电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述2023.12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ClimateImperativeFoundation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。电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/31.1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市场层面电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/4一、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0.669tce/t下降到0.551tce/t，下降率16.64%，且各生产工序能耗均有不同程度的下降1。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2。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。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）。电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/5
图表1近年钢铁行业低碳相关政策时间发布单位政策名称钢铁相关内容2021.10发改委等《“十四五”全国清洁钢铁行业响完应成时5.长3亿吨钢铁产能超低排放改造、4.6亿吨焦十部门生产推行方案》化产能清洁生产改造2021.10国务院《2030年前碳达峰行深化钢铁行业供给侧结构性改革，严格执行产能置换，严动方案》禁新增产能，推进存量优化，淘汰落后产能。促进钢铁行业结构优化和清洁能源替代，大力推进非高炉炼铁技术示范，提升废钢资源回收利用水平，推行全废钢电炉工艺2021.11工信部《“十四五”工业绿色到2025年，钢铁等重点行业碳排放总量控制取得阶段性发展规划》成果。制定工业领域和钢铁等重点行业碳达峰实施方案，明确主要碳排放生产工序或子行业，提出降碳和碳达峰实施路径工信部、《“十四五”原材料工明确到2025年，钢铁、有色金属、建材等重点行业能源消科学技术部、耗总量、碳排放总量控制取得阶段性成果。钢铁行业吨钢2021.12业发展规划》综合能耗降低2%自然资源部2022.01国务院《“十四五”节能减排以钢铁、有色金属等行业为重点，推进节能改造和污染物综合工作方案》深度治理。到2025年，通过实施节能降碳行动，钢铁等重点行业产能和数据中心达到能效标杆水平的比例超过30%2022.01发改委、《“十四五”现代能源严格控制钢铁、化工、水泥等主要用煤行业煤炭消费国家能源局体系规划》2022.01工信部、《关于促进钢铁工业力争到2025年，钢铁工业基本形成布局结构合理、资源供发改委、高质量发展的指导意应稳定、技术装备先进、质量品牌突出、智能化水平高、全生态环境部球竞争力强、绿色低碳可持续的高质量发展格局。80%以见》上钢铁产能完成超低排放改造，吨钢综合能耗降低2%以上，确保2030年前碳达峰2022.02发改委、到2025年，钢铁行业炼铁、炼钢工序能效标杆水平以上产工信部、《高耗能行业重点领域能比例达到30%，能效基准水平以下产能基本清零，行业生态环境部、节能降碳改造升级实节能降碳效果显著，绿色低碳发展能力大幅提高国家能源局施指南（2022年版）》2022.06生态环境部《减污降碳协同增效实研究建立大气环境容量约束下的钢铁、焦化等行业去产能长效机制，逐步减少独立烧结、热轧企业数量。大力支持电等七部门施方案》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2022.06工信部等《工业能效提升行动计到2025年，钢铁、石化化工等行业重点产品能效达到国际六部门划》先进水平，规模以上工业单位增加值能耗比2020年下降13.5%工信部、推动钢铁等行业企业实施节能、节水、节材、减污、降碳等系统性清洁生产改造2022.07发改委、《工业领域碳达峰实施生态环境部方案》资料来源：各部委官网，落基山研究所整理电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/6
