計(jì)及碳捕集電廠綜合靈活運(yùn)行方式的含P2G綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度

王義軍，李夢(mèng)涵，齊 巖

（東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林 132012）

0 引言

當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和對(duì)于加快生態(tài)文明建設(shè)、促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要［1］。具有極大減排潛力的綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）以傳統(tǒng)化石能源為主體，融合天然氣、風(fēng)能等多種能源形式，這對(duì)于提升可再生能源消納水平、推行低碳電力有重要意義［2］。

IES 通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)和電轉(zhuǎn)氣（power-to-gas，P2G）設(shè)備實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)的雙向能量流動(dòng)［3-4］。其中，P2G設(shè)備耗能由系統(tǒng)剩余風(fēng)電提供，在負(fù)荷低谷時(shí)利用系統(tǒng)棄風(fēng)將水和CO2合成甲烷，為解決棄風(fēng)消納問(wèn)題提供了新思路［5-6］。文獻(xiàn)［7］進(jìn)一步研究了P2G 的經(jīng)濟(jì)特性，證明P2G 碳來(lái)源與其較高的原料成本會(huì)制約系統(tǒng)棄風(fēng)消納水平，降低系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。碳捕集與封存（carbon capture and storage，CCS）技術(shù)為解決P2G 碳原料成本較高的問(wèn)題提供了有效途徑［8］。將CCS 與P2G 耦合，利用碳捕集系統(tǒng)捕獲的CO2作為原料供給給P2G 合成甲烷，一方面可有效削減其運(yùn)行成本，增加其運(yùn)行功率；另一方面增加了捕獲到的CO2利用效益［9］。由于P2G 僅在系統(tǒng)存在棄風(fēng)時(shí)啟用，而碳捕集電廠（carbon capture power plant，CCPP）在機(jī)組運(yùn)行期間持續(xù)排放CO2，因此P2G、碳捕集系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)間上存在不同步問(wèn)題［10］。P2G 仍需額外購(gòu)買碳原料，過(guò)高的原料成本抑制了其棄風(fēng)消納水平，不利于系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度，因此還需進(jìn)一步研究CCS-P2G 聯(lián)合運(yùn)行策略。CCPP 常規(guī)運(yùn)行方式分為煙氣分流式運(yùn)行方式與儲(chǔ)液式運(yùn)行方式［11］。單獨(dú)采用分流式運(yùn)行方式時(shí)，CCPP 吸收與捕集CO2的過(guò)程彼此耦合。CCPP 綜合靈活運(yùn)行方式即在引入煙氣旁路的基礎(chǔ)上加裝儲(chǔ)液罐，實(shí)現(xiàn)CO2吸收與捕集過(guò)程的解耦［12-13］以及能量轉(zhuǎn)移，有助于減小負(fù)荷高峰谷差。

目前尚無(wú)專家學(xué)者研究加裝儲(chǔ)液罐對(duì)于常規(guī)CCPP 與P2G 耦合協(xié)同運(yùn)行的影響，故本文在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了將儲(chǔ)液罐作為CO2“緩沖站”連接CCPP與P2G設(shè)備，通過(guò)儲(chǔ)液罐“能量時(shí)移”特性實(shí)現(xiàn)碳捕集能耗的轉(zhuǎn)移，在實(shí)現(xiàn)高效調(diào)峰的同時(shí)解決P2G、碳捕集系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間不同步問(wèn)題。本文首先對(duì)CCPP 綜合靈活運(yùn)行方式的“能量時(shí)移”特性進(jìn)行分析，借此優(yōu)勢(shì)充分探討了耦合碳捕集設(shè)備與P2G的協(xié)同運(yùn)行策略；然后，構(gòu)建了基于CCPP 綜合靈活運(yùn)行方式、考慮碳捕集設(shè)備與P2G 聯(lián)合運(yùn)行的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；最后，通過(guò)算例分析驗(yàn)證了本文所提新型聯(lián)合運(yùn)行模式可同時(shí)兼顧低碳性與經(jīng)濟(jì)性，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度存在積極影響。

1 CCPP綜合靈活運(yùn)行方式特性分析

CCPP 綜合靈活運(yùn)行方式由煙氣分流運(yùn)行方式和儲(chǔ)液式運(yùn)行方式兩部分組成［14］。

1.1 考慮綜合靈活運(yùn)行方式的CCPP模型

CCPP通過(guò)控制煙氣旁路系統(tǒng)，將發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的煙氣按一定煙氣分流比排入吸收塔后，與乙醇胺（monoethanolamine，MEA）類水溶劑發(fā)生吸收反應(yīng)。MEA 通過(guò)淋洗吸收煙氣中較大比例CO2，形成CO2含量較多的溶液（富液）。隨后，富液經(jīng)液體泵流至解析塔，在解析塔內(nèi)發(fā)生逆反應(yīng)實(shí)現(xiàn)CO2解析與MEA 溶液的再生。解析出的CO2被送至壓縮機(jī)進(jìn)行再利用或完成封存處理，再生后的溶液（貧液）則返回至吸收塔完成溶液的循環(huán)利用［15］。

