耦合脫碳系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組靈活高效運(yùn)行優(yōu)化

摘" 要：耦合碳捕集系統(tǒng)是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（CHP-CCS）脫碳的重要途徑，對(duì)CHP-CCS機(jī)組的能耗分布和其靈活運(yùn)行策略的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注。該文利用EBSILON仿真平臺(tái)建立CHP-CCS機(jī)組的熱力學(xué)分析模型，得到機(jī)組的單位脫碳能耗分布、熱電負(fù)荷特性及運(yùn)行可行域；提出余熱余壓再利用的CHP-CCS機(jī)組改進(jìn)方案，降低耦合系統(tǒng)運(yùn)行能耗；研究CHP-CCS機(jī)組在供熱期和非供熱期內(nèi)不同工況下碳捕集量變化對(duì)機(jī)組能耗和熱電出力的影響，并提出CHP-CCS機(jī)組的靈活高效運(yùn)行策略；引入碳交易機(jī)制，構(gòu)建綜合考慮碳排放、碳交易和調(diào)峰政策的CHP-CCS機(jī)組凈收益模型，分析碳交易價(jià)格對(duì)機(jī)組凈收益的影響。結(jié)果表明，改造后CHP-CCS機(jī)組的電熱出力均有所增加，機(jī)組總收益與供熱期、運(yùn)行工況、脫碳率及碳交易價(jià)格密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞：熱電聯(lián)產(chǎn)；碳捕集；熱力學(xué)分析；碳交易；靈活性

中圖分類(lèi)號(hào)：TM73" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）01-0101-04

Abstract： Coupled carbon capture systems are an important way to decarbonize combined heat and power - carbon capture and storage（CHP-CCS）. Research on the energy consumption distribution of CHP-CCS units and their flexible operation strategies has attracted more and more attention. This paper uses the EBSILON simulation platform to establish a thermodynamic analysis model of the CHP-CCS unit， and obtains the unit decarbonization energy consumption distribution， thermoelectric load characteristics and operating feasible region. It proposes an improvement plan for the CHP-CCS unit to reuse waste heat and pressure to reduce the operating energy consumption of the coupled system. The paper studies the impact of changes in carbon capture amount of the CHP-CCS unit on the unit energy consumption and thermoelectric output under different operating conditions during the heating period and the non-heating period， and proposes a flexible and efficient operation strategy for the CHP-CCS unit; it also introduce a carbon trading mechanism， build a CHP-CCS unit net income model that comprehensively considers carbon emissions， carbon trading and peak shaving policies， and analyze the impact of carbon trading prices on unit net income. The results show that the electric heating output of the CHP-CCS unit has increased after the renovation， and the total revenue of the unit is closely related to the heating period， operating conditions， decarbonization rate and carbon transaction price.

Keywords： cogeneration; carbon capture; thermodynamic analysis; carbon trading; flexibility

耦合碳捕集系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（CHP-CCS）是滿(mǎn)足電熱負(fù)荷與降低機(jī)組碳排放的重要途徑。目前，采用燃燒后二氧化碳捕集可直接對(duì)現(xiàn)役發(fā)電機(jī)組進(jìn)行改造，體現(xiàn)出顯著的碳減排優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，碳捕集系統(tǒng)造成的高能耗和運(yùn)行靈活性問(wèn)題也引起了普遍關(guān)注。

