考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法

本发明属于能源系统，尤其涉及一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法。

背景技术：

1、随着多能源转换技术的发展，能源在生产、传输和使用过程中耦合关系增强，能量利用与管理成为多能源系统研究热点。在本领域现有技术中，有一种引入碳捕集技术可提高虚拟电厂经济效益，降低二氧化碳排放量的报道；也有构建电转气-碳捕集电厂模型，验证二者协调有效性的报道；还有聚焦于能量市场下火电、燃气轮机、风电和光伏等发电单元实现虚拟电厂经济调度和多目标优化的报道。综合以上公开文献的报道内容主要是利用发电单元和耦合元件进行热电协调优化，但虚拟电厂结构较为简单，虚拟电厂协调调度考虑仍不充分，故还需充分挖掘虚拟电厂下多能源协调转换利用潜力。经过检索，迄今未见与本发明有关的考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的文献报道和实际应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种结构合理，容易实现，能够充分发挥多种能源形式之间协同互补、考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂；并提供科学合理，适用性强，效果佳的虚拟电厂优化运行方法。

2、参照图1，本发明的考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂结构，包括：电力、天然气、热力、氢气和二氧化碳能源形式；风电、光伏、电解槽、氢燃料电池、垃圾焚烧电厂、储烟装置、烟气处理装置、发酵罐、储气罐、火电厂、储液罐、吸收塔、储氢罐、甲烷反应器、燃气锅炉、热电联产机组和气源，其中电解槽和甲烷反应器构成电转气装置，垃圾焚烧电厂、储烟装置和烟气处理装置构成烟气处理系统，生活垃圾分类后将干垃圾投入垃圾焚烧电厂中进行燃烧发电，燃烧产生烟气通入储烟装置中储存，在用电低谷时通入烟气处理装置中进行处理，达标后排入大气，将湿垃圾投入发酵罐中进行发酵，产生沼气注入储气罐中储存留用；其中火电厂、储液罐和吸收塔构成碳捕集系统，火电厂燃烧产生烟气先通入储液罐中进行溶解储存，在用电低谷时将溶解二氧化碳的处理液通入吸收塔中进行二氧化碳捕集封存；风电、光伏垃圾焚烧电厂、火电厂、氢燃料电池和热电联产机组产电部分一同为电负荷提供电能；弃风弃光用于电解槽电解水，产生的氢气通入储氢罐中进行储存，储氢罐部分氢气提供给氢燃料电池发电，剩余部分氢气通入甲烷反应器中与吸收塔捕集到的二氧化碳进行甲烷化反应制取天然气并注入气网；气源、储气罐和甲烷反应器一同为气负荷提供天然气；燃气锅炉和热电联产机组产热部分为热负荷提供热能。

3、参照图2，本发明的考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂优化运行方法，包括：将碳捕集系统、电转气装置、氢燃料电池聚合为碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统；火电厂发电产生二氧化碳一部分被系统捕集，剩余部分排入大气，捕集到的二氧化碳部分进行封装处理，剩余部分通入电转气装置中进行甲烷化反应；该子系统利用弃风弃光对电解槽进行供电，电解产生的氢气部分进入储氢罐中供给氢燃料电池发电，剩余部分氢气和储氢罐提供的氢气一同进行甲烷化反应；甲烷化反应产生天然气供给燃气轮机、燃气锅炉和气负荷；根据能量守恒定律，建立碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统模型。图2中mtotal为碳捕集系统产生总二氧化碳量；mg为碳捕集系统无法捕集排到大气中二氧化碳量；为碳捕集系统捕集到二氧化碳量；ms为碳捕集系统封存二氧化碳量；mp2g为捕集到供给p2g设备制天然气二氧化碳量；分别为系统弃风、弃光电解水功率；为电解槽电解产生氢气量；为进入储氢罐中氢气量；为储氢罐甲烷化反应提供氢气量；为进入甲烷反应器氢气量；为储氢罐供给氢燃料电池发电氢气量；为甲烷反应器生成的天然气量：

