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      工業園區綜合能效提升現狀、挑戰與展望

      發布時間:2023-01-09人氣:41

      工業園區綜合能效提升對于園區高質量發展及工業領域節能降碳意義重大。本文分析了工業園區用能特征、碳排放現狀、節能提效的實踐創新,識別了園區綜合能效提升面臨的五大挑戰,提出節能降碳分類指導、基礎設施共生節能降碳、數智強鏈數字化電氣化、系統施策、精細化三級計量等五大重點工程建議。



      1

      引 言


      能源效率通常用能耗強度表達,國際能源署 (IEA)將其視為全球可持續能源系統的第一燃料。工信部發布數據顯示,我國工業部門的能源消費量為全社會能源消費量的 65%,在已過去的兩個五年規劃期間,全國規模以上工業企業單位增加值能耗分別下降 28% 和 16%,“十四五”第一年進一步下降 5.6%。提升工業用能效率,對減少化石能源使用,減少二氧化碳排放將起到重要作用。


      工業園區是工業能效提升的關鍵載體。建立工業園區是全球工業發展的重要舉措之一,推動工業企業向園區集中,能顯著提升生產效率與能源效率?!吨袊_發區審核公告目錄》(2018 年版)顯示,列入名錄的國家級和省級園區有2543 家。


      經估算,這些園區的工業產值占全國工業產值的比例超過 50%,園區在推動中國實體經濟發展和城鎮化發展中發揮了關鍵作用,是支撐制造強國戰略的主戰場。園區具有企業集聚性、規模性優勢,產業鏈、供應鏈協同創新條件好,產業共生潛力大,集中式基礎設施普及率高,管理體系高效等綜合優勢。但同時,工業園區也是資源能源集中消耗的大戶,研究顯示園區溫室氣體排放約占全國的 31%(郭揚等,2021)。


      因此,加強企業與園區能效提升、提高用能質量與可靠性、 降低用能成本、促進單一設備及企業能效提升向系統化、平臺化綜合能效提升與服務轉變,對推動園區能源產出率和碳生產率倍增,實現綠色低碳高質量發展,支撐工業領域節能降碳將發揮關鍵作用?!?030 年前碳達峰行動方案》《“十四五” 節能減排綜合工作方案》《工業能效提升行動計劃》等文件明確提出了園區節能降碳的任務要求。本文在分析工業園區能源消耗及節能工作現狀的基礎上,識別園區綜合能效提升的主要挑戰,進一步提出園區節能降碳的工程建議。



      2

      工業園區能源消耗及節能工作現狀 


      01
      工業園區用能特征

      工業園區能源使用呈現五大特點: 


      園區以工業負荷為主,終端用能形式主要為電、熱、氣、冷等,生產端涉及煤、燃氣、生物質等多種能源的加工、轉化和供給,能源系統復雜; 


      園區發展階段、產業結構各異,呈現出流程型、離散型、 新興研發型等不同用能特征,負荷需求具有多樣性、時空異質性; 


      園區集聚大量企業,對冷、熱、電等能源品種及氣、水等載能公共產品的需求量大且集中,對供應可靠性、質量要求較高; 


      園區能源負荷特性復雜,對供能可靠性、穩定性要求苛刻,輸配送系統的運行調度復雜,清潔、高效、可靠、經濟的綜合能源供應服務需求強烈; 


      大部分園區內建有熱電聯產、熱力廠、發電廠等能源基礎設施。



      02
      工業園區碳排放現狀

      作者團隊建立了包括 1600 多家國家級和省級園區能源基礎設施數據庫,以 2014 年為基準年,研究發現園區在役的能源基礎設施裝機容量達515 GW,占全國該年發電總裝機容量的 38%,這些設施的溫室氣體排放量占到全國的 21%,SO排放占 12%,NO排放占 15%,新鮮水消耗為全 國工業新鮮水用量的5%(Guo et al., 2021)。

      園區能源基礎設施有三個特點: 

      以煤為原料的機組裝機容量占比高達 87%; 

      小機組,尤其是單機 50 MW 以下機組數量占比達 62%,而小機組普遍能源效率較低; 

      能源基礎設施的溫室氣體排放量平均占園區排放量的 75%(Guo et al., 2018a)。

      基礎設施的一個特征是服役時間長,一旦投運其排放量基本被鎖定,既是園區的基礎排放,也是園區節能降碳的關鍵節點。


      以我國兩類最重要的國家級園區為例,其涵蓋國家高新技術產業開發區和國家級經濟技術開發區,能耗具有代表性和典型性。全國有 169 家高新區,2019 年高新區 GDP 占全國的 12.3%。