開(kāi)展耦合碳捕集系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的能耗和運(yùn)行特性研究具有一定的理論意義和現(xiàn)實(shí)需求。張婷等[1]對(duì)耦合CCS的凝汽式機(jī)組進(jìn)行了熱力學(xué)分析，引入小背壓機(jī)和疏水再循環(huán)系統(tǒng)，并分析了變負(fù)荷條件下機(jī)組的能耗特性及脫碳負(fù)荷分配方案。謝瑋祎[2]提出碳捕集/供熱雙機(jī)組，利用低溫?zé)峋W(wǎng)回水回收系統(tǒng)低品位余熱，提高供熱量的同時(shí)降低了碳捕集系統(tǒng)綜合能耗。王義軍等[3]將碳捕集系統(tǒng)與電轉(zhuǎn)氣（power-to-gas，P2G）系統(tǒng)進(jìn)行耦合，綜合考慮系統(tǒng)的低碳和經(jīng)濟(jì)性開(kāi)展優(yōu)化調(diào)度策略研究。彭行行[4]建立了燃煤電站二氧化碳捕集系統(tǒng)的二氧化碳捕集預(yù)測(cè)模型，并研究系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)靈活運(yùn)行特性。趙紅濤等[5]分析了碳捕集系統(tǒng)對(duì)燃煤機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響。

隨著新型電力系統(tǒng)對(duì)機(jī)組碳排放和靈活運(yùn)行要求的日益提高，特別是現(xiàn)貨電力市場(chǎng)和碳交易機(jī)制的提出，碳捕集對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)敏感性的影響越發(fā)凸顯，涌現(xiàn)出一批相關(guān)理論和應(yīng)用研究。吳其榮等[6]開(kāi)展了二氧化碳捕集技術(shù)的經(jīng)濟(jì)敏感度分析，得到對(duì)碳捕集成本敏感性最高成本的參數(shù)。韓中合等[7]建立了CCS耦合系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了碳稅價(jià)格和碳交易價(jià)格對(duì)耦合機(jī)組發(fā)電成本的影響。王力等[8]提出了一種考慮碳交易機(jī)制和凈利潤(rùn)最大化的虛擬電廠經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。王楓等[9]研究了660 MW燃煤機(jī)組百萬(wàn)噸CO2捕集系統(tǒng)工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，分析了各脫碳情景的上網(wǎng)電價(jià)、CO2綜合減排成本及其敏感性。目前，研究主要側(cè)重耦合碳捕集系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)運(yùn)行特性，鮮少關(guān)注不同工況和碳交易機(jī)制下耦合系統(tǒng)對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的脫碳能耗分布及熱電出力特性的影響，特別是綜合考慮碳排放、碳交易和調(diào)峰政策等因素的CHP-CCS機(jī)組的收益及相關(guān)策略。

本文基于EBSILON仿真平臺(tái)開(kāi)展CHP-CCS機(jī)組的熱力學(xué)分析，研究機(jī)組的單位脫碳能耗、熱電負(fù)荷特性及運(yùn)行可行域，以及在供熱期和非供熱期內(nèi)，不同工況下碳捕集量變化對(duì)機(jī)組能耗和熱電出力的影響，提出CHP-CCS機(jī)組的凈收益模型和靈活高效運(yùn)行策略。

1" 碳捕集系統(tǒng)描述

1.1" 基于MEA溶液二氧化碳捕集系統(tǒng)

本文通過(guò)Aspen Plus模擬的MEA溶液二氧化碳捕集系統(tǒng)中CO2的吸收和解析過(guò)程，建立了基于單乙醇胺溶液的脫碳單元模型，該模型的入口煙氣質(zhì)量流量為394 t/h，碳捕集率為90%，主要工藝參數(shù)可得，煙氣質(zhì)量394 t/h，煙氣壓力為100 Pa，煙氣溫度為50 ℃，再生壓力是150 kPa。模擬結(jié)果得到，脫碳單元再沸器熱負(fù)荷為64 MW，再生能耗為3.8 GJ/tCO2[1]。

1.2" CHP-CCS機(jī)組熱力學(xué)分析模型

1.2.1" CHP-CCS機(jī)組的Ebsilon仿真

本文在Ebsilon仿真平臺(tái)上建立耦合碳捕集系統(tǒng)的某350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱力學(xué)分析模型。該機(jī)組型號(hào)為CJK350-24.2/0.4/566/566，配單爐膛平衡通風(fēng)、Π型布置、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)直流煤粉鍋爐，是350 MW超臨界一次中間再熱間接空冷抽汽凝汽式機(jī)組，額定抽汽量為380 t/h，最大抽汽量為550 t/h；采暖抽汽壓力 0.4 MPa，供熱回水溫度70 ℃[10]。該CHP-CCS機(jī)組從中、低壓缸抽汽，經(jīng)再沸器換熱后的疏水匯集到凝汽器熱井中。其中模型所用煤收到基低位熱值為21.13 MJ/kg。

