含LNG冷能利用的綜合能源系統低碳經濟調度

　　摘要：為緩解冬季供暖期管道天然氣供氣緊張，液化天然氣(liquefiednaturalgas,LNG)氣化站已成為重要保供方式。本文提出一種以儲碳設備為樞紐，連接碳捕集電廠、電轉氣(powertogas，P2G)和LNG氣化站的綜合能源系統聯合低碳運行模式，該模式中碳捕集系統的捕集碳量一部分供給P2G生成甲烷、另一部分利用LNG氣化冷能制備成液態CO和干冰，通過構建聯合低碳運行協調優化機制，實現電氣綜合能源系統的低碳經濟運行。經改進的IEEE14節點電力網絡和比利時20節點天然氣網絡耦合系統驗證，本文所提電氣綜合能源系統運行模式可在提高風電消納、實現碳減排的同時保障用氣需求，提升系統運行的經濟性。

　　關鍵詞：電氣綜合能源系統;碳捕集;NG冷能;電轉氣;風電消納;經濟調度

　　引言

　　城市能源互聯網[12]通過能源的合理配給和綜合利用有效推動城市能源消費的綠色低碳發展，是確保實現“碳達峰、碳中和”的關鍵一環。電氣綜合能源系統(Integratedelectricitynaturalgassystem,IEGS)已成為目前城市能源互聯網中能源傳輸的重要載體[35]。但隨著燃氣發電和“煤改氣”等相關工程的實施，天然氣的消費量強勁增長，北方冬夏天然氣峰谷差已達到10:1，冬季管道天然氣容量不足問題日益突出，加快建設供給側儲氣調峰設施和電轉氣設施，并開展有效的低碳經濟調度策略研究，是提高IEGS新能源消納、緩解燃氣不足的有效措施之一。

　　能源論文范例：新能源發展形勢分析

　　能量的儲存和管理[68]對于IEGS的運行至關重要，針對含儲氣設施的IEGS優化調度問題，文獻[9]將儲氣設備等效為暫態模型與不等式約束組成的數學模型，協同電轉氣設備提高系統消納風電的能力;文獻[10]建立了由電解氫、燃料電池和儲氣罐構成的電氣轉換儲能系統模型，并引入氣體損失比例系數來描述儲氣罐自耗能率;文獻[11]計及天然氣管網的慢動態和暫態天然氣系統變量時段耦合的特性，提出了基于模型預測控制的多時間尺度優化調度策略;文獻[12]計及天然氣網絡管存和儲氣罐約束，建立電氣互聯綜合能源系統削峰填谷模型，使系統凈負荷波動最小并兼顧經濟成本目標;文獻[13]建立了天然氣網絡中分布式儲氣罐模型，并將儲氣罐的運行狀態體現在目標函數的運行費用中。

　　文獻[14]建立了大量電動汽車接入的多能源系統協調調度模型，考慮了儲氣設備的儲氣狀態對調度策略可持續性的影響;文獻[15]從電、熱、冷、氣四個子系統進行園區綜合能源系統建模，并將這四種能源的儲能設備歸一化為統一的數學模型�，F有研究大部分集中在考慮儲氣罐以及天然氣管網管存模型的調度，但隨著季節峰谷差增大，液化天然氣(liquefiednaturalgas,LNG)氣化站已成為冬季天然氣的主要來源之一，亟需建立多氣源的儲氣模型和調度策略。電氣綜合能源系統CO排放問題也不容小覷，IEGS低碳調度問題[16]的研究呈現出明顯的上升趨勢。文獻[17]采用多目標優化方法處理多能源網絡中的碳排放問題;文獻[18]考慮到碳捕集設備在峰荷難以額定運行，將電價型需求側響應引入系統;文獻[19]考慮碳交易機制，以綜合能源系統發電能源成本與碳交易成本之和最小為目標函數。

　　文獻[20]提出一種改進的粒子群算法以解決關于碳稅的經濟調度問題;文獻[21]在系統互聯規劃模型的約束中引入了CO排放目標;文獻[22]基于碳捕集電廠能量轉移特性，提出一種含碳捕集電廠的多時間尺度協調調度策略;文獻[23]建立了碳捕集、電轉氣和負荷響應的IEGS優化調度策略�，F有的IEGS低碳經濟調度策略主要考慮將碳捕集電廠與P2G設備相結合，通過P2G設備利用棄風和捕集的CO合成甲烷實現系統經濟、環保效益的提升。隨著LNG貿易的快速發展，世界多國對LNG的冷能利用開展了深入研究，利用LNG冷能制備液態CO及干冰工藝流程簡單、可操作性強，并已通過成熟的工程應用獲得了顯著的經濟效益[24]。

