应用于电力系统的碳捕集技术及其带来的变革

二氧化碳捕集和封存技术是当前最为关键的低碳技术之一,协调了化石燃料利用与碳减排之间的矛盾,从而具有广泛的应用前景。文中全面介绍了当前碳捕集技术在电力系统中的实施情况,描述了碳捕集电厂的发展前景,并结合电厂运行、电网运行、微观个体电厂投资与宏观整体电源规划中的实际需求,阐述了应用于电力系统的碳捕集技术将面临的主要挑战与亟待解决的问题,探讨了碳捕集电厂对于电力系统接纳大规模风电的促进作用,揭示了碳捕集技术的引入对于电力系统所带来的重大变革。     

低碳电力调度方式及其决策模型

低碳要素的引入将为传统的电力调度方法带来新问题和新挑战,在考虑安全性和经济性之外,还应进一步关注电力系统运行中的CO2排放。文中深入剖析了低碳电力调度的提出背景和内涵,定义了科学、高效的低碳电力调度方式;分析各类低碳电源的技术特性,建立了近零碳排放电源、普通化石燃料类电源和碳捕集电厂3类不同电源的电碳调度特性;将CO2排放作为一类可调度资源,在综合考虑低碳电力技术、碳成本和碳约束等要素的基础上,建立了低碳电力调度决策的初步模型,以协调电力调度中的"电平衡"与"碳平衡"。基于实际算例,分析了各类低碳要素的引入对于最优发电计划决策的影响。     

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。     

考虑充放电策略的换电站与风电-碳捕集虚拟电厂的低碳经济调度

风电-碳捕集虚拟电厂与换电站均具有一定程度的低碳性能,有助于电力系统低碳化。考虑系统源荷两侧低碳配合问题,提出一种考虑充放电策略的换电站与风电-碳捕集虚拟电厂协调低碳调度方法。在源侧引入了采用综合灵活运行方式的碳捕集电厂与风电场聚合,形成风电-碳捕集虚拟电厂,在荷侧考虑了具备“源荷”双重角色的换电站,并制定充放电策略,分析二者各自在低碳运行方面的不足之处,研究二者的低碳互补问题,并建立了以系统综合成本最优为目标函数的低碳经济调度模型。最后,采用改进的IEEE 30节点系统进行仿真验证,算例结果表明所提调度模型能在提高全网风电消纳能力的同时,实现系统低碳经济运行。     

基于低碳需求响应的含煤制氢与碳捕集电厂的综合能源系统优化调度

为了提高综合能源系统的低碳性与经济性,提出了煤制氢与碳捕集电厂联合运行模式下考虑低碳需求响应机制的综合能源系统优化调度。对煤制氢与富氧燃烧类型碳捕集电厂进行建模,并引入储碳罐、电转气装置以提高捕碳灵活性,降低制氧、制氢成本;将低碳需求响应机制引入综合能源系统调度模型中,并分析其减排能力;以运行成本最小为目标函数建立了综合能源系统的低碳经济调度模型。通过算例对所提策略进行验证,结果表明该策略能够提高风电消纳水平,降低整体系统的碳排放量,提升系统经济性。     

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。     

含碳捕集电厂与氢能多元利用的综合能源系统低碳经济调度

随着中国“碳达峰·碳中和”战略的不断推进,综合能源系统的绿色低碳转型迫在眉睫。针对传统碳捕集电厂灵活性较差、风电并网难以消纳等问题,提出一种含碳捕集电厂与氢能多元利用的综合能源系统低碳经济调度模型。首先,引入储液罐对传统碳捕集电厂进行改造,提高电厂应对风电波动的运行灵活性;其次,构建含两段式电转气、氢燃料电池、储氢罐和掺氢热电联产在内的氢能多元利用结构,以充分挖掘氢能利用与碳捕集电厂的协同运行潜力。在此基础上,引入阶梯碳交易机制,建立以碳交易、碳封存、燃煤及购气成本之和最小为优化目标的低碳经济调度模型。算例结果表明,文中模型能够有效提高系统的风电消纳水平和能源利用效率,具有显著的低碳经济效益。此外,碳交易基准价格的合理设定能够引导系统提高碳捕集水平。     