      2015-2020 年國家高新區能耗強度持續下降,平均值從 0.584 噸標準煤/萬元工業增加值下降到 2020 年的 0.451 噸標準煤/萬元(周力,2021)。2020 年國家高新區能耗約占同年全國終端能源消費總量的 5%?!秶腋咝聟^綠色發展專項行動實施方案》(國科發火 [2021]28 號)提出,2025 年國家高新區工業增加值能耗強度預期目標為0.4 噸標準煤/萬元,其中 50% 的高新區將努力降至 0.3 噸標準煤/萬元以下。


      2021 年,217 家國家級經濟技術開發區貢獻了全國 GDP 的 11%。Guo、Yang 郭揚等針對 210 多家國家級經開區的分品種能源進行分析顯示(Guo et al., 2018b),2015 年國家級經開區煤炭消耗總量占園區能源消費總量的74%,而當年中國工業部門燃煤消費的比例為 56%,表明國家級經 開區一次能源結構中煤炭占比較高。近年來,國家級經開區能源結構多樣化進展較快,在余熱利用的同時,非常規能源如以生物質、生活垃圾和工業固廢等為原料的能源基礎設施在東部地區發展尤為迅速,同時園區太陽能光伏屋頂也成為一個亮點。


      再以浙江省為例,浙江省 120 家省級以上工業園區規模以上工業增加值占全省的 64%,園區在經濟持續增長、創新驅動、對外開放、新業態、 產城融合等方面發揮越來越大的作用。數據顯示,其 120 家園區的能源消費總量約占全省的 46% 左右,基礎設施中以煤炭為原料的設施規模達 71%,能源結構仍倚油倚煤,低碳化轉型任務艱巨。



      03
      工業園區節能提效實踐創新

      我國各級園區節能工作卓有成效,持續推動了綠色低碳發展,主要體現在五個方面。


      一是聚焦重點領域,針對園區能源系統、產業結構、工藝過程、基礎設施、交通物流、公共建筑等重點領域,全過程系統性推進節能工作, 加大節能技術、產品開發應用推廣。


      二是集中式能源基礎設施升級改造,建設能源綠島,推進熱電冷多聯供,開展化石能源清潔高效利用和超低排放改造,實施煤炭減量和天然氣超低排放熱電聯產,多樣化開發利用余熱余壓和能量多級利用。


      三是積極利用可再生能源,推進能源結構轉型升級?!耙粓@一策”開發利用光伏、地源/空氣源熱泵、沼氣、生物質等,提升可再生能源比例;靈活應用用戶側高壓并網和低壓并網技術、電網高低壓開關和傳輸變電技術等,實現可再生能源發電就地消納,同時積極推進大用戶直供電。


      四是積極開展智慧能源探索,建設數字化、 智能化的能源環境綜合管理平臺、電能精細化管理平臺,運用物聯網、大數據、AI 等技術對能源生產、輸配、儲能和使用進行實時檢測,通過系統優化、數智提效實現能源全過程精細化管理。


      五是建立健全能源管理體系,落實能源管理、節能目標責任、節能獎懲等;完善能源消費統計制度、重點企業能源利用狀況報告制度;加快信息化建設,積極開展企業清潔生產審核、能效評價、能源審計、節能考核、能源管理體系認證等工作,推進高耗能行業重點領域節能降碳改造升級;積極發揮市場機制,廣泛應用階梯電價、用能權交易、合同能源管理、第三方治理等,促進節能降碳。



      3

      工業園區綜合能效提升的五大挑戰


      面向雙碳戰略目標以及減污降碳協同增效總要求,全面深化能效提升,工業園區仍面臨若干重要挑戰。



      01
      園區綜合能效提升分類指導亟待加強

      園區地域分布廣,資源稟賦差異大,個性共性兼具,園區間能耗總量和強度、碳排放總量和強度差異大。按照能源消耗總量和強度雙控向碳排放總量和強度雙控轉變的要求,不同地域不同園區差異很大,控能控碳哪個優先、如何來控,缺乏分類指導。亟需加強園區綜合能效提升的分類指導,推動綠色低碳發展。



      02
      園區能源基礎設施規模效率結構性鎖定

      園區廣泛推行基礎設施共享,以熱定電為特征的集中式熱電聯產能源基礎設施普及推廣,但同時又呈現出“規模 - 效率”結構性鎖定,以及以化石能源為主的傳統能源與新能源供給結構失衡,導致溫室氣體排放結構性鎖定。目前,大部分基礎設施服役未到設計壽命的一半,園區基礎設施節能降碳改造需要解決好成本收益的平衡, 能源加工轉化效率及系統優化亟待提升(Guo et al., 2021)。



