电力需求侧灵活性系列报告

电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述 落基山研究所：刘雨菁，刘子屹，谢俊中国电力科学研究院有限公司：李德智 落基山研究所：陈梓浩，高硕，李婷，张沥月，周勤中国电力科学研究院有限公司：陈宋宋，宫飞翔 感谢落基山研究所的李抒苡和薛雨军在报告撰写过程中给与的宝贵建议 刘雨菁，yujingliu@rmi.org 版权与引用 刘子屹，谢俊，刘雨菁，李德智等. 电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述，落基山研究所，2023,http://rmi.org.cn/insights/dsf-steel/ 本报告作者特别感谢以下来自企业和研究机构的专家对报告撰写提供的洞见与建议。 孙文强东北大学曾永生上海佰能工程技术有限公司林科鞍钢股份有限公司王顺江国网辽宁省电力有限公司童流川腾讯SSV碳中和实验室孙冲国网河北省电力有限公司营销服务中心孙钢国网浙江省电力有限公司营销服务中心张海静国网山东省电力公司营销服务中心（计量中心） 特别感谢Climate Imperative Foundation对本报告的支持。 本报告所述内容不代表以上专家和所在机构，以及项目支持方的观点。 1.1 低碳政策促进钢铁行业绿色转型升级1.2 钢铁柔性负荷助力新型电力系统灵活性提升 2.1 钢铁生产工艺流程2.2 钢铁生产负荷特征2.2.1 负荷分类特征2.2.2 负荷曲线特征2.3 钢铁需求侧灵活性来源2.3.1 可中断负荷调节2.3.2 可削减负荷调节2.3.3 可转移负荷调节2.3.4 自备电厂或副产气发电2.4 钢铁企业各生产环节灵活性来源及潜力 3.1 荷兰塔塔长流程钢铁厂需求响应实践3.2 德国短流程钢厂灵活性潜力评估与仿真3.3 浙江万泰特钢公司参与电网供需互动3.4 华东某短流程钢铁企业负荷管理时间 4.1 技术层面4.1.1 生产过程的负荷建模、调节能力预测及协同优化4.1.2 钢铁生产过程解耦以发挥负荷调节潜力4.2 市场层面 一、钢铁行业是工业需求侧灵活性的重要来源 1.1 低碳政策促进钢铁行业绿色转型升级 钢铁行业是我国主要碳排放部门之一，其绿色转型升级是实现碳达峰碳中和的重要抓手。作为国民经济的重要基础产业，中国钢铁行业 GDP 占总 GDP 的 5% 左右。中国是世界最大的钢铁生产国和消费国，2022 年，中国生产粗钢 10.2亿吨，消费成品钢消费 9.2 亿吨，分别占全球产量的 54.0% 和 51.7%。同时作为能源密集型行业，2022 年，钢铁行业的能源消费总量占全国比重在 10% 以上，碳排放总量约为 18 亿吨，占全国总排放的约 15%，是碳排放占比最高的制造业类别。因此，钢铁行业的零碳转型于全经济领域实现碳中和目标至关重要，其作为国民经济发展的重要支撑也决定了下游产业是否能够实现全生命周期脱碳。 在此背景下，提升钢铁生产能效、实现绿色低碳转型已成为政府和钢铁企业共同关注的焦点。从能效上看，过去十年钢铁行业的能效有明显提升。我国大中型钢铁企业的吨钢综合能耗从 0.669 tce/t 下降到 0.551 tce/t，下降率 16.64%，且各生产工序能耗均有不同程度的下降 。钢铁行业能效总体实现了 7.5% 的提升，预计未来 30 年能效提升可达 10%～ 15%。然而，为进一步实现行业深度脱碳，钢铁行业将在产品结构、能耗结构和生产工艺等方面出现巨大变化，短流程电炉炼钢将取代长流程炼钢成为中国钢铁产能的主力 。相比长流程炼钢，短流程炼钢的能耗更低。长流程炼钢的能耗以煤炭为主，吨钢综合能耗约为 550 千克标准煤，而短流程炼钢以电力为主要能源来源，吨钢电耗约为 500 千瓦时，吨钢碳排放约为 0.6 吨二氧化碳，为长流程的 1/3 以下。2020 年，我国长流程粗钢产量占比仍高达约 90%，远高于同期欧盟的 57.6%、美国的 29.4% 的水平。