電力需求側靈活性系列：鋼鐵行業(yè)靈活性潛力概述2023.12電力需求側靈活性系列鋼鐵行業(yè)靈活性潛力概述 /感謝落基山研究所的李抒苡和薛雨軍在報告撰寫過程中給與的寶貴建議劉雨菁，yujingliu@版權與引用李德智等./insights/dsf-steel/本報告作者特別感謝以下來自企業(yè)和研究機構的專家對報告撰寫提供的洞見與建議。孫文強東北大學曾永生上海佰能工程技術有限公司林科鞍鋼股份有限公司王順江國網遼寧省電力有限公司童流川騰訊SSV碳中和實驗室孫沖國網河北省電力有限公司營銷服務中心孫鋼國網浙江省電力有限公司營銷服務中心張海靜國網山東省電力公司營銷服務中心（計量中心）特別感謝ClimateImperativeFoundation對本報告的支持。本報告所述內容不代表以上專家和所在機構，以及項目支持方的觀點。低碳政策促進鋼鐵行業(yè)綠色轉型升級鋼鐵柔性負荷助力新型電力系統(tǒng)靈活性提升鋼鐵生產工藝流程鋼鐵生產負荷特征負荷分類特征負荷曲線特征 鋼鐵需求側靈活性來源可中斷負荷調節(jié)可削減負荷調節(jié)可轉移負荷調節(jié)自備電廠或副產氣發(fā)電鋼鐵企業(yè)各生產環(huán)節(jié)靈活性來源及潛力荷蘭塔塔長流程鋼鐵廠需求響應實踐德國短流程鋼廠靈活性潛力評估與仿真浙江萬泰特鋼公司參與電網供需互動華東某短流程鋼鐵企業(yè)負荷管理時間技術層面生產過程的負荷建模、調節(jié)能力預測及協(xié)同優(yōu)化鋼鐵生產過程解耦以發(fā)揮負荷調節(jié)潛力市場層面來源低碳政策促進鋼鐵行業(yè)綠色轉型升級GDP占總GDP5%10.29.254.0%51.7%10%1815%定了下游產業(yè)是否能夠實現(xiàn)全生命周期脫碳。鐵行0.669tce/t下降到0.551tce/t且各生產工序能耗均有不同程度的下降7.5%3010%～15%550500千瓦時，噸0.61/3202057.6%29.4%70%56%（圖表12021年1220252%20222022年62025203015%20%能效的相關政（圖表2。圖表1 近年鋼鐵行業(yè)低碳相關政策時間 發(fā)布單位政策名稱鋼鐵相關內容2021.10發(fā)改委等十部門鋼鐵行業(yè)完成5.3億噸鋼鐵產能超低排放改造、4.6億噸焦化產能清潔生產改造2021.10國務院《2030年前碳達峰行動方案》結構優(yōu)化和清潔能源替代，大力推進非高爐煉鐵技術示2021.11工信部到20252021.12工信部、科學技術部、自然資源部20252%2022.01國務院2025點行業(yè)產能和數(shù)據(jù)中心達到能效標桿水平的比例超過30%2022.01發(fā)改委、國家能源局嚴格控制鋼鐵、化工、水泥等主要用煤行業(yè)煤炭消費2022.01工信部、發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部《關于促進鋼鐵工業(yè)高質量發(fā)展的指導意見》力爭到202580%以2%2030年前碳達峰2022.02發(fā)改委、工信部、生態(tài)環(huán)境部、國家能源局（2022》到2025能比例達到302022.06生態(tài)環(huán)境部等七部門《減污降碳協(xié)同增效實施方案》2025年和203020%以上2022.06工信部等六部門《工業(yè)能效提升行動計劃》20252020年下降13.5%2022.07工信部、發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部《工業(yè)領域碳達峰實施方案》系統(tǒng)性清潔生產改造資料來源：各部委官網，落基山研究所整理圖表2 部分省份推動鋼鐵行業(yè)向短流程發(fā)展相關政策目標省份文件名具體內容吉林省《吉林省碳達峰實施方案》2025年和2030年，全省短流程煉鋼占比分別提升至15%、20%以上四川省》目標到2025年電爐短流程煉鋼產量占比達到40超低排放改造率達到100%上海市《上海市碳達峰實施方案》加快發(fā)展以廢鋼為原料的電爐短流程工藝，到2025年，廢鋼比力爭達到15%以上，到2030年，廢鋼比提升至30%福建省《福建省鋼鐵工業(yè)高質量發(fā)展實施意見》力爭到2025年，產業(yè)結構不斷優(yōu)化。持續(xù)推進工藝結構優(yōu)化調整，電爐鋼產量占全省鋼產量比重達20%以上浙江省《浙江省推動鋼鐵行業(yè)高質量發(fā)展的行動方案》力爭到2025年，產業(yè)結構不斷優(yōu)化。電爐鋼產量占粗鋼總產量比例的40%以上山東省力爭“十四五”時期，短流程煉鋼占比達到20%左右，廢鋼在鋼鐵原料中占比達到30％左右遼寧省鼓勵將高爐—轉爐長流程煉鋼轉型發(fā)展為電爐短流程煉鋼江西省《江西省碳達峰實施方案》湖南省《湖南省碳達峰實施方案》大力發(fā)展短流程電爐煉鋼和廢鋼煉鋼，加快建立廢鋼資源循環(huán)利用體系廣西省鼓勵將高爐—轉爐長流程煉鋼轉型為電爐短流程煉鋼資料來源：各省政府官網，落基山研究所整理20252020730近8.320304.020505.0電爐鋼產量占比從2020年的10%左右提高到2050年的60%（圖表3。圖表3 可供鋼鐵行業(yè)的廢鋼供給量電爐鋼產量和占比變化6 70%60%550%4億噸40%億噸330%220%110%02020