4、碳捕集系统是在传统火电厂基础上，加装碳捕集装置对火电产生的二氧化碳进行吸收捕集。碳捕集系统主要由火电厂、储液罐、吸收塔组成，碳捕集系统灵活运行方式由两部分组成：一是烟气分流模式；二是储液模式。烟气分流模式通过控制烟气旁路系统，从而改变进入吸收塔烟气比例，当增大进入系统烟气比例时，将提高系统捕集水平，捕集能耗增加，电厂净出力减小，反之亦然。储液模式引入富液存储器和贫液存储器，使得二氧化碳吸收与解析环节可以相互独立，当富液产生速率大于溶液再生速率时，富液存储量增大，贫液存储量减小，捕集能耗减小，电厂净出力增大，反之亦然。碳捕集能耗包括固定能耗和运行能耗，碳捕集系统数学模型如公式(1)所示：

5、

6、式中：为火电厂总功率；为火电厂净输出功率；pg,f为碳捕集固定能耗；为碳捕集运行能耗；α为系统捕集单位二氧化碳所消耗的能量；为系统捕集二氧化碳量；为储液罐即将处理二氧化碳量；ηg,c为碳捕集效率；δ为碳捕集系统烟气分流比；为火电厂释放二氧化碳总量；φ为火电厂碳排放强度；为火电厂最大总功率。

7、根据上述表达式，可推出发电厂净输出功率，如公式(2)所示：

8、

9、垃圾分类政策实施后，可将生活垃圾分类为干垃圾与湿垃圾，现有关于垃圾焚烧电厂报道中仅考虑电厂发电收益，忽略湿垃圾发酵产生沼气效益，虽然从发电角度，垃圾分类对焚烧电厂发电影响有限，但从气网角度，考虑沼气利用，对购气成本具有一定影响。垃圾焚烧电厂中干、湿垃圾协同处理过程如图3，其中干湿垃圾处理比例为3：1。湿垃圾经过电厂内部进行筛分，将筛分后易腐组分进行挤压和厌氧处理，产生清洁的沼气资源供给系统气网以减少购气成本；筛分后的其他组分、残渣、污泥同干垃圾一同注入到垃圾池中静置处理，脱除渗滤液后的垃圾进入焚烧炉中进行焚烧，利用焚烧产生的热量给水加热，产生蒸汽送入汽轮机进行发电，由于垃圾焚烧电厂每日处理垃圾量一定，故本文垃圾焚烧电厂日处理干垃圾产电量为1500mw，其垃圾处理量、发电量与沼气产生量之间的关系如公式(3)-(4)所示：

10、ptr＝β1m(3)

11、

12、式中：为t时刻垃圾焚烧电厂干垃圾燃烧产生电能；m为垃圾焚烧电厂处理总垃圾量；为垃圾焚烧电厂t时刻湿垃圾发酵产沼气量；β1为垃圾焚烧电厂干垃圾发电转换系数；β2为湿垃圾发酵产沼气转换系数。

13、储气装置可根据当前时刻的负荷需求情况进行烟气的灵活存储，实现烟气处理与发电之间的解耦，使得烟气处理所需的能耗视为可时移负荷，烟气处理能耗如公式(5)所示：

14、

15、式中：为t时刻系统进行烟气处理所需能耗；μγ为处理单位烟气量所需能耗；为t时刻垃圾焚烧电厂产生烟气量；为t时刻储气装置提供烟气量。

16、碳捕集能耗包括固定能耗和运行能耗，碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统能耗由发电机组提供，碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统能耗及碳捕集能耗如公式(6)所示：

17、

18、式中：为t时刻碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统总能耗；为t时刻子系统中碳捕集能耗；为t时刻电转气装置能耗；分别为t时刻系统中用于电解水的风电、光伏能耗；为碳捕集系统运行能耗；为碳捕集系统固定能耗；为碳捕集系统净出力；为碳捕集系统总出力；为碳捕集系统提供碳捕集能耗；为碳捕集系统提供烟气处理能耗。