1.2.2" CHP-CCS機(jī)組運(yùn)行特性分析

設(shè)機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為8 358 h，年脫碳指標(biāo)為50萬(wàn)t，平均脫碳60 t/h，開(kāi)展CHP-CCS系統(tǒng)全工況下的電熱運(yùn)行特性分析，如圖1所示。

耦合碳捕集系統(tǒng)會(huì)顯著降低CHP機(jī)組的運(yùn)行靈活性。碳捕集率不變，平均捕集量為60 t/h時(shí)，機(jī)組的電熱出力范圍由ABCD變?yōu)镋FGH。電出力范圍由[118～388 MW]變?yōu)閇110～361 MW]，縱向調(diào)峰范圍縮減7.1%，熱出力由[0～400 MW]變?yōu)閇0～280 MW]，橫向調(diào)峰減少了30%，抽汽對(duì)機(jī)組熱出力的影響遠(yuǎn)大于對(duì)電出力的影響。若碳捕集率可調(diào)，則機(jī)組電熱出力范圍由ABCD變?yōu)锳BB'C'CH。不同工況下，可通過(guò)調(diào)節(jié)和優(yōu)化碳捕集率提高CHP-CCS機(jī)組的運(yùn)行靈活性。

2" 基于余壓余熱利用改造的CHP-CCS機(jī)組

對(duì)于CHP-CCS機(jī)組而言，脫碳系統(tǒng)再沸器所需熱量來(lái)自汽輪機(jī)中、低壓缸連通管抽汽，抽汽參數(shù)與再沸器所需蒸汽參數(shù)不匹配是導(dǎo)致碳捕集系統(tǒng)脫碳能耗高的主要因素。采用余壓余熱利用思想對(duì)原有CHP-CCS系統(tǒng)進(jìn)行改造，引入疏水再循環(huán)、背壓機(jī)做功和再沸器余熱再供熱等方式，一方面可以降低抽汽參數(shù)和再沸器入口蒸汽參數(shù)不匹配帶來(lái)的余熱和余壓的損失，另一方面可回收再沸器出口疏水的熱量，經(jīng)水泵升壓后用于熱用戶(hù)供熱，減少熱能損失。

CHP-CCS改造機(jī)組中：①將小汽輪機(jī)代替了節(jié)流閥為抽汽降壓，從汽輪機(jī)中、低壓缸抽出的蒸汽先進(jìn)入小汽輪機(jī)降壓，小汽輪機(jī)利用壓降發(fā)電可減少能量損耗。②設(shè)置疏水再循環(huán)系統(tǒng)，一方面回收余熱，降低能量損耗；另一方面可以減少高參數(shù)抽汽，從而減少對(duì)機(jī)組效率的影響；③再沸器疏水改去熱用戶(hù)供熱完再去凝汽器，提高了機(jī)組效率。

3" 結(jié)果與分析

3.1" 改造后CHP-CCS機(jī)組熱力學(xué)分析

如圖2所示，改造后CHP-CCS機(jī)組的電出力范圍由[110 MW，361 MW]變?yōu)閇110 MW，375 MW]，縱向調(diào)峰能力提升5.6%，熱出力由[0 MW，280 MW]變?yōu)閇0 MW， 300 MW]，橫向調(diào)峰能力提升了7.2%，可明顯降低機(jī)組熱負(fù)荷高峰期的電熱耦合特性，拓展了機(jī)組的運(yùn)行可行域，增強(qiáng)了機(jī)組靈活性，同時(shí)，通過(guò)余壓余熱利用也降低了CHP-CCS機(jī)組的單位脫碳能耗。

