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阿里A.拉巴，哈桑·Nimer，卡迈勒R. Doud，Quosay艾哈迈德A.那 “苏丹能源供应、转型和需求建模"，杂志能源那 卷。2016那 文章的ID5082678那 14 页面那 2016． https://doi.org/10.1155/2016/5082678
苏丹能源供应、转型和需求建模
摘要
该研究旨在为2014基准年编制苏丹能源流程图（桑基图）。开发的Sankey图表是苏丹第一个此类图表。2012基准年的可用能源平衡是一个简单的线划，没有计算私营和混合部门的能源供应，如糖业和石油工业以及海运和民航。私营和混合部门约占国家电网电力的7%。开发了四个能源模块：资源模块、转型模块、需求模块和进出口模块。这些数据来自苏丹有关部委和局以及苏丹中央银行。“e！Sankey 4 pro”软件用于开发Sankey图。苏丹的主要能源类型是石油、水力、生物质和可再生能源。苏丹的汽油、石油焦和生物量过剩，而电力、汽油、喷气机油和液化石油气短缺。剩余汽油出口；然而，石油焦被保留作为储备。赤字由进口弥补。总有效能为76%，损耗为24%。有用能源分布在住宅（38%）、交通（33%）、工业（12%）、服务（16%）和农业（1%）部门。
1.介绍
数字1以美国的能源桑基图为例。桑基图是可视化一个系统、一个国家或一个地区的能量平衡的重要工具。考虑到转换，桑基图描述了从供应到需求的能量流。桑基图是100多年前由爱尔兰工程师Riall Sankey开发的，用来分析蒸汽机的热效率。从那时起，它被广泛使用。除了可视化，桑基图也是识别能源系统低效和潜在节能的重要工具。
为了制备热平衡图的一个国家，需要四个模块。首先是需求模块，其中包含最终使用能源的需求的用于住宅，服务，工业，农业，交通部门的细节（包括原发性和继发性燃料）[1］．确定了各部门对一次能源和二次能源的需求。例如，住宅部门的需求是电力、石油产品和用于照明、烹饪和暖通空调的生物质。第二个模块是转换模块。它包括所有的能量转化过程，如发电、炼油和木炭转化。在这些模块中，能量分为有用能量和损耗能量。然后，有用的能源被分配到需求部门。第三个模块处理可用资源。主要能源有煤炭、原油、天然气、水电、生物质能、核能以及太阳能、风能、地热能等可再生能源。第四模块涉及能源进出口。 There exist a number of models used to develop the energy supply and demand modules. Prominent energy models include MARKAL, LEAP, ENERGY 2020, MAPLE C, NEMS, and MAED. Details on these models and their implementation can be found in a number of published studies [2-4.］．
本研究旨在为苏丹提供2014基准年的桑基图表。苏丹目前可用的是2012年的能源平衡[7.) (cf表1）.然而，现有的能源平衡数据确实只计算公共部门生产的能源。私营部门和混合部门生产的能源没有计算在内。这些能源包括炼油厂和糖厂生产的电能，它们在苏丹能源结构中占相当大的份额。它也不包括甘蔗渣和生物乙醇。同样，它也不包括石油伴生天然气(AG)和可再生能源，特别是光伏能源。这项工作中最困难的部分是数据质量检查。有一些关于苏丹能源状况的报告。这些报告包括相互冲突的数据、重复计数和不一致的单位。作者从原始来源广泛地验证了数据。 Data on renewable energy status in Sudan is scarce as well. Extensive search including field survey was made to collect data on this area. Data on the demand side is not well documented as well and hence enormous effort was exerted to collect the data from their original sources. The main contribution of this work is to make proper documentation of Sudan energy data on both supply and demand side. The other contribution is to produce Sudan’s energy flow diagram for the first time.
