含LNG冷能利用的综合能源系统低碳经济调度

　　摘要：为缓解冬季供暖期管道天然气供气紧张，液化天然气(liquefiednaturalgas,LNG)气化站已成为重要保供方式。本文提出一种以储碳设备为枢纽，连接碳捕集电厂、电转气(powertogas，P2G)和LNG气化站的综合能源系统联合低碳运行模式，该模式中碳捕集系统的捕集碳量一部分供给P2G生成甲烷、另一部分利用LNG气化冷能制备成液态CO和干冰，通过构建联合低碳运行协调优化机制，实现电气综合能源系统的低碳经济运行。经改进的IEEE14节点电力网络和比利时20节点天然气网络耦合系统验证，本文所提电气综合能源系统运行模式可在提高风电消纳、实现碳减排的同时保障用气需求，提升系统运行的经济性。

　　关键词：电气综合能源系统;碳捕集;NG冷能;电转气;风电消纳;经济调度

　　引言

　　城市能源互联网[12]通过能源的合理配给和综合利用有效推动城市能源消费的绿色低碳发展，是确保实现“碳达峰、碳中和”的关键一环。电气综合能源系统(Integratedelectricitynaturalgassystem,IEGS)已成为目前城市能源互联网中能源传输的重要载体[35]。但随着燃气发电和“煤改气”等相关工程的实施，天然气的消费量强劲增长，北方冬夏天然气峰谷差已达到10:1，冬季管道天然气容量不足问题日益突出，加快建设供给侧储气调峰设施和电转气设施，并开展有效的低碳经济调度策略研究，是提高IEGS新能源消纳、缓解燃气不足的有效措施之一。

　　能源论文范例：新能源发展形势分析

　　能量的储存和管理[68]对于IEGS的运行至关重要，针对含储气设施的IEGS优化调度问题，文献[9]将储气设备等效为暂态模型与不等式约束组成的数学模型，协同电转气设备提高系统消纳风电的能力;文献[10]建立了由电解氢、燃料电池和储气罐构成的电气转换储能系统模型，并引入气体损失比例系数来描述储气罐自耗能率;文献[11]计及天然气管网的慢动态和暂态天然气系统变量时段耦合的特性，提出了基于模型预测控制的多时间尺度优化调度策略;文献[12]计及天然气网络管存和储气罐约束，建立电气互联综合能源系统削峰填谷模型，使系统净负荷波动最小并兼顾经济成本目标;文献[13]建立了天然气网络中分布式储气罐模型，并将储气罐的运行状态体现在目标函数的运行费用中。

　　文献[14]建立了大量电动汽车接入的多能源系统协调调度模型，考虑了储气设备的储气状态对调度策略可持续性的影响;文献[15]从电、热、冷、气四个子系统进行园区综合能源系统建模，并将这四种能源的储能设备归一化为统一的数学模型。现有研究大部分集中在考虑储气罐以及天然气管网管存模型的调度，但随着季节峰谷差增大，液化天然气(liquefiednaturalgas,LNG)气化站已成为冬季天然气的主要来源之一，亟需建立多气源的储气模型和调度策略。电气综合能源系统CO排放问题也不容小觑，IEGS低碳调度问题[16]的研究呈现出明显的上升趋势。文献[17]采用多目标优化方法处理多能源网络中的碳排放问题;文献[18]考虑到碳捕集设备在峰荷难以额定运行，将电价型需求侧响应引入系统;文献[19]考虑碳交易机制，以综合能源系统发电能源成本与碳交易成本之和最小为目标函数。

　　文献[20]提出一种改进的粒子群算法以解决关于碳税的经济调度问题;文献[21]在系统互联规划模型的约束中引入了CO排放目标;文献[22]基于碳捕集电厂能量转移特性，提出一种含碳捕集电厂的多时间尺度协调调度策略;文献[23]建立了碳捕集、电转气和负荷响应的IEGS优化调度策略。现有的IEGS低碳经济调度策略主要考虑将碳捕集电厂与P2G设备相结合，通过P2G设备利用弃风和捕集的CO合成甲烷实现系统经济、环保效益的提升。随着LNG贸易的快速发展，世界多国对LNG的冷能利用开展了深入研究，利用LNG冷能制备液态CO及干冰工艺流程简单、可操作性强，并已通过成熟的工程应用获得了显著的经济效益[24]。

