【原】北京交通大学贠韫韵、张大海 等：考虑光热电站及富氧燃烧捕集技术的电热气综合能源系统低碳运行优化

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大规模新能源接入综合能源系统的背景下，针对传统背压式机组的“以热定电”运行约束及环境污染问题，北京交通大学电力系统保护与控制团队提出一种考虑光热电站及富氧燃烧技术的综合能源系统低碳运行优化方法。

研究背景

环境污染与能源短缺问题加速了低碳化、能源清洁化的全球发展趋势，为实现“碳达峰、碳中和”的宏伟发展目标，多能互补互济、多源协同优化综合能源系统成为缓解能源供需矛盾、提升能源转化能力的关键技术方向。

论文所解决的问题及意义

针对传统机组的运行约束及环境污染问题，引入富氧燃烧捕集技术对燃气机组进行改造，配置含热回收器的光热电站实现热电解耦与辅助供能，并结合电转气设备、燃气锅炉等能量转换设备组成综合能源系统，提出一种电热气综合能源系统低碳优化方法。

论文方法及创新点

本文结合已有综合能源系统运行优化研究基础，进一步挖掘燃气机组的低碳灵活运行能力与光热电站的综合运行潜力，提高系统的低碳经济运行水平。创新点如下：

① 引入富氧燃烧捕集技术对燃气机组进行低碳化改造，并建立富氧燃烧捕集机组的电碳特性方程组与净输出功率表达式。此外，富氧燃烧捕集机组与电转气设备联合运行可实现系统内部碳循环，而且可回收电转气设备运行中产生高纯度氧气供给富氧燃烧捕集机组以拓宽氧气来源。

图1  富氧燃烧捕集机组能流图

② 考虑到光热电站与火电类似，引入热回收器对发电余热蒸汽进行回收实现供暖或储热，通过控制储热功率可保证电热出力可控以燃气机组的实现电热解耦，并使光热电站类似于传统机组的“热电联供”能力，分析了光热电站与富氧燃烧捕集机组联合运行原理。

图2  光热电站架构

图3  光热电站与富氧燃烧捕集机组联合供热原理图

③计及电转气设备的运行特性，回收反应余热及产物氧气，基于化学反应关系建立了可回收反应热量与氧气体积和甲烷体积的数学关系，进而构建电转气设备数学模型，挖掘了电转气设备的运行潜力。

结论

（1）引入富氧燃烧捕集技术与光热电站可以满足系统内部的多能需求，实现了多种能量的双向转换，提高了系统的运行灵活性，具有较好的减碳效果与经济性。

（2）配置热回收器的光热电站可实现“热电联供”，拓展了储热系统的储热来源，提高了光热电站的热能时移能力与能量利用效率；同时，热回收器与光热电站结合可实现电站内部的热能循环流动，提高了其运行灵活性。

（3）燃气机组引入富氧燃烧捕集技术可提高其出力调节范围，有效降低碳排量，且其与电转气联合运行可实现系统内部的碳资源循环利用，提高了系统的低碳运行能力。

（4）电转气设备具备多种供能潜力，其降碳特性也可提升系统的碳交易收益；同时，当电转气运行效率提升时，系统的运行成本与燃气机组制氧能耗也缓慢下降，说明电转气设备运行效率的提升可进一步提升系统的运行经济效益。

（5）光照条件的变化对光热电站的供电/热能力及能量的时移能力具有明显的影响，从而影响了系统内热电联供核心机组的运行计划，导致系统的购气量及运行成本发生变化。

团队介绍

北京交通大学电力系统保护与控制团队现有教授5名（含IEEE Fellow 1名），副教授6名，高工1名，讲师2名，在读博/硕士研究生100余名。团队长期从事智能电网与能源互联网的运行、保护、控制和恢复相关研究，以及城市电力交通融合系统研究；近年来主持/参加科研项目100余项，包括国家重点研发计划12项、国家自然科学基金项目11项；获2019年度中国电工技术学会科技进步一等奖1项（主持），参与其他省部级奖励10余项；累计发表学术论文600余篇，专利80余项；组织/参与编制IEEE标准3项均已颁布。

贠韫韵

1994年出生，博士研究生，研究方向为电力与能源系统运行优化。

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张大海

1973年出生，通讯作者，教授，博士生导师，研究方向为智能电网、电力系统继电保护。

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王小君

1978年出生，教授，博士生导师，研究方向为电力系统分析与控制，综合能源系统优化运行等。

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倪平浩

1972年出生，高级实验师，硕士生导师，研究方向为电气设备在线监测技术,电力系统继电保护。

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和敬涵

1964年出生，教授，博士生导师，IEEE Fellow,研究方向为电力系统保护与控制、电力系统自愈恢复、主动配电网。

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本工作成果已发表在2023年第24期《电工技术学报》，论文标题为“考虑光热电站及富氧燃烧捕集技术的电热气综合能源系统低碳运行优化”。本课题得到国家自然科学基金项目的支持。

引用本文

贠韫韵, 张大海, 王小君, 倪平浩, 和敬涵. 考虑光热电站及富氧燃烧捕集技术的电热气综合能源系统低碳运行优化[J]. 电工技术学报, 2023, 38(24): 6709-6726. Yun Yunyun, Zhang Dahai, Wang Xiaojun, Ni Pinghao, He Jinghan. Low-Carbon Operational Optimization of Integrated Electricity-Heat-Gas Energy System Considering Concentrating Solar Power Plant and Oxygen-Enriched Combustion Capture Technology. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(24): 6709-6726.