彭 元 婁素華 吳耀武 王 瑩 周鯤鵬

考慮儲液式碳捕集電廠的含風電系統(tǒng)低碳經濟調度

彭 元1婁素華1吳耀武1王 瑩2周鯤鵬2

（1. 強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院） 武漢 430074 2. 國網湖北省電力有限公司電力科學研究院 武漢 430077）

碳捕集電廠可以實現(xiàn)火電電能生產的低碳化，是構建清潔能源體系的重要技術路徑之一。配置了溶液存儲器的碳捕集電廠能夠解耦CO2的吸收與再生兩個環(huán)節(jié)，其捕碳和發(fā)電的協(xié)調運行能力更強。根據儲液式碳捕集電廠的運行機理與能流特性，建立其捕碳與發(fā)電出力模型，并構建二維坐標圖定量研究無儲液與儲液式碳捕集機組的總發(fā)電出力與凈出力運行區(qū)間?；诖?，建立計及儲液式碳捕集電廠的含風電系統(tǒng)低碳經濟調度模型，該模型以系統(tǒng)總運行費用最低為目標函數，考慮系統(tǒng)發(fā)電成本、碳交易成本以及風電出力不確定性帶來的運行風險。以20機系統(tǒng)為例，對含儲液式碳捕集電廠的系統(tǒng)優(yōu)化調度進行研究，結果驗證了所提模型的合理性與有效性。

碳捕集電廠 溶液存儲器 風電消納 協(xié)調優(yōu)化 低碳經濟調度

0 引言

根據中國電力企業(yè)聯(lián)合協(xié)會發(fā)布的數據[1]，截至2019年，中國火電裝機和火電發(fā)電量分別占全國累計裝機容量與累計發(fā)電量的59.21%與68.87%，可見我國當前的電力能源結構仍以火電為主體。隨著國際社會對工業(yè)生產綠色低碳化的關注度不斷提高，減緩溫室效應持續(xù)性惡化迫在眉睫。電力行業(yè)作為CO2排放水平較高的國民經濟基礎性產業(yè)，必須提高燃煤機組的清潔化水平。國際能源署在2017年能源技術展望中指出，碳捕集與封存技術將在21世紀末全球溫度變暖控制在2℃以內的情景中至關重要[2]。

碳捕集主要包含三種技術路徑[3]，即燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集，其中燃燒后捕集方式憑借其原理簡單、與機組燃燒過程相對獨立、固定投資相對少等優(yōu)點，成為了應用較為廣泛的捕碳方式。典型燃燒后碳捕集電廠是在原火電廠裝置一套CO2捕集設備而形成的低碳排放系統(tǒng)，通過利用火電機組蒸汽輪機對缸內的部分熱功率與廠用電做功，實現(xiàn)對燃燒后煙氣中CO2的捕集。碳捕集機組通過調節(jié)捕集能耗，使機組凈碳排放與凈出力的可控范圍變得靈活，并且能為系統(tǒng)提供更快的爬坡速率與更大的調峰能力等服務[4]。目前，高投資、高能耗仍是制約碳捕集技術發(fā)展的重要原因，但是隨著碳達峰、碳中和等國家政策的提出與捕集技術的逐步成熟，碳捕集電廠的成本下降潛力巨大[5]，碳捕集和封存國際知識中心的研究指出，第二代碳捕集電廠項目的資本成本可降低67%[6]。此外，碳捕集電廠能夠推動電力系統(tǒng)度電排放水平的下降，而且可憑借其靈活運行能力，獲取額外投資收益。因此，推進碳捕集電廠的發(fā)展是全球共同應對氣候變化的時代背景下的重要技術戰(zhàn)略之一。

