一种通过碳捕集提升燃煤机组灵活性的计算方法及应用与流程

1.本发明属于燃煤机组灵活性的改造、计算与应用领域，特别涉及一种通过碳捕集提升燃煤机组灵活性的计算方法及应用。


背景技术：

2.近些年，随着以风电和太阳能光伏为代表的可再生能源的大规模发展，电力系统中的可再生能源发电比例快速提高，这也给电力系统提出了新的挑战。在中国，燃煤机组在电力供应侧仍然占据主导地位。可再生能源的随机性和间歇性使得燃煤机组要具备充分的灵活性，以消纳更多的可再生能源。
3.碳捕集系统可以吸收并分离烟气中的co2。同时，由于在运行过程中可消耗大量的能量，碳捕集系统也可用于降低燃煤机组的最小技术出力，实现机组出力范围和深度的增加，有效平滑可再生能源的大范围波动。碳捕集与燃煤机组的结合可以形成一个碳捕集机组，不仅可以减少碳排放，还可以提高机组的灵活运行能力。随着大容量碳捕集改造的开展，燃煤机组现有的运行区间将会发生变化，进而影响控制系统的设计。本发明旨在提供一个碳捕集改造后机组的灵活运行区间的计算方法，并将其应用到综合能源系统优化调度中。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提出一种通过碳捕集提升燃煤机组灵活性的计算方法及应用场景，以解决背景技术中存在的缺陷，本发明运用此方法，计算得到的碳捕集机组灵活运行区间可为综合能源系统优化调度提供支撑。其特征在于，包括：
5.步骤一：燃煤机组co2排放质量流量计算；
6.步骤二：碳捕集系统功率消耗计算；
7.步骤三：电碳特性分析与机组运行安全区绘制；
8.步骤四：碳捕集机组调峰能力计算。
9.优选为：所述步骤一中的co2排放质量流量计算基础是煤种内碳和硫元素的质量百分比以及机组运行煤耗，其表达式为：
[0010][0011]
式中，为机组产生的co2流量，m为分子的摩尔质量，δc和δs分别为碳元素和硫元素在煤种的质量百分比，b为碳捕集电厂的实时煤耗。
[0012]
优选为：所述步骤二的碳捕集系统所消耗功率包括两方面：设备运行消耗与捕集过程动态消耗，其表达式为：
[0013][0014]
式中，p
t
表示碳捕集系统所消耗的总功率，p
ccs
表示设备运行消耗的电功率，μ为烟
气流量调节阀开度，k为捕集单位质量的co2消耗的抽汽流量，m为单位抽汽流量对应的发电功率，η为碳捕集系统的工作效率。
[0015]
优选为：所述步骤三的电碳特性指的是碳捕集机组的并网功率与co2捕集流量的关系，通过分析二者的内部联系，求得碳捕集机组运行安全区的端点坐标为：a点(p
max-p
ccs
,0)，b点c点d点(p
min-p
ccs
,0)。
[0016]
优选为：所述步骤四中的调峰能力是反映机组灵活性的重要参数，根据计算，碳捕集机组的调峰能力可表示为：
[0017][0018]
式中，p
max
和p
min
分别机组最大和最小总功率，为机组最小co2排放量。
[0019]
本发明还公开一种碳捕集系统，包括上述提升燃煤机组灵活性的计算方法，其特征为：锅炉燃烧产生的烟气通过引风机进入冷凝器1冷却，冷却后的烟气从底部进入吸收塔，其中的co2被塔内的有机胺吸收剂捕获，烟气被排到大气中；富含co2的吸收剂溶液被称为富液，被富液泵送到再生塔以分离co2，排出的co2气体被冷凝器3液化、加压器加压和密封；分离出的溶剂被再沸器重新加热加压，后与富液在热交换器内发生热量传递与转化，放热后的溶剂经贫液泵和冷凝器2进入吸收塔重复利用；再沸器的能源供应来自于汽轮机中压缸出口处抽取的蒸汽，这部分蒸汽在放热后返回至汽轮机回热加热系统；进入整个碳捕集系统的烟气流量和抽汽流量分别通过调节阀1和调节阀2来控制。
[0020]
