碳捕集电厂灵活运行方法评述与展望

碳捕集电厂将赋予未来电力行业全新的运行模式和发展机制,具有深远的现实意义和研究价值。目前,尽管整个碳捕集技术领域得到了较多关注,但绝大多数仅针对碳捕集电厂的基准运行工况与静态运行方式展开研究,而对碳捕集电厂灵活运行方法的研究还处于起步阶段。文中分别从电厂层面和电力系统层面详细分析和展望了碳捕集电厂灵活运行方法的发展潜力、实现方式和技术特性,揭示了灵活运行的碳捕集电厂所具有的良好运行性能,指出碳捕集电厂将为电力系统带来巨大的效益提升空间。文中揭示了未来碳捕集电厂灵活运行方法这一领域的研究重点和发展方向,力图建立完整的碳捕集电厂灵活运行方法研究框架,以期为相关研究提供分析方向和研究思路。     

含碳捕集电厂的低碳电源规划模型

在发展低碳经济的时代背景下,各类低碳要素的引入将对传统电源规划的内涵与模式带来深刻的变化。与此同时,碳捕集电厂和碳捕集预留电厂将成为未来电源规划的重要选项。将低碳要素引入电源规划决策之中,在充分考虑传统电力系统安全、经济运行要求的前提下,建立了含碳捕集电厂的低碳电源规划模型,重点在规划层面考虑了碳捕集技术的不同配置选项和发展路线,实现对碳捕集和碳捕集预留技术的建模。所提出的低碳电源规划模型本质上是一个统一协调的规划模型,统一考虑了规划中的投资决策问题与运行模拟问题。最后,以我国某省的实际数据构造算例,验证了所提出的模型与方法的合理性与有效性。     

基于风电-碳捕集电力系统的灵活性调峰策略

高比例风电并网增大了电力系统调峰负担,因此亟需提高电力系统调峰灵活性,助力新型电力系统低碳-零碳化的发展。分析碳捕集电厂优良的调峰性能及其用于调峰辅助服务的必要性,并论证碳捕集电厂低碳特性在碳交易中发挥的积极作用,由此提出碳捕集电厂灵活性调峰的运行策略,并阐述所提策略的低碳性与经济性。构建以电力系统综合成本最优为目标的风电-碳捕集调度模型,并基于此模型对比不同灵活运行方式下碳捕集电厂的低碳性能与经济效益。最后,在改进的IEEE 39节点系统中进行仿真,结果验证了所提模型可有效协调调峰资源,在满足电力系统调峰需求的同时降低系统的碳排水平与运行成本。     

基于多阶段不同政策机制的低碳电力调度模型

碳捕集技术是现阶段电力行业实现低碳目标最重要的手段之一,同时碳捕集电厂具有良好的运行特性。目前制约碳捕集技术在电厂应用的主要原因是建设成本和运行成本过大,所以制定与碳捕集技术发展相配套的激励措施和机制已经成为实现低碳电力发展的关键。首先分析了碳捕集电厂具备的优良运行特性及其为风电等间歇性电源并网提供备用资源的能力;接着分析了电厂碳捕集系统的成本构成对火电厂能耗和发电成本的影响,总结了在碳捕集技术发展的各个阶段,政府应分别采取的相应的行政手段和一定的市场机制提高碳捕集电厂的经济竞争力;针对碳捕集技术发展的不同阶段,分别建立了各个阶段适应不同政策机制的低碳调度决策模型,这些模型均以机组出力和碳捕集量为优化变量。最后通过仿真算例,证明了在多阶段过程中所提模型的有效性和适用性。     