綜合靈活運(yùn)行方式即在CCPP 內(nèi)引入煙氣旁路系統(tǒng)的同時(shí)，在吸收塔與解析塔中間裝設(shè)一組儲(chǔ)液罐，用于暫存以CO2化合物形式存在的富液／貧液［15］。若吸收塔吸收CO2質(zhì)量為W1，解析塔解析CO2質(zhì)量為W2，富液存儲(chǔ)罐流入量為L(zhǎng)in，富液存儲(chǔ)罐流出量為L(zhǎng)out，則儲(chǔ)液罐模型如下：

式中：WcygCO2為由儲(chǔ)液罐提供的待處理的CO2總質(zhì)量；θB為碳捕集設(shè)備捕集效率；ηB為煙氣分流比；EG為火電廠碳排放強(qiáng)度；PG為CCPP總輸出功率。

解析塔解析CO2質(zhì)量即是由儲(chǔ)液罐提供的待處理的CO2質(zhì)量與未經(jīng)乙醇類溶劑淋洗的CO2質(zhì)量總和，即：

由于CO2以化合物形式存儲(chǔ)在MEA 中，故需計(jì)算可從MEA中提取的CO2質(zhì)量與溶劑體積之間的關(guān)系［13］，如式（5）所示。

式中：VCA，i，t為t時(shí)刻CCPPi裝設(shè)的儲(chǔ)液罐釋放CO2所需的MEA 溶液體積；MMEA和MCO2分別為MEA 和CO2的摩爾質(zhì)量；μR為醇胺溶液濃度；σR為醇胺溶液密度。

富液存儲(chǔ)罐與貧液存儲(chǔ)罐的溶液量滿足流量平衡約束，如式（6）所示。

式中：LFi，t和LPi，t分別為t時(shí)刻CCPPi安裝的富液存儲(chǔ)罐和貧液存儲(chǔ)罐的溶液量；LFi，0和LPi，0分別為初始時(shí)刻CCPPi安裝的富液罐和貧液罐的溶液量；LFi，24和LPi，24分別為一個(gè)調(diào)度周期后CCPPi安裝的富液罐和貧液罐的溶液量；VF，i為富液存儲(chǔ)器i的容積；VP，i為貧液存儲(chǔ)器i的容積；θ為損耗系數(shù)。

綜合靈活運(yùn)行方式下CCPP 通過(guò)控制富液流入／流出量，使得吸收塔與解析塔按需在不同時(shí)間段處理CO2，CO2吸收環(huán)節(jié)與解析環(huán)節(jié)相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)CO2吸收與捕集過(guò)程的解耦［16］。CCPP 運(yùn)行模型如式（7）所示。

式中：PG，t為t時(shí)段CCPP 總輸出功率；PJ，t為t時(shí)段CCPP 凈輸出功率；Pm，t為t時(shí)段CCPP 的固定能耗；PY，t為t時(shí)段CCPP運(yùn)行能耗；ωB為捕集單位CO2所需能耗；WingCO2，t為t時(shí)段解析塔需要處理的CO2質(zhì)量；WingCO2為解析塔需要處理的CO2總質(zhì)量；θBmax為最大碳捕集率；WP為CCPP碳排量；WJ為CCPP凈碳排量。

1.2 儲(chǔ)液罐“能量時(shí)移”特性分析

CCPP 通過(guò)引入儲(chǔ)液罐，在負(fù)荷高峰期對(duì)CO2實(shí)現(xiàn)全額吸收而不捕集，CO2以化合物形式暫存在儲(chǔ)液罐中，在負(fù)荷高峰時(shí)降低碳捕集能耗，提高低碳機(jī)組凈輸出功率，降低高碳機(jī)組出力比例。在負(fù)荷低谷期，將負(fù)荷高峰時(shí)儲(chǔ)液罐存儲(chǔ)的CO2化合物送至解析塔解析，將CO2釋放出來(lái)進(jìn)行碳捕集處理，在提高機(jī)組碳捕集能耗的同時(shí)降低機(jī)組凈輸出功率下限，為風(fēng)電提供更多上網(wǎng)空間。