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2.方法
2．1．数据收集
能源供给、需求和转化数据来源于以下报告:（1）苏丹中央银行年度报告。(2）石油及天然气部的年度报告[6.那7.］．（3)农林局周年报告[8.］．（4)苏丹火力发电公司年报[9.］．
收集的数据进一步进行完整性质量检查，避免重复计数和不确定度评估。
2．1．1．完整性
现有的关于苏丹发电的报告只叙述了公共部门生产的电力。公布的报告没有计算私营和混合部门的发电量。例如，作为混合行业的炼油厂和糖厂的发电并未计入2012年苏丹能源平衡[6.］．这一数据缺口由实地调查填补。全国也没有备用发电机的库存。
2．1．2．避免重复计算
在现有的文献中可以找到一些重复的数据。例如，ORC生产的石脑油作为原料给KRC生产汽油和其他产品;因此，苏丹2012年的能源平衡以及中央银行和石油和天然气部的报告都重复计算了它。考虑的是ORC和KRC炼油厂的报告，而不是苏丹央行的报告。
2.1.3。不确定性评估
对甘蔗渣、动物粪便和农业废弃物缺乏适当的记录。然而，有糖、谷物、农作物、棉花的生产数据和动物数量。废料是根据生产数据估计的。例如，甘蔗渣估计来自糖生产。蔗糖回收率为碾碎甘蔗的9%，甘蔗渣为碾碎甘蔗的39.5%。通过对糖厂的实地调查，对估计的甘蔗渣进行了交叉核对，发现所有糖厂的假设精度都在5%以内。同样，动物粪便也是根据动物数量来估计的。牛、绵羊、山羊、骆驼的粪便产出量分别为10.95、1.83、1.83、5.48吨/头[10］．有能量利用潜力的粪便占10%。使用收获指数(HI)估算农业废物[11］．谷物、油料、棉花的收获指数分别取0.4、0.52、0.16。残渣的计算方法是产品的数量乘以。另一个挑战是，用作燃料的农残部分未知，因为农残有许多用途，如动物饲料、建筑材料和制浆造纸工业。这是一方面。另一方面，农残大部分作为肥料留在农场，或在整地期间焚烧。根据这一点在这种情况下，考虑了苏丹能源平衡2012年接受的农业废物比例。
2．2.能量模型
尽管存在许多能源建模软件程序，如远程能源替代规划系统（LEAP），但在本工作中，能源建模使用了一个简单的Excel工作表。Sankey图开发的能源框架由四个模块组成[1］．（1）能源模块:该模块考虑了所有的一次燃料，如石油、煤、天然气、铀、生物质和可再生能源(参见图)2）.(2）转换模块：转换模块处理初级燃料转换为次级燃料的数据，如发电和炼油厂原油转换为次级燃料。（3)需求模块：需求模块包含一次燃料和二次燃料的最终用途能源需求的详细信息。消费部门包括农业、工业、服务业、住宅和运输部门（参见图3.）.（4)进出口模块:能源进出口模块。能源的进出口通常是以电力和二次燃料油等最终用途形式进行的。
2014基准年四个模块生成的数据用于开发苏丹能源桑基图。使用软件“e！桑基4 pro”。e！桑基是广泛用于开发国家或地区桑基图的软件。
3.结果与讨论
苏丹一次能源的主要来源是石油、水电、生物质能和可再生能源。苏丹没有煤、天然气和铀。主要的转化和转化过程是发电、炼油厂和木材到木炭的转化。
3.1。电能供给与需求
3.1.1。水力发电
表格2显示了在苏丹水电发电厂。装机容量，额定容量（MW），预计亿千瓦时，年成立的中给出。规划和在建的水电站也给出。The total installed and potential hydroelectric power in Sudan is 4176 MW; the installed capacity is 1585 MW (38%).
