一种碳循环系统及其应用技术方案

本发明专利技术公开了一种碳循环系统，包括CO2产生系统、碳捕集装置、电转气装置和超临界CO2发电厂，其中，该碳捕集系统捕获煤炭和天然气产生的二氧化碳，为电转气装置和超临界CO2系统提供碳源。当电力系统的负荷需求较低时，通过碳捕集系统减少燃煤机组的最低输出，以容纳更多的可再生能源；多余的可再生能源发电量将被电转气装置所消耗。该碳循环系统可应用到包括新能源的综合能源系统优化调度中。新能源的综合能源系统优化调度中。新能源的综合能源系统优化调度中。

【技术实现步骤摘要】
一种碳循环系统及其应用


[0001]本专利技术属于资源的循环利用与碳减排领域，特别涉及一种碳循环系统及其应用。

技术介绍

[0002]近年来，可再生能源因其低排放和可持续性，在发电领域取得了长足发展。然而，可再生能源的随机性和波动性也给电力系统的安全运行带来了巨大的挑战。综合能源系统可将多种能源结合起来，在实现电力和热力的能源供需平衡的基础上，促进更多的新能源接入电网，减少碳排放。然而，并非所有的新能源出力都能得到充分的利用，造成资源的浪费与大量的碳排放。亟待解决回收由于燃煤和燃气产生的CO2，以促进能源利用效率和实现碳减排。
[0003]专利技术目的
[0004]本专利技术的目的是提出一种促进能源利用效率与碳减排的碳循环系统及应用场景，以解决
技术介绍
中存在的缺陷。本专利技术将所述碳循环系统运用在综合能源系统中，可为提高能源利用效率、新能源的渗透与低碳排放提供支撑。