煙氣分流式CCPP凈輸出功率滿足：

由儲(chǔ)液罐額外增加的碳捕集設(shè)備運(yùn)行能耗為：

故采用綜合靈活運(yùn)行方式時(shí)CCPP 凈輸出功率滿足：

由式（10）可知，CCPP通過(guò)靈活調(diào)節(jié)煙氣比例與儲(chǔ)液罐流量可擴(kuò)大機(jī)組凈出力范圍，其示意圖見(jiàn)附錄A圖A1。

儲(chǔ)液罐作為CO2“緩沖站”，將負(fù)荷高峰時(shí)待捕集的CO2轉(zhuǎn)移到谷時(shí)進(jìn)行捕集，實(shí)現(xiàn)了碳捕集能耗的轉(zhuǎn)移，即CCPP 的“能量時(shí)移”，等價(jià)于峰時(shí)高價(jià)高碳機(jī)組出力被谷時(shí)廉價(jià)低碳機(jī)組與風(fēng)電出力代替，有利于促進(jìn)可再生能源消納與綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 含儲(chǔ)液罐的P2G-CCPP系統(tǒng)模型

2.1 P2G-CCPP聯(lián)合運(yùn)行模式框架

耦合CCPP 與P2G 設(shè)備，形成P2G-CCPP 聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)，P2G 所需碳原料可由CCS 系統(tǒng)提供。P2GCCPP聯(lián)合運(yùn)行框圖見(jiàn)附錄A圖A2。

CCPP 采用綜合靈活運(yùn)行方式，通過(guò)引入儲(chǔ)液罐，將負(fù)荷高峰時(shí)CO2轉(zhuǎn)移到谷時(shí)進(jìn)行捕集，保證P2G 在啟動(dòng)時(shí)有大量碳源去合成甲烷。CCPP 捕碳量轉(zhuǎn)移示意圖如圖1 所示，負(fù)荷高峰時(shí)分流式CCPP需捕集的CO2轉(zhuǎn)移到負(fù)荷低谷時(shí)由綜合靈活運(yùn)行方式下CCPP 的儲(chǔ)液罐提供。由此可見(jiàn)，P2G 所需碳原料可以高效經(jīng)濟(jì)地取自綜合靈活運(yùn)行方式下的CCPP，在降低CO2額外購(gòu)買量的同時(shí)，也降低了P2G運(yùn)行成本，進(jìn)而提高了P2G運(yùn)行功率。除此之外，還提高了捕集到的CO2利用效益，降低了CO2封存成本，避免了因封存泄露引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 CCPP捕碳量轉(zhuǎn)移示意圖Fig.1 Schematic diagram of carbon capture transfer from CCPP

通過(guò)P2G 和綜合靈活運(yùn)行方式下的CCPP 交互實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)與碳的動(dòng)態(tài)利用，共同承擔(dān)棄風(fēng)消納，其聯(lián)合運(yùn)行在保證系統(tǒng)低碳性能的同時(shí)兼顧風(fēng)電消納能力與經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 P2G-CCPP聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)模型

P2G-CCPP聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)模型如下：

式中：WP2G為用于P2G 設(shè)備的CO2質(zhì)量；XCO2為P2G設(shè)備在0.6 電轉(zhuǎn)化效率下生成1 MW·h 電能所需CO2質(zhì)量；PP2G，t為t時(shí)段P2G 設(shè)備輸出的有功功率；WFCO2為封存CO2質(zhì)量；Wbuy為P2G 額外購(gòu)買CO2質(zhì)量；ηP2G為燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電效率；Pgas，t為t時(shí)段燃?xì)鈾C(jī)組輸出的有功功率。

由甲烷化反應(yīng)可知P2G 設(shè)備消耗的CO2和生成甲烷的體積相等，則有：

式中：ρCO2為CO2密度；VCO2為甲烷化反應(yīng)所需CO2體積；VCH4為P2G生成甲烷的體積；Hg為天然氣熱值。

3 綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以系統(tǒng)綜合成本最低為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)考慮各機(jī)組、元件及電力網(wǎng)、天然氣網(wǎng)的約束條件構(gòu)建低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：F為系統(tǒng)的運(yùn)行成本；CH為火電機(jī)組運(yùn)行成本；CT為碳成本；CP為P2G 設(shè)備運(yùn)行成本；CR為天然氣成本；CW為棄風(fēng)懲罰總成本；CZ為CCPP 日折舊成本。