　　可見，隨著IEGS系統的發展和LNG氣化站的建立，碳捕集封存的CO除了可以供給P2G設施生成天然氣注入管網外，還可以利用LNG氣化所產生的冷能，制成液體CO和干冰[24]，提升IEGS系統的綜合能效。本文提出了含多種氣源的IEGS系統低碳經濟調度策略，建立了含碳捕集電廠、電轉氣(powertogas，P2G)、LNG氣化站以碳源交互為基礎的聯合低碳運行模式，利用LNG冷能制備液態CO及干冰提高能效。以改進的IEEE14節點電力系統和比利時20節點天然氣系統組成的IEGS測試系統為例，驗證了本文所提低碳經濟調度策略的有效性，并對比分析了設備容量、LNG規模、負荷需求和成本變動對低碳經濟調度的影響。

　　電源包括風電、傳統火電和天然氣機組;為降低系統碳排放水平，將傳統火電廠改造為碳捕集電廠;為緩解天然氣管道氣源容量不足，采用LNG氣化站作為補充氣源;同時，LNG氣化時可釋放高品質冷能，增加冷能制備液體CO及干冰裝置;碳捕集電廠以儲碳設備為樞紐與LNG氣化站、P2G裝置實現聯合運行，從而使得LNG氣化站可以通過制取液態CO及干冰提高冷能利用率，而P2G設備能夠將風電轉換為天然氣，大大降低棄風量;同時引入電氣可替代負荷響應，提升IEGS系統的經濟性。隨著LNG儲罐規模的增大，EGS系統的總成本和碳排放量均有明顯下降，這是因為LNG供氣不受上游氣源供應及管道輸氣能力的影響，在補充管道氣源供氣缺額的同時增大了NG冷能利用技術對的消耗量。

　　此外，在NG氣化站可供氣量從120%Q增大到180%Q的過程中，系統的總成本開始上升，這是由于這部分多余氣量的供應成本高于冷能利用降低的碳稅成本對系統總成本的影響。因此，根據管道供氣緊張程度建設合適規模的NG氣化站可以在提升天然氣供給能力的同時改善系統的運行性能。

　　在系統電負荷量從10到的波動過程中，燃氣機組和碳捕集機組的出力增量較小，燃煤機組出力的變化幅度最大，且其在時、21時的出力變化最明顯。這是由于系統優先供給非發電用氣負荷，因此，燃氣機組的出力增量有限;而碳捕集機組因承擔系統基荷并受到出力上限的影響，其發電量的增幅同樣有限。在系統非發電用氣負荷量從10到的波動過程中，燃煤機組的出力變化趨勢與其變化趨勢相同，燃氣機組反之，二者的出力變化均在時、21時較明顯，而碳捕集機組的出力幾乎無變化。

　　結論

　　本文在考慮NG氣化站作為管道補充氣源進行多氣源供氣的基礎上，提出含碳捕集電廠、P2G、LNG氣化站三者聯合運行的靈活調度策略，證明此策略在提高城市綜合能源系統冬季供氣裕度的同時能實現IEGS的低碳經濟運行，具體結論如下：

　　1)考慮碳捕集電廠、LNG氣化站和P2G協同優化的IEGS較只含碳捕集電廠(基礎場景)的系統，碳稅成本、失氣負荷懲罰成本、棄風成本、總成本分別降低為后者的66.5%、19%、2.88%、87.45%，同時其性能也優于碳捕集電廠和P2G、LNG氣化站分別結合的運行模式;證明本文所提的三者聯合運行的調度策略對城市IEGS低碳經濟調度的重要意義。

　　2)本文分別考慮不同容量P2G設備、不同規模LNG氣化站對系統運行性能的影響，證明考慮建設合適容量的P2G設備和合理規模的LNG氣化站在IEGS低碳經濟調度中的必要性。本文在碳捕集電廠、P2G、LNG氣化站三者聯合運行的基礎上，研究電負荷、非發電用氣負荷變化時發電機組出力與系統運行成本的變化;證明多氣源供氣充裕的情況下IEGS對非發電用氣負荷波動的承受能力較強，進一步提升系統運行的低碳性和經濟性。

　　3 )本文對影響IEGS系統低碳經濟調度的因素包括發電機組的單位發電成本、單位碳稅成本、利用LNG冷能處理單位CO2的凈利潤等進行敏感性分析;證明合理的定價機制可以提高系統運行的經濟和環境效益。本文視NG氣價恒定，且未計及用戶側需求響應對EGS運行的影響，而實際上氣溫驟降、管道氣壓過低、NG工廠和接收站的氣量不足都會導致NG氣價的波動，此外，需求側的用戶行為也會造成系統運行的不確定性。在后續的研究中，還需要從多個角度考慮NG氣價的影響因素，并與用能端的不確定性結合，以進一步保障EGS的多能互補性和低碳經濟性。

　　參考文獻References

　　[1]孫宏斌，郭慶來，潘昭光，等.能源互聯網：理念、架構與前沿展望[J].電力系統自動化，2015，39(19)：8.SUNHongbin,GUOQinglai,PANZhaoguang,etal.Energyinternet:concept,architectureandfrontieroutlook[J].AutomationofElectricPowerSystems,2015,39(19):18.

　　作者：康麗虹，賈燕冰，田豐，馬紫嫣，任海泉

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