考慮電轉(zhuǎn)氣-碳捕集-氫燃料電池的“以氣定熱”整體建模與優(yōu)化

包廣清，王建輝

（1.西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500；2.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，電力行業(yè)要求實(shí)現(xiàn)低碳化［1-2］。綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）作為多能聯(lián)供系統(tǒng)，可以提高能源利用效率和可再生能源消納率，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［3-4］。

電轉(zhuǎn)氣（power-to-gas，P2G）作為電-氣耦合點(diǎn)，可將多余可再生能源轉(zhuǎn)換為天然氣［5］，提高可再生能源消納能力。例如：P2G 可將過剩風(fēng)電轉(zhuǎn)化為甲烷，提高風(fēng)電消納［6］；將P2G 與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、儲能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，可以提高熱電聯(lián)產(chǎn)在多能源系統(tǒng)中的靈活性和經(jīng)濟(jì)性［7］。P2G 分電制氫階段和天然氣合成階段2 個階段。電制氫效率為60 %～80 %［8］，天然氣合成效率約為60 %［9］，單純的氫能甲烷化會影響氫能效。氫氣熱值約為143 MJ／kg［10-11］，高于甲烷的50.07 MJ／kg［9］，且氫能無污染，因此電制氫產(chǎn)生的氫能可選擇通過氫燃料電池（hydrogen fuel cell，HFC）進(jìn)行熱、電轉(zhuǎn)化［12-13］。文獻(xiàn)［14］將P2G、HFC和儲氫罐進(jìn)行聯(lián)合建模，實(shí)現(xiàn)了氫能的精細(xì)化利用。文獻(xiàn)［15］提出了由風(fēng)電、電解槽和HFC 組成的風(fēng)制氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)在滿足電負(fù)荷的同時(shí)，可將剩余電量用于制氫，并在負(fù)荷增加時(shí)將其轉(zhuǎn)換為電能。因此可以考慮將HFC 配置于P2G 氫能環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)再造電、熱能和P2G 的靈活性運(yùn)行。當(dāng)然，P2G 氫能通常用于合成天然氣，然而天然氣合成階段需要碳源，這增加了碳成本。碳捕集系統(tǒng)（carbon capture system，CCS）可捕獲CO2，將CCS 作為P2G 碳源。在實(shí)際情況下，CCS 大多與發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，構(gòu)成具有碳捕集能力的發(fā)電單元參與IES 優(yōu)化調(diào)度［16-17］。文獻(xiàn)［18］建立了燃?xì)怆姀S-P2G 組合系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)之一是能夠現(xiàn)場回收CO2供P2G 利用，從而減少碳排放，其整體模型也體現(xiàn)了碳的無轉(zhuǎn)運(yùn)過程。文獻(xiàn)［19］基于熱電聯(lián)產(chǎn)、P2G、CCS建立聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將排放974.8 t 的CO2；當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、P2G、CCS 聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將排放818.7 t 的CO2，這相當(dāng)于吸收了177.65 t的CO2用于P2G過程，吸收率為18.2 %。

CCS 與發(fā)電單元的聯(lián)合運(yùn)行雖然可以作為P2G的穩(wěn)定碳源，然而CCS 會影響發(fā)電單元運(yùn)行。CCS的引入會改變原機(jī)組設(shè)備結(jié)構(gòu)與運(yùn)行工況，造成約1/5 的能量損失［20］。此外CCS 運(yùn)行會消耗機(jī)組發(fā)電功率，影響機(jī)組發(fā)電收益。文獻(xiàn)［18-19］分別基于燃?xì)怆姀S和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電功率平衡方程推導(dǎo)得到系統(tǒng)對外輸出功率能力，這雖然能擴(kuò)大系統(tǒng)輸出功率范圍，提高系統(tǒng)靈活性，但實(shí)際上犧牲了機(jī)組發(fā)電收益。同時(shí)，P2G、CCS 和發(fā)電機(jī)組之間是基于電功率平衡約束的弱耦合關(guān)系，而CCS 與P2G 是基于甲烷合成反應(yīng)的碳-氫強(qiáng)耦合過程。相較于碳-氫耦合過程，更容易對電功率耦合進(jìn)行解耦，因此可將CCS 與P2G 作為整體模型進(jìn)行單獨(dú)分析。這樣，對于整體模型的用電需求就可以進(jìn)行靈活調(diào)整，從而降低對發(fā)電機(jī)組的影響；而對于整體模型的碳需求，也可以根據(jù)碳排放約束進(jìn)行靈活控制。

