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1、2023.12电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/3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:/ 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

2、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。电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/41.1 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

3、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电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/5 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 GD

4、P 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

5、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

6、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

7、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）。12图表1 近年钢铁行业低碳相关政策电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概

8、述/6 资料来源：各部委官网，落基山研究所整理发布单位政策名称 时间发改委等十部门2021.10钢铁相关内容响应时长“十四五”全国清洁生产推行方案钢铁行业完成5.3亿吨钢铁产能超低排放改造、4.6亿吨焦化产能清洁生产改造国务院2021.102030年前碳达峰行动方案深化钢铁行业供给侧结构性改革，严格执行产能置换，严禁新增产能，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工信部2021.11“十四五”工业绿色发展规划到 2025 年，钢铁等重点行业碳排放总量控制取得阶段性成果。制定工业领域和钢铁等重点行业

9、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、科学技术部、自然资源部2021.12“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%国务院2022.01“十四五”节能减排综合工作方案以钢铁、有色金属等行业为重点，推进节能改造和污染物深度治理。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%工信部、发改委、生态环境部2022.01关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见力争到2025年，钢铁工业基本形成布局结构合理、

10、资源供应稳定、技术装备先进、质量品牌突出、智能化水平高、全球竞争力强、绿色低碳可持续的高质量发展格局。80%以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年前碳达峰发改委、工信部、生态环境部、国家能源局2022.02高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）到2025年，钢铁行业炼铁、炼钢工序能效标杆水平以上产能比例达到30%，能效基准水平以下产能基本清零，行业节能降碳效果显著，绿色低碳发展能力大幅提高生态环境部等七部门2022.06减污降碳协同增效实施方案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

11、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%以上工信部等六部门2022.06工业能效提升行动计划到 2025 年，钢铁、石化化工等行业重点产品能效达到国际先进水平，规模以上工业单位增加值能耗比2020年下降 13.5%工信部、发改委、生态环境部2022.07工业领域碳达峰实施方案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发改委、国家能源局2022.01“十四五”现代能源体系规划严格控制钢铁、化工、水泥等主要用煤行业煤炭消费图表2 部分省份推动钢铁行业向短流程发展相关政策目标电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/7 资

12、料来源：各省政府官网，落基山研究所整理文件名具体内容 省份吉林省碳达峰实施方案吉林省2025年和2030年，全省短流程炼钢占比分别提升至15%、20%以上四川省目标到2025年电炉短流程炼钢产量占比达到40%，超低排放改造率达到100%上海市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%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%以上福建省关于开展电炉短流程炼钢高质量发展引领工程的实施方案（征求意见稿）上海市碳达峰实施方案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

13、不断优化。电炉钢产量占粗钢总产量比例的40%以上浙江省浙江省推动钢铁行业高质量发展的行动方案力争“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左右山东省山东省钢铁产业“十四五”发展规划鼓励将高炉转炉长流程炼钢转型发展为电炉短流程炼钢辽宁省辽宁省“十四五”节能减排综合工作方案的通知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江西省江西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湖南省湖南省碳达峰实施方案鼓励将高炉转炉长流程炼钢转型为电炉短流程炼钢广西省广西“十四五”节能减排综合实施方案

14、的通知图表3 可供钢铁行业的废钢供给量、电炉钢产量和占比变化1.2 钢铁柔性负荷助力新型电力系统灵活性提升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

15、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）。电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/8 数据来源：落基山研究所202020302050654321070%60%50%40%30%20%10%0%亿吨电炉钢产量废钢资源量电炉钢占比32415图表4 2021年不同工业用电量占比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，

16、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

17、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

18、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。电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/9 数据来源：中国能源统计年鉴，落基山研究所采矿业有色金属冶炼黑色金属冶炼石化其他化工非金属矿物纺织业3%45%5%13%13%11%7%3%3%67二

19、、钢铁生产工艺特征及负荷调节潜力2.1 钢铁生产工艺流程电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/10 图表5 钢铁长流程和短流程生产流程示意图资料来源：落基山研究所长流程短流程铁矿石电弧炉精炼炉（可选）废钢连铸机轧钢（热轧、冷轧）竖炉铁矿石石灰窑高炉转炉天然气/氢气烧结厂球团厂石灰石铁矿石直接还原烧结从负荷功能来看，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

20、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。2.2 钢铁生产负荷特征2.2.1 负荷分类特征电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活

21、性潜力概述/11 负荷占比主要设备 负荷类型响应时长生产性负荷非生产性负荷主要生产负荷65%-75%5%-10%10%-15%2%-5%辅助生产负荷安全保障负荷电炉、精炼炉、制氧机、高炉、转炉、烧结机、轧钢、棒材和线材生产线各分厂水泵、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办公用电、生活用电等主要生产工艺负荷性质 类型持续型冲击负荷间歇型冲击负荷平稳型负荷热轧厚板中板烧结炼铁炼钢精炼炉轧机负荷为持续型冲击负荷，辅助负荷为稳定负荷间歇型冲击负荷时间根据生产计划随时变化非检修时负荷稳定图表6 钢铁行业分功能负荷类型及其

