、能源梯级利用、可再生能源与三联供的耦合、及能源网络等能源领域的先进技术的有机结合，形成一个具有创新性的制定综合能源规划的框架结构。