本发明公开将上述通过碳捕集提升燃煤机组灵活性的策略与调峰范围的计算方法应用于综合能源系统优化调度过程中，步骤如下：
[0021]
步骤一：计算综合能源系统内各机组运行成本
[0022]
综合能源系统包含燃煤发电、热电联产、风电、光伏等发电形式，以及电池储能系统、储热系统。在计算过程中，仅考虑需要消耗煤炭这种一次能源的燃煤发电与热电联产机组的运行成本c1，其表达式为:
[0023][0024]
式中，t为调度时间，ng与nc分别是燃煤发电机组和热电联产机组数量.p
coal
为煤的单价.为第i台燃煤发电机组t时刻的煤耗，表达式为：
[0025][0026]
式中，为第i台燃煤发电机组在t时刻的总功率，与碳捕集系统投入率与机组运行工况有关，为燃煤机组煤耗系数。分别是第i台燃煤发电机组与第j台热电联产机组在t时刻的煤耗，表达式为：
[0027][0028]
式中，与分别为热电联产机组电功率与热功率，
为热电联产机组的煤耗系数。
[0029]
步骤二：计算风电、光伏弃电惩罚
[0030]
为促进高比例风电、光伏等可再生能源接入电网，需要对不能并网的“弃电”功率进行惩罚，成本c2为：
[0031][0032]
式中，nw与n
pv
分别为风电和光伏机组数量，与分别是风电的预测与实际功率，与分别是光伏的预测与实际功率，kw与k
pv
分别为风电与光伏的弃电惩罚系数。
[0033]
步骤三：计算污染物处理成本
[0034]
污染物治理成本与燃煤机组运行工况有关，其表达式为：
[0035][0036]
式中，与分别为石灰石与氨的单价，分别为石灰石与氨的单价，分别为燃煤发电机组与热电联产机组脱硫脱硝过程中消耗的石灰石与氨的质量，与机组运行煤耗和脱硫脱硝效率直接对应。
[0037]
步骤四：综合能源系统调度求解
[0038]
综合能源系统的总成本为c1、c2与c3之和。调度求解的原则是在满足一定的约束条件下，通过配置各机组与系统的输出，使总成本最小。约束条件有功率与负荷供需平衡、各机组与系统运行在各自限定区间内。在综合能源系统内其他环节保持一致的前提下，分别将燃煤机组投入碳捕集系统前后的场景记为场景1和场景2。根据系统在场景1和场景2的调度结果，验证碳捕集系统对新能源消纳和碳减排的作用。
[0039]
有益效果
[0040]
本发明提供一个碳捕集改造后机组的灵活运行区间的计算方法，为控制系统的设计和电网调峰调频提供依据。
附图说明
[0041]
图1：本发明的碳捕集系统工作流程图；
[0042]
图2：本发明的碳捕集机组并网功率与碳捕集流量的关系图；
[0043]
图3：本发明碳捕集前后机组并网功率范围示意图；
[0044]
图4：不同场景下风电并网功率图；
[0045]
图5：不同场景下光伏并网功率图；
[0046]
图6：不同场景下co2排放量示意图。
具体实施方式
[0047]
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优
选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
[0048]
提升燃煤机组灵活性的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0049]
步骤一：燃煤机组co2排放质量流量计算
[0050]
机组排放的co2主要由两部分组成：一是燃煤产生的，二是脱硫过程产生的。燃煤过程产生的co2质量流量为：
[0051][0052]
式中，为燃煤产生的co2流量，m为分子的摩尔质量，δc为碳元素在煤种的质量百分比，b为碳捕集电厂的实时煤耗。
[0053]
脱硫过程产生的co2的流量与so2有关。由脱硫过程的化学反应可知，每脱除1mol的so2，就会产生1mol的co2。因此，脱硫产生的co2质量流量为：