3.2" CHP-CCS機(jī)組供熱期與非供熱期能耗分析

在全年范圍內(nèi)，CHP-CCS機(jī)組運(yùn)行模式可分為非供熱期和供熱期。在供熱期間，耦合碳捕集所需的耗能可全部歸于供熱，而在非供熱期，耦合碳捕集會(huì)影響電出力，且單位脫碳熱耗明顯大于單位脫碳電耗，耦合碳捕集在供熱期對(duì)機(jī)組供熱的影響大于在非供熱期對(duì)供電的影響。

在供熱期和非供熱期內(nèi)，經(jīng)過(guò)余壓余熱利用后的CHP-CCS機(jī)組，其單位脫碳電/熱耗量均顯著降低。在供熱期內(nèi)，CHP-CCS改造機(jī)組的單位脫碳熱耗會(huì)隨負(fù)荷的增大而升高，在進(jìn)行脫碳負(fù)荷調(diào)度時(shí)應(yīng)遵循低工況下多脫碳，高工況下少脫碳的原則，減少耦合碳捕集對(duì)供熱的影響。在非供熱期內(nèi)，CHP-CCS改造機(jī)組的單位脫碳熱耗會(huì)隨負(fù)荷的增大而降低，在進(jìn)行脫碳負(fù)荷調(diào)度時(shí)宜采取低工況下少脫碳，高工況下多脫碳的策略。

受“以熱定電”規(guī)則的影響，供熱期內(nèi)CHP機(jī)組會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳，燃料消耗量、碳排放量、碳交易機(jī)制和調(diào)峰政策等因素都給CHP-CCS機(jī)組成本和收益帶來(lái)很大的不確定性。隨著碳交易機(jī)制的引入，脫碳帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益可彌補(bǔ)供熱出力降低和能耗增大帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)供熱期的CHP-CCS機(jī)組進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，探究如何在供熱期不損失機(jī)組收益的同時(shí)減少碳排放。

3.3" CHP-CCS機(jī)組凈收益模型與經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

在最大抽汽工況下，發(fā)電機(jī)端功率286 MW，將碳捕集系統(tǒng)熱耗歸為供熱。根據(jù)計(jì)算可得碳捕集量每增加10 t/h，供熱能力降低16～17 MW，機(jī)組碳排放量隨之增大。抽汽供熱機(jī)組保留一部分蒸汽進(jìn)入低壓缸做功，碳捕集系統(tǒng)的熱耗增加，進(jìn)入低壓缸做功蒸汽減少，發(fā)電出力降低；同時(shí)，供熱抽汽量減少，機(jī)組的供熱能力隨之下降。

隨著平均碳捕集量的增加，使得總煤耗量增加，供熱煤耗隨之升高；考慮到“好處歸電”，使得供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低。具體說(shuō)來(lái)，平均碳捕集量每增加10 t/h，總煤耗增加3.6 g/kWh，供熱煤耗增加約5.7 g/kWh，而供電煤耗減少約2.8 g/kWh。

根據(jù)碳捕集量為60 t/h前后各工況下的最大采暖抽汽量，從中反映出不同工況下耦合碳捕集系統(tǒng)前后機(jī)組供熱能力變化。同時(shí)，在不同負(fù)荷下，碳捕集系統(tǒng)的熱耗會(huì)對(duì)機(jī)組煤耗產(chǎn)生影響。可得高負(fù)荷區(qū)域碳捕集熱耗變化對(duì)機(jī)組煤耗的影響顯著高于低負(fù)荷區(qū)域。

根據(jù)計(jì)算可得，機(jī)組凈收益會(huì)隨著碳交易成本的提高而增加。當(dāng)碳交易價(jià)格達(dá)到0.32元/kgCO2時(shí)，CHP-CCS改造機(jī)組與原始機(jī)組的總凈收益相等；而當(dāng)碳交易價(jià)格超過(guò)0.32元/kgCO2時(shí)，CHP-CCS改造機(jī)組的凈收益將超過(guò)原始機(jī)組。