19、碳捕集系统捕集二氧化碳总量为碳封存部分为ms，供给电转气装置部分为mp2g；t时刻碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统捕集二氧化碳量，如公式(7)所示：

20、

21、式中：α为碳捕集系统捕集单位二氧化碳运行能耗。

22、电转气设备在t时刻消耗二氧化碳总量为如公式(8)所示：

23、

24、式中：θ为产生单位天然气时所需二氧化碳量；ηp2g为电转气转换效率。t时刻电转气装置生成天然气体积如公式所示：

25、

26、式中：为天然气热值，取39mj/m3。

27、本发明采用碳捕集系统、垃圾焚烧电厂、风电、光伏和氢燃料电池联合运行策略。风电、光伏将部分电能用于供给电网，剩余部分电能用于电转气装置；碳捕集系统和垃圾焚烧电厂将大部分电能供给电网，剩余电能供给烟气处理系统；氢燃料电池将部分电能供给电网，剩余电能供给碳捕集系统和烟气处理系统，如公式(10)所示：

28、

29、式中：为碳捕集系统总能耗；和分别为火电厂和焚烧电厂供给碳捕集系统、烟气处理系统和电网能耗；和分别为氢燃料电池供给碳捕集系统、烟气处理系统和电网能耗；和分别为风电和光伏供给电网、电解水能耗；和分别为火电厂、垃圾焚烧电厂、风电、光伏和氢燃料电池总出力。

30、热电联产机组模型如公式(11)所示：

31、

32、式中：和分别为t时段热电联产机组输出电功率和热功率；ηchp为热电联产机组电效率；ηl为热电联产机组耗散率；ηh为热电联产机组能量转换率。

33、燃气锅炉模型如公式(12)所示：

34、htgb＝vtgbhch4ηgb(12)

35、式中：为t时段燃气锅炉输出热功率；为燃气锅炉消耗天然气量；ηgb为燃气锅炉效率。

36、氢燃料电池模型如公式(13)所示：

37、

38、式中：为输入氢燃料电池氢功率；为氢燃料电池输出电功率；ηhfc,e为氢燃料电池电功率转换效率。

39、电解槽模型如公式(14)所示：

40、

41、式中：为t时段输入电解槽电能；为t时段电解槽输出氢能；ηel为电解槽能量转换效率。

42、甲烷反应器模型如公式(15)所示：

43、

44、式中：为t时段甲烷反应器输出天然气功率；ηmr为甲烷反应器能量转换效率；为t时段输入甲烷反应器氢能。

45、电解水制氢模型如公式(16)所示：

46、

47、式中：为电制氢生成h2量；为电解制氢过程消耗电功率；λ为单位功率转换系数，为2.993；为氢气热值，取12.7mj/m3。

48、储氢模型如公式(17)所示：

49、

50、式中：为t时刻储氢罐氢气总量；为单位时间内储氢罐进气量；为单位时间内储氢罐出气量；和分别为储氢罐进气效率和出气效率。

51、为体现本发明所构建的虚拟电厂运行经济性，考虑以虚拟电厂成本f最小为目标函数，针对一天时间内电、气、热负荷需求量，考虑各聚合单元的约束条件构建优化调度模型，其目标函数如公式(18)所示：

52、

53、式中，为火电机组煤耗成本、为天然气成本、为电转气设备成本、为碳交易成本、为运输封装二氧化碳成本、为弃风弃光成本；

54、火电机组煤耗成本具体表达式如公式(19)所示：

55、

56、式中：ai、bi和ci为燃料成本系数；pgi为火电功率。

57、天然气成本具体表达式如公式(20)所示；

58、

59、式中：为单位体积天然气的价格；为天然气热值；ε为单位电转热系数；nchp和n gb分别为燃气轮机和余热锅炉台数；和分别为t时段第j台燃气轮机和第m台锅炉输出电功率与热功率；ηchp,e，ηgb和ηp2g分别为燃气轮机、锅炉和电转气设备效率；为t时段内输入电转气设备电功率。