[0054][0055]
式中，为脱硫产生的co2流量，为燃煤产生的so2的质量流量，可表示为：
[0056][0057]
式中，δs为碳元素在煤种的质量百分比。
[0058]
因此，燃煤电厂总的排放co2的质量流量为：
[0059][0060]
co2的吸收量与进入碳捕集系统的烟气流量和捕集效率有关。经过碳捕集系统后，排入大气中的co2质量流量为：
[0061][0062]
式中，为实际排入大气中co2的质量流量，μ为烟气流量调节阀开度，η为碳捕集系统的工作效率。
[0063]
步骤二：碳捕集系统功率消耗计算
[0064]
接下来计算碳捕集系统的能量消耗。在碳捕集过程中，脱碳效率和再沸器温度通过调节贫液流量和抽汽流量来控制。假设脱碳效率保持不变，抽汽流量可以用捕获的co2流量表示。抽汽流量对电功率输出的影响可近似为线性。因此，碳捕集过程消耗的电能可表示为：
[0065][0066]
式中，p1为碳捕集系统消耗的电功率，k为捕集单位质量的co2消耗的抽汽流量，m为单位抽汽流量对应的发电功率。
[0067]
此外，碳捕集系统设备本身的运行需要能源供应，这与机组的运行工况无关，可认为是一个常数p
ccs
。因此，经碳捕集后，机组并网功率为：
[0068]
p2＝p-p
1-p
ccs
[0069]
式中，p为碳捕集电厂总输出功率，p2为并网功率。
[0070]
步骤三：电碳特性分析与机组运行安全区绘制
[0071]
碳捕集机组的并网功率与co2捕集流量的关系，称为电碳特性，如图2所示。图中区域abcd表示碳捕集系统运行期间机组安全运行区间。线ab表示锅炉运行在最大负荷下，随着co2捕集流量的增加，碳捕集电厂的并网功率变化趋势，此时烟气流量调节阀开度为100％。a点表示co2捕集流量为零，碳捕集系统处于空载状态，故a点坐标为(p
max-p
ccs
,0)，p
max
表示机组最大输出总功率。根据之前分析，线ab的表达式为：
[0072][0073]
b点表示所有的烟气都进入碳捕集系统进行吸收和脱除，此时co2捕集流量达到最大值大值为机组最大co2排放量。故b点坐标为
[0074]
类似地，机组在线dc运行时，锅炉负荷最小。线dc的表达式为：
[0075][0076]
式中，p
min
表示机组最小输出总功率。
[0077]
由dc的表达式可得，c点坐标为d点坐标为(p
min-p
ccs
,0)。其中，为机组最小co2排放量。
[0078]
需要注意的是，ab和dc是机组运行的等工况线，即在相应的线上，锅炉运行在同工况下。ad和bc是等碳捕集系统运行工况线。在ad工况下，控制碳捕集投入率的烟气流量调节阀开度100％。随着调节阀开度的降低，等碳捕集工况线由bc向左移动至b1c1，此时b1点坐标为c1点坐标为当碳捕集投入率降低至0时，等碳捕集工况线b1c1与ad重合。
[0079]
步骤四：碳捕集电厂调峰能力计算
[0080]
通过分析，机组的并网功率由锅炉负荷和碳捕集投入率决定。在加入碳捕集系统后，机组的旋转备用会发生变化。若任意运行工况下的总功率为p，烟气中的co2为此时机组的并网功率为p2：
[0081][0082]
通过计算，此时机组的向上旋转备用q1和向下旋转备用q2分别可表示为：
[0083][0084][0085]
机组的调峰能力被定义为最大和最小并网功率的差值。机组在加装碳捕集系统前后的并网功率范围分别为[p
min
,p
max
]和如图3所示。令碳捕集前后的机组调峰能力分别为δp1和δp2，可得：
[0086]
δp1＝p
max-p
min
[0087][0088]
对比可知，虽然碳捕集系统的加入降低了机组的最高并网功率，然而由于其为机组带来的更低的技术出力，使得机组具备更大的调峰范围。
