徐世明

（國能長源隨州發(fā)電有限公司，湖北 隨州 441326）

0 引 言

目前，在多能源系統(tǒng)研究中，對于“雙碳”背景下適應需求的研究較少，并且也缺乏對多能源市場價格傳導機制的關注。本文以綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System，IES）為主要研究對象，基于“雙碳”背景下節(jié)能減排，以綜合能源系統(tǒng)運行維護最小成本為目標，構(gòu)建了綜合能源運行策略，并采用算例驗證方法驗證了算法運行的可行性和可靠性。

1 綜合能源系統(tǒng)構(gòu)建

綜合能源系統(tǒng)是一種通過調(diào)配能源供給方式，采用耦合互補來滿足系統(tǒng)運行負荷需求的能源調(diào)度系統(tǒng)。近年來，隨著人們環(huán)境保護意識、節(jié)約能源意識的不斷增強，垃圾處理單元在IES中的接入不僅滿足了城市垃圾減量，而且也可以將城市廢棄物轉(zhuǎn)換為可以利用能源，實現(xiàn)減排、節(jié)能的目的，為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標提供了支撐[1]。

圖1所示的為綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，IES主要由能源輸出端、輸入端和能量耦合端組成。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)能源與廢棄物處理的多能互補和梯級利用，能源輸入端主要包括垃圾處理供能、風能、天然氣網(wǎng)、太陽能和大電網(wǎng)；能源輸出端與氣負荷、熱負荷和電負荷相連接；能量耦合端由燃氣輪機、電轉(zhuǎn)氣裝置等多源轉(zhuǎn)換設備以及儲氣、儲熱和儲電等儲能設備組成。

1.1 城市垃圾處理單元

城市垃圾清理和運輸處理工作包括垃圾運輸、收集以及填埋等步驟，工作流程煩瑣，并且垃圾占地面積較大，不僅會造成社會資源浪費，而且也使得垃圾資源無法得到有效利用[2]。隨著城市垃圾處理技術和焚燒發(fā)電技術的飛速發(fā)展，垃圾供能效率得到了進一步的提升，垃圾處理技術可以在處理城市生活垃圾的同時，收集垃圾處理過程中產(chǎn)生的氫氣和甲烷等可燃氣體，然后供城市供能系統(tǒng)使用。本文將垃圾焚燒發(fā)電技術與垃圾降解技術相結(jié)合，構(gòu)建了垃圾處理單元供能模型，垃圾能量轉(zhuǎn)換過程如圖2所示。

在單位時間內(nèi)，城市生活垃圾首先會經(jīng)過分類和篩選，然后將其分為城市垃圾、可降解垃圾和可燃燒垃圾，生活垃圾分配模型為

式中：Wt為t時段垃圾處理單元生活垃圾總量；Wre,t為可回收垃圾總量；Wwb,t為可燃燒垃圾總量；Wpg,t為可降解垃圾總量；λre為可回收垃圾比例；λwb為可燃燒垃圾比例；λpg可熱解垃圾比例。

生活垃圾處理過程中，對于可燃燒垃圾，其在焚燒時產(chǎn)生的熱量可以為余熱鍋爐進行加熱[3]。對于可降解垃圾產(chǎn)生的可燃燒氣體，可以將其注入城市供熱燃燒室，為余熱鍋爐提供燃料，而余熱鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽可以作為汽輪機的運行動力。城市垃圾處理單元供能模型為

式中：Ppg,h,t為可熱解生活垃圾降解時產(chǎn)生的熱量；Pwb,h,t為可燃燒生活垃圾燃燒時產(chǎn)生的熱量；ηpg為垃圾熱解氣化焚燒爐運行效率；ηmgb為甲烷、氫氣等氣體燃燒室運行效率；ηwb為垃圾焚燒爐運行效率；vpg為可降解垃圾低品位余熱，取值為14 380 kJ/kg；vvwb為可燃燒垃圾低品位余熱；取值為5 000 kJ/kg；ηq1為汽輪機發(fā)電效率；Pwd,e,t為t時段汽輪機輸出電能；ηcyd為處理單元廠用電率。

1.2 階梯碳交易運行模型

當工廠碳排放量超過城市碳排放量分配額時，工廠需要通過碳排放交易方式購買碳排放量額度，增加碳交易成本[4]。當工廠碳排放量未超過城市碳排放量分配額時，工廠可以出售多余碳排放量額度，以此來從中獲取利益。在碳排放市場機制下，碳排放交易模式可以進一步挖掘城市各個生產(chǎn)企業(yè)和工廠降低碳排放的潛力?，F(xiàn)階段，我國對于碳排放額度的分配主要以有償、無償和混合分配計算方式為主，為便于計算，本文主要采用無償分配方式，計算方法為

式中：Es為IES無償分配額度；Ee為外購電能；Ewd為垃圾處理機組；Egt為燃氣輪機碳排放額度；Egb為燃氣鍋爐碳排放額度。

2 綜合能源系統(tǒng)運行策略

2.1 目標函數(shù)