1）火電機(jī)組運(yùn)行成本CH。

火電機(jī)組運(yùn)行成本包括火電機(jī)組總煤耗成本CK及火電機(jī)組啟停總成本CQ。

式中：Ut為t時(shí)段火電機(jī)組啟停變量，Ut=1 表示火電機(jī)組處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)，Ut=0 表示火電機(jī)組處于關(guān)機(jī)狀態(tài)；ai、bi、ci為火電機(jī)組i耗量特性參數(shù)；Qi為火電機(jī)組i的啟停成本。

2）棄風(fēng)懲罰總成本CW。

式中：Kq為單位棄風(fēng)懲罰系數(shù)；Pwq，t為t時(shí)段系統(tǒng)棄風(fēng)總功率；Pprew，t為t時(shí)段預(yù)測(cè)風(fēng)電出力；Pw，t為t時(shí)段實(shí)際風(fēng)電出力。

3）碳成本CT。

碳成本由碳交易成本CJ與碳封存、運(yùn)輸成本CF組成。

式中：λCO2為碳交易價(jià)格；Dp，t為t時(shí)段內(nèi)火電機(jī)組碳排量配額；Dj，t為t時(shí)段燃?xì)鈾C(jī)組碳排量配額；γh為火電機(jī)組碳排放配額系數(shù)；μh為燃?xì)鈾C(jī)組碳排放配額系數(shù)；σc為碳封存成本系數(shù)。

4）P2G設(shè)備運(yùn)行成本CP。

P2G 設(shè)備運(yùn)行成本包括原料成本及耗電成本兩部分，其中原料成本指P2G 設(shè)備在合成甲烷時(shí)除CCS捕到的CO2外，額外仍需購(gòu)買的碳原料成本。

式中：KCO2為CO2原料成本系數(shù)；KP2G為P2G 設(shè)備運(yùn)行成本系數(shù)。

5）天然氣成本CR。

天然氣成本為燃?xì)鈾C(jī)組耗氣成本減去P2G設(shè)備生成甲烷的收益。

式中：Vc，t為t時(shí)段P2G 經(jīng)甲烷化反應(yīng)生成的天然氣體積；Kgas為單位體積天然氣成本系數(shù)；CCH4為天然氣單價(jià)。

6）CCPP日折舊成本CZ。

CCPP 日折舊成本包括煙氣分流裝置折舊成本及儲(chǔ)液罐折舊成本。

式中：α為碳捕集設(shè)備折舊率；CFL為分流式碳捕集設(shè)備總成本；NZJ為分流式碳捕集設(shè)備折舊年限；CCY為單位體積儲(chǔ)液罐總成本；VCY和NCY分別為儲(chǔ)液罐總體積和折舊年限。

3.2 約束條件

1）電功率平衡約束。

式中：PL，t為t時(shí)段系統(tǒng)電負(fù)荷。

2）常規(guī)機(jī)組出力約束。

式中：PG，min為機(jī)組最小出力；PG，max為機(jī)組最大出力。

3）常規(guī)火電機(jī)組爬坡功率約束。

式中：PG，up、PG，down分別為機(jī)組向上、向下爬坡率最大值。

4）CCPP出力約束。

CCPP出力約束見(jiàn)式（1）—（10）。

5）風(fēng)電出力約束。

6）P2G設(shè)備出力約束。

式中：PP2G，max、PP2G，min分別為P2G設(shè)備出力上、下限。

7）天然氣網(wǎng)絡(luò)約束。

與電力網(wǎng)絡(luò)類似，天然氣網(wǎng)絡(luò)也具有流量平衡約束以及管道運(yùn)行約束。

（1）流量平衡約束。

式中：SG，t為t時(shí)段氣源產(chǎn)氣量；QSout，t、QSin，t分別為t時(shí)段儲(chǔ)氣罐出氣、進(jìn)氣量；Fmn，t為t時(shí)段穩(wěn)態(tài)條件下天然氣系統(tǒng)中輸氣管道m(xù)n流量；FP2G，t為t時(shí)段P2G 設(shè)備轉(zhuǎn)換得到的天然氣流量；Fgas，t為t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)輸出電功率所消耗的天然氣流量。

（2）管道潮流約束。

穩(wěn)態(tài)條件下天然氣系統(tǒng)中輸氣管道m(xù)n流量Fmn為：

式中：kmn為與輸氣管道m(xù)n因素有關(guān)的固定參數(shù)；Smn為表征輸氣管道m(xù)n流量方向的變量；πm、πn分別為節(jié)點(diǎn)m和節(jié)點(diǎn)n的氣壓值。