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3.1.2。热力发电
表格3.显示已安装、在建和规划的火力发电厂。装机功率为1400 MW，在建和计划发电量为405 兆瓦和600兆瓦 兆瓦。火电装机约占公共发电装机总量的46%（水电+热电）。火力发电的一个重要方面是其原动机和燃料来源的多样性。热力发电中的原动机包括蒸汽轮机（ST）、燃气轮机（GT）、燃气轮机联合循环（CCGT）和内燃机（IC）。IC发动机用于国家电网未覆盖的偏远地区。使用的燃料包括汽油（GO）、柴油（汽油和汽油的混合物）、重质燃料油（HFO）（也称为熔炉和6号燃料油）、重质焦化汽油（HCGO）、原油、石油焦和液化石油气（LPG）。多样性是一个优点；然而，在苏丹，汽轮机中使用汽油是火力发电行业的薄弱环节。汽油是具有竞争力的石油，因为它被运输和农业部门使用，此外，相对于重质燃料油和石油焦，它的成本很高。但在ST和GT发电中使用汽油似乎是一个“能源安全”问题，而不是经济因素；否则，在ST和GT发电中，使用汽油不是常见的做法。桌子4.显示了2002年至2014年期间苏丹的发电量。水力发电份额从2002年的42%增加到2014年的75%以上。这主要是由于2009年开始修建Merowe大坝。从埃塞俄比亚进口的电力增加到469 2014年GWh（4%）。
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ST：汽轮机。 HCGO：重质焦化蜡油（重质蜡油）。 HFO:重油(相当于6号燃料油)。 GT:燃气轮机。 :轻油。 CCGT：联合循环燃气涡轮机。 AG:石油伴生气;拿拿淋:天然气。 |
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3.2.私营和混合部门发电
有一些私人和混合的工业生产他们自己的电力消耗。主要行业如下:（1）炼油厂。(2）油田生产设施。（3)制糖业。（4)水泥行业。(5）海港和民航。（6)其他的。
电力生产由这些部门并不占苏丹能量平衡2012。
3.2.1之上。炼油厂
表格5.显示炼油厂和油田的装机功率。石油工业的总装机功率约为38兆瓦。KRC炼油厂发电的大部分是废热和排气气、油浆等低品位燃料。石油工业生产的电力约占国家电网电力(水力和火力发电)的1%。
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FG：燃料气体主要CH4.． 2014年起，随着炼油厂接入国家电网50hz，成为备用发电机。 |
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3.2.2。制糖工业
苏丹的食糖产量在非洲国家中名列前茅。制糖业利用甘蔗的副产品甘蔗渣生产耗电量。装机制糖能力约为1万吨/年。表格6.显示糖厂发电厂的装机容量。装机容量约为190兆瓦，约占国家电网电力的6%。然而，由于白尼罗河糖厂的产能很低，可用产能为96兆瓦。甘蔗渣年产电量为210天/年，其中甘蔗粉碎季为180天/年。除了电力，工厂还生产自己的过程热量，用于甘蔗磨、加热、蒸发和结晶过程。糖厂的高发电潜力是可行的。如果安装热电联产，过程热负荷将减少，因为糖厂和碎纸机将是电力驱动，而不是蒸汽驱动，从而节省蒸汽发电。
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蔗渣糖比：4.4。 该厂设计装机容量为104 MW。 人员接触。 |
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3.2.3。备用发电
所有公用事业服务，如医院、大学、市政、城市供水和商业建筑，都有自己的备用IC发电机。但是，全国范围内缺乏备用发电机的库存数据。在这项工作中，进行了现场调查，约有100台备用IC发电机，铭牌容量约为1。2. 已确定柴油作为燃料源的千瓦。但是，由于缺乏备用发电的运行时间信息，本研究不包括备用发电。除服务外，航空和海港也严重依赖离网发电。
3.2.4。光伏
表格7.显示了苏丹一些城市的太阳辐射。平均日照时间约为9小时 h、 苏丹大部分太阳能装置为光伏电池，总装机容量约为2 约50%的装机容量由电信行业提供。所有远程离网天线和卫星均由太阳能驱动。
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3.2.5。电力供需概述
