综合能源系统可靠性评估的研究现状及展望 向雪华

综合能源系统可靠性评估的研究现状及展望向雪华

摘要：综合能源系统是在智能电网的基础上，引入热动系统、热力网、燃料管

网等非电能源载体，多种能源综合分配、互补利用，涵盖多种能源发/输/储/用的

综合性系统。当前，国内针对综合能源系统重点关注其技术可行性、源–荷匹配、能量运输路径和经济性等因素；技术方面主要考虑多种能源的源与荷在多种可能

的运行工况下的匹配、能源系统定工况计算与静态稳定等。

关键词：综合能源；能源综合利用；可持续性发展

前言：面对世界范围的能源危机和环境恶化，为满足人类社会日益增长的能

源需求及追求健康生活的基本诉求，人类转变观念不断追求可持续性发展。综合

能源系统概念的提出旨在追求建立一个统筹石油、天然气、电能、热能等多种能源，实现多种异质能源的协调规划，互补互济的综合能源系统，在满足系统多元

用能需求的基础上，追求提升能源利用效率。

1 综合能源系统的基本概念

传统上的能源系统如天然气系统、供暖系统、制冷系统等，它们互不干涉，

各自独立运行，彼此缺乏协调从而导致能源利用率不高、供能可靠性也较低。随

着20世纪中期以来计算机、自动控制、通信、数据网络等技术的快速发展，促

进了能源领域的快速发展。目前综合能源系统仍缺乏统一的定义，广义上讲，综

合能源系统涉及多种能源的生产、输送、分配及最终消费等多个环节较为复杂，

研究初期均选择从终端处入手。美国能源部在2001年提出综合能源系统发展计划，重点研究并推广冷热电三联供技术。加拿大于2009年提出构建覆盖全国的

社区综合能源系统(ICES)。

2 主要特点

2.1 提高能源利用效率

不同异质能源之间相互协调，以获得较高的能源利用率。如热泵（heat pump），热泵工作时消耗很小一部分电能，从环境介质（如土壤、水、空气等）中吸收4-7倍的电能，能极大地节省能耗。热泵按种类分有空气热泵、水源热泵、地源热泵等，应用前景十分开阔；如热电联供系统，发电机发电产生巨大热量，

对产生的热量利用起来用于供暖，可大大提高能源利用效率。

2.2 提高供能的可靠性

各能源子系统相互间紧密联系，大大提高了能源供应的可靠性。当某一能源

系统出现故障时，系统内通过能源储备或其他能源子系统的能源转换来保证紧急

情况下供能的可靠性。此外，由于风能、太阳能、生物质能等可再生能源供能具

有明显的间歇性与波动性，对供能网络会带来很大的冲击，结合电能等进行削峰

填谷、综合利用以达到稳定供能的目的。

2.3 促进相关能源产业发展

综合能源系统技术的推广必定会促进相关科技领域及市场的快速发展。为了

实现不同种能源之间的优化利用，异质能源间的耦合技术得到了快速发展，如目

前的冷热电联供、热泵技术等；为了切实提高不同种能源间的可替代性与互补应

用的水平，能源储备与能源转化技术也是科研人员研究的重点。

2.4 加快管理体制与市场体制的改革

现有不同能源的管理体制与市场体制各自独立，没有统一的价格衡量标准和

市场规范，也没有统一的调度部门，注定不会适应协调调度、统一管理的综合能

源系统。综合能源系统的推进也必将会引起管理体制与市场体制的深化改革。

3 综合能源系统可靠性评价

对综合能源系统进行准确有效的评价是进行系统改进优化的重要依据，对综

合能源系统的评价研究主要从热力学、经济性、环保性以及综合评价4个方面进行。

3.1 热力学性能评价

国家发改委《关于发展天然气分布式能源的指导意见》及国家能源局《分布

式能源发电管理办法（征求意见稿）》均要求分布式发电的一次能源利用率高于70%。其中一次能源利用率的定义为：

式中：P，C，H分别为系统报告期净供电量、总供电量、总供热量；eref,p

eref,c，eref,h分别为供电、供冷、供热能耗参考值。

3.2 经济性评价

对综合能源系统进行经济性评价的常用指标有年运行成本、投资回收期和全生命周期成本。年运行成本指系统每年运行所需消耗的费用，包括系统购电成本、燃料成本和维护成本等。投资回收期是工程项目的净收益抵偿全部投资（包括固定投资与流动资金之和）所需要

的时间，能体现项目的总体经济性。项目投资回收期越短，则表明项目的经济性越好。全生

命周期成本指系统全生命周期（冷热电联产系统通常根据发电设备的寿命定为20~30年）内

的所有费用，包括初投资、系统运行费用和系统维护费等，是体现系统中长期经济效益的一

个重要指标。付林等分析了投资回收年限法、内部收益率法及最小费用法等方法的弊端，认

为这些方法的计算过程中所使用的热价、冷价波动较大，无法避免市场因素、管理与维护费

用中人为因素的干扰，导致无法形成较客观的评价结论，由此提出了增量评价法。增量评价

法是指在满足同样的冷热电需求的前提下，比较冷热电联供系统与常规方案的费用和产出，

从经济角度对投入产出的增量进行分析。模拟计算动态负荷得到系统全年燃气消耗量、冷热

电供应量后，进一步计算得到系统年运行费用的减少量以及增量投资回收年限，从而对系统

进行经济性评价。

3.3 环境效益评价

魏大钧使用年CO2减排率来评估燃气多能联供系统相比分供系统的减排潜力。首先计算

联供系统年总CO2：

同理可得冷热电联供系统相对分供系统的SO2和NOX减排率。

3.4 多指标综合评价

黄甫艺等提出了多层次结合灰色关联进行方案评价的方法，研究中还采用模糊数学将定

性指标量化。张涛等在黄甫艺研究的基础上加入指标信息熵，提出了熵权综合评价法。熵权

综合评价首先进行指标归一化，然后计算指标信息熵，最后确定熵权和综合评价结果。指标

信息熵具有热力学熵的单值性、可加性和极值性等性质。某个指标熵值越小，则说明该指标

变异程度越大，提供信息量越多，在多指标综合评价中，该指标起的作用越大，权重也越大。根据评价结果即可比较各系统方案综合性能的优劣，评价结果的值越大，表明综合性能越好。

结束语：

综合能源系统因其具备经济、环保、高效等优点，在发达国家已经得到成熟应用，然而

由于技术障碍、政策限制等原因，在我国尚处于萌芽阶段。随着技术进步及国家鼓励性政策

的密集落地，多能互补综合能源系统将迎来巨大的发展空间。

参考文献：

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[2]高峻. 天然气冷热电三联供系统设备容量优化[J].煤气与热力，2017(04)

[3]黄子硕. 多能互补分布式能源系统的能效水平及其影响因素[J].暖通空调，2017(04)