[0089]
本发明还公开一种碳捕集系统，包括上述提升燃煤机组灵活性的计算方法，其特征为：锅炉燃烧产生的烟气通过引风机进入冷凝器1冷却，冷却后的烟气从底部进入吸收塔，其中的co2被塔内的有机胺吸收剂捕获，烟气被排到大气中；富含co2的吸收剂溶液被称为富液，被富液泵送到再生塔以分离co2，排出的co2气体被冷凝器3液化、加压器加压和密封；分离出的溶剂被再沸器重新加热加压，后与富液在热交换器内发生热量传递与转化，放热后的溶剂经贫液泵和冷凝器2进入吸收塔重复利用；再沸器的能源供应来自于汽轮机中压缸出口处抽取的蒸汽，这部分蒸汽在放热后返回至汽轮机回热加热系统；进入整个碳捕集系统的烟气流量和抽汽流量分别通过调节阀1和调节阀2来控制。
[0090]
本发明公开将上述通过碳捕集提升燃煤机组灵活性的策略与调峰范围的计算方法应用于综合能源系统优化调度过程中。步骤如下：
[0091]
步骤一：计算综合能源系统内各机组运行成本
[0092]
综合能源系统包含燃煤发电、热电联产、风电、光伏等发电形式，以及电池储能系统、储热系统。在本发明中，各发电形式的容量分别为：5台600mw燃煤纯凝发电机组、3台200mw热电联产机组、7个90mw的风电场、7个60mw的光伏电站、电储能50mwh、储热150mwh。在计算系统运行成本时，仅考虑需要消耗煤炭这种一次能源的燃煤发电与热电联产机组的运行成本c1，其表达式为:
[0093][0094]
式中，t为调度时间，ng与nc分别是燃煤发电机组和热电联产机组数量，p
coal
为煤的单价，在本发明中取500元/t，为第i台燃煤发电机组t时刻的煤耗，表达式为：
[0095][0096]
式中，为第i台燃煤发电机组在t时刻的总功率，与碳捕集系统投入率与机组运行工况有关，为燃煤机组煤耗系数。分别是第i台燃煤发电机组与第j台热电联产机组在t时刻的煤耗，表达式为：
[0097][0098]
式中，与分别为热电联产机组电功率与热功率，分别为热电联产机组电功率与热功率，与为热电联产机组的煤耗系数。
[0099]
步骤二：计算风电、光伏弃电惩罚
[0100]
为促进高比例风电、光伏等可再生能源接入电网，需要对不能并网的“弃电”功率进行惩罚，成本c2为：
[0101][0102]
式中，nw与n
pv
分别为风电和光伏机组数量，与分别是风电的预测与实际功率，与分别是光伏的预测与实际功率，kw与k
pv
分别为风电与光伏的弃电惩罚系数，
在本发明中均取100元/mw。
[0103]
步骤三：计算污染物处理成本
[0104]
污染物治理成本与燃煤机组运行工况有关，其表达式为：
[0105][0106]
式中，与分别为石灰石与氨的单价，在本发明中分别取2000元/t和3000元/t，分别为燃煤发电机组与热电联产机组脱硫脱硝过程中消耗的石灰石与氨的质量，与机组运行煤耗和脱硫脱硝效率直接对应。
[0107]
步骤四：综合能源系统调度求解
[0108]
综合能源系统的总成本为c1、c2与c3之和。调度求解的原则是在满足一定的约束条件下，通过配置各机组与系统的输出，使总成本最小。约束条件有功率与负荷供需平衡、各机组与系统运行在各自限定区间内。在综合能源系统内其他环节保持一致的前提下，分别将燃煤机组投入碳捕集系统前后的场景记为场景1和场景2。根据风电和光伏在场景1和场景2的功率调度结果，计算得到风电、光伏的渗透率在碳捕集改造后分别提高了10.61％和3.78％,co2总排放量降低了28,812.7t，验证了碳捕集系统对新能源消纳和碳减排的作用。
[0109]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。