目前已有相關文獻對碳捕集電廠的運行機制及其參與系統(tǒng)發(fā)電優(yōu)化等方面進行了研究。文獻[7]揭示了碳捕集電廠的運行機理，對其內部能量流和調峰性能進行了深入分析。文獻[8]基于碳捕集電廠的發(fā)電-捕碳協(xié)調特性，構建低碳經濟下考慮碳捕集電廠的電力系統(tǒng)運行優(yōu)化模型。文獻[9-11]將碳捕集電廠視為一種靈活性調節(jié)資源，建立了碳捕集機組與儲熱裝置、梯級水電、風、光等其他電源的聯(lián)合優(yōu)化模型。文獻[12]研究了碳捕集電廠的電碳特征函數與電碳運行區(qū)間，分析了不同運行水平下的電廠凈出力與凈碳排放變化情況。以上文獻建立的模型中未將吸收塔、再生塔等裝置處理的CO2量予以區(qū)分表達，而對溶液存儲器流入、流出量的調節(jié)可解耦碳捕集系統(tǒng)內部各單元的CO2處理量，使各環(huán)節(jié)處理的CO2量不相等。因此，有必要對儲液式碳捕集電廠的內部能量耦合關系，以及調控溶液存儲器對電廠捕碳水平與運行靈活性產生的影響進行建模研究。

鑒于此，本文根據儲液式碳捕集電廠的能流關系和運行特點，建立儲液式碳捕集電廠的靈活運行模型，并通過二維坐標圖量化其凈出力特性，與常規(guī)火電、無儲液碳捕集電廠進行對比研究。利用儲液式碳捕集電廠參與系統(tǒng)調峰以解決風電接入場景下的風電消納問題，計及風電不確定性為系統(tǒng)帶來的運行風險，綜合考慮系統(tǒng)的燃料費用、風險損失和碳減排效益，構建考慮儲液式碳捕集電廠的含風電系統(tǒng)優(yōu)化調度模型。

1 儲液式碳捕集電廠的運行特性

1.1 運行模型

圖1 儲液式碳捕集系統(tǒng)主要結構

圖1中，煙氣旁路系統(tǒng)用于調整進入碳捕集裝置的煙氣比例，未進入捕集設備的煙氣將直接排入大氣，待處理的煙氣從底部進入吸收塔，在40～60℃的環(huán)境下采用逆流的方式與CO2吸收劑充分接觸，發(fā)生吸收反應，從而產生CO2含量較多的富液。隨后，富液流入富液存儲器，經富液泵調整流入再生塔的富液流量。再生塔從火電機組蒸汽輪機做功缸內抽取熱蒸汽，將富液溫度升高至100～140℃發(fā)生逆反應，分離出的CO2從塔頂引流至壓縮儲存，實現(xiàn)對煙氣中CO2的捕集。由于從再生塔流出的吸收劑里CO2含量極少，故將其稱為貧液，貧液通過貧液泵流入貧液存儲器與吸收塔，進行循環(huán)利用。碳捕集系統(tǒng)通過調整液體泵使得貧液存儲器的液體流入/流出量分別與富液存儲器的流出/流入量相等。

由碳捕集系統(tǒng)的運行機理可見，碳捕集裝置通過利用火電機組做功缸內的熱蒸汽和部分發(fā)電出力對CO2實現(xiàn)捕集與壓縮存儲，碳捕集系統(tǒng)所需能耗滿足

1.2 凈出力特性

由碳捕集系統(tǒng)的運行機理可見，碳捕集能耗的分流等效于降低了機組的最小技術出力，從而使碳捕集機組具有更大的調峰深度[14]。在負荷高峰時期，儲液式碳捕集電廠一方面通過煙氣旁路系統(tǒng)減少進入捕集裝置的煙氣，另一方面增加富液存儲器流入、降低流出量的方式，有效降低碳捕集系統(tǒng)的能量消耗，從而增加碳捕集電廠的凈出力；在負荷低谷時期，通過提高碳捕集水平，儲液式碳捕集電廠在實現(xiàn)電力生產過程低碳性的同時，為可再生能源提供上網空間。與無儲液碳捕集機組相比，儲液式碳捕集機組在參與系統(tǒng)運行時的凈出力可調范圍更大、靈活運行能力更強。