相比之下，美国、印度、欧洲的短流程电炉钢占比分别达到了 70%、56% 和41% 左右。12 国家陆续颁布一系列政策目标，在产能治理、能源环保和提高废钢使用方面提出了严格的要求（图表 1）。2021 年 12月，工信部、科学技术部和自然资源部共同发布了《“十四五”原材料工业发展规划》，明确到 2025 年，钢铁、有色金属、建材等重点行业能源消耗总量、碳排放总量控制取得阶段性成果，钢铁行业吨钢综合能耗降低 2%。2022 年，钢铁行业低碳工作推进委员会发布了《钢铁行业碳中和愿景和低碳技术路线图》，明确了中国钢铁工业“双碳”六大技术路线，即系统能效提升、资源循环利用、流程优化创新、冶炼工艺突破、产品迭代升级、捕集封存利用。2022 年 6 月，生态环境部等七部门发布《减污降碳协同增效实施方案》，提出逐步减少独立烧结、热轧企业数量，大力支持电炉短流程工艺发展。2025 年和 2030 年，全国短流程炼钢占比分别提升至 15%、20% 以上。从政策内容上看，除了降低各生产环节的能效之外，政策也在逐步引导未来钢铁生产从长流程向短流程转移，部分省份也专门发布了促进钢铁短流程生产技术的相关政策目标（图表 2）。 虽然中国钢铁产业已走过高速发展期，且即将进入总需求长期下降的发展阶段，但全社会钢铁蓄积量仍不断增长，这为短流程生产技术所需的废钢供应能力的持续提升创造了条件。伴随着我国基础设施建设速度逐步放缓，预计全国钢铁需求量在 2025 年左右达峰并进入下降阶段。但 2020 年，我国人均粗钢消费量约 730 千克，人均钢铁蓄积量接近 8.3 吨，已经超过了欧美等国的历史消费量峰值 。伴随着早期进入消费环节的钢铁逐渐达到使用年限，将加速释放出越来越多的废钢资源。预计中国社会废钢资源产生量 2030 年达到 4.0 亿吨，2050 年达到 5.0 亿吨，推动短流程电炉钢产量占比从 2020 年的 10% 左右提高到 2050 年的 60% 左右（图表 3）。32 1.2 钢铁柔性负荷助力新型电力系统灵活性提升 415 在电力市场机制逐步完善的背景下，需求侧灵活性挖掘与高效利用将会为钢铁行业带来新的降本增效机遇。近年来，由于全国钢铁需求量收紧，叠加燃料价格上涨等因素，钢铁行业广泛开展降本增效措施以提高盈利能力。据国家统计局数据，2022 年我国粗钢产量已连续两年下降，黑色金属冶炼和压延加工业实现利润总额 365.5 亿元，是自 2003年来的新低 。而工业企业生产运作与综合用能过程的联合优化技术的发展，可帮助钢铁企业参考分时电价或现货市场的价格信号来调整用电负荷，从而进一步降低用电成本、提升企业效益。同时，伴随着国家发展改革委与国家能源局《电力需求侧管理办法（2023 年版）》、《电力负荷管理办法（2023 年版）》等新政策的出台，传统高耗能工业负荷等能够响应调度指令的用户可调节负荷已纳入为电力辅助服务的提供主体，钢铁企业电力负荷的灵活调节能力可通过参与有偿电力辅助服务或专门的需求响应机制来获取补贴。这些激励也将为钢铁行业开发需求侧灵活性带来新的机遇。6 此外，工业互联网技术的快速发展，为钢铁行业开发需求侧灵活性提供了重要技术支撑。近年来，中国钢铁行业正利用大数据、云计算、工业互联网等信息技术赋能钢铁行业数字化转型升级，提出了“超级自动化、极致柔性”、“极致能效”等行业发展目标。据《2022 钢铁行业经济运行报告》介绍，中国宝武启动钢铁工业大脑战略计划，打造了一批大数据、人工智能与钢铁深度融合的典型示范项目；鞍钢基于工业互联网平台的全流程数字孪生综合应用，打造以数字孪生和信息物理系统为核心的钢铁数字化制造新模式；首钢基于专网 5G 技术在“灯塔”工厂建设中达到全覆盖，实现工序间互联互通、天车智能操控；柳钢自主创新研发了“转炉看火”工业机器视觉决策模型，引领柳钢进入人工智能新时代 。以上这些技术的实现，一方面使得一些精确度要求高的负荷调节过程能够得以实现，另一方面能够更好地与外部系统协同，例如与电网调度形成实时互动，及时根据电网信息调节生产负荷。