因此，本文擬將P2G、CCS、HFC 作為整體系統(tǒng)進(jìn)行分析，該整體系統(tǒng)中會存在氫能平衡耦合關(guān)系和碳-氫耦合關(guān)系。如何利用2 種耦合關(guān)系對系統(tǒng)進(jìn)行整體建模與分析呢？以往研究中，典型成果為熱電聯(lián)產(chǎn)的建模分析方式。熱電聯(lián)產(chǎn)中的燃?xì)廨啓C(jī)存在燃?xì)馄胶饧s束，基于此平衡約束，可從熱、電角度總結(jié)如下2 種熱電聯(lián)產(chǎn)建模分析方式：“以熱定電”與“以電定熱”［21］。2 種建模分析方式表征出不同的系統(tǒng)運(yùn)行特性。實(shí)際生產(chǎn)中，2 種運(yùn)行方式會應(yīng)用于不同場景，并表現(xiàn)出不同的運(yùn)行效果。同樣，文獻(xiàn)［19］基于電能平衡約束對熱電聯(lián)產(chǎn)、P2G 和CCS 進(jìn)行整體分析，該建模過程可歸納為“以P2G 和CCS 運(yùn)行功率定系統(tǒng)整體輸出功率”建模分析方式。因此，結(jié)合上述P2G、HFC、CCS 的組合方式，可以考慮基于P2G 的氫能平衡約束，研究其整體建模分析過程，并進(jìn)行多能量耦合分析。

總結(jié)來看，上述討論可總結(jié)為“系統(tǒng)設(shè)備組合”和“系統(tǒng)分析方式”2 類問題，即用設(shè)備配置和分析方式來進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)資源配置。因此，本文建立P2G、HFC 與CCS 的設(shè)備組合，同時(shí)基于氫能平衡約束挖掘系統(tǒng)整體建模分析方式。而這種設(shè)備組合形式以及基于氫能平衡約束的分析方式，目前的研究成果中幾乎沒有涉及。為此，本文首先構(gòu)建P2GCCS-HFC（P2G with CCS and HFC，PCH）聯(lián)合運(yùn)行框架。然后按照“以氣定熱”建模方式，將聯(lián)合運(yùn)行框架轉(zhuǎn)化為PCH 整體模型。最后，考慮PCH、熱電聯(lián)產(chǎn)、燃?xì)忮仩t和儲能設(shè)備構(gòu)建IES 低碳優(yōu)化模型，并通過實(shí)際算例驗(yàn)證PCH 對促進(jìn)低碳運(yùn)行的有效性。

1 PCH聯(lián)合運(yùn)行框架

圖1展示了PCH 聯(lián)合運(yùn)行框架。圖中天然氣合成階段會受到碳源影響，因此可將CCS 引入P2G 的天然氣合成環(huán)節(jié)。同時(shí)，為提高氫能利用率，可將HFC 引入P2G，這樣可充分利用多余氫能，減輕以氫能為介質(zhì)的電制氫和天然氣合成耦合性。