60、电转气设备成本具体表达式如公式(21)所示：

61、

62、式中：为购买二氧化碳固定价格；kp2g为电转气设备运行成本系数。

63、碳交易成本具体表达式如公式(22)所示：

64、

65、式中：k t为碳交易价格；δh为碳排放配额系数。

66、二氧化碳封装、运输成本具体表达式如公式(23)所示：

67、

68、式中：ξes为系统运输、封存单位二氧化碳价格；为t时段系统捕集二氧化碳总质量；为电转气设备利用单位电功率制天然气所需二氧化碳量。

69、弃风弃光成本具体表达式如公式(24)所示：

70、

71、式中：swg为弃风、弃光惩罚系数；和分别为弃风、弃光量。

72、虚拟电厂的运行受电功率平衡约束、热功率平衡约束、氢功率平衡约束、风电约束、光伏约束、碳捕集系统约束、垃圾焚烧电厂约束、热点联产机组约束、储氢罐约束、电解槽约束、甲烷反应器约束、储气罐约束、氢燃料电池约束；考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法能够提高可再生能源渗透率，平抑可再生能源波动，实现能量时移与负荷削峰填谷，降低系统运行成本，提高耦合设备能量转换率与利用效率，实现虚拟电厂的低碳经济运行。

73、电功率平衡约束、热功率平衡约束、氢功率平衡约束如公式(25)-(27)所示：

74、

75、

76、

77、风电约束如公式(28)所示：

78、

79、式中：pwind为风机预测输出；vf为风速预测值；pr为风电机组的额定输出功率；vr、vci、vco分别为风电机组发电的额定风速、切入风速、切出风速。

80、光伏约束如公式(29)所示：

81、0<ptpv<ppv,max(29)

82、式中：为光伏在t时刻的电出力；ppv,max为光伏的最大出力。

83、碳捕集系统约束如公式(30)所示：

84、

85、式中：pg,min、pg,max分别为火电厂最小、最大出力；碳捕集系统出力上限；δp f为爬坡速率。

86、垃圾焚烧电厂约束如公式(31)所示：

87、

88、式中：δpr为爬坡速率约束；为t时刻烟气存储罐储气量；vhst,max为储气装置最大容量；为储气装置进出管道最大流量；和分别为t时刻流入、流出储气装置烟气量。

89、热电联产机组约束如公式(32)所示：

90、

91、式中：pchp,min、pchp,max分别为热电联产机组的最小、最大电出力；hchp,min、hchp,max分别为热电联产机组的最小、最大热出力；δpph为爬坡速率。

92、储氢罐约束如公式(33)所示：

93、

94、式中：为储氢罐最大进气量；为储氢罐最大出气量；为储氢罐在t时刻储氢量；ghst,max为储氢罐最大容量。

95、电解槽约束如公式(34)所示：

96、

97、式中：pel,min、pel,max分别为电解槽的最小、最大电消耗功率；δpel为爬坡速率。

98、甲烷反应器约束如公式(35)所示：

99、

100、式中：pmr,min、pmr,max分别为甲烷反应器的最小、最大电消耗功率；δpmr为爬坡速率。

101、储气罐约束如公式(36)所示：

102、

103、式中：为储气罐最大进气量；为储气罐最大出气量；为储气罐在t时刻储气量；gch4,max为储气罐最大容量。

104、氢燃料电池约束如公式(37)所示：

105、

106、式中：phfc,min、phfc,max分别为氢燃料电池的最小、最大电出力；δphfc为爬坡速率。

107、本发明的一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法具有以下优点：

108、一、构建了考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂，所述虚拟电厂能够充分发挥多种能源形式之间协同互补，且结构合理，容易实现；

109、二、考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂优化运行方法，提出碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统模型，采用多电厂联合运行策略，充分发挥储氢罐、储气罐时移特性，有效提高系统耦合度和可再生能源渗透率，其优化运行方法科学合理，适用性强，效果佳，具有良好的工程应用前景。