考虑富氧燃烧碳捕集技术和源荷双侧响应的综合能源系统优化调度-北极星火力发电网

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随着环境污染与化石能源储备逐渐耗竭，电力行业的碳排放成为一个须迫切解决的核心问题，同时可再生能源出力具有不确定性和波动性，给电力系统调度运行带来了更大的挑战。因此，构建“横向多能互补，纵向源网荷储协调”的综合能源系统（integrated energy system，IES）是适应未来能源需求和环境保护的必然选择，其多能耦合的特性赋予了综合能源系统巨大的减排潜力，能够实现电力领域的低碳化和灵活性。

《中国电力》2024年第8期刊发了杨海柱等撰写的《考虑富氧燃烧碳捕集技术和源荷双侧响应的综合能源系统优化调度》一文。文章从富氧燃烧碳捕集技术和源荷双侧响应2方面考虑，提出一种优化调度策略。并通过算例多场景对比分析，验证了文中所提模型的有效性和可行性。

考虑富氧燃烧碳捕集技术和源荷双侧响应的综合能源系统优化调度

（来源：《中国电力》作者：杨海柱, 白亚楠, 张鹏, 李忠文）

摘要

为降低燃气轮机的碳排放水平和提高灵活性，提出了计及富氧燃烧碳捕集技术和源荷双侧响应的综合能源系统低碳经济优化策略。首先，研究了富氧燃烧技术的运行原理及其能流特性，并构建空分制氧设备和碳捕集设备的耦合模型；其次，引入可调的热电比作为供给侧响应策略，需求侧对于电力、热能以及气负荷的特性进行综合权衡，借助能源价格的引导，并考虑其相互之间的可替代属性形成需求侧响应机制；最后，通过计及气负荷碳排放的阶梯式碳交易约束碳排放，以系统运行成本为目标优化各时段机组出力。设置多场景进行仿真分析，结果表明富氧燃烧碳捕集技术能够有效减少系统的碳排放量，源荷双侧响应能够灵活调节供给侧与需求侧的供能关系，并有效减少系统运行成本。

01富氧燃烧碳捕集机组综合能源系统

富氧燃烧碳捕集机组综合能源系统的架构如图1所示。本文所提的富氧燃烧碳捕集机组主要是对CHP机组进行改造，该系统的电负荷由光伏、风机、富氧燃烧碳捕集机组、电网和蓄电池共同承担；而热负荷则通过富氧燃烧碳捕集机组余热回收、电转气的余热回收以及储热罐来满足；甲烷供应依赖于外部气网和电转气设备。同时，为满足富氧燃烧所需的氧气，系统采用空分制氧设备、电转气和储氧罐共同提供氧气资源。

图1 综合能源系统架构

Fig.1 Integrated energy system structure

供给侧根据用户的用能需求，综合考虑不同能源的可用性和用户的能源需求特点，灵活调整能源供应，实现电、热、气的灵活响应。需求侧通过能源价格的引导来实现负荷削减、用能时段转移和能源替代，以提高运行经济性。二者共同参与构成双侧响应机制，以更好地平衡能源供需，优化能源分配，降低用能峰谷差异，提高能源系统效率。

1.1 富氧燃烧原理与能流特性

在传统的燃烧过程中，燃料与空气中的氧气发生反应，产生二氧化碳和水蒸气等燃烧产物。而在富氧燃烧中，燃烧期间增加氧气的供应，使燃料和氧气之间的接触更加充分，从而促进更完全的燃烧反应，产生高浓度的二氧化碳和大量余热，便于系统的碳捕集和余热回收。

富氧燃烧碳捕集机组能流如图2所示。碳捕集技术将产生的高浓度二氧化碳捕集和抽离出来，一部分用于电转气的甲烷合成，另一部分通过碳封存技术封存，以减少碳排放量。富氧燃烧所需的氧气一部分由空分制氧设备供应，另一部分由P2G的电解水阶段供应，而过剩的氧气则会被转化为液态氧并储存在储氧罐中。在空分制氧设备供氧量不足时，由储氧装置向富氧燃烧碳捕集机组输送氧气，以确保富氧燃烧碳捕集机组的供能效率。