22、占比图表7 分特征的负荷类型及其对应环节资料来源：鞍钢股份，中国电力科学研究院，落基山研究所资料来源：国网电力科学研究院，中国电力科学研究院，落基山研究所989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

23、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。2.2.2 负荷曲线特征电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/12 图表8 某钢铁企业典型负荷曲线（归一化处理后）图表9 轧钢生产线负荷特性曲线 数据来源：东北大学，中国

24、电力科学研究院数据来源：东北大学，中国电力科学研究院1050010001500power（MW）vs.time(s)200025003000350040353025201510500100200300400500600power（MW）vs.time(s)电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/13 图表10 精炼炉的负荷曲线数据来源：东北大学，中国电力科学研究院精炼炉：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。

25、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

26、、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）数据来源：中国宝武设计院，中国电力科学研究院S(MVA)2009年6月2日4时41分44秒 EAF馈线视在功率趋势2520151050180160140120100806040200010005001000 1500 2000t(s)2500 3000 3500 4000200300400500600power（MW）vs.time(s)钢铁行业需求侧灵活性主要来源于两大类，即生产过程中

27、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 钢铁需求侧灵活性来源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，

28、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。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。2.3.1 可中断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

29、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，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。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。这些除电弧炉以外的设备调节对于长流程工艺同样适用。2.3.2 可削减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

30、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。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。2.3.3 可转移负荷调节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。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

31、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。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。2.3.4 自备电厂或副产气发电电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/14 10111112131455电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/15 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

32、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%。2.4 钢铁企业各生产环节灵活性来源及潜力数据来源：中国电力科学研究院，落基山研究所图表12 钢

33、铁生产各环节负荷调控潜力汇总负荷类别负荷占比调控方式准备时间合计响应时长恢复投运时间个体占比主要设备调控时间可调负荷占比40%25%50%14%27%30%50%1%10%5%10%2%10%2%10%0%100%0%100%0%100%开关开关开关/温度开关/档位开关/档位开关/档位开关开关开关3%2%5%5%1%1%1%15%电炉制氧机棒材生产线办公照明生活用电分体及中央空调系统线材生产线轧钢生产线精炼炉主要生产负荷非生产性负荷30分s min 1h 2h 4h 8h0.5hs min 1h 2h 4h 8h30分s min 1h 2h 4h 8h30分s min 1h 2h 4h 8h每

34、班次s min 1h 2h 4h 8h秒级s min 1h 2h 4h 8h秒级s min 1h 2h 4h 8h秒级s min 1h 2h 4h 8h秒级s min 1h 2h 4h 8h秒级s min 1h 2h 4h 8h秒级s min 1h 2h 4h 8hs0.5hmin 1h 2h 4h 8hs30分min 1h 2h 4h 8hs10分min 1h 2h 4h 8hs10分min 1h 2h 4h 8h0.5-1hs min 1h 2h 4h 8h0.5-2hs min 1h 2h 4h 8h0.5-2hs min 1h 2h 4h 8h0.5-2hs min 1h 2h 4h

35、8h小时级s min 1h 2h 4h 8h小时级s min 1h 2h 4h 8h小时级s min 1h 2h 4h 8h每班次s min 1h 2h 4h 8h每班次s min 1h 2h 4h 8h每班次s min 1h 2h 4h 8h每班次s min 1h 2h 4h 8h每班次s min 1h 2h 4h 8h电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/16 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

36、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%。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。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（Emergency Capacity

37、 Program）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。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 P

38、TU 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）。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%。三、全球钢铁需求侧灵活性实践3.1 荷兰塔塔长流程钢铁厂需求响应实践数据来源：Tata 钢铁，落基山研究所图表13 不同响应持续时间对应的需求响应水平和响应可靠性1008060402002P

39、TUs10MW 正需求响应响应可靠性（%）响应持续时间3PTUs15MW 正需求响应20MW 正需求响应15161616电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/17 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

40、示每个钢厂的最大和最小可用灵活性。3.2 德国短流程钢厂灵活性潜力评估与仿真资料来源：德国可持续系统工程研究院 ，落基山研究所图表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1717电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/18 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

41、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。3.3 浙江万泰特钢公司参与电网供需互动资料来源：国网浙江省电力有限公司，中国电力科学研究院图表15 浙江省电力实时需求

42、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终端车间生产系统（DCS或其它）生产管理层需求响应信号反馈负荷采集负荷监测需求响应能力反馈需求响应信号传递用户确认信息反馈需求响应事件下发需求响应确认用户确认信息返回当前可调资源负荷反馈生产状态采集自动执行生产计划调整电能计量及负荷监测装置工业用户可调负荷资源（车间/产线/设备）电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/19 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

43、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。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）。炼钢轧钢生产辅助电炉电炉 电