圖1 PCH聯(lián)合運(yùn)行框架Fig.1 Framework of joint operation of PCH

聯(lián)合運(yùn)行框架中，電制氫階段可將電能轉(zhuǎn)化為氫能，一部分氫能與CO2合成天然氣，另一部分氫能可以通過HFC 轉(zhuǎn)化為熱能和電能。同時(shí)CCS 可以捕獲CO2用于天然氣合成，從而減少CO2的間接排放。各設(shè)備簡化模型［10］的具體表達(dá)式見附錄A式（A1）—（A7）。

2 “以氣定熱”的整體建模過程

圖1 中，各設(shè)備不僅需滿足自身運(yùn)行約束，還需滿足氫能平衡約束，即式（1）。

式中：P為t時(shí)刻電制氫階段的產(chǎn)氫功率；P為t時(shí)刻天然氣合成階段的耗氫功率；P為t時(shí)刻HFC耗氫功率。

對于碳流，本文假設(shè)輸入電能為煤電（燃煤發(fā)電）、氣電（燃?xì)獍l(fā)電）性質(zhì)，因此碳源按照輸入電能進(jìn)行折算，如式（2）所示。

式中：E為t時(shí)刻碳排放功率；a1、b1、c1為碳排放因子；P為t時(shí)刻電制氫的耗電功率；P為t時(shí)刻HFC 產(chǎn)電功率；P為t時(shí)刻CCS 電功率；為t時(shí)刻PCH 整體模型的實(shí)際碳排放功率；C為t時(shí)刻CCS吸收CO2的功率。

根據(jù)圖1，電制氫階段作為氫能來源，可將其容量設(shè)定為系統(tǒng)容量，稱之為容量設(shè)備。當(dāng)電制氫過程處于某一運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于氫能平衡約束的存在，天然氣合成過程和HFC 就氫能使用量展開競爭，即一方運(yùn)行狀態(tài)將決定另一方運(yùn)行狀態(tài)，本文將起決定性作用的設(shè)備稱之為決定設(shè)備。在容量設(shè)備已知的情況下，不同決定設(shè)備決定了系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)則和建模過程，而不同運(yùn)行規(guī)則與建模過程下的整體模型將呈現(xiàn)出不同的端口能量耦合性。當(dāng)天然氣合成階段作為決定設(shè)備，HFC、CCS 作為附屬設(shè)備時(shí)，天然氣合成的運(yùn)行狀態(tài)將決定HFC 和CCS 的運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)HFC 作為決定設(shè)備，天然氣合成、CCS 作為附屬設(shè)備時(shí)，HFC 的運(yùn)行狀態(tài)將決定天然氣合成和CCS 的運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)CCS 作為決定設(shè)備，天然氣合成、HFC 作為附屬設(shè)備時(shí)，CCS 的運(yùn)行狀態(tài)將決定天然氣合成和HFC的運(yùn)行狀態(tài)。

由于篇幅有限，下文將著重分析天然氣合成過程作為決定設(shè)備，HFC、CCS 作為附屬設(shè)備時(shí)的系統(tǒng)整體建模過程，并將該建模過程命名為“以氣定熱”過程。在“以氣定熱”過程中，電制氫階段產(chǎn)生的氫能主要用于合成天然氣，剩余氫能用于HFC 轉(zhuǎn)化為電、熱能。

電制氫作為容量設(shè)備，將其耗電功率作為電制氫輸入變量，則其區(qū)間如式（A1）所示。天然氣合成過程作為決定設(shè)備，將其輸出天然氣功率作為決定變量，由式（A2）可得決定變量及其約束區(qū)間，如式（3）所示。