伴随着新型电力系统源网荷储平衡能力灵活性的提升需求，钢铁行业发展电力需求响应能力具有必要性，同时新型数智化技术的融合应用和需求响应市场的潜在效益也为之提供了技术和市场基础。7 二、钢铁生产工艺特征及负荷调节潜力 2.1 钢铁生产工艺流程 2.2 钢铁生产负荷特征 2.2.1 负荷分类特征 从负荷功能来看，钢铁企业生产过程负荷可分为主要生产负荷、辅助生产负荷、安全保障负荷和非生产性负荷。其中，主要生产负荷是指电炉、精炼炉、高炉等主要生产设备维持运行所需负荷，占总负荷 65% 以上；辅助生产负荷是指各分厂水泵、传动液压泵、棒材及线材风机、电炉厂风机等辅助生产设备维持运行所需负荷；安全保障负荷是指废气、粉尘回收吸入风机、消防及治安用电设备等所需负荷。而非生产性负荷则包括了办公用电、办公照明等生活用电，突然失电有可能会造成人员的伤害或财产的损失。各类型负荷占比及其对应的主要设备如图表 6 所示 。 从负荷变化程度来看，钢铁生产负荷可分为持续型冲击负荷、间歇型冲击负荷和平稳型负荷，各生产环节所对应的负荷类型如图表 7 所示 。其中，从原料处理的烧结到炼铁炼钢过程负荷较为稳定，只有在检修时才会有显著变动。轧制过程则属于持续型冲击负荷，而精炼炉的过程属于间歇型冲击负荷。各类负荷对应的负荷变动曲线参考下节。9 2.2.2 负荷曲线特征 钢铁行业属于典型的高耗能行业，一般采用三班 24h 连续工作制，全天负荷波动不大，没有明显的波峰和波谷，连续性生产设备较多，例如烧结机、焦炉、高炉等，除检修时间外通常满负荷运行，除检修期外负荷率长期维持高位。负荷率较高、对电能质量要求较高。以某钢铁企业为例，其典型日总负荷曲线波动如图表 8 所示。 分环节来看，不同生产工艺对应的负荷波动情况有所差异。 轧钢生产线：轧钢负荷占总负荷比例大约 15%，属于电动机的一种，其任务是完成钢坯的塑形。轧钢生产线是典型的冲击型负荷，当钢坯进入轧机时，轧机功率会急剧上升，当钢坯离开轧机时，轧机功率急剧下降。负荷曲线如图表 9 所示。由于轧钢生产线属于离散型生产过程，且负荷的大小与受到轧制的钢板的型号影响显著。在需求响应期间，根据负荷削峰填谷调节的不同需求，可以利用轧钢负荷的功率波动性，将轧钢生产线的生产 / 停止时段编排为特定预案，完成电网指令。具体操作为根据负荷调节需求，提前安排钢板轧制的排产计划，实现负荷曲线的提前整形。 精炼炉：精炼任务的主要设备钢包炉占生产总能耗的比重极大。精炼炉在精炼过程中通过电极下放产生电弧加热炉内钢水进行温度补偿或升温，其精炼过程对应的功率如图表 10 所示。精炼任务中有数次加料（如铜、镍、硅、锰等）微调钢水成分的过程。因各加料阶段温度要求不同，通常升温一段时间后停炉测温，若温度达标，此时加入金属料并恢复钢包炉电极送电使其继续升温。该过程重复数次，直至钢水产出成分及温度合格。 电弧炉：电弧炉负荷占整体负荷比例大约 40%，电弧炉通电后，操作人员缓缓下放电极，直至电极与炉料之间的电位差击穿空气形成电弧，电弧炉功率会在数秒内迅速增加。电弧炉通常以某一恒定挡位功率运行，由于炉内温度、炉料状态等变化因素，其功率含有大量高频谐波，呈现出“带状”功率的特性。当电弧炉完成加热任务后，操作人员将电极缓缓上抬，待电弧熄灭后，中断送电，整个停炉过程通常在数秒内完成。电弧炉在完成加热任务后，会由操作人员中断送电，这部分的可调负荷间隙、周期性取决于前序工艺的来料速度和后序工艺的生产进度，因此可将电弧炉前后工艺串联成完整的生产预案，在需求响应期间，通过调整电弧炉前后生产排序，完成电网指令。 2.3 钢铁需求侧灵活性来源 钢铁行业需求侧灵活性主要来源于两大类，即生产过程中的负荷调节和自备电厂或副产气发电替代电网发电，其中，负荷调节可进一步分为可中断负荷、可削减负荷和可转移负荷三类。 2.3.1 可中断负荷调节 可中断负荷调节是指直接切断负荷需求以提供需求侧灵活性。这里的可中断是指短时间的中断，在一段时间后会恢复正常的生产