44、弧炉电炉31000生产工艺生产工艺生产工艺生产工艺生产工艺生产工艺生产工艺生产辅助生产辅助生产辅助不可中断不可中断不可中断延迟关停延迟关停延迟关停延迟关停可调节可调节可调节连续性生产00:00-24:00是是是是是是是否否否00:00-24:0000:00-24:0000:00-24:0000:00-24:0000:00-24:0000:00-24:0000:00-24:0000:00-24:0000:00-24:00连续性生产连续性生产连续性生产连续性生产连续性生产连续性生产连续性生产连续性生产连续性生产3400095504200418041003200244013002150电炉 电弧炉轧

45、钢高棒 1轧钢高棒产线 1轧钢大棒产线 1轧钢高棒产线 2轧钢大棒产线 2轧钢大棒 1轧钢高棒 2轧钢大棒 2制氧机环保（除尘等）冷却系统制氧机环保（除尘等）冷却系统产线/车间设备名称（含数量）总运行功率（kW）设备用途（属性）设备 负荷特性工艺环节特性正常工作时段XX:XX-XX:XX纳入可调节负荷资源池工艺环节图表16 万泰特钢主要用电设备的基本信息图表18 短流程钢铁企业两种实现负荷调节的策略响应可持续时长（分钟）电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/20 资料来源：腾讯碳中和实验室目前，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

46、、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。3.4 华东某短流程钢铁企业负荷管理实践工艺环节轧钢设备名称/类型额定功率（kW）运数/总数负载率调节策略削减比例调节途径资源编号可调节/削减容量(kW)调节过程耗时（分钟）调频降速DCS 系统7984.38794.32440.3376237443712.52866.

47、5DCS 系统DCS 系统DCS 系统DCS 系统DCS 系统DCS 系统26%26%26%90%90%90%90%调频降速调频降速延迟关停延迟关停延迟关停延迟关停产线/车间电炉 305电炉 306精炼炉 307轧钢高棒 1轧钢高棒产线 1轧钢大棒产线 1轧钢高棒产线 2轧钢大棒产线 2最大可调节（削减）容量33303.9kW450001/169%76%73%76%64%75%49%1/11/11/11/11/11/14500013000550065005500650012354672060606060606060202020202020电炉电炉电弧炉轧钢大棒 1轧钢高棒 2轧钢大棒 2设备情

48、况调节措施需求响应能力图表17 可调节负荷资源的最大需求响应能力资料来源：浙江万泰特钢有限公司，国网浙江省电力有限公司策略一：通过调节设备自身负荷曲线，实现负荷管理策略二：通过优化排产方案调节工厂总体负荷，实现负荷管理需求响应需求响应电负荷 时间电负荷 生产协调功率（MW)功率（MW)工作模式1工作模式1总功率总功率设备2设备1设备3设备1设备3设备2工作模式2工作模式2功率（MW)时间（min)时间（min)时间（min)电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/21 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

49、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。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

50、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。图表19 腾讯碳中和实验室钢铁虚拟电厂项目框架图资料来源：腾讯碳中和实验室短流程钢铁虚拟电厂钢厂工艺流程排产逻辑生产工艺设备操作财务与采购电气数字化产量限制各设备时间各设备限制材料成本电力成本燃料成本吨钢利润电网计量要求容量收入响应量收入强化学习MILP各设备负荷特征曲线设备操作逻辑成本价格钢厂内电力需求响应交互排产模型负荷模型收入成本模型电力交互模型开发需求侧管理钢种逻辑电力测量电力控制电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/22 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

51、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）图表20 负荷管理实践结果18%高电价100%中电价低电价连铸LF1LF2A0D2A0D1炉2炉1负荷（MW)3020100实际排产最小成本排产优化峰谷电价用电量（%）最小成本+DR1%7%34%48%43%43%56%50%00:0003:0006:0009:00响应时段时间原始负荷12:0015:0018:0021:0000:00模型负荷电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/23 尽管钢铁行业具备较大的需求侧灵活性潜力，其实际落

52、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。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 。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，

53、同时在电价降低时提高生产负荷，从而减少电力运营成本。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。四、钢铁需求侧灵活性挖掘的挑战与机遇4.1 技术层面4.2 市场层面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，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

54、负荷调节极为复杂。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。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

55、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141418-202122电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/24 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。

56、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

57、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

58、良性循环，推进可持续发展的目标。五、结语 宫飞翔,孙文强,李德智,等.综合用能视角的钢铁行业低碳绿色发展技术展望.可持续发展经济导刊,(2023).http:/182.92.83.95/NewsList/info.aspx?itemid=69050 陈济，李抒苡，李相宜，李也.碳中和目标下的中国钢铁零碳之路.落基山研究所,(2021).新华网.http:/ al.Planning and Scheduling for Industrial Demand-Side Management:State of the Art,Opportunities and Challenges under Int

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67、ntial of a hydrogen-based iron and steel plant.in 2022 18th International Conference on the European Energy Market(EEM)16(IEEE,2022).doi:10.1109/EEM54602.2022.9921013.12345678910111213141516171819202122电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/25 RMI Innovation Center22830 Two Rivers Roadwww.rmi.org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，2023http:/ CC BY SA 4.0 许可参考、分享和引用我们的工作。https:/creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/Basalt,CO 8162112