表格8.显示了各种电力生产和消费的电力供应由各个部门。水电意味着约70％，尽管装机容量约占总装机容量的54％的最大份额。这是由于与火力发电相关的高停运。通过各部门的电力需求也给出。住宅领域有需求其次是服务业的最大份额。
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PV:光伏。 |
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3．3.石油供求
表格9.显示了南苏丹分离后过去3年苏丹的石油产量。也给出了出口部分。除石油产量外，还有大量伴生气（AG）也会产生。但是，AG未被利用，而是燃烧。从2006年到2030年，历史和预测的每日燃烧量约为15–17 MMSCFD[14］．对于这项工作，考虑最小值(15 MMSCFD)。苏丹有4个炼油厂，总装机容量为14.37万桶/天(见表)9.和10）.然而，其中3家炼油厂停产，占已安装炼油厂总产能的20%左右。
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桌子11-17分别显示ORC、KRC、进口、总供应、总需求和供需平衡的燃油，以及火力发电油耗。主要产品包括燃油、汽油、煤油、汽油（Mogas）、液化石油气、喷气燃料和石油焦。剩余的苯用于出口。苏丹在一些燃料油方面有盈余，而在其他方面则有赤字。它在原油、汽油和聚酯焦方面有盈余。剩余的原油和汽油用于出口，剩余的聚酯焦作为储备。汽油、液化石油气和航空的赤字是通过进口来弥补的。天然气短缺的原因之一是其竞争力。汽油用于发电、运输和农业部门。由于节能措施，建议发电和农业部门采用天然气燃料转换，且天然气仅限于运输部门，因此，建议通过使用用于灌溉系统的电动水泵而非IC电机，将重质燃料油用于火力发电和农业部门的全电化。
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服务包括公共建筑，学校，大学，医院，市政债券，等等。 |
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表格17显示了石油供求的概要。总供应量为7594千兆toe (7.594 Mtoe)。该混合油由原油、AG和进口油(汽油、航空和液化石油气)组成，见表17．进口石油约占总石油组合的19%。火电供应占总供电量的9.6%，其中包括KRC和ORC的电力。总能源结构分布如下:需求65.6%，出口20.9%，能源转换损失12.9%，燃气1.32%。需求分布在以下部门:工业(11%)、住宅(8%)、服务(1%)、交通(79%)和农业(1%)。
3．4．生物质
在苏丹，生物质能源的种类包括（1）柴火,(2）木炭,（3)农残，（4)蔗渣(5）生物乙醇，（6)动物粪便。
3.4.1。蔗渣和乙醇
表格18显示了6家苏丹糖厂生产的糖。甘蔗渣是从生产的糖中估计出来的。取破碎甘蔗的39.5%，取蔗糖回收率为甘蔗的9%。因此，蔗渣糖比为4.4吨蔗渣/吨糖。表格18也显示了生物乙醇的生产。生物乙醇是从糖蜜中生产出来的。所有的生物乙醇都是由Kenana糖公司生产的。应该记住，所有的生物乙醇都是用于出口的。
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所有的生物乙醇是从Kenana糖厂生产。 |
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3.4.2。木柴和木炭
桌子19和20分别显示从苏丹农业和林业局的年度报告中获得的木柴和木炭。很明显，有大量的数据丢失/缺口。当这些数据与开放文献中的数据进行比较时，发现了很大的差异。因此，不考虑这些数据，而是考虑文献数据。
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表格21显示了几年来从公开文献中获得的木柴和木炭产量，作为交叉检查。本研究采用了2012年苏丹能源平衡数据，因为该数据与其他参考文献中给出的数据接近。
3.4.3.农业残留物
表格22显示谷物、油料作物和棉花产量。利用收获指数(HI)对农业废弃物进行估算。谷物、油料、棉花的收获指数分别取0.4、0.52、0.16。农业废弃物的计算方法是作物产量乘以[11］．农业残渣中用作燃料的部分非常少，因为大部分被用作动物饲料和建筑材料，以及纸浆和造纸工业等。另一方面，农业废弃物大多是在为下一季准备土地时烧掉的。这些数据与苏丹2012年的能源平衡进行了交叉核对，发现两者是一致的。
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3.4.4。动物粪便