式中：P為t時(shí)刻天然氣合成階段的產(chǎn)氣功率；PMR，max為耗氫功率上限；ηMR為天然氣合成階段能量轉(zhuǎn)換效率。

然后通過電制氫輸入變量和決定變量確定HFC、CCS運(yùn)行區(qū)間。

聯(lián)立式（A1）—（A3）和式（1），得到HFC 運(yùn)行區(qū)間，如式（4）所示。

式中：ηEL為電制氫階段能量轉(zhuǎn)換效率；PEL，max為電制氫耗電功率上限。

聯(lián)立式（A4）和式（3），即可得到CCS 運(yùn)行約束，如式（5）所示。

式中：χ為吸收系數(shù)；?為碳-氣轉(zhuǎn)換效率。

最后推導(dǎo)端口能量耦合方程及能量區(qū)間。

1）推導(dǎo)端口電-氣耦合性。

端口電功率可表示為：

式中：P為t時(shí)刻PCH端口電功率。

將式（A1）—（A4）和式（1）代入式（6），即可得到端口電-氣耦合方程，其具體等價(jià)轉(zhuǎn)化過程見附錄B式（B1）和式（B2）。為方便分析，將端口電-氣耦合方程與決定變量區(qū)間聯(lián)立，如式（7）所示。

式中：η為HFC電能轉(zhuǎn)化效率。

根據(jù)式（7），由于氫能平衡約束和設(shè)備運(yùn)行約束，當(dāng)電制氫輸入變量和決定變量處于不同子區(qū)間時(shí)，耦合方程形式將發(fā)生變化，具體可分為如下4 個階段。

階段1：電制氫輸入變量和決定變量處于式（8）所示的子區(qū)間。

此階段下電制氫運(yùn)行功率低于天然氣合成最大運(yùn)行功率，電制氫運(yùn)行功率將隨天然氣合成運(yùn)行功率的增加而增加。此階段下電制氫產(chǎn)生的氫能將全部用于天然氣合成，直至天然氣合成運(yùn)行點(diǎn)達(dá)到最大。此時(shí)需滿足如式（9）所示的氫能平衡約束，其表示電制氫的產(chǎn)氫功率等于天然氣合成的耗氫功率，HFC耗氫功率為0。

將式（8）、（9）代入式（7），得到階段1 的電-氣耦合方程，如式（10）所示。

階段2：電制氫輸入變量和決定變量處于式（11）所示的子區(qū)間。

此階段下電制氫運(yùn)行功率大于天然氣合成最大運(yùn)行功率，天然氣合成處于最大運(yùn)行功率點(diǎn)。此階段下隨著電制氫運(yùn)行功率的增加，其產(chǎn)生的多余氫能將用于HFC，直至電制氫達(dá)到最大運(yùn)行功率。此時(shí)的氫能平衡約束如式（1）所示。

將式（11）代入式（7），得到階段2 的電-氣耦合方程，如式（12）所示。

階段3：電制氫輸入變量和決定變量處于式（13）所示的子區(qū)間。

此階段下電制氫處于最大運(yùn)行功率，隨著天然氣合成運(yùn)行點(diǎn)的變化，氫能將在天然氣合成和HFC之間相互轉(zhuǎn)化。

將式（13）代入式（7），得到階段3 的電-氣耦合方程，如式（14）所示。

階段4：電制氫輸入變量和決定變量處于式（15）所示的子區(qū)間。

此階段下天然氣合成過程不運(yùn)行，電制氫產(chǎn)生的氫能將全部用于HFC。

將式（15）代入式（7），得到階段4 的電-氣耦合方程，如式（16）所示。

綜上所述，整體模型端口的電-氣耦合特性為4 個階段的分段函數(shù)，不同階段代表整體模型的不同運(yùn)行狀態(tài)，將其用圖像表征，得到如附錄B 圖B1所示的端口電-氣耦合特性圖。

2）分析端口熱-電-氣耦合性。

端口熱能功率為式（A3）所示的氫-熱轉(zhuǎn)換公式。將式（A1）、（A2）、（1）、（7）代入式（A3），即可得到端口熱-電-氣耦合方程，如式（17）所示，其具體等價(jià)轉(zhuǎn)化過程如附錄B式（B3）所示。