考慮IES維護成本、運行成本、購能成本等，為實現(xiàn)降低IES運行成本目標，構(gòu)建了優(yōu)化目標：

式中：FB為企業(yè)外購能源總成本；Fop為IES維護和運行總成本；Fco2為碳交易總成本。

2.2 綜合能源系統(tǒng)約束

IES約束包括功率約束，如電負荷、熱負荷和氣負荷，通過控制儲能設備、電轉(zhuǎn)氣設備、儲熱設備等功率，控制IES功率平衡性。燃氣輪機約束包括控制燃氣輪機氣轉(zhuǎn)熱、氣轉(zhuǎn)電、額定功率等[5]。燃氣鍋爐約束包括控制氣轉(zhuǎn)熱效率、額定功率等。電轉(zhuǎn)氣約束包括控制電轉(zhuǎn)氣設備額定功率和運行效率等?？稍偕茉闯隽s束包括控制光伏、風能等出力情況。處理單元約束包括控制最小垃圾處理量和最大處理量。上機主網(wǎng)交互約束主要約束IES與氣網(wǎng)和電網(wǎng)能量交換。網(wǎng)格約束包括電力網(wǎng)絡功率、電抗值、功率控制和氣網(wǎng)管道流量、功率控制等。

3 算例分析

3.1 算例設置

天然氣價格為0.96元/m3，熱值為9.98（kW·h）/m3；購電價格低谷時間段購電價格為0.36元/（kW·h），高峰時間段購電價格為1.20元/（kW·h），平時時間段購電價格為0.48元/（kW·h）；補償系數(shù)β為0.2；碳交易價格為252元/t[6]。算例仿真情景共4種，情景1為目標函數(shù)只包括Fop運維成本和FB購能成本運行模型；情景2為 IES采用低碳運行模型，并考慮垃圾處理；情景3為只采用階梯碳交易運行模型；情景4為 IES采用階梯碳交易運行模型，并考慮垃圾處理。

3.2 仿真結(jié)果分析

為驗證本文提出IES運行策略可行性和合理性，分別對上述4種情景運行模型進行仿真求解，4種情景下IES的運行成本如表1所示，IES供能出力情況如圖3所示。

表1 IES運行成本

3.2.1 情景1和情景3對比分析

情景1和情景3只采用IES運行模型，并未考慮垃圾處理，從圖3可以看出，與情景1相比，情景3 IES運行策略購電成本降低，但燃氣輪機供電量有所增長。由于企業(yè)碳交易成本會影響購氣量，當購氣成本增加時，企業(yè)采購能源減少，企業(yè)碳排放量也隨之減少。從表1中可以看出，與情景1相比，情景3購氣成本和總成本分別增長了16.8萬元、5.41萬元，碳交易成本和碳排放量分別減少14.38萬元、509.8 t[7]。由此可知，在采用階梯碳交易運行模型情況下，IES會優(yōu)先使用碳排放量較少的能源，同時在保證IES運行穩(wěn)定的同時對碳排放量進行約束。

3.2.2 情景2和情景4對比分析

從圖3可以看出，與情景2相比，情景4購電量進一步減少，但燃氣輪機和廢氣處理單元供電量有所增長。從表1中可以看出，與情景2相比，情景4碳交易成本和購能成本有一定幅度增長，但碳排放量得到了減少，垃圾處理量增長了339.63 t。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，階梯碳交易運行模型對碳排放量約束力度更大，可以在減少碳排放量的同時，增加垃圾處理量。

3.2.3 情景3和情景4對比分析

情景3和情景4均采用階梯碳交易運行模型，但是情景4考慮了垃圾處理處理并加入了垃圾處理單元，而且也其碳排放量和碳交易成本均有所減少，減小幅度分別為1 339.9 t和10.32萬元。由于情景4加入了垃圾處理單元，而這也使得IES運行總成本有所增長，但是增長幅度較小，運行成本增長幅度為4.52萬元。由此可見，在采用階梯碳交易運行模型的同時加入垃圾處理單元，對于減少碳排放量、實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義[8]。

從整體來看，情景1～情景4中低碳運行模型可以降低IES碳排放量，但效果略低于階梯碳交易運行模型，而且在模型中進入垃圾處理單元可以進一步降低碳排放量，同時提高資源利用率。

4 結(jié) 論

本文考慮了IES運行維護成本、購能成本、碳排放量、燃氣成本等，以IES最小運行成本為目標，構(gòu)建了綜合能源系統(tǒng)，分析了IES運行策略?；贗ES算例驗證了IES運行策略的有效性。在IES中應用階梯碳交易運行模型并加入垃圾處理單元，可以進一步減少碳排放排放量，增加垃圾處理量，在滿足“雙碳”背景下適應性需求的同時，提高城市生活垃圾資源的有效利用。