碳排放及燃煤约束下的电源规划及其效益评价

优化电源规划是应对电力系统"碳锁定"效应,促进电力系统减少碳排放的重要举措。考虑到国内以煤炭为主的能源结构,有必要分析碳排放及燃煤约束对电源规划的影响。在分析碳捕集电厂运行特性的基础上,建立了考虑碳排放及燃煤约束的低碳电源规划模型,并在模型中采用典型日的运行校验系统是否具备足够的调峰能力。基于国内典型地区电力系统,对不同碳排放总量约束、不同可再生能源发展场景及不同煤炭资源供应约束下的常规火电及碳捕集电厂的扩展规划进行了优化分析,分析结论表明碳捕集电厂可以充分适应电力系统的碳减排目标,满足新能源大规模发展的调峰需求。     

碳捕集电厂的运行机制研究与调峰效益分析

二氧化碳捕集和封存(carbon capture and storage,CCS)是实现电力低碳化发展的关键技术,具有光明的发展前景。作为未来重要的电源选择,碳捕集电厂的运行性能与调整能力将对电网运行的安全性与高效性产生重大影响。结合碳捕集技术的基本原理,深入研究了碳捕集电厂内部的能量流,量化分析了碳捕集电厂的运行区间,并揭示了碳捕集电厂的调峰性能。在此基础上,提出基于"电力系统调峰成本曲线"的分析方法,以直观、简明的方式实现了电力系统的调峰优化决策;并以具有复杂电源结构的电力系统为例进行调峰效果分析,特别测算了碳捕集电厂对电力系统容纳大规模风电接入的贡献率,评估了碳捕集电厂在提高电网运行安全裕度与降低系统调峰成本上的显著效益。     

考虑碳捕集与CVaR的电力系统低碳经济调度

碳捕集电厂能够实现高碳火电的低碳化，是降低碳排放的有效举措之一。伴随着风电渗透率的不断增加，且风电出力具有间歇性等特点，给电力系统带来巨大的调峰压力。通过综合灵活运行碳捕集电厂中的溶液存储设备进行“能量时移”，以解决系统接入大规模风电所造成的调峰问题。同时考虑到风电的随机性会增加调度运行中的风险，引入金融风险管理方法中的条件风险价值(conditional value-at-risk, CVaR)对调度运行中的风险成本进行度量，以系统运行经济性最高为目标，建立计及CVaR含碳捕集电厂与风电电力系统的综合低碳优化调度模型。通过仿真算例证明了所提模型的可行性，在有效降低系统的碳排放与运行风险的同时保证系统经济性最优。     

考虑储液式碳捕集电厂的含风电系统低碳经济调度

碳捕集电厂可以实现火电电能生产的低碳化,是构建清洁能源体系的重要技术路径之一.配置了溶液存储器的碳捕集电厂能够解耦CO2的吸收与再生两个环节,其捕碳和发电的协调运行能力更强.根据储液式碳捕集电厂的运行机理与能流特性,建立其捕碳与发电出力模型,并构建二维坐标图定量研究无储液与储液式碳捕集机组的总发电出力与净出力运行区间.基于此,建立计及储液式碳捕集电厂的含风电系统低碳经济调度模型,该模型以系统总运行费用最低为目标函数,考虑系统发电成本、碳交易成本以及风电出力不确定性带来的运行风险.以20机系统为例,对含储液式碳捕集电厂的系统优化调度进行研究,结果验证了所提模型的合理性与有效性.     

碳市场环境下计及碳捕集电厂和换电站的电力系统优化调度

在低碳及智能电网的背景下,提出了一种考虑碳交易并计及碳捕集电厂和换电站的电力系统优化调度模型。首先定义了电动汽车换电站虚拟电厂,并介绍了其运行特点,其次对不同电源的碳排放特性进行了分析,从总投资成本的折旧费用、燃料成本、运行维护成本及碳交易成本四个方面对电源成本进行了分析和建模。在此基础上,兼顾碳排放量和电源成本,引入功率平衡、机组及碳捕集系统爬坡、碳捕集效率等约束,建立了碳市场环境下计及碳捕集电厂和换电站的电力系统优化调度模型,并采用基于动态交换和密度距离的混合混沌粒子群优化算法对模型进行了求解,算例结果证明了所提模型及算法的有效性和正确性。     