（3）節(jié)點(diǎn)氣壓約束。

式中：πi，min、πi，max分別為節(jié)點(diǎn)i允許氣壓的最小值和最大值。

（4）儲(chǔ)氣罐出氣約束。

式中：QS為儲(chǔ)氣罐出氣量；QS，min、QS，max分別為儲(chǔ)氣罐出氣量的最小值和最大值。

（5）天然氣網(wǎng)管道流量約束。

式中：Fmn，max為輸氣管道m(xù)n內(nèi)允許流過(guò)的最大氣流量。

4 算例分析

4.1 算例系統(tǒng)概述

本文采用由改進(jìn)的IEEE 39 節(jié)點(diǎn)電力網(wǎng)絡(luò)模型和7 節(jié)點(diǎn)天然氣網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)成的綜合能源系統(tǒng)為例進(jìn)行算例分析，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)附錄A 圖A3，并將火電機(jī)組G1、G2 改造為CCPP，在節(jié)點(diǎn)2、5、14、21、26 分別接入200 MW 風(fēng)電場(chǎng)。風(fēng)電及負(fù)荷預(yù)測(cè)功率見(jiàn)附錄A圖A4。其他相關(guān)參數(shù)見(jiàn)附錄B。

根據(jù)是否引入CCPP、儲(chǔ)液罐，設(shè)定如下3 種場(chǎng)景：場(chǎng)景1，不含CCPP、考慮P2G 作用的IES 調(diào)度運(yùn)行情況；場(chǎng)景2，考慮煙氣分流式CCPP，同時(shí)考慮P2G 作用的IES 調(diào)度運(yùn)行情況；場(chǎng)景3，考慮綜合靈活運(yùn)行方式（含儲(chǔ)液罐）下CCPP，同時(shí)考慮P2G 作用的IES調(diào)度運(yùn)行情況。

4.2 IES調(diào)度結(jié)果分析

本文考慮以上3 種場(chǎng)景下系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度情況，以驗(yàn)證本文所提調(diào)度模型的優(yōu)勢(shì)。表1 給出了3種場(chǎng)景下的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果對(duì)比。

由表1 可知：場(chǎng)景2 較場(chǎng)景1 實(shí)際碳排放降低了10 930.2 t，燃煤成本增加了26.92 萬(wàn)元，而總調(diào)度成本降低了27.58 萬(wàn)元，這是由于加裝碳捕集設(shè)備使CCPP需承擔(dān)額外的碳捕集運(yùn)行能耗，故增加了燃料成本；此外，CCS 可捕集火電機(jī)組排放出的一定比例的CO2，并通過(guò)售賣多余的碳排放配額獲利，因此總調(diào)度成本下降。場(chǎng)景3 在場(chǎng)景2 的基礎(chǔ)上加裝儲(chǔ)液罐，其棄風(fēng)成本較場(chǎng)景2 降低了8.30 萬(wàn)元，棄風(fēng)率由2.2%降低到0.4%，總調(diào)度成本較場(chǎng)景2 降低了12.48萬(wàn)元，且實(shí)際碳排量較場(chǎng)景2降低了687.8 t，證明了本文所提優(yōu)化模型在低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方面的優(yōu)勢(shì)。

表1 3種場(chǎng)景下系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of dispatching results among three scenarios

4.2.1 不同運(yùn)行方式對(duì)系統(tǒng)碳排量的影響分析

實(shí)際碳排量可以直觀地反映IES 碳排放水平，實(shí)際碳排量越低，碳捕集量越高，對(duì)降低碳成本、減緩溫室效應(yīng)、減少環(huán)境污染影響越明顯。

由表1 可知：場(chǎng)景1—3 中，未裝設(shè)碳捕集設(shè)備的場(chǎng)景1，由于機(jī)組為常規(guī)機(jī)組，故碳排量較高，為15 693 t；裝設(shè)碳捕集設(shè)備的場(chǎng)景2、3，實(shí)際碳排量分別為4 762.8、4 075 t，以此證明裝設(shè)碳捕集設(shè)備對(duì)IES 低碳調(diào)度會(huì)產(chǎn)生積極影響。且場(chǎng)景3 下碳排量低于場(chǎng)景2，體現(xiàn)了配備儲(chǔ)液罐對(duì)CCPP 降低實(shí)際碳排量的有效性。