式中：P為t時(shí)刻HFC 產(chǎn)熱功率；η為HFC 熱能轉(zhuǎn)化效率。

根據(jù)端口電氣耦合特性的4個階段，端口熱-電-氣耦合特性也分為4個階段。

階段1：決定變量和端口電量處于式（18）所示的子區(qū)間。

此階段下，電制氫產(chǎn)生的氫能將全部用于合成天然氣，HFC 運(yùn)行功率為0，因此整體模型端口熱功率為0。

階段2：決定變量和端口電量處于式（19）所示的子區(qū)間。

此階段下，電制氫產(chǎn)生的多余氫能將用于HFC，直至電制氫達(dá)到最大運(yùn)行功率。

將式（19）代入式（17），得到階段2的熱-電-氣耦合方程，如式（20）所示。

階段3：決定變量和端口電量處于式（21）所示的子區(qū)間。

此階段下，電制氫處于最大運(yùn)行功率，HFC的運(yùn)行狀態(tài)隨天然氣合成的變化而變化。

將式（21）代入式（17），得到階段3的熱-電-氣耦合方程，如式（22）所示。

階段4：決定變量和端口電量處于式（23）所示的子區(qū)間。

此階段下天然氣合成不運(yùn)行，電制氫產(chǎn)生的氫能將全部用于HFC。

將式（23）代入式（17），得到階段4的熱-電-氣耦合方程，如式（24）所示。

綜上所述，整體模型的端口熱-電-氣耦合特性為4個階段的分段函數(shù)，如附錄B圖B2所示。

3）分析整體模型碳排放量。

在“以氣定熱”模式下，碳排放量與整體模型端口電量以及天然氣合成的運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。聯(lián)立式（2）、（6）、（A2），得到碳排放方程，如式（25）所示。

由電-氣耦合方程可知，將決定變量和電制氫輸入變量的不同子區(qū)間代入式（25），可得到4 個階段的分段二次函數(shù)碳排放方程，為簡便起見，本文不再贅述。由碳排放方程可繪制出碳排放曲線圖，如附錄B圖B3所示。

綜上所述，PCH 整體耦合模型在“以氣定熱”模式下，式（A1）、（3）分別為整體模型電制氫輸入變量和決定變量約束，式（7）、（17）分別為整體模型端口電-氣耦合方程、熱-電-氣耦合方程及其約束，式（25）為碳排放方程。根據(jù)以上推導(dǎo)過程，可將聯(lián)合運(yùn)行框架轉(zhuǎn)化為PCH整體模型。

3 IES優(yōu)化調(diào)度模型

為驗(yàn)證“以氣定熱”下的PCH 整體模型對低碳運(yùn)行的貢獻(xiàn)度，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)、燃?xì)忮仩t和儲能設(shè)備，構(gòu)成了綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)，滿足電、熱、氣負(fù)荷需求，如圖2所示。

圖2 IES優(yōu)化調(diào)度模型Fig.2 Optimal scheduling model of IES

3.1 目標(biāo)函數(shù)

綜合考慮IES 購能成本fen，buy、碳交易成本fco2和棄風(fēng)成本fcwind，構(gòu)建以運(yùn)行總成本F最小為目標(biāo)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，目標(biāo)函數(shù)如式（26）所示。

1）購能成本。

2）碳交易成本。

利用碳交易機(jī)制模型來核算碳排放成本。該模型中，如果IES 碳排放量大于碳排放配額，則需在碳交易市場中購買碳排放權(quán)，否則可出售碳排放權(quán)。碳交易機(jī)制模型主要包含碳排放權(quán)配額模型和實(shí)際碳排放模型。

a）碳排放權(quán)配額模型。

本文IES 中的碳排放源主要有上級購電、燃?xì)忮仩t、熱電聯(lián)產(chǎn)3 類。目前我國主要采用的配額方法為無償配額，并且本文假設(shè)上級購電均來源于燃煤機(jī)組發(fā)電。