2030電爐鋼產量 廢鋼資源

電爐鋼占比

0%2050數(shù)據(jù)來源：落基山研究所鋼鐵柔性負荷助力新型電力系統(tǒng)靈活性提升圖表4 2021年不同工業(yè)用電量占比5%5%13%45%13%11%3%3%7%采礦業(yè)非金屬礦物

有色金屬冶煉紡織業(yè)

黑色金屬冶煉 化工石化 其他數(shù)據(jù)來源：中國能源統(tǒng)計年鑒，落基山研究所365.52003年來的新低而工業(yè)企業(yè)生產運作與綜合用能過程的聯(lián)合優(yōu)化技術的發(fā)展，可幫助鋼鐵企業(yè)參考分時電價或現(xiàn)貨市場（2023年版（2023年版。2022孿生和信息物理系統(tǒng)為核心的鋼鐵數(shù)字化制造新模式；首鋼基于專網5G能新時代應市場的潛在效益也為之提供了技術和市場基礎。二、鋼鐵生產工藝特征及負荷調節(jié)潛力鋼鐵生產工藝流程圖表5 鋼鐵長流程和短流程生產流程示意圖煉焦煤 焦爐長流 程 石灰

石灰窯

高爐 轉爐鐵礦石鐵礦石直接還原

天然氣/豎爐

電弧爐

精煉爐

連鑄機 軋鋼（熱軋、冷軋）短流程 廢鋼資料來源：落基山研究所鋼鐵生產負荷特征負荷分類特征65%以上；輔助生產負荷是指各然6圖表6 鋼鐵行業(yè)分功能負荷類型及其占比負荷類型負荷占比主要設備生產性負荷主要生產負荷65%-75%和線材生產線輔助生產負荷5%-10%安全保障負荷10%-15%用電設備非生產性負荷2%-5%辦公用電、生活用電等資料來源：國網電力科學研究院荷類型如圖表7所示圖表7 分特征的負荷類型及其對應環(huán)節(jié)類型主要生產工藝負荷性質持續(xù)型沖擊負荷熱軋軋機負荷為持續(xù)型沖擊負荷，輔助負荷為穩(wěn)定負荷厚板中板間歇型沖擊負荷精煉爐間歇型沖擊負荷時間根據(jù)生產計劃隨時變化平穩(wěn)型負荷燒結非檢修時負荷穩(wěn)定煉鐵煉鋼資料來源：鞍鋼股份負荷曲線特征24h8圖表8 某鋼鐵企業(yè)典型負荷曲歸一化處理）prMvstime(s)10500 1000