為了對碳捕集機組的凈出力特性進行量化分析，構建反映無儲液與儲液式兩種碳捕集機組總發(fā)電出力與凈出力之間相互關系如圖2所示。

圖2 碳捕集機組總發(fā)電出力與凈出力關系圖

2）對于儲液式碳捕集機組，凈出力滿足

2 考慮儲液式碳捕集電廠的含風電系統(tǒng)低碳經濟調度模型

2.1 目標函數

儲液式碳捕集電廠在獲得碳減排效益的同時也意味著電廠凈發(fā)電出力的降低，需要根據電力系統(tǒng)實際運行調度的情況，在滿足技術約束的前提下，協(xié)調碳捕集系統(tǒng)捕碳與發(fā)電的過程，使系統(tǒng)的低碳與經濟綜合效益最優(yōu)。本文模型以系統(tǒng)發(fā)電成本、碳交易成本及風電不確定性帶來的失負荷和棄風風險成本的綜合最小為優(yōu)化目標，數學描述為

1）發(fā)電煤耗成本

2）起停成本

3）碳交易成本

碳排放額初始分配是企業(yè)獲取碳排放權的重要依據，合理的分配方式將有利于實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，形成碳排放水平低而能源經濟效益高的生產格局。本文根據我國目前試行的碳排放交易規(guī)則[17]，采用行業(yè)基準線法計算發(fā)電企業(yè)的免費碳排放配額。

碳交易是對碳排放權的二次分配，是借助市場措施促進全球溫室氣體減排的一種行之有效的方式[18-20]。在滿足碳排放控制總量的前提下，若發(fā)電企業(yè)碳排放大于配額，則必須支付購買額外的碳排放額度；若發(fā)電企業(yè)碳排放小于配額時，則可通過售出多余排放額度獲取收益。因此，模型中的碳交易成本表示為

4）系統(tǒng)切負荷、棄風風險成本

圖3 風電功率預測誤差概率密度函數

風電出力實際值小于預測值時，預測正誤差將引起功率缺額，若此時系統(tǒng)配置的上調備用不足，將引起強制切負荷措施；而風電出力實際值大于預測值時，預測負誤差將造成風電多發(fā)電量，若配置的下調備用容量不足，將產生棄電。本文通過圖3兩側的陰影部分表示由風電接入引起的電量不足期望值與棄風電量期望值，系統(tǒng)切負荷、棄風風險成本的計算表達式為

2.2 約束條件

考慮儲液式碳捕集電廠的含風電系統(tǒng)低碳經濟調度在滿足系統(tǒng)和常規(guī)機組運行約束的基礎上，還需要滿足以下約束條件。

1）功率平衡約束

2）機組總發(fā)電出力約束

3）碳捕集系統(tǒng)運行約束

4）富液、貧液存儲器的儲量約束

式（21）中各量分別滿足

為保障日前周期性調度系統(tǒng)的長期運行，富液/貧液存儲器每日始末剩余容量需保持一致，即

儲液式碳捕集系統(tǒng)通過調控CO2溶劑的流入與流出，將火力發(fā)電過程中CO2的產生與處理兩個過程在時間上解耦，使碳捕集單元的能耗及機組凈出力在調度周期內均可實現(xiàn)更為靈活的調節(jié)，以應對電力系統(tǒng)負荷波動及新能源接入帶來的調峰需求。

3 算例分析

圖4 負荷與風電功率預測曲線

表1 火電機組技術參數

Tab.1 Technical parameters of thermal power units

3.1 碳捕集電廠參與系統(tǒng)調度運行效用分析

為了分析碳捕集電廠參與含風電系統(tǒng)運行的技術經濟性，本文基于三種調度場景進行對比分析：場景1：常規(guī)火電機組（無碳捕集系統(tǒng)）參與系統(tǒng)運行；場景2：考慮4臺無儲液碳捕集機組參與系統(tǒng)運行；場景3：考慮4臺儲液式碳捕集機組參與系統(tǒng)運行。三種場景下系統(tǒng)調度運行仿真結果見表2。