式中：Ee，buy、Eg分別為上級購電和IES 燃?xì)庠O(shè)備的碳排放權(quán)配額；P為t時(shí)刻熱電聯(lián)產(chǎn)的耗氣功率；Pt為t時(shí)刻燃?xì)忮仩t的耗氣功率；χe、χg分別為燃煤機(jī)組單位電力消耗、燃?xì)鈾C(jī)組單位天然氣消耗的碳排放權(quán)配額［22］。

b）實(shí)際碳排放模型。

式中：EIES，a、Ee，buy，a分別為IES、上級購電的實(shí)際碳排放量；Eg，a為熱電聯(lián)產(chǎn)和燃?xì)忮仩t的實(shí)際碳排放量；a2、b2、c2為耗氣型供能設(shè)備的碳排放計(jì)算參數(shù)［23］。

求得IES 的碳排放權(quán)配額及實(shí)際碳排放量，即可求得實(shí)際參與碳交易市場的碳排放權(quán)交易額，具體如下：

式中：EIES為IES的碳排放權(quán)交易量。

因此，可以得到碳交易成本為：

式中：λ為碳交易價(jià)格［23］。

3）棄風(fēng)成本。

式中：acwind為棄風(fēng)成本系數(shù)；P為t時(shí)刻系統(tǒng)棄風(fēng)功率。

3.2 約束條件

1）風(fēng)電出力約束。

式中：P為t時(shí)刻風(fēng)電消納功率；Pwind，max為風(fēng)電輸出功率上限。

2）PCH 模 型 與 約 束 見 式（A1）、（3）、（7）、（13）、（25），各設(shè)備爬坡約束見式（A1）—（A4）。

3）熱電聯(lián)產(chǎn)、燃?xì)忮仩t、儲能設(shè)備模型與約束［10］見式（A5）—（A7）。

4）電能平衡約束。

考慮到風(fēng)電功率具有較大隨機(jī)性和波動性，為減輕主網(wǎng)壓力，本文不考慮IES 向上級電網(wǎng)售電，電能平衡約束如下：

式中：P為t時(shí)刻熱電聯(lián)產(chǎn)的產(chǎn)電功率；P為t時(shí)刻儲電設(shè)備輸出電功率；P為t時(shí)刻電負(fù)荷功率。

5）熱能平衡約束。

式中：P為t時(shí)刻燃?xì)忮仩t的產(chǎn)熱功率；P為t時(shí)刻熱電聯(lián)產(chǎn)的產(chǎn)熱功率；P為t時(shí)刻儲熱設(shè)備輸出熱能功率；P為t時(shí)刻熱負(fù)荷功率。

6）天然氣平衡約束。

式中：P為t時(shí)刻儲氣設(shè)備輸出氣功率；P為t時(shí)刻天然氣負(fù)荷功率。

4 算例分析

為驗(yàn)證所提PCH 整體模型及IES 模型的有效性，設(shè)置算例進(jìn)行驗(yàn)證。以一天24 h 為周期進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，IES 內(nèi)部各設(shè)備參數(shù)見附錄C 表C1，分時(shí)電價(jià)見附錄C 表C2，各種負(fù)荷與風(fēng)電出力預(yù)測數(shù)據(jù)見附錄C 圖C1。使用YALMIP 建立IES 數(shù)學(xué)模型，在MATLAB R2017a 環(huán)境下使用CPLEX 求解器求解優(yōu)化函數(shù)。

為分析PCH 的效果，本文設(shè)置了如下3 種場景進(jìn)行分析比較：場景1，IES不含P2G、CCS 和HFC；場景2，IES 包含P2G、CCS 和HFC；場景3，IES 包含采用“以氣定熱”方式的PCH模型。