2000 2500 3000 3500數(shù)據(jù)來源：東北大學，中國電力科學研究院分環(huán)節(jié)來看，不同生產工藝對應的負荷波動情況有所差異。軋鋼生產線：軋鋼負荷占總負荷比例大約如圖表9/曲線的提前整形。圖表9 軋鋼生產線負荷特性曲線prMvstime(s)4035302520500 100 200 300 400 500 600數(shù)據(jù)來源：東北大學，中國電力科學研究院10（錳等圖表10 精煉爐的負荷曲線prMvstime(s)25201510500

200 300 400 500 600數(shù)據(jù)來源：東北大學，中國電力科學研究院電弧爐：電弧爐負荷占整體負荷比例大約溫作令。圖表11 電弧爐煉鋼生產負荷曲（150T交流電?。?009年6月2日4時41分44秒EAF饋線視在功率趨勢140S(MVA)S(MVA)8060402000 5001000150020002500300035004000t(s)數(shù)據(jù)來源：中國寶武設計院，中國電力科學研究院鋼鐵需求側靈活性來源可中斷負荷調節(jié)30min間約及安全性產生負面影響可削減負荷調節(jié)過可具備調節(jié)潛力調整這些除電弧爐以外的設備調節(jié)對于長流程工藝同樣適用?？赊D移負荷調節(jié)負荷調節(jié)方式。自備電廠或副產氣發(fā)電來間接實現(xiàn)負荷調節(jié)鋼鐵企業(yè)各生產環(huán)節(jié)靈活性來源及潛力1225%10%15%供5%（柔性0.5-2h14%~27%。圖表12 鋼鐵生產各環(huán)節(jié)負荷調控潛力匯總負荷類別主要設備負荷占比調控方式調控時間可調負荷占比準備時間響應時長恢復投運時間個體占比主要生產負荷電爐40%開關0.5h0.5h0.5h25%~50%14%~27%smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h精煉爐3%開關0.5h0.5h0.5h30%~50%smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h制氧機2%開關10分0.5-1h10分1%~10%smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h軋鋼生產線15%開關/檔位每班次smin1h2h4h8h小時級每班次smin1h2h4h8h5%~10%smin1h2h4h8h棒材生產線5%開關/檔位每班次smin1h2h4h8h小時級每班次smin1h2h4h8h2%~10%smin1h2h4h8h線材生產線5%開關/檔位每班次smin1h2h4h8h小時級每班次smin1h2h4h8h2%~10%smin1h2h4h8h非生產性負荷辦公照明1%開關秒級0.5-2h秒級0%~100%smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h分體及中央空調系統(tǒng)1%開關/溫度秒級0.5-2h秒級0%~100%smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h生活用電1%開關秒級0.5-2h秒級0%~100%smin1h2h4h8hsmin1h2h4h8hsmin1h2h4h8h數(shù)據(jù)來源：中國電力科學研究院，落基山研究所三、全球鋼鐵需求側靈活性實踐3.8%0.6GW求3.0尚主要方面給出中國及國外相關實踐案例。荷蘭塔塔長流程鋼鐵廠需求響應實踐廠被（EmergencyCapacityProgram力。（WAG發(fā)電量來實現(xiàn)為電網提供需求側靈活性在本案例中，WAG會出現(xiàn)在鋼鐵制造過程中的不同階段，塔塔鋼鐵廠通過調整WAG發(fā)電量以減（或增加（或負向WAG增加WAG發(fā)電以提供正向需求響應的持續(xù)時間最多不超過45mi（3個程序時間單位PTUPTU為15min，而響（1PTU20MW97%；2PTUs65%提供20MW95%的可靠性提供10MW的正向響應能力；如果延長到3PTUs20MW正向響應47%。圖表13 不同響應持續(xù)時間對應的需求響應水平和響應可靠性10060402002PTUs10MW正需求響應

響應持續(xù)時間15MW

3PTUs

20MW正需求響應數(shù)據(jù)來源：Tata鋼鐵落基山研究所德國短流程鋼廠靈活性潛力評估與仿真Serpe201933714（以黑點表示示每個鋼廠的最大和最小可用靈活性圖表14 德國電弧爐鋼廠地理分布及其靈活性潛力資料來源：德國可持續(xù)系統(tǒng)工程研究院落基山研究所