表2 三種場景下系統(tǒng)調度運行仿真結果

Tab.2 Optimal dispatch simulation results of power system in 3 scenarios

由表2可見，安裝了碳捕集系統(tǒng)的機組在參與系統(tǒng)優(yōu)化時，燃料成本分別比傳統(tǒng)火電機組增加了7.01%和7.25%，而調度總成本分別降低了4.00%與4.80%。其原因在于，與傳統(tǒng)火電機組不同，碳捕集機組除了承擔負荷外，還需要額外提供碳捕集能耗，使得系統(tǒng)燃料成本有所增加；但是一方面，碳捕集系統(tǒng)可以捕獲機組電能生產過程中排出的部分CO2，顯著降低了碳排放量，進而可將多余排放配額通過市場售出獲取收益；另一方面，碳捕集系統(tǒng)能夠增大機組的出力范圍，使機組具備更大的下調容量，既給風電出力提供了發(fā)電空間，又避免了機組的頻繁起停，提升了風電消納量，使系統(tǒng)的起停成本、棄風與切負荷風險成本減小，進而降低了系統(tǒng)運行總成本。相對于無儲液碳捕集機組，儲液式碳捕集機組通過配置溶液存儲器，使吸收塔與再生塔處理的CO2量得以解耦，其可調容量與運行靈活性比無儲液碳捕集機組更大，運行總成本進一步減小。

3.2 儲液式碳捕集電廠運行工況分析

為說明碳捕集系統(tǒng)的運行工況，分別得到四臺無儲液、儲液式碳捕集機組在各個時刻的總運行能耗曲線如圖5所示，以及四臺儲液式碳捕集機組富液存儲器總的流入、流出與存儲量曲線如圖6所示。

圖5 四臺儲液式與四臺無儲液碳捕集機組總能耗曲線

圖6 四臺儲液式碳捕集機組的富液存儲器流入、流出CO2曲線

圖5和圖6中，凌晨至6:00為負荷低谷、風電出力較高的時段，需要降低火電出力以提高風電的消納比例，該時段碳捕集系統(tǒng)對火電燃燒產生的CO2進行處理，使碳捕集機組的運行能耗增大而凈出力減小，為系統(tǒng)提供向下的調節(jié)容量，增加風電負荷空間。此時由于碳捕集電廠配置了溶液存儲器，可以通過使流出量大于流入量的方式獲取更大的調峰深度，此時的碳捕集運行能耗比無儲液碳捕集機組更高。在19:00～22:00的負荷高峰時段，碳捕集機組則需降低運行能耗來提高凈出力，以滿足負荷需求。同理，儲液式碳捕集機組通過增大存儲器存儲量、降低流出量的方法較大幅度地降低碳捕集運行能耗。

總體上，碳捕集系統(tǒng)配置溶液存儲器后能夠利用存儲器形成CO2處理的“緩沖空間”，通過解耦存儲器的流入、流出量，使碳捕集運行能耗具備更大的調節(jié)范圍，靈活性得以提升。

3.3 不同碳交易價格對系統(tǒng)優(yōu)化結果的影響分析

為了分析碳交易價格變化對系統(tǒng)優(yōu)化運行的影響，算例設置碳交易價格為0～280元/t，得到的計算結果如圖7所示。

圖7 不同碳交易價格下的系統(tǒng)優(yōu)化結果

由圖7可以看出，隨著碳交易價格的增加，系統(tǒng)的碳排放量逐漸減小、燃料成本逐步升高，最后均趨于穩(wěn)定值。這是由于碳交易價格的上升會增加碳捕集收益在目標函數中的比重，系統(tǒng)在優(yōu)化過程中為了使運行總成本達到最低，會增加碳捕集收益，即增大CO2捕集量，導致碳捕集能耗增加，燃料成本變大。當碳交易價格處于40～80元/t的范圍時，其波動對系統(tǒng)運行產生的影響最大，此時系統(tǒng)運行對碳交易價格變化的靈敏度高；當碳交易價格高于200元/t時，受到最大捕集能力的約束，碳交易價格的持續(xù)增加將不再對當前算例系統(tǒng)的CO2排放量產生影響。

