[发明专利]一种碳循环系统及其应用

权利要求书

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：

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_t^P2G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

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。

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：

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；

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：

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：

其中，a，b和c为运行成本系数；

所述热电联产机组的燃料消耗被表示为如式(18)所示：

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：

将所述综合能源系统的总运行成本表示为如式(20)所示：

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。

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：

其中，与分别为热电联产CHP和S-CO₂机组的污染物治理成本；

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：

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：

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；

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：

C＝C_D+C_P+C_R (25)；

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：

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；P_t^D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；

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：：

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：

其中，σ与p_coal分别为燃煤的热值与单价，与分别为风电和光伏的能源利用效率；

将实际排入大气中的CO₂与净CO₂排放分别表示为如式(31)、(32)所示：