3 種場景下的最優(yōu)能量規(guī)劃見附錄D 圖D1—D3。圖3 為3 種場景下的風(fēng)電功率消納圖?？梢钥闯觯冢?0:00，07:00］和（23:00，24:00］高風(fēng)電時(shí)段，場景1 下IES 存在棄風(fēng)現(xiàn)象，且在03:00 時(shí)達(dá)到最大棄風(fēng)功率648.8 kW。場景2、3 下風(fēng)電消納能力得到提升，說明P2G、CCS 和HFC 增強(qiáng)了剩余風(fēng)電功率的消納能力。

圖3 風(fēng)電功率消納量對比Fig.3 Comparison of wind power consumption

圖4 為3 種場景下的IES 購氣量。可以看出，系統(tǒng)在場景2、3 下表現(xiàn)出更低的購氣需求。這是因?yàn)樵趫鼍?、3 下，P2G 將剩余風(fēng)電功率轉(zhuǎn)化為天然氣功率以彌補(bǔ)系統(tǒng)氣能需求，壓縮了IES 購氣量，有效降低了IES 購氣成本。進(jìn)一步對比場景2 和場景3，在“以氣定熱”下，天然氣合成階段的天然氣輸出功率增大，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)購氣量。

圖4 購氣量對比Fig.4 Comparison of gas purchase

下面著重對比場景2和場景3下的氣、熱能變化情況，以分析“以氣定熱”的優(yōu)勢。圖5為場景2和場景3下天然氣合成階段輸出的天然氣功率，圖6為場景2和場景3下HFC輸出的熱功率。

圖5 天然氣合成階段輸出的天然氣功率Fig.5 Output gas power in natural gas synthesis stage

圖6 HFC輸出的熱功率Fig.6 Output heat power of HFC

由圖5 可見，場景2 和場景3 下天然氣功率曲線的變化趨勢基本相同，但區(qū)間不同，天然氣合成在場景3 下具有更大的運(yùn)行面積。結(jié)合圖3 可知，“以氣定熱”會提高天然氣合成的運(yùn)行靈活性，間接提高其運(yùn)行優(yōu)先級。

由圖6 可見，熱功率曲線的變化趨勢基本相同，但響應(yīng)時(shí)間不同。HFC 在場景2 下表現(xiàn)為正常響應(yīng)，在場景3 下表現(xiàn)為超前響應(yīng)。首先說明HFC 的正常響應(yīng)。由于HFC 的能量轉(zhuǎn)化效率高于天然氣合成效率，因此HFC 具有更高的能量優(yōu)先級。具體表現(xiàn)為：當(dāng)系統(tǒng)整體運(yùn)行工況下降時(shí)，HFC的響應(yīng)滯后于天然氣合成過程；當(dāng)系統(tǒng)整體運(yùn)行工況提升時(shí)，HFC 超前于天然氣合成過程。在如圖5、6 所示的場景2 下，系統(tǒng)工況改變時(shí)，天然氣合成過程在05:00率先響應(yīng)，而HFC 在09:00 響應(yīng)。其次說明HFC 的超前響應(yīng)。在“以氣定熱”下，HFC 與天然氣合成進(jìn)行同步響應(yīng)。在如圖5、6所示的場景3下，HFC跟隨天然氣合成在05:00進(jìn)行了超前響應(yīng)。這說明“以氣定熱”會降低HFC 運(yùn)行優(yōu)先級，間接提高天然氣合成運(yùn)行優(yōu)先級。

綜上所述，可總結(jié)出：在整體建模中，設(shè)置優(yōu)先級低的控制變量會提升該設(shè)備運(yùn)行區(qū)間，同時(shí)提升設(shè)備運(yùn)行優(yōu)先級。下面從碳排放量和成本角度驗(yàn)證其優(yōu)勢。