图2 富氧燃烧碳捕集机组能流

Fig.2 Energy flow of oxy-fuel combustion carbon capture unit

1.2 富氧燃烧碳捕集综合能源系统建模

1.2.1 富氧燃烧碳捕集机组模型

以碳捕集设备和空分制氧设备构成的富氧燃烧碳捕集系统，输出包括净输出功率和运行能耗2部分。其中富氧燃烧碳捕集系统t时刻运行能耗包括t时刻碳捕集设备的能耗和t时刻空分制氧设备的能耗即

式中：为t时刻CHP机组输出的电功率；为t时刻净输出功率；δ为碳捕集设备捕获单位CO₂所需的能耗；为碳捕集设备捕获CO₂的量；α为碳捕集设备的碳捕集水平；为机组所产生CO₂的总量；为机组的碳排放强度；β为空分制氧设备产生单位氧气消耗的能量；为空分制氧设备在t时刻产生的氧气量。

富氧燃烧所需要的氧气量主要来源包括空分制氧设备、电转气和储氧罐，即

式中：为电转气在t时刻产生的氧气量；为储氧罐在t时刻的供氧量；ω为富氧燃烧碳捕集机组产生单位功率消耗的氧气量。

由式（1）~（4）可以推出，富氧燃烧碳捕集机组净输出功率为

富氧燃烧碳捕集机组t时刻净碳排放为

富氧燃烧碳捕集机组在运行过程中，CO₂少部分流入大气，大部分用于电转气设备的甲烷反应过程和碳封存，即

式中：为t时刻富氧燃烧碳捕集机组捕获的CO₂量；为t时刻P2G消耗的CO₂量；为t时刻碳封存的量。

为避免富氧燃烧系统中存在“以氧定电”的情况，即为保证不弃氧，而增大富氧燃烧CHP机组的电功率，因此在系统增设储氧罐。在负荷较低时，通过持续的空分操作，空分制氧设备能够产生氧气供应富氧燃烧，由于P2G设备通过电解水反应同样会产生氧气，因此会产生过剩的氧气。为确保充分利用氧气资源，可将空分制氧设备和P2G所产生的过剩氧气储存于储氧罐中。在负荷较高时，富氧燃烧CHP机组优先满足电负荷需求，这会导致空分制氧设备产生氧气的量相应减少。此时，可以将储氧罐在负荷低峰期储存的氧气输入燃烧室，以确保富氧燃烧碳捕集机组的正常运行和持续供应电力。

系统中储能设备包括蓄电池、储氧罐和蓄热罐多种储能设备，即

式中：L为储存设备，即蓄电池、储热罐或储氧罐；为t时刻不同储存设备的储能容量；δ_L为不同储存设备的自放电效率、散热损失和耗散系数；分别为不同储存设备充放电效率、充放热效率和充放氧效率；分别为t时刻不同储存设备充放功率；分别为充能的上下限；分别为放能的上下限；分别为初始和最终容量；、分别为储存容量的上下限。

1.2.2 P2G两阶段模型

拆解电转气2个阶段的运行过程，即电解水和甲烷化。在电解水阶段，水在电解槽内被电解产生氢气和氧气，这一阶段既有助于可再生能源的利用，又将电解水的产物氧气供应给富氧燃烧碳捕集机组使用，实现资源的合理利用。在甲烷化阶段，富氧燃烧碳捕集技术捕获的CO₂与氢气发生甲烷化反应生成甲烷。其两阶段的化学式为

P2G消耗的电功率和产生的甲烷之间的转化关系为

式中：η_P2G为P2G转化效率，一般取0.64；H_Q为天然气的热值；为t时刻P2G消耗的功率；为t时刻产生的天然气体积。

通过余热回收技术，对甲烷化反应产生的热能进行回收，以提高能量的利用效率，即

式中：为P2G在t时刻的余热回收量；η_h为余热回收效率。

由式（10）可知，气体的体积之比等于物质的量之比，甲烷化阶段中消耗的CO₂和产生甲烷的体积相等，即

式中：为t时刻甲烷化阶段消耗CO₂的量；为CO₂气态密度。

同理可知氧气和甲烷的体积关系式为

02 源荷两侧双响应的IES框架

2.1 负荷侧多能耦合DR模型

多能耦合DR是指从用户能源需求角度深入分析不同能源之间的多能耦合关系。在电价DR的基础上，多能耦合DR将电力需求与其他能源需求相互关联，实现能源的综合利用。当电价上涨时，用户会减少对电能的需求，并通过其他能源来实现用能需求；而当电价下降时，用户会增加对电能的需求，减少对其他能源的使用。因此，多能耦合DR不仅扩展了电力DR的范围，还实现了不同能源之间的灵活转换和综合利用。