      03
      終端電氣化面臨規模數量成本綜合制約

      終端電氣化是園區深化節能降碳的關鍵舉措。當前,園區大部分企業的裝備電氣化面臨單體規模小、數量多的問題,節能提效技術創新及裝備推廣存在投入成本高等短板。課題組對某典型精細化工園區進行了專題研究(Tian et al., 2012), 分析了其八大類 5000 臺存量電機設備,總容量 100 MW,單臺設備的平均容量約 10 kW,其中單機容量大于 15 kW 以上的電機設備數量僅占設備總數的 35%,容量占 81%,小規模電機的能效提升面臨較大挑戰,需要電機技術的整體提升。



      04
      能效局部有效和系統整體有效需要平衡

      “十一五”以來,在節能減排約束性指標的持續推動下,重點用能行業節能挖潛難度日益加大, 亟待平衡好局部有效和系統整體有效,并從局部過程節能向全過程、全鏈條、全系統優化節能轉變。以煉油行業為例,全國 2020 年煉油企業能效水平優于標桿水平的產能約 25%,同時有 20% 的產能其能效低于基準水平。我國火力發電、鋼鐵、 化工產業和垃圾焚燒熱電聯產自身的能效已較高, 但進一步與周邊城市和社區協同挖掘余熱利用方面,尚有較大潛力。研究顯示,中國北方地區工業余熱供暖潛力約為區域熱需求的 1.4 倍(Zheng et al., 2020)。



      05
      園區物質流能量流精細化管理短板明顯

      《國務院關于印發 2030 年前碳達峰行動方案的通知》(國發〔2021〕23 號)要求“加強園區物質流管理”,這里物質流是廣義的概念,既包括生產原料也包括能源。園區物質流能量流管理是全過程節能減污最直接、最有效、最經濟的措施, 是推進園區綜合能效提升的重要抓手。但實踐中, 物質流能量流管理最基礎的工作——三級計量體系建設尚存在明顯短板、弱項,特別是中小規模企業。



      4

      推進工業園區節能降碳重點工程


      從系統工程和全局視角,推進園區經濟—能源—環境(“3E”)系統整體優化, 實施園區節能降碳增效工程。鼓勵優先利用可再生能源,實施能 - 水統籌,強化節約、提效、開源,產業和能源結構雙優化、雙清潔化,優化資源要素配置;以園區基礎設施為重點,推動能源、環境基礎設施系統優化和循環共生;構建智慧管理平臺,推動能源管理與園區安全、環保、物流等一體化、智慧化。為此,園區節能降碳建議優先抓好以下重點工程。



      01
      園區節能降碳分類指導能力建設工程

      “一園一策”,研究制定園區分類管理方法。從綠色發展水平、經濟規模、產業特征、能源結構、能源效率、碳排放等維度,對園區分級分類;從產業結構優化、生態產業鏈網、能源系統優化、基礎設施升級等方面,明確各類園區能效提升重點。


      總體來看,園區作為實體經濟主戰場,未來隨著經濟持續增長能耗總量和碳排放總量仍將繼續增長。針對園區能源消耗及碳排放特點,課題組提出“以地定產、以產見能(碳)、以能(碳) 優產”的碳達峰方略(陳呂軍,2021;Lyu et al., 2022),將園區綜合能效提升作為關鍵,系統有序推進產業結構優化、能效提升、能源結構轉型、 碳捕集等四大措施,全方位深化工業園區節能降碳。


      研究顯示,通過有序實施上述四類減排措施,2015-2035 年和 2035- 2050 年期間,全生命周期碳排放量可分別減排28%和51%(郭揚等, 2021)?,F階段園區應優先實施產業結構調整與能效提升減碳工程,挖掘其最大減排潛力;其次是提高園區非化石能源占比和增加 CCUS 應用。從時間維度分析,2035-2050 年期間通過產業結構優化、能效提升、能源結構轉型的減排潛力基本釋放,進一步深度減排則需要依靠工業生產的系統優化、產業空間布局優化和必要的 CCUS。


      推動園區能源結構優化,可著力生活垃圾、生物質和污泥能源化,并輔以工藝過程余熱高效回收,“一園一策”發展風、光、氫能等能源。已有研究顯示(郭揚等,2021),2035 年后預期對園區碳減排貢獻較大的途徑主要為氫能、 風電和光伏,到 2050 年其潛在減排貢獻率約為 73%~81%,其中氫能在 2015-2035 年期間有望減碳 36%~37%,預期 2035-2050 年達到 46%~50%,將對園區深度減碳起到積極作用。



      02
      園區基礎設施共生節能減污降碳提效工程

      針對工業園區能源基礎設施的三大特點,課題組建立了年份-存量減碳模型,研究了五種主要技術措施的減碳潛力及成本效益(Guo et al., 2016, 2018b, 2021),主要包括:天然氣替代燃煤熱電聯產、垃圾焚燒熱電聯產替代燃煤、抽凝/純凝式汽輪機升級為背壓式汽輪機、將小容量燃煤機組用大容量機組替代、發展天然氣聯合循環機組替代燃煤小機組。研究發現,通過五種措施綜合應用,溫室氣體可減排8%~16%,同時能減排SO2 24%~31%、 減排 NO10%~14%, 并 有 34%~39% 的節水潛力。五種措施綜合作用情景下,可獲得 519 元/噸CO2 當量收益(按 2015 年可比價)。