不同場(chǎng)景下低碳機(jī)組和高碳機(jī)組凈出力變化情況分別如圖2和圖3所示。

圖2 低碳機(jī)組凈出力Fig.2 Net output of low-carbon unit

圖3 高碳機(jī)組凈出力Fig.3 Net output of high-carbon unit

由圖2、3 可知，負(fù)荷高峰時(shí)([8，20)h)場(chǎng)景3 下低碳機(jī)組G1、G2 凈出力高于場(chǎng)景2，而高碳機(jī)組G3—G10 凈出力低于場(chǎng)景1。這是由于場(chǎng)景2 下CCPP 采用分流式運(yùn)行方式，負(fù)荷高峰時(shí)CCPP 輸出功率高，產(chǎn)生CO2多，碳捕集能耗大，使得碳捕集機(jī)組凈出力降低，導(dǎo)致高碳機(jī)組G3—G10 凈出力提高。場(chǎng)景3 下CCPP 采用綜合靈活運(yùn)行方式，在負(fù)荷高峰時(shí)，儲(chǔ)液罐使機(jī)組對(duì)CO2進(jìn)行全額吸收而不捕集，因此機(jī)組捕集能耗減小，進(jìn)而提高了低碳機(jī)組G1、G2 凈出力，降低了高碳機(jī)組G3—G10 凈出力，系統(tǒng)碳排量得以減少。

另外由圖2 可知，負(fù)荷低谷時(shí)（（0，8）h 和［20，24］h）場(chǎng)景3 下低碳機(jī)組凈出力低于場(chǎng)景2。這得益于場(chǎng)景3 通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)液罐將峰時(shí)碳捕集能耗轉(zhuǎn)移到谷時(shí)，提高了負(fù)荷低谷時(shí)碳捕集機(jī)組碳捕集能耗，因此降低了低碳機(jī)組凈出力下限，為清潔能源風(fēng)電提供更多的上網(wǎng)空間，系統(tǒng)碳排量進(jìn)一步減少。

4.2.2 P2G運(yùn)行成本對(duì)棄風(fēng)消納水平的影響分析

由表1 可知，場(chǎng)景2 較場(chǎng)景1 的P2G 運(yùn)行成本降低了12.50 萬(wàn)元，棄風(fēng)成本降低了1.16 萬(wàn)元，棄風(fēng)率由2.4%降低到2.2%。相較于單純考慮P2G 設(shè)備的場(chǎng)景3，場(chǎng)景2 同時(shí)考慮了CCS 和P2G 設(shè)備，形成P2G-CCPP 耦合系統(tǒng)，降低了P2G 消納風(fēng)電的成本，增加其運(yùn)行功率，進(jìn)一步促進(jìn)了棄風(fēng)消納。

場(chǎng)景3 較場(chǎng)景2 的P2G 運(yùn)行成本降低了2.12 萬(wàn)元，棄風(fēng)成本降低了8.30 萬(wàn)元，棄風(fēng)率由2.2%降低到0.4%。這是由于場(chǎng)景2 下CCPP 采用分流式運(yùn)行方式，P2G 設(shè)備運(yùn)行功率受到CO2原料成本影響，出力較低，系統(tǒng)中仍有大量風(fēng)電無(wú)法上網(wǎng)。場(chǎng)景3 下CCPP 采用綜合靈活運(yùn)行方式，P2G 運(yùn)行功率不受CO2原料成本限制，負(fù)荷低谷時(shí)出力可達(dá)最大值，此時(shí)棄風(fēng)功率由P2G 和CCS 系統(tǒng)共同承擔(dān)，棄風(fēng)功率得以減少。

不同運(yùn)行方式下CCPP 的碳捕集能耗如圖4 所示。由圖可知，場(chǎng)景3 下碳捕集設(shè)備最大運(yùn)行能耗高于場(chǎng)景2，且在負(fù)荷低谷時(shí)碳捕集能耗提高，負(fù)荷高峰時(shí)碳捕集能耗減少，這得益于儲(chǔ)液罐的“能量時(shí)移”特性。碳捕集能耗與捕碳量呈正相關(guān)，負(fù)荷低谷時(shí)系統(tǒng)捕碳量巨大，可認(rèn)為合成甲烷所需CO2全部來(lái)自于CCS，因此P2G 無(wú)需額外購(gòu)買CO2，其原料成本可視為0，進(jìn)而減少了P2G運(yùn)行成本。

圖4 CCPP不同運(yùn)行方式下碳捕集能耗Fig.4 Carbon capture energy consumption under different operating modes of CCPP

不同場(chǎng)景下P2G運(yùn)行功率如圖5所示。

圖5 不同場(chǎng)景下P2G運(yùn)行功率Fig.5 Operating power of P2G under different scenarios

儲(chǔ)液罐的引入解耦了CO2吸收與捕集過(guò)程，解決了CO2在負(fù)荷高峰時(shí)捕集后長(zhǎng)期大量封存的高成本問(wèn)題，碳封存成本與碳交易成本較場(chǎng)景2 均降低。此外，由于系統(tǒng)碳利用量增加，碳封存量減少，還可避免因封存泄漏、爆炸造成的損失以及對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生不必要的危害。