鋼廠最大鋼廠最小浙江萬泰特鋼公司參與電網供需互動浙江萬泰特鋼有限公司通過主動開展需求響應，實現(xiàn)對公司可調節(jié)負荷資源的用電負荷以及運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，（1（車間/產線/設備（2DCS/PLC互（3參與則通過DCS/PLC圖表15 浙江省電力實時需求響應基本流程浙江省電力需求側實時管理系統(tǒng)平臺浙江省電力需求側實時管理系統(tǒng)平臺需求響應確認需求響應事件下發(fā)需求響應能力反饋需求響應終端車間生產系統(tǒng)（DCS或其它）用戶確認信息返回當前可調資源負荷反饋需求 用戶生產狀態(tài)采集自動執(zhí)行生產計劃調整響應 確認信號 信息需求響應終端車間生產系統(tǒng)（DCS或其它）用戶確認信息返回當前可調資源負荷反饋需求 用戶生產狀態(tài)采集自動執(zhí)行生產計劃調整響應 確認信號 信息傳遞 反饋生產管理層 資料來源：國網浙江省電力有限公司，中國電力科學研究院

負荷采集工業(yè)用戶可調負荷資源（車間/產線/設備）電能計量及負荷監(jiān)測裝置負荷監(jiān)測工業(yè)用戶可調負荷資源（車間/產線/設備）電能計量及負荷監(jiān)測裝置16圖表16 萬泰特鋼主要用電設備的基本信息工藝環(huán)節(jié)產線/車間設備名稱總運行設備用途設備負荷特性工藝環(huán)節(jié)特性正常工作時段XX:XX-XX:XX納入可調節(jié)負荷資源池煉鋼電爐電爐31000生產工藝可調節(jié)連續(xù)性生產00:00-24:00是電爐電爐34000生產工藝可調節(jié)連續(xù)性生產00:00-24:00是電弧爐電弧爐9550生產工藝可調節(jié)連續(xù)性生產00:00-24:00是軋鋼軋鋼高棒1軋鋼高棒產線14200生產工藝延遲關停連續(xù)性生產00:00-24:00是軋鋼大棒1軋鋼大棒產線14180生產工藝延遲關停連續(xù)性生產00:00-24:00是軋鋼高棒2軋鋼高棒產線24100生產工藝延遲關停連續(xù)性生產00:00-24:00是軋鋼大棒2軋鋼大棒產線23200生產工藝延遲關停連續(xù)性生產00:00-24:00是生產輔助制氧機制氧機2440生產輔助不可中斷連續(xù)性生產00:00-24:00否環(huán)保環(huán)保（除塵等）1300生產輔助不可中斷連續(xù)性生產00:00-24:00否冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)2150生產輔助不可中斷連續(xù)性生產00:00-24:00否資料來源：浙江萬泰特鋼有限公司，國網浙江省電力有限公司19218.9kW14085kW20時長不小于60（圖表17。圖表17 可調節(jié)負荷資源的最大需求響應能力設備情況調節(jié)措施需求響應能力工藝環(huán)節(jié)產線/車間設備名稱/類型額定功率運數(shù)/總數(shù)負載率調節(jié)策略削減比例調節(jié)途徑資源編號可調節(jié)/削減容量(kW)調節(jié)過程耗時響應可電爐305電爐450001/169%調頻降速26%DCS系統(tǒng)17984.32060電爐306電爐450001/176%調頻降速26%DCS系統(tǒng)28794.32060精煉爐307電弧爐130001/173%調頻降速26%DCS系統(tǒng)32440.32060軋鋼軋鋼高棒1軋鋼高棒產線155001/176%延遲關停90%DCS系統(tǒng)437622060軋鋼大棒1軋鋼大棒產線165001/164%延遲關停90%DCS系統(tǒng)537442060軋鋼高棒2軋鋼高棒產線255001/175%延遲關停90%DCS系統(tǒng)63712.52060軋鋼大棒2軋鋼大棒產線265001/149%延遲關停90%DCS系統(tǒng)72866.52060容量33303.9kW資料來源：浙江萬泰特鋼有限公司，國網浙江省電力有限公司華東某短流程鋼鐵企業(yè)負荷管理實踐SSV18量和總產量不變。圖表18 短流程鋼鐵企業(yè)兩種實現(xiàn)負荷調節(jié)的策略需求響應需求響應功率通過調節(jié)設備自身