图表2部分省份推动钢铁行业向短流程发展相关政策目标省份文件名具体内容吉林省《吉林省碳达峰实施方案》2025年和2030年，全省短流程炼钢占比分别提升至15%、20%以上四川省《关于开展电炉短流程炼钢高质量发展引领目标到2025年电炉短流程炼钢产量占比达到工程的实施方案（征求意见稿）》40%，超低排放改造率达到100%上海市《上海市碳达峰实施方案》加快发展以废钢为原料的电炉短流程工艺，到2025年，废钢比力争达到15%以上，到2030年，废钢比提升至30%福建省《福建省钢铁工业高质量发展实施意见》力争到2025年，产业结构不断优化。持续推进工艺结构优化调整，电炉钢产量占全省钢产量比重达20%以上浙江省《浙江省推动钢铁行业高质量发展的行动方力争到2025年，产业结构不断优化。电炉钢案》产量占粗钢总产量比例的40%以上山东省《山东省钢铁产业“十四五”发展规划》力争“十四五”时期，短流程炼钢占比达到20%左右，废钢在钢铁原料中占比达到30％左右辽宁省《辽宁省“十四五”节能减排综合工作方案的鼓励将高炉—转炉长流程炼钢转型发展为电通知》炉短流程炼钢江西省《江西省碳达峰实施方案》开展非高炉炼铁技术示范，完善废钢资源回收利用体系，推进废钢铁利用产业一体化，积极发展全废钢冶炼湖南省《湖南省碳达峰实施方案》大力发展短流程电炉炼钢和废钢炼钢，加快建立废钢资源循环利用体系广西省《广西“十四五”节能减排综合实施方案的通知》鼓励将高炉—转炉长流程炼钢转型为电炉短流程炼钢资料来源：各省政府官网，落基山研究所整理/7
电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述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3。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）2。图表3可供钢铁行业的废钢供给量、电炉钢产量和占比变化670%亿吨560%50%440%330%220%110%020300%20202050电炉钢产量废钢资源量电炉钢占比数据来源：落基山研究所1.2钢铁柔性负荷助力新型电力系统灵活性提升415电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/8
图表42021年不同工业用电量占比5%13%45%3%13%11%3%3%7%采矿业有色金属冶炼黑色金属冶炼化工非金属矿物纺织业石化其他数据来源：中国能源统计年鉴，落基山研究所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6。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。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7。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。电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/9
二、钢铁生产工艺特征及负荷调节潜力2.1钢铁生产工艺流程图表5钢铁长流程和短流程生产流程示意图炼焦煤焦炉石灰窑长流程石灰石高炉转炉天然气/氢气铁矿石烧结厂精炼炉连铸机轧钢（可选）（热轧、冷轧）铁矿石球团厂竖炉电弧炉直接还原短废钢流程资料来源：落基山研究所电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/10
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。图表6钢铁行业分功能负荷类型及其占比负荷类型负荷占比主要设备主要生产负荷65%-75%电炉响、应精炼时炉长、制氧机、高炉、转炉、烧结机、轧钢、棒材5%-10%和线材生产线生产性负荷辅助生产负荷10%-15%安全保障负荷各分厂水泵、传动液压泵、棒材及线材风机、电炉厂风机、行车、车间通风轴流风机废气、粉尘回收吸入风机、循环冷却水泵、消防及治安用电设备非生产性负荷2%-5%办公用电、生活用电等资料来源：国网电力科学研究院8，中国电力科学研究院，落基山研究所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9。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。图表7分特征的负荷类型及其对应环节类型主要生产工艺负荷性质持续型冲击负荷热轧轧机负荷为持续型冲击负荷，辅助负荷为稳定负荷厚板中板间歇型冲击负荷精炼炉间歇型冲击负荷时间根据生产计划随时变化平稳型负荷烧结非检修时负荷稳定炼铁炼钢资料来源：鞍钢股份9，中国电力科学研究院，落基山研究所电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/11