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。     

考虑碳捕集电厂综合灵活运行方式的低碳经济调度

碳减排是能源革命的目标之一,大力发展风电是实现低碳的重要举措。随着风电渗透率的提高,电力系统的调峰压力骤增。储液式碳捕集电厂可通过储液罐进行"削峰填谷",同时实现火电机组低碳化,是风电理想的配合电源。考虑碳捕集电厂储液式和分流式相结合的综合灵活运行方式,建立含风电的电力系统低碳经济调度模型,兼顾低碳性和经济性。首先,对碳捕集电厂储液式和分流式运行的能流特性进行研究,并考虑其调峰特性,分析碳捕集电厂综合灵活运行相对于分流式运行的优势;其次,建立考虑碳捕集电厂综合灵活运行方式的低碳经济调度模型;最后,基于CPLEX对含碳捕集电厂的IEEE 39节点电力系统进行仿真,结果证明所提方法的有效性,可为电力系统低碳经济调度提供参考。     

风电-碳捕集电厂联合运行的电力系统优化调度

碳捕集电厂的灵活运行方式使得其净出力的快速可调成为可能,利用碳捕集电厂灵活运行方式,将风电和碳捕集电厂联合调度,平抑风电的波动性,减小风电波动对系统造成的影响。通过引入火电机组成本、碳交易成本和风-碳捕集电厂联合出力波动最小的目标函数,兼顾系统的经济、低碳、安全效益。通过多目标粒子群算法求解模型,并用混沌搜索减小碳捕集电厂总出力对平抑风电波动的影响,通过改变权系数转换矩阵参数实现调度的灵活可调。算例分析验证所提模型的可行性和有效性。     

碳捕集系统在火电厂中的优化配置

从火电厂CO2排放现状和对碳捕集系统的需求情况出发,定量分析了碳捕集技术对火电厂能耗和发电成本的影响.在考虑发电成本和技术不相容性约束下,建立了以最大化CO2减排量为目标的碳捕集系统优化配置模型,并给出了基于改进离散粒子群算法的碳捕集系统优化配置算法.通过算例分析,验证了所提模型和算法的有效性.     

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。     

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。     

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。     

考虑碳排放权价格敏感区间的碳捕集水平优化建模

在总量控制与排放贸易的碳排放权交易市场机制下,以发电成本模型为基础,考虑碳排放权购买成本,建立了碳排放权交易模型.由于碳捕集系统消耗捕集能耗,造成电厂利润损失,因此定义了售电损失成本,进而建立了考虑售电损失成本的碳捕集水平优化模型.以具有碳捕集系统的不同费用特性的机组为参照,分别计算不同碳排放权价格和净输出功率下的碳捕集水平,得出碳排放权交易模型和碳捕集水平优化模型下能有效刺激发电商参与碳捕集的碳排放权价格敏感区间,对照分析欧盟碳排放交易体系下碳排放权期货价格和现货价格变化特点,反映了碳捕集水平优化模型的合理、可行和有效.     

火电厂CO2捕集及资源化技术

温室气体CO2的减排问题已经引起了国际社会的极大关注。针对于CO2的集中排放源,介绍了火力发电厂各种CO2分离捕集技术的发展现状。直接从火力发电厂的烟气中分离并捕集CO2,然后对其进行储存或加以利用,是目前控制和减缓温室气体排放的重要措施之一。基于经济可行性,还介绍了包括EOR在内的各种CO2资源化技术,并展望了CO2减排技术的发展前景。     

Development of Carbon Dioxide Capture Technologies in Coal-Fired Power Plants

With a particular reference to China Huaneng Group’s practices in CO_2 capture, this article presents a brief ing on the current development of CO_2 capture technologies in coal-fired power plants both in China and abroad. Sooner or later, the integration of CO_2 capture and storage (CCS) facility with coal-fired power plant will be inevitably put on the agenda of developers.