工作模式1

需求響應

策略二：通過優(yōu)化排產方案調節(jié)工廠

功率 功率工作模式1（MW總功率工作模式1（MW總功率時間（min)工作模式2總功率實現(xiàn)負荷管理

工作模式2電負荷<>時間

時間

實現(xiàn)負荷管理

時間（min)資料來源：騰訊碳中和實驗室化（圖表19生荷調節(jié)。成本設備操作邏輯排產邏輯圖表19 成本設備操作邏輯排產邏輯需求響應交互需求響應交互電力交互鋼廠內電力收入成本模型負荷模型排產模型模型開發(fā)收入成本模型負荷模型排產模型模型開發(fā)短流程鋼鐵虛擬電廠鋼廠工藝流程強化學習

生產工藝設備操作噸鋼利潤價格產量限制鋼種邏輯電力控制電力測量各設備負荷特征曲線各設備時間噸鋼利潤價格產量限制鋼種邏輯電力控制電力測量各設備負荷特征曲線各設備時間各設備限制材料成本電力成本燃料成本電網計量要求容量收入響應量收入電網計量要求容量收入響應量收入數(shù)字化資料來源：騰訊碳中和實驗室20193.12011-13本1.1萬元，同時額外獲得需求響應服務收益8.4萬元。圖表20 負荷管理實踐結果48%50%48%50%56%34%43%7%43%18%1%高電價中電價低電價實際排產 最小成本排產優(yōu)化峰谷電價用電

最小成本+DR連鑄LF1LF2A0D2A0D1爐2爐130200

00:00 03:00 06:00

12:00 15:00 18:00 21:00 00:00時間 負荷 模型負荷資料來源：騰訊碳中和實驗室（設備（對應著模型負荷曲線）技術層面（各設備負荷和產生的自身變化和相互關系（需要平衡設備運行和人力排產（電網按不同時間尺度通知/鋼鐵生產過程解耦以發(fā)揮負荷調節(jié)潛力市場層面（以負荷聚合商或虛擬電廠等形式參與輔（2023年版（2023年版5/NewsList/info.aspx?itemid=69050(2021)./fortune/2021-07/29/c_1127710403.htm.Chen,S.etal.PlanningandSchedulingforIndustrialDemand-SideManagement:StateoftheArt,OpportunitiesandChallengesunderIntegrationofEnergyInternetandIndustrialInternet.Sustainability13,7753(2021).Boldrini,A.,Koolen,D.,Crijns-Graus,W.,vandenBroek,M.&Worrell,E.TheDemandResponsePotentialinaDecarbonisingIronandSteelIndustry:AReviewofFlexibleSteelmaking.SSRNScholarlyPaperat/10.2139/ssrn.4472250(2023)./easyquery.htm?cn=C01.2022(2023).43,72?78(2023).2020(12).Shoreh,M.H.,Siano,P.,Sha?e-khah,M.,Loia,V.&Catal?o,J.P.S.AsurveyofindustrialapplicationsofDemandResponse.ElectricPowerSystemsResearch141,31?49(2016).電力自動化設備1?14doi:10.16081/j.epae.202301021.Gerami,N.,Ghasemi,A.,Lot?,A.,Kaigutha,L.G.&Marzband,M.Energyconsumptionmodelingofproductionprocessforindustrialfactoriesinadayaheadschedulingwithdemandresponse.SustainableEnergy,GridsandNetworks25,100420(2021).Zhang,X.,Hug,G.&Harjunkoski,I.Cost-E?ectiveSchedulingofSteelPlantsWithFlexibleEAFs.IEEETrans.SmartGrid8,239?249(2017).Gong,F.etal.IntegratedschedulingofhotrollingproductionplanningandpowerdemandresponseconsideringorderconstraintsandTOUprice.IETGenerationTrans&Dist16,2840?2851(2022).Tennet.UnlockingIndustrialDemandSideResponse.(2021).Feta,A.,vandenBroek,M.,Crijns-Graus,W.&J?gers,G.TechnicaldemandresponsepotentialsoftheintegratedsteelmakingsiteofTataSteelinIJmuiden.EnergyE?ciency11,1211?1225(2018).Serpe,L.,Fürmann,T.,Qussous,R.&Weidlich,A.Demand-side?exibilityoftheGermansteelindustry:Acasestudy.in202319thInternationalConferenceontheEuropeanEnergyMarket(EEM)1?6(IEEE,2023).doi:10.1109/EEM58374.2023.10161699.Gholian,A.,Mohsenian-Rad,H.&Hua,Y.OptimalIndustrialLoadControl