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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;δL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:ηP2G为P2G转化效率,一般取0.64;HQ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;ηh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;Et,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ρj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;ρj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:Pechange、Phchange、Pgchange分别为电、热、气替代型负荷改变量;ηeg、ηhe和ηgh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;Pe1,t、Ph1,t、Pg1,t,Pe0,t、Ph0,t、Pg0,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;ηe和ηh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;λmax和λmin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:EIES为系统内实际碳排放量;Eocc、Ebuy分别为富氧燃烧碳捕集机组和购电的碳排放量;δe、δh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;POCC,e,t为t时刻富氧燃烧碳捕集机组的电功率;POCC,h,t为t时刻富氧燃烧碳捕集机组的热功率。
3.2 实际碳排放模型
碳捕集设备能够捕集系统产生的大部分碳排放,并对这些捕集到的碳进行2种处理,一部分碳通过P2G甲烷反应进行转换;而另一部通过碳封存技术进行封存,因此不考虑碳封存的部分,仅仅考虑未捕获的部分作为实际的碳排放量。在系统中,由于气负荷主要是通过燃烧消耗,考虑气负荷的碳排放量,实际碳排放模型为
式中:a1、b1和c1为火电机组的碳排放系数(本文认为购电全部来源于火电);ψ为单位天然气碳排放系数;为气负荷;Eg,load为气负荷的CO2量。
3.3 阶梯式碳交易模型
为进一步约束系统的碳排放量,本文引入阶梯式碳排放,通过划分碳排放权区间,使得购买碳排放权的价格呈阶梯式上涨。阶梯式碳交易模型为
式中:为碳排放量;mj为碳交易基价,取0.253;d为碳排放区间的长度,取;α为价格增长幅度,取20%。
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