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。图表8某钢铁企业典型负荷曲线（归一化处理后）powe（rMW）vs.time(s)10100015002000250030003500500数据来源：东北大学，中国电力科学研究院分环节来看，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。图表9轧钢生产线负荷特性曲线powe（rMW）vs.time(s)40353025201510500100200300400500600数据来源：东北大学，中国电力科学研究院电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/12
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。图表10精炼炉的负荷曲线powe（rMW）vs.time(s)25201510500100200300400500600数据来源：东北大学，中国电力科学研究院电弧炉：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。图表11电弧炉炼钢生产负荷曲线（150T交流电弧炉）2009年6月2日4时41分44秒EAF馈线视在功率趋势S(MVA)18016014012010080604020005001000150020002500300035004000t(s)数据来源：中国宝武设计院，中国电力科学研究院电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/13
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运行，而非彻底停止生产。事实上，钢铁行业作为流程型生产工业，其生产过程存在严格的工序限制，设备启动与运行时间按照生产安排提前确定，一旦工作不可随意停电。但在某些情况下，较短时间内的负荷中断不会显著影响生产过程，因而成为潜在的需求侧灵活性来源。钢铁短流程生产中的电弧炉，便具备这类调节潜力。在短流程生产过程中，通过电弧炉熔化废钢是最为主要的耗电过程，占总用电量约40%，是所有生产负荷中最具调节潜力的设备。当企业需要进行需求响应时，可以立即中断电弧炉的运行，以此提供灵活性。然而，当中断时间超过30min时，之前所熔化的废金属会重新开始冷却，此时需尽快恢复生产，否则需要重新开始熔化废钢。废钢的熔化时间约45min，重新充填炉的还需15min，这会带来额外的时间和经济成本1。0因此，电弧炉所提供的可中断负荷灵活性，响应时间通常最多可持续半个小时。此外，多台电弧炉同时启停容易对电网产生较大冲击，且对邻近发电机寿命及安全性产生负面影响1。12.3.2可削减负荷调节可削减负荷调节是指在需求响应期间减少部分功率，以满足电网的削峰需求。在短流程生产过程中，电弧炉可以通过此方式来提供灵活性。由于电弧炉由变压器供电，通过调整变压器分接头的位置可快速灵活地改变电弧炉功率，11可调节的范围取决于电弧炉的耗电率和避免钢水冷却的最小功率。但总体而言，电弧炉的负荷需求是一个可控的过程，具备调节潜力1。2除了电弧炉之外，精炼炉、连铸机等生产设备能在不影响生产的条件下、在一定范围内进行功率调整1。3这些除电弧炉以外的设备调节对于长流程工艺同样适用。2.3.3可转移负荷调节可转移负荷调节是指通过转移生产时间来提供灵活性，这种负荷变化只进行用电的转移，而总耗能不变。基于分时电价的生产班序调整，或者日内将白天高峰时段用电负荷转移至夜间低谷时段以实现错峰，均是常见的提供需求侧灵活性的调节方式。例如，热轧工艺属于连续型冲击负荷，电耗大且可调度性强，根据分时电价或现货价格调整整个生产计划，可以帮助电网有效降低负荷高峰、填补负荷低谷1。4然而在当前各生产环节强耦合的背景下，进行负荷调整势必影响整个生产效率。由于生产各工序的复杂联系，优化建模仍存在一定困难，使得轧钢过程暂无法成为主要的负荷调节方式。2.3.4自备电厂或副产气发电除了通过直接的负荷调节方式提供需求侧灵活性之外，企业也可通过自备电厂或副产气发电来替代部分电网供电，来间接实现负荷调节5。一方面，许多钢铁企业通常会自备小型发电厂或者热电联产工厂提供电力；另一方面，对于长流程生产企业，炼铁炼钢过程中的副产煤气、余热余压也可用于发电，这将有助于提升企业总体的能源效率，同时减少对电网的供电需求，体现了负荷的灵活性调节能力。自备电厂的灵活性潜力取决于电厂副产气和余热余压的存储能力5。然而，现有大部分自备电厂为煤电厂，其参与负荷调节会额外产生碳排放，影响企业的节能减排效果。电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/14