圖7 為3 種場景下的碳排放量曲線。對比場景1 — 3 可知，P2G、CCS 和HFC 參與IES 優(yōu)化調(diào)度會降低系統(tǒng)碳排放量，這主要體現(xiàn)在CCS 會吸收系統(tǒng)碳源來合成天然氣，從而減少系統(tǒng)碳排放量。結(jié)合圖5 對比場景2 和場景3 可知，天然氣合成階段的運(yùn)行區(qū)間對系統(tǒng)碳排放有很大影響，主要體現(xiàn)在當(dāng)天然氣合成運(yùn)行區(qū)間較大時(shí)，系統(tǒng)會排放更少的碳，而在天然氣合成運(yùn)行區(qū)間較小時(shí)，系統(tǒng)會排放更多的碳。這是由于天然氣合成和CCS 具有碳-氫強(qiáng)耦合作用，使得天然氣合成運(yùn)行區(qū)間決定著CCS碳吸收功率的大小。因此，在“雙碳”背景下，有必要采用“以氣定熱”的方式擴(kuò)大天然氣合成運(yùn)行區(qū)間，從而降低系統(tǒng)碳排放量。

圖7 碳排放量對比Fig.7 Comparison of carbon emissions

IES 的碳排放量和運(yùn)營成本如表1 所示?？梢钥闯?，相較于場景1，場景2、3下IES具有更低的總成本。一方面，在場景2 下，P2G、CCS 和HFC 參與IES優(yōu)化調(diào)度，可降低系統(tǒng)棄風(fēng)成本和購氣成本，同時(shí)降低系統(tǒng)碳排放量，減少碳排放成本。這主要是因?yàn)镻2G 會將剩余風(fēng)能轉(zhuǎn)化為天然氣，同時(shí)CCS 吸收系統(tǒng)碳源。另一方面，在場景3 下，采用“以氣定熱”方式，天然氣合成的運(yùn)行區(qū)間和能量優(yōu)先級得到提升，進(jìn)一步釋放天然氣合成能力和CCS 碳吸收能力，進(jìn)一步降低系統(tǒng)購氣成本和碳排放量。

表1 3種場景下的IES效益對比Table 1 Comparison of IES benefits under three scenarios

5 結(jié)論

本文從P2G、CCS、HFC 聯(lián)合運(yùn)行角度出發(fā)，通過“以氣定熱”建模方式，構(gòu)建PCH 整體模型，并結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、燃?xì)忮仩t、儲能設(shè)備、風(fēng)電機(jī)組，構(gòu)建IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，通過研究分析，得出如下結(jié)論。

1）將P2G 與CCS、HFC 聯(lián)合運(yùn)行，細(xì)化考慮P2G兩階段運(yùn)行過程，可促進(jìn)風(fēng)電功率消納，同時(shí)HFC可分擔(dān)部分熱電聯(lián)產(chǎn)、燃?xì)忮仩t供能需求，降低燃?xì)忮仩t、熱電聯(lián)產(chǎn)的碳排放水平，減少碳排放量。

2）“以氣定熱”建模方式下，將P2G 與CCS、HFC聯(lián)合運(yùn)行模型轉(zhuǎn)化為PCH 整體模型，可以有效實(shí)現(xiàn)IES 低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目標(biāo)。在不增加系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)的情況下，通過在建模過程中實(shí)現(xiàn)設(shè)備優(yōu)先級的調(diào)配，不但可以實(shí)現(xiàn)碳的有效吸收，而且可以減少IES 系統(tǒng)總碳排放量，實(shí)現(xiàn)碳成本和購能成本的大幅度下降。

后續(xù)研究可以考慮將PCH 模型作為獨(dú)立主體，參與電力交易市場與碳交易市場，以尋求低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最優(yōu)化。此外，本文僅考慮天然氣合成過程作為決定設(shè)備的“以氣定熱”方式，后續(xù)將研究不同決定設(shè)備下的整體建模過程，以此來研究系統(tǒng)間不同運(yùn)行模式下的優(yōu)化問題；同時(shí)，P2G 的電制氫階段與CCS 的碳吸收過程會釋放大量熱能，本文未對此進(jìn)行考慮，后續(xù)研究可借助其詳細(xì)模型進(jìn)行聯(lián)合分析。

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