4.3 儲(chǔ)碳與儲(chǔ)氣經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

為進(jìn)一步分析儲(chǔ)氣與儲(chǔ)碳的經(jīng)濟(jì)性以及對(duì)電力系統(tǒng)的影響，在場(chǎng)景1、場(chǎng)景3 的基礎(chǔ)上增加儲(chǔ)氣裝置，系統(tǒng)成本分析如圖6所示。

圖6 儲(chǔ)氣與儲(chǔ)碳經(jīng)濟(jì)性比較Fig.6 Comparison of economic between gas storage and carbon storage

在成本方面，儲(chǔ)氣裝置的引入使得儲(chǔ)氣成本增加了15.63萬(wàn)元，但由于儲(chǔ)能裝置可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)P2G 消納棄風(fēng)能量，負(fù)荷低谷時(shí)低價(jià)電能以天然氣形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣裝置中并在高峰電價(jià)時(shí)供給燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電，使得IES 可靈活使用低價(jià)電，IES 向上級(jí)氣網(wǎng)購(gòu)氣成本減少了19.34萬(wàn)元，因此總調(diào)度成本較未增加儲(chǔ)氣裝置時(shí)減少了3.71萬(wàn)元。儲(chǔ)氣裝置使得能量供應(yīng)時(shí)間隨負(fù)荷需求變化而發(fā)生改變，電力系統(tǒng)靈活性得以提升。

場(chǎng)景3中儲(chǔ)液罐作為CO2“緩沖站”，總調(diào)度成本在場(chǎng)景1（含儲(chǔ)氣裝置）的基礎(chǔ)上增加了43.18 萬(wàn)元儲(chǔ)碳成本；儲(chǔ)液罐的引入改善了負(fù)荷高峰時(shí)碳捕集能耗不足以全額捕獲CO2的問(wèn)題，使火電機(jī)組碳排量遠(yuǎn)低于配額，通過(guò)碳交易獲取收益43.19萬(wàn)元。得益于儲(chǔ)液罐儲(chǔ)碳作用，P2G 與CCPP 運(yùn)行時(shí)間保持同步，P2G-CCPP 碳循環(huán)系統(tǒng)緊密耦合，P2G 運(yùn)行成本降低，最大運(yùn)行功率進(jìn)一步提升，棄風(fēng)成本減少了9.46 萬(wàn)元。綜上，儲(chǔ)液罐帶來(lái)的收益可抵消儲(chǔ)碳成本，場(chǎng)景3下總調(diào)度成本較場(chǎng)景1（含儲(chǔ)氣裝置）減少了42.45 萬(wàn)元，同時(shí)碳排量下降了11 618 t。此外，較單獨(dú)增加儲(chǔ)氣裝置，儲(chǔ)液罐由于具有“能量時(shí)移”特性，可使發(fā)電機(jī)組出力下限降低、發(fā)電機(jī)組出力范圍擴(kuò)大，為可再生能源并網(wǎng)提供更大空間，電力系統(tǒng)靈活性得到進(jìn)一步提升。

4.4 靈敏性分析

4.4.1 P2G容量靈敏性分析

除了受原料成本影響外，P2G 運(yùn)行功率還受其物理容量制約，進(jìn)而影響了風(fēng)電消納能力。本節(jié)在免除P2G原料成本情況下分析不同P2G設(shè)備最大運(yùn)行功率對(duì)棄風(fēng)率及棄風(fēng)成本的影響。選用40、60、80、100 MW 的P2G 容量，分析其對(duì)棄風(fēng)率及總調(diào)度成本的影響。

不同P2G 容量下系統(tǒng)棄風(fēng)率及總調(diào)度成本比較如圖7 所示。由圖可知，系統(tǒng)棄風(fēng)率、總調(diào)度成本隨P2G 容量的增大而逐漸減小。當(dāng)容量增大至80 MW 時(shí)，棄風(fēng)率為0，風(fēng)電全額并網(wǎng)，且總調(diào)度成本達(dá)到極小值，這得益于通過(guò)增大P2G 容量而削減的棄風(fēng)成本可抵消其增加的運(yùn)行成本；當(dāng)容量超過(guò)80 MW 時(shí)，棄風(fēng)率不變，總調(diào)度成本隨P2G容量的增大而逐漸提高，棄風(fēng)成本已無(wú)法抵消P2G 設(shè)備增加的運(yùn)行成本。