2.4钢铁企业各生产环节灵活性来源及潜力钢铁生产环节中设备众多，具有较高的调控潜力，图表12展示了各环节主要设备的负荷占比、调控时间和灵活性潜力。结合各生产工艺及设备的负荷特性分析，钢铁行业可控负荷主要分为生产性负荷和辅助生产性负荷。生产性负荷调控时间和自身设备特性有关，其中电炉负荷占比最大，约为40%，由于生产负荷连续性，所以调控方式都为自控，这部分负荷中有25%可实现调节，占全部负荷的10%左右；负荷占比15%的轧钢生产也能通过负荷调节提供5%左右的负荷调节空间。辅助生产性负荷包含办公照明、分体及中央空调系统和生活用电，占比较小，调控方式为直控（柔性），准备和恢复时间可以达到秒级，响应时间为0.5-2h。综合典型用户生产数据分析，钢铁行业在生产条件允许的情况下，综合调控负荷约占到总生产负荷的14%~27%。图表12钢铁生产各环节负荷调控潜力汇总负荷主要设备负荷调控调控时间可调负荷占比方式类别占比准备响应恢复投个体合计时间时长运时间占比0.5h电炉40%开关0.5h0.5h25%~50%smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h精炼炉3%开关0.5h0.5h0.5h30%~50%主要生开关产负荷smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h制氧机2%10分0.5-1h10分1%~10%smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h轧钢生15%开关/档位每班次小时级每班次产线smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h5%~10%棒材生5%开关/档位每班次小时级每班次2%~10%14%~27%产线smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h线材生产线5%开关/档位每班次小时级每班次smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h2%~10%办公照明1%秒级0.5-2h秒级开关smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h0%~100%非生产分体及中开关/温度秒级0.5-2h秒级性负荷央空调系统1%smin1h2h4h8h0%~100%smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h生活用电1%秒级0.5-2h秒级开关smin1h2h4h8h0%~100%smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h数据来源：中国电力科学研究院，落基山研究所电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/15
三、全球钢铁需求侧灵活性实践在欧洲，钢铁行业的需求侧灵活性已被广泛研究，并被逐步纳入到欧洲低碳电力系统的规划建设中。作为欧盟最大的钢铁生产国，德国钢铁行业的需求响应能力达2.9GW，约占全国最大负荷的3.8%。因此，钢铁生产的电力需求侧灵活性潜力挖掘将极大促进其雄心勃勃的电力部门脱碳目标的实现。此外，荷兰的金属工业也整体具备约0.6GW的需求响应能力，约全国最大负荷的3.0%15。对于中国而言，钢铁企业的需求侧灵活性探讨仍在初步阶段，相关优化模型尚不成熟，仅有小部分企业有所实践应用。本节将分别从长流程副产气供电灵活性和短流程电弧炉调节灵活性两个主要方面给出中国及国外相关实践案例。3.1荷兰塔塔长流程钢铁厂需求响应实践欧洲西北部的可再生能源发电占比预计在未来将大幅增加，这进一步增加了电力供应的不确定性，从而提升了对电力需求侧灵活性的关注。作为主要的电力用户和需求侧灵活性潜力较大的工业企业，位于荷兰艾默伊登的塔塔钢铁厂被作为紧急型需求响应（EmergencyCapacityProgram）的主要实践目标，以探讨其作为电网调频备用资源的潜力。作为长流程生产工艺企业，塔塔钢铁厂可以通过停止电力密集型生产流程或调整副产气（WAG）发电量来实现为电网提供需求侧灵活性1。6在本案例中，WAG会出现在钢铁制造过程中的不同阶段，塔塔钢铁厂通过调整WAG发电量以减少（或增加）对电网的供电需求，来实现正向（或负向）的需求响应能力。而这种需求响应潜力也受到包括总生产电力需求、发电机组的爬坡速率以及WAG储气装置容量等约束限制。实验结果表明，在不影响生产进度的前提下，通过增加WAG发电以提供正向需求响应的持续时间最多不超过45min（3个程序时间单位PTU，每个PTU为15min），而响应持续时间也决定了需求响应水平和响应可靠性（图表13）1。6例如，在响应持续时间为1PTU时，塔塔钢铁厂可以提供20MW的正向响应能力，响应可靠性高达97%；而响应持续时间延长到2PTUs时，则仅能以65%的可靠性提供20MW的正向响应能力，或者以95%的可靠性提供10MW的正向响应能力；如果延长到3PTUs，20MW正向响应能力的可靠性仅为47%。图表13不同响应持续时间对应的需求响应水平和响应可靠性10080响应可靠性（%）6040200响应持续时间3PTUs2PTUs15MW正需求响应20MW正需求响应10MW正需求响应/16