　　可见，随着IEGS系统的发展和LNG气化站的建立，碳捕集封存的CO除了可以供给P2G设施生成天然气注入管网外，还可以利用LNG气化所产生的冷能，制成液体CO和干冰[24]，提升IEGS系统的综合能效。本文提出了含多种气源的IEGS系统低碳经济调度策略，建立了含碳捕集电厂、电转气(powertogas，P2G)、LNG气化站以碳源交互为基础的联合低碳运行模式，利用LNG冷能制备液态CO及干冰提高能效。以改进的IEEE14节点电力系统和比利时20节点天然气系统组成的IEGS测试系统为例，验证了本文所提低碳经济调度策略的有效性，并对比分析了设备容量、LNG规模、负荷需求和成本变动对低碳经济调度的影响。

　　电源包括风电、传统火电和天然气机组;为降低系统碳排放水平，将传统火电厂改造为碳捕集电厂;为缓解天然气管道气源容量不足，采用LNG气化站作为补充气源;同时，LNG气化时可释放高品质冷能，增加冷能制备液体CO及干冰装置;碳捕集电厂以储碳设备为枢纽与LNG气化站、P2G装置实现联合运行，从而使得LNG气化站可以通过制取液态CO及干冰提高冷能利用率，而P2G设备能够将风电转换为天然气，大大降低弃风量;同时引入电气可替代负荷响应，提升IEGS系统的经济性。随着LNG储罐规模的增大，EGS系统的总成本和碳排放量均有明显下降，这是因为LNG供气不受上游气源供应及管道输气能力的影响，在补充管道气源供气缺额的同时增大了NG冷能利用技术对的消耗量。

　　此外，在NG气化站可供气量从120%Q增大到180%Q的过程中，系统的总成本开始上升，这是由于这部分多余气量的供应成本高于冷能利用降低的碳税成本对系统总成本的影响。因此，根据管道供气紧张程度建设合适规模的NG气化站可以在提升天然气供给能力的同时改善系统的运行性能。

　　在系统电负荷量从10到的波动过程中，燃气机组和碳捕集机组的出力增量较小，燃煤机组出力的变化幅度最大，且其在时、21时的出力变化最明显。这是由于系统优先供给非发电用气负荷，因此，燃气机组的出力增量有限;而碳捕集机组因承担系统基荷并受到出力上限的影响，其发电量的增幅同样有限。在系统非发电用气负荷量从10到的波动过程中，燃煤机组的出力变化趋势与其变化趋势相同，燃气机组反之，二者的出力变化均在时、21时较明显，而碳捕集机组的出力几乎无变化。

　　结论

　　本文在考虑NG气化站作为管道补充气源进行多气源供气的基础上，提出含碳捕集电厂、P2G、LNG气化站三者联合运行的灵活调度策略，证明此策略在提高城市综合能源系统冬季供气裕度的同时能实现IEGS的低碳经济运行，具体结论如下：

　　1)考虑碳捕集电厂、LNG气化站和P2G协同优化的IEGS较只含碳捕集电厂(基础场景)的系统，碳税成本、失气负荷惩罚成本、弃风成本、总成本分别降低为后者的66.5%、19%、2.88%、87.45%，同时其性能也优于碳捕集电厂和P2G、LNG气化站分别结合的运行模式;证明本文所提的三者联合运行的调度策略对城市IEGS低碳经济调度的重要意义。

　　2)本文分别考虑不同容量P2G设备、不同规模LNG气化站对系统运行性能的影响，证明考虑建设合适容量的P2G设备和合理规模的LNG气化站在IEGS低碳经济调度中的必要性。本文在碳捕集电厂、P2G、LNG气化站三者联合运行的基础上，研究电负荷、非发电用气负荷变化时发电机组出力与系统运行成本的变化;证明多气源供气充裕的情况下IEGS对非发电用气负荷波动的承受能力较强，进一步提升系统运行的低碳性和经济性。

　　3 )本文对影响IEGS系统低碳经济调度的因素包括发电机组的单位发电成本、单位碳税成本、利用LNG冷能处理单位CO2的净利润等进行敏感性分析;证明合理的定价机制可以提高系统运行的经济和环境效益。本文视NG气价恒定，且未计及用户侧需求响应对EGS运行的影响，而实际上气温骤降、管道气压过低、NG工厂和接收站的气量不足都会导致NG气价的波动，此外，需求侧的用户行为也会造成系统运行的不确定性。在后续的研究中，还需要从多个角度考虑NG气价的影响因素，并与用能端的不确定性结合，以进一步保障EGS的多能互补性和低碳经济性。

　　参考文献References

　　[1]孙宏斌，郭庆来，潘昭光，等.能源互联网：理念、架构与前沿展望[J].电力系统自动化，2015，39(19)：8.SUNHongbin,GUOQinglai,PANZhaoguang,etal.Energyinternet:concept,architectureandfrontieroutlook[J].AutomationofElectricPowerSystems,2015,39(19):18.

　　作者：康丽虹，贾燕冰，田丰，马紫嫣，任海泉

转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/dzlw/26580.html