技术实现思路

[0005]根据本专利技术的一个方面，提供了一种碳循环系统，包括CO2产生子系统、碳捕集装置、电转气装置，其中，所述CO2产生子系统包括以CH4为燃料的燃气轮机GT、燃气锅炉GB，和以煤炭为燃料的热电联产CHP和超临界CO2发电厂；所述碳捕集装置捕集CO2产生子系统中所产生的CO2，具体是从包括燃气轮机GT、燃气锅炉GB、热电联产CHP和超临界CO2发电厂中所产生的烟气中分离和捕集CO2，所述超临界CO2发电厂采用S
‑
CO2机组发电；所被捕集的CO2一部分进入超临界CO2发电厂中作为补充工作液，一部分进入电转气装置P2G；所述碳循环系统被用于综合能源系统中，该综合能源系统包括发电装置、供热装置以及能源转换装置，所述发电装置包括风电或光伏的新能源发电装置、燃气轮机、燃气锅炉、热电联产和超临界CO2发电厂；当所述新能源发电装置出力较高时，所述碳循环系统中的电转气装置P2G利用过剩的电力将一部分CO2还原成CH4并送至燃气轮机GT或燃气锅炉GB作为燃料。
[0006]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种将上述碳循环系统用于综合能源系统优化调度的方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、建立CO2产生过程模型：将发电过程中所产生的CO2的来源指定为天然气和煤；对于天然气发电过程，将燃气轮机和燃气锅炉的输出表征为如式(1)所示：
[0008][0009]其中P和H分别为机组的电功率和热功率输出，η为电或热的生产效率，Q为天然气的消耗速率，h
NG
为天然气热值。上标GT和GB分别代表燃气轮机和燃气锅炉，下标i和j分别是燃气轮机和燃气锅炉的序列号；
量量满足如式(10)所示关系：
[0031][0032]在甲烷化过程会释放热能，所释放的热能被用于供热；假设所释放的热能用于供热的比例是η
P2G2H
，则将所述电转气装置P2G供热的总热功率表示为如式(11)所示：
[0033][0034]其中，γ为甲烷化反应产生单位甲烷所释放的热量；
[0035]在第l台超临界CO2机组运行中，补充工质的流量与第l台超临界CO2机组的输出功率满足如式(12)所示关系：
[0036][0037]其中，δ为超临界CO2机组单位电功率所需的补充工质流量；
[0038]所述电转气装置P2G和超临界CO2发电装置的CO2来源一部分由所述碳捕集装置提供，另一部分从外界购入，表示为如式(13)所示
[0039][0040]式中，为外界购入的CO2质量流量，为所述碳捕集装置所提供的CO2质量流量。
[0041]步骤4、计算综合能源系统运行成本：将所述综合能源系统运行成本定义为包括燃煤和燃气机组的燃料购买消耗，对于第i台燃气轮机与第j台燃气锅炉，运行期间的消耗分别表征为如式(14)、式(15)所示：
[0042][0043][0044]其中，与分别代表第i台燃气轮机与第j台燃气锅炉的燃气消耗，为甲烷的购买单价；
[0045]在计算购买甲烷的成本时，一些通过P2G产生的甲烷被去除，所述通过P2G产生的甲烷的消耗表示为如式(16)所示：
[0046][0047]对第l台超临界CO2机组，其运行成本与机组的输出功率之间满足如式(17)所示关系：
[0048][0049]其中，a，b和c为运行成本系数；
[0050]所述热电联产机组的燃料消耗被表示为如式(18)所示：
[0051][0052]其他运行期间的成本还包括购买CO2的成本，表示为如式(19)所示：
[0053][0054]将所述综合能源系统的总运行成本表示为如式(20)所示：
[0055][0056]式中，T为整个调度的时间，N
T
、N
B
、N
C
、N
S
分别为燃气轮机，燃气锅炉，热电联产、超临界CO2机组的数量。
[0057]步骤5、计算污染物治理成本：将在燃煤与燃气过程中的污染物限定为热电联产CHP和S
‑
CO2机组产生的SO2与NO
x
，它们的处理成本分别表示为如式(21)、式(22)所示：
[0058][0059][0060]其中，与分别为热电联产CHP和S
‑
CO2机组的污染物治理成本；
[0061]将所述综合能源系统总的污染物处理成本表示为式(23)所示：
[0062][0063]步骤6、计算新能源弃风、弃光惩罚成本：将弃电部分进行的惩罚表示为如式(24)所示：
[0064][0065]式中，N
WT
与N
PV
分别为风电和光伏机组数，K
WT
与K
PV
为风电与光伏的弃电惩罚系数，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；
[0066]步骤7、综合能源系统调度求解：调度求解遵循在约束条件下，通过配置各机组与综合能源系统的输出，使综合能源系统总成本最小；将综合能源系统的总成本表示为运行成本、污染物治理成本与弃风弃光惩罚成本之和，如式(25)所示：
[0067]C＝C
D
+C
P
+C
R
ꢀꢀꢀ
(25)；
[0068]所述综合能源系统运行时的功率输出与负荷之间的供需平衡表示如式(26)、(27)所示：
[0069][0070][0071]式中，P为各系统产生或消耗的电功率，H为各系统产生或消耗的热功率；和分别为电、热负荷需求；TES和EB分别表示储热系统与电锅炉；
[0072]根据调度结果，求得表征新能源接入率的弃风率υ
WT
与弃光率υ
PV
，如式(28)、(29)所示：：
[0073][0074][0075]将所述综合能源系统的能源利用效率被定义为连接到电网和热网的能量与总输入能量之间的比率，如式(30)所示：
[0076][0077]其中，σ与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳循环系统，包括CO2产生子系统、碳捕集装置、电转气装置，其特征在于，其中，所述CO2产生子系统包括以CH4为燃料的燃气轮机GT、燃气锅炉GB，和以煤炭为燃料的热电联产CHP和超临界CO2发电厂；所述碳捕集装置捕集CO2产生子系统中所产生的CO2，具体是从包括燃气轮机GT、燃气锅炉GB、热电联产CHP和超临界CO2发电厂中所产生的烟气中分离和捕集CO2，所述超临界CO2发电厂采用S
‑
CO2机组发电；所被捕集的CO2一部分进入超临界CO2发电厂中作为补充工作液，一部分进入电转气装置P2G；所述碳循环系统被用于综合能源系统中，该综合能源系统包括发电装置、供热装置以及能源转换装置，所述发电装置包括风电或光伏的新能源发电装置、燃气轮机、燃气锅炉、热电联产和超临界CO2发电厂；当所述新能源发电装置出力较高时，所述碳循环系统中的电转气装置P2G利用过剩的电力将一部分CO2还原成CH4并送至燃气轮机GT或燃气锅炉GB作为燃料。2.一种将权利要求1所述碳循环系统用于综合能源系统优化调度的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立CO2产生过程模型：将发电过程中所产生的CO2的来源指定为天然气和煤；对于天然气发电过程，将燃气轮机和燃气锅炉的输出表征为如式(1)所示：其中P和H分别为机组的电功率和热功率输出，n为电或热的生产效率，Q为天然气的消耗速率，h
NG
为天然气热值。上标GT和GB分别代表燃气轮机和燃气锅炉，下标i和j分别是燃气轮机和燃气锅炉的序列号；将第i台燃气轮机和第j台燃气锅炉的二氧化碳排放量表征为如式(2)所示：其中，为甲烷的密度，与分别为二氧化碳和甲烷的分子量；将燃煤过程所产生的CO2表征为如式(3)、式(4)所示：表征为如式(3)、式(4)所示：其中，与分别为第k台热电联产CHP机组的碳排放系数，分别为第l台S
‑
CO2机组的碳排放系数；从而将整个燃烧过程所产生的CO2排放量表征为如式(5)所示：步骤2、构建二氧化碳捕集过程模型：将碳捕集装置的功率消耗表示为如式(6)所示：其中，α为碳捕集系统的能量消耗速率；将经碳捕集后，排入大气中的CO2量表示为如式
(7)所示：其中，
CCS
为碳捕集装置的运行效率；步骤3、将所捕集到的CO2直接利用或封存，分别表示为和将他们二者之间的关系表示为如式(8)所示：其中，g为CO2利用与封存之间的比例；被利用的CO2一部分用于通过所述电转气装置P2G生成天然气CH4，另一部分进入所述超临界CO2发电厂作为补充工质，其中所述超临界CO2发电厂为S
‑
CO2装置；通过所述电转气装置P2G生成天然气CH4的过程包括两个阶段，即电解水过程和甲烷化反应过程，其中电解水产生的氢气的流量与所述电转气装置P2G的功率消耗P
tP2G
满足如式(9)所示关系：其中，β为电解水制氢产生的速率；在所述甲烷化反应过程中，所述电转气装置P2G消耗的CO2量和所产生的CH4量量满足如式(10)所示关系：在甲烷化过程会释放热能，所释放的热能被用于供热；假设所释放的热能用于供热的比例是η
P2G2H
，则将所述电转气装置P2G供热的总热功率表示为如式(11)所示：其中，γ为甲烷化反应产生单位甲烷所释放的热量；在第l台超临界CO2机组运行中，补充工质的流量与第l台超临界CO2机组的输出功率满足如式(12)所示关系：其中，δ为超临界CO2机组单位电功率所需的补充工质流量；所述电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玮，张光明，牛玉广，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：