2.1.1 价格型需求响应

价格型需求响应是一种能源管理策略，通过调整能源消费行为以响应电价的变化，分为可削减负荷（curtailable load，CL）和可转移负荷（shiftable load，SL）。

1）CL特性分析及建模。

价格需求弹性矩阵用来分析需求响应特性。如果电价的弹性系数为正值，则表示需求对价格变化具有正弹性，需求量会随价格上涨而减少，随价格下降而增加。如果弹性系数为负值，则表示需求对价格变化具有负弹性，需求量会随价格上涨而增加，随价格下降而减少。弹性系数的绝对值越大，则表示需求对价格变化的敏感度越高。数学模型定义为

式中：E为弹性矩阵；E_t,j为第t行第j列元素，即t时刻负荷对j时刻电价的弹性系数；和ρ_j为需求响应后t时刻的负荷相对增量和j时刻的电价相对增量；分别为初始负荷和电价。

因此，可削减负荷相对变化量表示为

式中：为初始CL量；(t,j)为CL价格需求弹性矩阵；T为周期，取24；ρ_j为j时刻电价。

2）SL特性分析及建模。

可转移负荷指的是用户根据需求来调整其电力使用时间的能力。通过峰平谷分时电价的设定，用户可以根据电价信号的指引，在尖峰时段将负荷转移到平谷时段。可转移负荷相对变化量表示为

式中：为初始SL量；(t,j)为SL价格需求弹性矩阵。

2.1.2 替代型需求响应

用户在不同的时间段选择最具成本效益的能源类型，以灵活地满足需求，并最大化利用现有资源。比如，对于热负荷需求，用户可以根据异质能源价格因素，选择天然气供热或者电能供热，因此本文建立可替代负荷（replacable load，RL）数学模型为

式中：P_echange、P_hchange、P_gchange分别为电、热、气替代型负荷改变量；η_eg、η_he和η_gh分别为电气、热电、气热转换系数；分别为考虑能源替代后第k类负荷改变量上下限。

2.1.3 用户用能满意度

用户用能满意度指标是衡量用户对电热气3类能源形式用能满意程度的量化指标。这个指标应该综合考虑用能替代的需求响应性能，以确保在满足需求侧用能需求时，用户能够获得良好的体验。用户用能满意度表示为

式中：和分别为t时刻电、热和气负荷的转移量；P_e1,t、P_h1,t、P_g1,t，P_e0,t、P_h0,t、P_g0,t分别为响应前后的电、热和气负荷。

2.2 源侧灵活响应模型

源侧灵活响应主要是可调热电比的CHP机组、电转气的两阶段运行对源侧进行灵活响应。传统“以热定电”的运行方式，限制了CHP机组的电功率输出，不能够最大限度发挥CHP机组的作用，而可调热电比的CHP能够实现热、电负荷最优的供能配比。

CHP机组中的余热锅炉分为无补燃和带补燃2种，无补燃锅炉的热电比与机组性能相关，通常保持恒定，而带补燃锅炉可以通过调节补燃量来提高整体能源利用效率。因此带补燃锅炉的CHP机组可以根据实时的电力和热能需求，进行电力和热能输出的调整，以进一步优化运行效益。其数学模型为

式中：为t时刻CHP输出的热功率；η_e和η_h为转化的电、热效率；为t时刻输入的天然气量；为输入的天然气上下限；和为爬坡约束的上下限；λ_max和λ_min为可调热电比上下限，热电比取值参考文献[24]。

03 阶梯碳交易模型

3.1 碳排放权配额模型

本文主要碳排放来源为富氧燃烧碳捕集机组和从电网购电。碳排放配额模型为

式中：E_IES为系统内实际碳排放量；E_occ、E_buy分别为富氧燃烧碳捕集机组和购电的碳排放量；δ_e、δ_h分别为单位电、热输出的碳排放系数，分别取0.72和0.102；为t时刻购电功率；P_OCC,e,t为t时刻富氧燃烧碳捕集机组的电功率；P_OCC,h,t为t时刻富氧燃烧碳捕集机组的热功率。