计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度研究

随着“双碳”目标的提出,电力系统低碳化转型以及新能源高比例渗透已成为必然趋势。然而,高比例新能源并网给电力系统灵活性运行带来了更大的挑战。因此,调度侧需具备充裕的运行灵活性以平抑净负荷波动。该文以含碳捕集电厂的气-电耦合综合能源系统为对象,提出了一种计及灵活爬坡需求的低碳经济调度模型。首先,计及了电力系统、天然气系统和碳捕集电厂的运行约束,构建了计及碳排放成本的低碳经济模型。然后,考虑了发电机组与碳捕集电厂提供运行灵活性爬坡服务,建立了计及灵活爬坡产品的综合能源系统低碳经济调度模型。最后,算例测试定量分析了碳价对于综合能源系统低碳调度决策的影响,量化了燃气机组与碳捕集电厂的运行灵活性。     

计及P2G和CCS的园区级电-热-气综合能源系统多目标优化

碳捕集和可再生能源利用已经成为减少碳排放的重要措施。但捕集到的二氧化碳利用方式不明确,弃风弃光现象频发,限制了上述2种措施的减排效果。文章通过耦合电转气(power to gas, P2G)技术和碳捕集系统(carbon capture system,CCS),将其扩展到园区级电-热-气综合能源系统中,建立了一种高比例可再生能源渗透水平下的经济低碳多目标优化模型,在多情景下模拟分析了该综合能源系统在某工业园区的运行效果。结果表明,该耦合能源系统排放的大部分CO₂可以被有效捕获并送往P2G装置用于合成燃气,为利用CO₂提供了新的思路,同时显著提高了系统对可再生能源的消纳能力。对P2G设备容量的敏感性分析表明,单纯增加P2G容量虽然能减少弃能率,但会增加碳排放,因此对P2G的容量规划应当综合考虑可再生能源可用量与碳排放之间的关系。     

计及灵活运行碳捕集电厂捕获能耗的电力系统低碳经济调度

针对碳捕集设备会产生较大捕获能耗成本的问题,采用灵活捕获运行模式调节碳捕集设备的捕获水平以降低捕获能耗成本,同时利用储液罐实现捕获能耗时移.通过需求响应削峰填谷增加负荷峰值时碳捕集设备捕获能力并提高风电利用率,从而降低捕获能耗成本和碳排放.以降低捕获能耗、提高碳捕集设备灵活性为目标,建立碳捕集电厂灵活捕获和溶剂存储模型.以系统总调度成本最小为目标,构建采用灵活运行模式的碳捕集电厂并计及需求响应的电力系统低碳经济调度模型.最后基于改进的IEEE 30节点系统对所建立的模型进行仿真,算例分析结果表明,所建模型可有效减少系统总调度成本,降低系统碳排放,提高系统风电消纳能力.     

碳捕集燃气热电机组碳循环及其虚拟电厂优化运行

针对新型含碳捕集热电联产燃气机组的碳利用和经济运行问题,构建其与风电、电转气（power-to-gas,P2G）聚合的虚拟电厂。将所排放的CO₂捕集并输送至P2G,作为电转气的碳原料,产气为燃气机组提供燃料补充,从而在虚拟电厂中实现碳循环利用。以虚拟电厂收益最大为目标,以CO₂捕集率、热电比、热电厂电出力以及电转气功率为决策变量,建立虚拟电厂优化运行模型。仿真结果表明,这种聚合模式的虚拟电厂,可获得更高的经济效益、更好的风电消纳效果、更低的碳排放。这种虚拟电厂及其碳循环利用方式,是一种有效的减少弃风、降低排放、增强碳利用的能源运转途径,具有显著经济及社会效益。     