3.4 不同風電接入容量下的系統(tǒng)優(yōu)化結果分析

為了研究不同風電滲透水平對系統(tǒng)調度結果的影響，將風電裝機從1 500MW逐漸增加至1.5倍，得到系統(tǒng)中各項指標變化情況如圖8所示。

圖8 不同風電接入容量下的系統(tǒng)優(yōu)化結果

從圖8中可見，隨著反調峰風電接入容量的不斷增加，系統(tǒng)的調峰需求增大，使系統(tǒng)的起停成本呈現(xiàn)上升趨勢，并且由于風電實際功率與預測值之間的偏差增大，系統(tǒng)的棄風與切負荷風險成本也有所增加。但是另一方面，風電屬于清潔零碳排放能源，其滲透率的增長可以替代部分火電，從而降低系統(tǒng)的燃料消耗與總體碳排放水平，即促使燃料成本的降低和碳排放收益的增加。總體上，風電接入容量的上升能夠降低調度的總成本，改善系統(tǒng)運行經濟性。

4 結論

常規(guī)火電機組碳排放水平高且可控容量有限，難以滿足國家大力推動低碳減排、發(fā)展清潔可再生能源的宏觀戰(zhàn)略要求，而儲液式碳捕集機組通過協(xié)調捕碳與發(fā)電的關系，兼顧電能生產經濟性與系統(tǒng)排放低碳性，將成為我國建設清潔煤電體系的有效方式?；诖?，本文提出了考慮儲液式碳捕集電廠的含風電系統(tǒng)低碳經濟調度方法，主要結論如下。

1）詳細分析了儲液式碳捕集電廠的運行特性和內部能量耦合關系，在此基礎上，建立其靈活運行模型，并構建二維坐標圖定量挖掘了無儲液與儲液式兩種碳捕集電廠的凈出力與總發(fā)電出力相互作用區(qū)間。

2）提出了以系統(tǒng)發(fā)電成本、碳交易成本和風電不確定性帶來的風險損失的綜合最小為目標函數的協(xié)調優(yōu)化模型，在碳交易市場機制下，能夠保證系統(tǒng)獲得最佳的低碳和經濟效益。

3）以20機系統(tǒng)為例，應用本文所提模型和方法模擬考慮儲液式碳捕集電廠的含風電系統(tǒng)低碳經濟調度。算例表明，該模型能夠較好地實現(xiàn)常規(guī)火電、風電與儲液式碳捕集電廠的協(xié)調優(yōu)化，可適應未來電力系統(tǒng)發(fā)電低碳化與可持續(xù)發(fā)展。

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Low-Carbon Economic Dispatch of Power System with Wind Power Considering Solvent-Storaged Carbon Capture Power Plant

Peng Yuan1Lou Suhua1Wu Yaowu1Wang Ying2Zhou Kunpeng2

（1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology School of Electricl and Electronic Engineering Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 2. Electric Power Research Institute of State Grid Hubei Electric Power Company Wuhan 430077 China）

As one of the important technical paths to build a clean energy system, carbon capture power plant can achieve low carbonization during thermal power generation. The carbon capture power plant equipped with solvent storage can decouple the absorption and regeneration processes of CO2, which makes its coordinated ability of carbon capture and power generation stronger. According to the operating mechanism and energy flow characteristics of solvent-storaged carbon capture power plant, the carbon capture and power generation output model is constructed. Besides, the operating range of the total output and net output of carbon capture units with or without solvent storage are quantitatively studied by drawing two-dimensional coordinate diagram. Based on this, the low-carbon economic dispatch model of power system integrated with wind power considering solvent-storaged carbon capture power plant is established. With the goal of the lowest overall operating cost, the model takes into account the power generation cost, carbon trading cost and risk cost of the system. Taking the 20-unit system as an example, the optimal dispatch of system accommodated solvent-storaged carbon capture power plant is studied. The rationality and effectiveness of the proposed model are verified by numerical results.

Carbon capture power plant, solvent storage, wind power accommodation, coordinated optimization, low-carbon economic dispatch

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201249

TM 734

國家自然科學基金（51977087）和國家電網公司科技項目（521532190003）資助。

2020-09-18

2021-03-01

彭 元 女，1996年生，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)運行優(yōu)化。E-mail：py964398682@163.com

婁素華 女，1974年生，教授，博士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化運行，新能源發(fā)電與電力技術經濟等。E-mail：shlou@hust.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）