苏丹盛产牛、羊、山羊和骆驼，还有驴、马和鸡23显示动物计数。动物粪便是根据每头动物的平均粪便产出量来估计的。粪便通常用于生产沼气。据许多研究人员估计，可用于生产沼气的粪便为10% [16］．目前，没有关于苏丹生产沼气的报告。20世纪80年代有一些沼气生产;然而，随着原油生产的开始，沼气生产在全国范围内被放弃。因此，在基准年2014的能量平衡中没有考虑动物粪便，因为没有能源部门的信息或使用率。表格24显示生物质的供给和需求的总结。
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括号内为柴火转化为木炭的数据，转化效率为33%。 不考虑动物粪便，因为在基准年2014没有动物粪便利用的记录。 所有的生物乙醇都出口。 动物的粪便没有被利用。 |
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3．5．桑基图
根据基准年2014年的能源供给、转化和需求数据，绘制了苏丹桑基图(见图)4.）.桑基图给出了详细的流动模式，表明了在不同的能源需求部门一次和二次能源的消费比例。它还显示了在转换和转换过程中的能量损失。桑基图的主要特点如下:（1）一次能源:苏丹的一次能源包括石油(39%)、生物质能(56%)、水电(5%)和一小部分太阳能(光伏)。除了一次能源，苏丹还从邻国埃塞俄比亚进口1427ktoe燃料油(汽油+航空煤油+液化石油气)和40ktoe电力。进口能源约占苏丹能源结构的7%。然而，天然气、煤炭、核能和其他可再生能源在该国的主要能源结构中并不存在，尽管太阳能、风能和地热能具有巨大的潜力。生物量所占比例高是因为农村人口多(农村人口占70%)。他们无法使用国家电网的电力、燃气和煤油，因此他们完全依赖生物质来满足烹饪、取暖和照明的需求。(2）转化和转化:苏丹能源平衡的转化过程包括发电(水力发电、石油和甘蔗渣)、将原油提炼为二次燃料和将木材转化为木炭。转化和转换等损耗约占最终使用能量的25%。这些损失是热力学损失和能量管理损失。值得一提的是能源管理损失的两个例子:(一)制糖业热电联产不足：如果在制糖行业引入热电联产，制糖行业的潜在发电量将是目前水平的两倍[12］．热电联产是全球制糖业的标准做法。由于缺乏热电联产，苏丹糖业燃烧甘蔗渣效率低下;否则甘蔗渣会对工厂安全造成严重危害。(b)Flaring of AG: about 15 MMSCFD or 100 ktoe (1.7% of the oil supply) is attributed to flaring of AG. In the oil fields, a significant amount of AG is produced. AG produced is, however, not utilized; it is rather flared. The study conducted by [14]表明，AG是一种有用的一次能源，如果用于发电，它可以驱动80兆瓦的汽轮机发电厂，或可用于生产年价值4000万美元的液化石油气。（3)需求:总能源需求的74%是有用能源，26%是损耗能源。49%的损失是由于木材转化为木炭的效率低(木炭转化效率为33%)。有用的能源分布在各种需求部门:农业(1%)、服务(16%)、工业(12%)、住宅(39%)和交通(32%)部门。
所开发的热平衡图是首次在苏丹的类型。本和以前的能量平衡之间的主要区别有以下几方面：（1）之前的能量平衡是用简单的线形图而不是专业的桑基图来表示的，因为所有代表不同流的线都是相同大小的。(2）能源平衡只考虑公共部门生产的电力。例如，炼油厂和糖厂生产的电力没有计入总余额。同样，可再生能源虽然很小，但也没有考虑在内。
4.结论
这项研究提供了关于苏丹能源部门的重要信息，包括供应和需求方面以及转换、分配和传输。提供了发电、石油生产和转化、生物质资源和转化、可再生能源等方面的详细数据。能源进出口也被报道。在需求方面，报告了不同行业的详细数据。首次提供了能量流图(桑基图)。桑基图对于决策者来说是一个重要的信息。它可用于制定战略和确定潜在的节约、机会和缓解措施。苏丹能源状况的弱点是太阳能，尽管全国各地的太阳辐射强度高，日照时间长。
相互竞争的利益
作者声明，本论文的发表不存在任何利益冲突。
致谢
作者感谢苏丹高等教育和科学研究部的研究资助。
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版权
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