本文對(duì)耦合碳捕集前后的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行建模，通過(guò)建模模擬各工況下所需參數(shù)，在機(jī)組運(yùn)行可行域內(nèi)取點(diǎn)，輸入Python程序中參與計(jì)算過(guò)程，將EBSILION仿真軟件模擬出的結(jié)果用Python交互讀取，然后計(jì)算出需要的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，并將結(jié)果導(dǎo)入Excel表格中進(jìn)行分析。由于碳捕集系統(tǒng)需要從機(jī)組抽取蒸汽給再沸器中提供可發(fā)生解吸反應(yīng)的環(huán)境，所以會(huì)給機(jī)組的供熱供電能力造成影響。使機(jī)組的供電收益和供熱收益受到影響，因此為了具體探究耦合CCS后機(jī)組收益的影響，本節(jié)計(jì)算了全工況下耦合碳捕集前后的凈收益，具體對(duì)比分析如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知，耦合CCS系統(tǒng)前，CHP機(jī)組的最大和最小凈收益分別為49 730元/h和16 400元/h；耦合CCS系統(tǒng)后，CHP-CCS機(jī)組的最大和最小凈收益分別為58 200元/h和7 600元/h。特別地，在較高負(fù)荷區(qū)域，機(jī)組的碳交易占比較大，使得碳交易收益可以彌補(bǔ)降低電熱輸出所造成的經(jīng)濟(jì)損失；而在低負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，碳交易收益占比明顯降低，無(wú)法彌補(bǔ)電熱輸出下降造成的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，考慮到低負(fù)荷段調(diào)峰機(jī)制觸發(fā)引起的收益占比增大，也會(huì)使得CHP-CCS機(jī)組收益隨負(fù)荷的降低而增大。

耦合CCS系統(tǒng)雖明顯降低了CO2的排放量，但總體來(lái)說(shuō)，由于需要從中、低壓缸抽汽對(duì)再沸器提供熱能，所以還是對(duì)機(jī)組的凈收益造成了影響，為了早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，國(guó)家應(yīng)提高碳價(jià)，提高機(jī)組參加碳交易的積極性，提升機(jī)組碳交易收益，促進(jìn)機(jī)組減排。

4" 結(jié)論

本文綜合考慮碳排放、脫碳能耗、碳交易和調(diào)峰政策建立了CHP-CCS機(jī)組的熱力學(xué)分析模型和凈收益模型，得到了機(jī)組脫碳能耗與熱電負(fù)荷特性，并提出了CHP-CCS機(jī)組的靈活高效運(yùn)行策略。

1）經(jīng)余熱余壓利用改造后，CHP-CCS系統(tǒng)的脫碳能耗顯著降低，熱電特性有所改善，平均電出力和熱出力分別提高了5.6%和7.2%，增強(qiáng)了機(jī)組的運(yùn)行靈活性。

2）常規(guī)CHP-CCS機(jī)組的供熱期能耗高于非供熱期；而在非供熱期內(nèi)，改造后CHP-CCS機(jī)組在高工況區(qū)間的單位脫碳能耗低于低工況區(qū)間，選擇在非供熱期高工況區(qū)間下脫碳更節(jié)能。

3）CHP-CCS機(jī)組的脫碳能耗及熱電運(yùn)行特性與系統(tǒng)的碳捕集量有關(guān)，可通過(guò)調(diào)整不同負(fù)荷下的碳捕集率實(shí)現(xiàn)CHP-CCS機(jī)組的靈活高效運(yùn)行。

4）供熱期內(nèi)，CHP-CCS機(jī)組的凈收益與碳交易成本、電價(jià)波動(dòng)及調(diào)峰政策有關(guān)，合理調(diào)整碳交易價(jià)格，可在帶動(dòng)系統(tǒng)低碳運(yùn)行的同時(shí)彌補(bǔ)因供熱減少造成的經(jīng)濟(jì)損失。

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