数据来源：Tata钢铁1，6落基山研究所电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述3.2德国短流程钢厂灵活性潜力评估与仿真Serpe等人针对2019年德国输电网络，研究了不同电价水平下短流程电炉炼钢厂的需求侧灵活性对实现电网稳定的作用。从宏观层面来看，提高钢铁企业的需求侧灵活性，是为了应对可再生能源发电带来的系统灵活性需求，同时减少高成本和高排放的传统火电厂发电。研究所采用的输电网络由337条主要网络线路组成，包含小时级分辨率的传统和可再生能源发电数据。图表14显示了德国各地短流程钢厂的位置（以黑点表示），绿色和深蓝色同心圆分别表示每个钢厂的最大和最小可用灵活性1。7图表14德国电弧炉钢厂地理分布及其灵活性潜力钢厂最大可用灵活性钢厂最小可用灵活性资料来源：德国可持续系统工程研究院17，落基山研究所电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/17
3.3浙江万泰特钢公司参与电网供需互动浙江万泰特钢有限公司通过主动开展需求响应，实现对公司可调节负荷资源的用电负荷以及运行状态的实时监测，能准确测算出用户的实时需求响应能力，在浙江省电力需求侧实时管理系统平台和电力用户间建立了需求响应交互窗口，为企业参与电力实时需求响应提供了环境条件，对缓解电网运行压力、保障工业生产、优化能源配置具有十分重要的意义。具体需求响应流程如下：（1）需求响应终端持续监测工业用户可调负荷资源（车间/产线/设备）的运行状态及负荷数据，实时测算需求响应能力并上报浙江省电力需求侧实时管理系统平台；（2）在电网启动需求响应时，平台根据上报的需求响应能力，智能分配负荷调控指标，通过需求响应终端下发需求响应事件至用户DCS/PLC系统以及用户交互装置，并同时短信通知电力用户；（3）用户对需求响应事件进行决策，并通过交互界面反馈平台决策结果，若选择参与则通过DCS/PLC系统自动执行生产计划调整方案对设备进行负荷调控。图表15浙江省电力实时需求响应基本流程浙江省电力需求侧实时管理系统平台需求响应需求响应需求响应能力反馈事件下发确认需求响应信号反馈车间生产系统（DCS或其它）用户确认信息返回需求响应终端当前可调资源负荷反馈负荷采集生产状态采集电能计量及负荷监测装置需求用户负荷监测工业用户可调负荷资源（车间/产线/设备）响应确认信号信息传递反馈自动执行生产计划调整生产管理层资料来源：国网浙江省电力有限公司，中国电力科学研究院电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/18
在不影响生产进度及产品品质的情况下，炼钢工艺中生产负荷仅有电弧炉类负荷可通过短时间中断、转移的方式来响应系统需求，而其他负荷或与生产紧密相关，或功率规模太小，不具备需求侧响应的能力；轧钢工艺生产线通过软停机或待机的方式，降低自身负荷，完成负荷调控。生产辅助的设备负荷特性为连续性生产不可中断，不具备调节能力。浙江万泰特钢有限公司设备基本信息如图表16所示。图表16万泰特钢主要用电设备的基本信息工艺产线/设备名称总运行设备用途设备工艺环正常工作时段纳入可调环节车间（含数量）功率（kW）（属性）负荷特性节特性XX:XX-XX:XX节负荷资源池电炉电炉31000生产工艺可调节连续性生产00:00-24:00是炼钢电炉电炉34000生产工艺可调节连续性生产00:00-24:00是电弧炉电弧炉9550生产工艺可调节连续性生产00:00-24:00是轧钢轧钢高4200生产工艺延迟关停连续性生产00:00-24:00是高棒1棒产线1大轧棒钢1棒轧产钢线大14180生产工艺延迟关停连续性生产00:00-24:00是轧钢高轧棒钢2棒轧产钢线高24100生产工艺延迟关停连续性生产00:00-24:00是大轧棒钢2棒轧产钢线大23200生产工艺延迟关停连续性生产00:00-24:00是制氧机制氧机2440生产辅助不可中断连续性生产00:00-24:00否生产环保环保否辅助（除尘（除尘等）1300生产辅助不可中断连续性生产00:00-24:00等）冷系却统冷系却统2150生产辅助不可中断连续性生产00:00-24:00否资料来源：浙江万泰特钢有限公司，国网浙江省电力有限公司根据万泰特钢提供的可调节负荷资源日常生产调度信息，通过调整生产安排策略，在典型生产日参与需求响应的最大可调节容量为33303.9kW，其中炼钢环节的电炉和精炼炉可通过调频降速、降低负载贡献19218.9kW的可削减容量，轧钢环节可通过延迟关停、优化排产贡献14085kW的可转移容量，调节过程耗时最长为20分钟，响应可持续时长不小于60分钟（图表17）。电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/19