圖7 不同P2G容量下系統(tǒng)棄風(fēng)率及總調(diào)度成本比較Fig.7 Comparison of wind curtailment rate and total dispatching cost with different P2G capacities

4.4.2 儲(chǔ)液罐容量靈敏性分析

本節(jié)在風(fēng)電場(chǎng)及P2G容量一定的情況下分析不同儲(chǔ)液罐容量對(duì)系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響。不同儲(chǔ)液罐容量下系統(tǒng)碳排量及總調(diào)度成本比較如圖8所示。

圖8 不同儲(chǔ)液罐容量下系統(tǒng)碳排量及總調(diào)度成本比較Fig.8 Comparison of carbon emission and total dispatching cost with different storage tank capacities

由圖8 可知，IES 碳排量隨著儲(chǔ)液罐容量的提高逐步下降，最后趨于平緩，這是由于儲(chǔ)液罐的“能量時(shí)移”作用，儲(chǔ)液罐容量越大，碳捕集能耗時(shí)移量越大，使得負(fù)荷高峰時(shí)被低碳火電機(jī)組代替出力的高碳火電機(jī)組越多，碳排量越少，且碳捕集能耗與捕碳量密切相關(guān)。儲(chǔ)液罐容量為7×104m3是碳排量拐點(diǎn)，到達(dá)7×104m3時(shí)系統(tǒng)碳排量停止下降，這是由于此時(shí)容量已足夠碳捕集能耗轉(zhuǎn)移，提高儲(chǔ)液罐容量對(duì)碳排量已無(wú)較大影響。系統(tǒng)總調(diào)度成本在儲(chǔ)液罐容量為6×104m3時(shí)達(dá)到最小值，此時(shí)儲(chǔ)液罐帶來(lái)的額外收益高于其折舊成本。隨著儲(chǔ)液罐容量的提高，系統(tǒng)總調(diào)度成本逐步上升，提高儲(chǔ)液罐容量獲得的額外收益已無(wú)法抵消其折舊成本。

5 結(jié)論

本文提出了將儲(chǔ)液罐作為CO2“緩沖站”連接CCPP 與P2G，建立了基于CCPP 靈活運(yùn)行方式、考慮P2G-CCPP 聯(lián)合運(yùn)行模式的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，并通過(guò)設(shè)置具體算例進(jìn)行分析得到以下結(jié)論。

1）相較于傳統(tǒng)的煙氣分流式運(yùn)行方式，考慮綜合靈活運(yùn)行方式的CCPP 通過(guò)加裝儲(chǔ)液罐實(shí)現(xiàn)碳捕集能耗的轉(zhuǎn)移，以具備更大的凈出力范圍與更低的出力下限，為風(fēng)電提供更多的上網(wǎng)空間。

2）IES 采用將儲(chǔ)液罐作為CO2“緩沖站”連接CCPP 與P2G 設(shè)備的新型聯(lián)合運(yùn)行模式，系統(tǒng)總調(diào)度成本、碳排量、棄風(fēng)率均存在明顯下降，且相較于CCPP 僅采用分流式運(yùn)行方式，該模式在降低碳排量、棄風(fēng)消納方面效果顯著。

3）相較于單獨(dú)增加儲(chǔ)氣裝置，儲(chǔ)液罐的引入改善了負(fù)荷高峰時(shí)碳捕集能耗不足以全額捕獲CO2的問(wèn)題，所帶來(lái)的收益可抵消增加的儲(chǔ)碳成本，使得總調(diào)度成本進(jìn)一步下降；儲(chǔ)液罐的“能量時(shí)移”特性使得P2G-CCPP 系統(tǒng)緊密耦合，電力系統(tǒng)靈活性得到進(jìn)一步提升。

4）P2G 容量對(duì)P2G-CCPP 系統(tǒng)棄風(fēng)消納水平及經(jīng)濟(jì)性存在一定影響，P2G-CCPP系統(tǒng)風(fēng)電消納能力一定程度上取決于P2G 的最大運(yùn)行功率，但總調(diào)度成本是否降低取決于容量上升帶來(lái)的收益是否能抵消額外增加的運(yùn)行成本。

5）儲(chǔ)液罐容量是影響系統(tǒng)碳排量與總調(diào)度成本的一個(gè)重要因素，適當(dāng)提高儲(chǔ)液罐容量有助于減少系統(tǒng)碳排量、降低系統(tǒng)總調(diào)度成本，但二者并非在同一容量處取最小值，故還需權(quán)衡擴(kuò)大儲(chǔ)液罐容量帶來(lái)的額外收益與增加折舊成本之間的關(guān)系。

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