      園區能源基礎設施和環境基礎設施之間建立余熱利用、污水深度處理資源化、污泥能源化等為主的能-水耦合共生系統,可同時實現節能節水減污。


      課題組研究表明,全國 80% 的國家級和省級園區有集中式能源環境基礎設施,72% 的園區有集中式污水處理廠,園區水環境基礎設施和能源基礎設施之間建立能-水耦合的共生關系是減污降碳的重要舉措(Hu et al., 2019)。


      針對國家 級經開區的研究顯示,210 余家園區可建立 518 條共生關系,其中 239 條基于能源交換,279 條基于水資源交換;通過共生,能源和水資源節 約潛力分別為 7% 和 73%,可獲得的節水潛力、節能潛力、降碳潛力分別為 12.8 億立方米/年、 90.9 萬噸標煤/年、572 萬噸 CO2 當量/年(Hu et al., 2020)。



      03
      園區數智強鏈數字化電氣化工程

      推動數字要素、智能制造加快向園區集聚發展,促進企業層面和園區層面數字化、智能化、 綠色化融合發展,強化電力管理智能化,提升產業鏈、供應鏈、創新鏈協同配套能力,提高產業鏈韌性,增強產業鏈安全性,催生“產業化+數字化 + 智能制造”新業態;加強園區企業生產計劃、工藝技術、物料配送、設備監控維護、質量管控以及能量流物質流智能化跟蹤管理。


      搭建數據驅動的園區節能降碳決策支撐平臺,設計開發園區基礎數據庫,并定期動態更新,由專業機構和科研單位聯合運維并開展數據挖掘研究,支撐管理決策。


      加強園區電氣化建設。針對園區海量中低壓小容量電力用戶,開發終端智控裝置和資源群控平臺,建立碎片資源喚醒聚合互動新模式,以“小裝置”全面感知、柔性調節、本地控制用戶多類型設備,以“大平臺”聚合可調資源,智能輔助決策,開展分層分級響應;以“強服務”注重用戶無感體驗,拓展節能降費增值服務,實現政府、用戶、電網多方共贏。


      加強園區電力資源配置優化。通過能源系統綜合規劃、多用戶互動、電網協調控制及智能化改造,實現冷熱電氣協同、源網荷儲集群聯控;通過優化負荷和儲能有功控制及電力電子設備無功調控對沖有功和無功沖擊,提升園區電能質量;通過智慧電務,基于設備級用能數據,開展精細化綜合能源服務。



      04
      園區數智強鏈數字化電氣化工程

      立足園區產業結構和用能特點,加強工業園區能源系統建設,突出系統優化和全生命周期思想,著力三個轉變:

      一是橫向多能互補,從單一能源向綜合能源轉變;

      二是縱向建立“源、網、荷、儲”協調,形成多樣化能源的供給、需求及儲能調節的動態平衡;

      三是集中與分布式相協調。


      以化工園區為例,首先,針對園區能源生產—能源供應—化工生產等多系統,綜合運用生產工藝綠色化、電網系統優化、電機設備升級、 余熱回收等推進園區系統性節能和效率提升。其次,強化生產過程—產業鏈接—基礎設施—安全環境管理協同,抓住綠色化學與綠色化工技術集成的關鍵,加強短流程原子經濟合成技術開發, 實現源頭減污和源頭節能,通過多產品多過程共生耦合,實現園區整體性能效提升和減污降碳。



      05
      園區三級計量精細化物質流能量流管理提升工程

      完善企業三級計量,是“加強園區物質流管理”的重要支撐。推動園區深入開展精細化數字化計量工程,配齊能、水、料三級計量監測設施,實現數據驅動精準管理;全面推行數字化智能化計量工作,建立實時數據驅動的智慧化物質流管理系統。


      設立園區及企業能效專職崗位,推動用能、 用水量大的企業配全三級計量設備,并適當超前配備數字化智能化儀表,逐步實現園區全覆蓋, 實時采集能量流、物質流信息并接入園區智慧化管理平臺,建立多源時間序列數據驅動的園區智能分析和精細管理決策,做好園區能源和物質平衡管理,在此基礎上建立數字化碳管理系統。


      通過完善園區企業用戶側分時三級計量表計的建設改造,自下而上厘清園區多產品、多元素、 多層級的物質能量代謝結構、路徑、過程等特征, 定量揭示全生命周期的環境影響,提出靶向減污降碳調控措施,推動企業內、企業間、產業間物料閉路循環,并持續循環迭代優化。


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