图表17可调节负荷资源的最大需求响应能力设备情况调节措施需求响应能力产线/设备名称额定功率运数/调节削减调节资源可调节/调节过响应可车间/类型负载率策略比例途径编号削减容量程耗时持续时长（kW）总数(kW)（分钟）（分钟）工电炉电炉450001/169%调频26%DCS17984.32060艺305降速系统环节电30炉6电炉450001/176%调降频速26%D系C统S28794.32060精3炼07炉电弧炉130001/173%调降频速26%D系C统S32440.32060高轧棒钢1轧产钢线高1棒55001/176%延关迟停90%D系C统S437622060轧钢轧钢大棒65001/164%延关迟停90%D系C统S537442060大棒1产线1轧钢轧钢轧钢高棒1/175%延关迟停90%D系C统S63712.5高棒2产线255002060轧钢轧钢大棒65001/149%延关迟停90%D系C统S72866.52060大棒2产线2最大可调节（削减）容量33303.9kW资料来源：浙江万泰特钢有限公司，国网浙江省电力有限公司3.4华东某短流程钢铁企业负荷管理实践目前，腾讯SSV碳中和实验室联合一家短流程钢铁生产企业，应用数字化技术赋能企业通过设备灵活调节、优化排产等策略释放需求侧灵活性，帮助企业参与电网调峰调频响应。如图表18所示，策略一是企业通过调节设备本身的负荷曲线实现负荷管理，例如通过一定程度上降低电炉的功率、但同时延长设备运作时间，以保证电炉总热量不变；策略二是通过优化排产方案调节工厂总体负荷曲线，但要加强各个设备以及生产组织之间的协同，保证全天总用电量和总产量不变。图表18短流程钢铁企业两种实现负荷调节的策略功率功率工作模式1需求响应工作模式2总功率策略一：（MW)策略二：（MW)功率通过调节通过优化（MW)设备自身排产方案负荷曲线，调节工厂总功率实现负荷总体负荷，管理工作模式1需求响应实现负荷管理设备2工作模式2设备2时间设备1设备3时间设备1设备3时间（min)（min)（min)电负荷<>时间电负荷<>生产协调资料来源：腾讯碳中和实验室电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/20
为实现最优控制，实践团队打造了钢厂工艺流程、电力交互、模型开发三大模块，协调生产、财务与采购、电气和数字化四大部门，从而实现将钢铁工业物理生产过程转化成数字化模型（图表19）。该方法的核心在于需要深度了解企业生产的物理约束，综合考虑企业电力需求特征和电力市场参与机遇，最大化生产效益，以根据模型结果指导排产和负荷调节。图表19腾讯碳中和实验室钢铁虚拟电厂项目框架图钢厂工艺流程排产逻辑钢种逻辑生产工艺设备操作逻辑产量限制设备操作各设备负荷成本特征曲线需求价格各设备时间侧管理各设备限制材料成本财务与采购电力成本燃料成本电气吨钢利润数字化短流程钢铁电力测量虚拟电厂电力控制电网计量要求电力交互钢厂内电力容量收入响应量收入模型开发需求响应交互MILP排产模型强化学习负荷模型收入成本模型资料来源：腾讯碳中和实验室根据短流程炼钢的工艺流程，该企业实现需求响应将以保证连铸工艺的连续性为主要约束、以调节电炉的生产节奏和负荷功率为主要灵活性手段。图表20上图表示通过排产优化实现节约用电成本，通过降低高电价时段的用电量、提高中电价和低电价时段用电量，当日生产19炉用电成本降低了11.7%，节约了3.1万元。图表20下图进一步展示了通过设备负荷管理，可在11-13点的时段提供负荷下调的灵活性，这将在排产优化的基础上进一步降低用电成本1.1万元，同时额外获得需求响应服务收益8.4万元。电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/21
图表20负荷管理实践结果高电价18%1%100%中电价34%43%7%43%低电价48%56%50%实际排产最小成本最小成本+DR排产优化峰谷电价用电量（%）连铸LF1LF2A0D2A0D1炉2炉1负荷（MW)03:0006:0009:0012:0015:0018:0021:00原始30响应时段负荷20模型10负荷000:0000:00时间资料来源：腾讯碳中和实验室注：右上图每种颜色分别代表一个生产批次，而同一种颜色的小色块分别代表该时间段下对应的生产环节（设备），把同一时刻所有色块对应的设备负荷累加起来，即得到右下图的负荷曲线（对应着模型负荷曲线）电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/22