碳捕集燃气热电机组碳循环及其虚拟电厂优化运行

针对新型含碳捕集热电联产燃气机组的碳利用和经济运行问题,构建其与风电、电转气（power-to-gas,P2G）聚合的虚拟电厂。将所排放的CO₂捕集并输送至P2G,作为电转气的碳原料,产气为燃气机组提供燃料补充,从而在虚拟电厂中实现碳循环利用。以虚拟电厂收益最大为目标,以CO₂捕集率、热电比、热电厂电出力以及电转气功率为决策变量,建立虚拟电厂优化运行模型。仿真结果表明,这种聚合模式的虚拟电厂,可获得更高的经济效益、更好的风电消纳效果、更低的碳排放。这种虚拟电厂及其碳循环利用方式,是一种有效的减少弃风、降低排放、增强碳利用的能源运转途径,具有显著经济及社会效益。     

碳捕集电厂不同运行方式的电碳特性分析

碳捕集电厂具有成为未来重要电源建设选项的巨大可能性。在深入考察碳捕集电厂的技术原理、工作流程与能量流关系的基础上,深入研究了碳捕集系统内部各个功能环节的协调关系以及灵活运行的机理,从本质上定义并分析了碳捕集电厂的各类典型运行方式,包括基准运行、烟气分流、富液分流、溶液存储以及综合灵活运行方式。针对每一类典型的运行方式,深入分析了碳捕集电厂所对应的电碳特性。最后,以一台典型碳捕集电厂为实证对象构建算例,验证了所得出的研究结论。     

计及CLHG-SOFC碳捕集的多能源系统低碳优化调度

为了响应碳达峰、碳中和的发展目标,实现对能源的高效利用,减少CO2的排放,多能源系统引入基于化学链制氢-固体氧化物燃料电池（CLHG-SOFC）的碳捕集技术,以实现在供电供热的同时完成对CO2的捕集。首先,对CLHG-SOFC碳捕集模块的运行机理与能量流动关系进行分析,推导出其净输出功率模型和电碳特性关系。其次,建立计及基于CLHG-SOFC碳交易与碳封存成本的多能源系统低碳优化调度模型。最后,通过算例分析验证了所提模型能够在不同电碳特性运行下实现系统运行的经济性和低碳性。     

中国煤电生命周期二氧化碳和大气污染物排放相互影响建模分析

煤电在中国电力供应结构中占据主导地位,其环境影响是研究热点之一。建立中国煤电生命周期二氧化碳和大气污染物排放分析模型,基于文献调研构建参数数据库,测算中国煤电的单位发电量排放。结果表明,近年来中国煤电生命周期单位发电量的CO₂、SO₂、NO_x和PM_2.5排放分别为838.6 g/（kW·h）、0.34 g/（kW·h）、0.32 g/（kW·h）和0.08 g/（kW·h）。其中煤电单位发电量大气污染物排放,比实施超低排放改造前,下降幅度超过90%。研究发现,增大单机机组规模和进行超低排放改造能够有效降低煤电发电过程的大气污染物排放,采用煤电燃烧后碳捕集和存储(carbon capture and storage, CCS)处理技术能够使煤电CO₂排放下降到144 g/（kW·h）,助力碳中和目标实现。如果不采用更加严格的大气污染物排放标准和处理方式,CCS技术可能会使煤电大气污染物排放强度上升30%~40%,这与碳捕集过程使用的技术有关。     

灵活运行方式下碳捕集电厂提供备用服务的决策模型

碳捕集电厂可以通过降低碳捕集水平,将原本用于捕集CO2的能量快速、实时地释放出来以提供备用服务。文中对具有灵活运行能力的碳捕集机组,建立了已知能量市场和容量市场中标量后,以在备用市场、能量市场及碳排放市场等多个市场的综合效益最大为目标的碳捕集水平优化决策模型。模型计及了备用被调用的随机性并采用详细的机组成本模型,可以确定碳捕集机组在备用被调用与备用不被调用两种情况下的最优碳捕集水平和所需预留的备用容量。通过实际算例验证了优化的效果,并分析了碳价、机组特性、能量市场中标量及备用市场中标量等对碳捕集策略及备用服务策略的影响。