四、钢铁需求侧灵活性挖掘的挑战与机遇尽管钢铁行业具备较大的需求侧灵活性潜力，其实际落地仍然面临着来自技术和经济成本等多方面的挑战。本节将重点讨论钢铁行业挖掘需求侧灵活性当前所面临的技术挑战，以及潜在的发挥需求侧灵活性价值的市场机遇。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由于钢铁生产的复杂性，其工艺过程往往涉及多个串联或并联的流程，使得整个生产过程的物料转换、设备运行与电力需求之间呈现耦合伴生、相互依存的复杂关系。因此，当进行设备负荷调节或者整体排产计划调整时，需要考虑设备之间的协同（各设备负荷和产生的自身变化和相互关系）、生产组织的协同（需要平衡设备运行和人力排产）以及电网的调度控制（电网按不同时间尺度通知/控制企业，企业判断成本效益）等多方面约束。具体而言，需要实时监测各核心生产设备的负荷曲线，同时考虑不同生产设备之间的耦合关系，发展可靠调节能力分析预测技术，从而实现负荷的动态、精准量化。这将更加有效地挖掘钢铁需求侧资源的可调潜力。其次，将企业的其他生产运营成本和潜在收益等关系和约束纳入负荷调节模型中，以最大化效益等目标展开协同优化。此外，还需要建立多时间尺度的参与电网互动技术，以确保需求侧灵活性能够得以实施。4.1.2钢铁生产过程解耦以发挥负荷调节潜力由于钢铁行业生产特征相关耦合约束，许多环节的需求侧灵活性潜力难以得到充分发挥1，4因此，除了从数字化和模型刻画层面进行技术攻克之外，也要考虑钢铁实际生产过程的解耦。这将极大减少生产过程的系统性约束，进而发挥各环节的需求侧灵活性潜能。例如，生产作业的时间约束和质量约束使得热轧过程的负荷调节极为复杂1。4如果未来热轧环节能与前序的电弧炉生产和连铸环节解耦，则会减少运作时间等约束，使得整个轧钢过程离散化，负荷调节过程更为独立。这种解耦也将进一步发挥以往难以实施的轧钢环节的负荷调节潜力。4.2市场层面技术的发展协助企业探索了需求侧灵活性的理论潜力，而有效的市场机制则会进一步提高企业自主挖掘灵活性的积极性。从全球现有实践来看，钢铁企业的需求侧灵活性可通过电能量现货市场、辅助服务、需求响应等机制参与到电力市场交易当中18-2。0例如，钢铁企业可以基于现货市场或分时电价的价格信号进行优化排产，以节约用能成本。在市场电价较高的时段，长流程企业可以提高自备电厂或副产气生产的电力，以减少电网购电需求甚至进行电力出售；短流程企业可在高电价时段降低生产节奏和负荷功率，同时在电价降低时提高生产负荷，从而减少电力运营成本2。1此外，钢铁企业的可中断负荷、可调节负荷等还能作为灵活性资源直接或者间接（以负荷聚合商或虚拟电厂等形式）参与辅助服务、需求响应等机制，来获得额外的收益2。2电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/23
五、结语钢铁行业作为我国国民经济的重要基础产业，其生产过程能耗高、碳排放多是实现国家“双碳”目标、促进绿色低碳转型的重点领域。随着钢铁产量的持续增长，钢铁行业面临节能减排的艰巨任务。为实现绿色低碳发展，在综合用能方面应加快推进制氢和氢冶炼、电炉钢生产、绿电消纳等低碳技术应用，构建清洁高效的用能体系，推动生产废物资源化，深化电力体制改革，建立健全碳管理和交易机制。与此同时，钢铁企业需灵活调节工业负荷，以解决高比例的可再生能源并网给电力系统运行带来的阻碍，抓住电网友好型工业负荷参与电网互动的机遇。随着我国《电力需求侧管理办法（2023年版）》和《电力负荷管理办法（2023年版）》的实施，以经济激励为驱动的需求响应机制有望实现常态化、市场化运行，需求响应主体可平等参与相应的电能量市场、辅助服务市场、容量市场等，按市场规则获取经济收益。此外，钢铁企业也面临着国际碳关税征收、国内由能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变的挑战，开展节能降碳与网荷互动耦合研究是未来的技术发展趋势。未来，伴随钢铁行业被纳入全国碳市场、电力系统碳排放核算的时间和空间精细度逐渐提高，有望进一步引导企业用户根据电力市场价格和动态碳排放因子信号进行低碳需求响应，充分展现工业需求侧灵活性在构建新型低碳电力系统中的重要地位。此外，应加强国际间合作和经验交流，建立国际合作机制共同应对气候变化和环境污染等全球性问题。钢铁行业低碳绿色发展是一个长期而复杂的过程，需政府、企业和社会各方的共同努力，通过技术创新、政策引导和合作交流实现工业发展和环境保护的良性循环，推进可持续发展的目标。电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/24
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