于雪菲，張帥，劉琳琳，都健

（大連理工大學(xué)化工學(xué)院，化工系統(tǒng)工程研究所，遼寧大連116024）

引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和全球人口的持續(xù)增加, 全球能源消費(fèi)仍然增長(zhǎng)迅速。國(guó)際能源署（international energy agency，IEA）預(yù)測(cè)，2040 年全球化石燃料的使用量將占一次性能源總使用量的74%[1]。而化石能源燃燒產(chǎn)生的大量以二氧化碳（CO2）為代表的溫室氣體直接進(jìn)入大氣層，打破碳循環(huán)的動(dòng)態(tài)平衡，引發(fā)了一系列如冰川融化、全球變暖、干旱等全球性問(wèn)題[2]。從碳排放源的結(jié)構(gòu)來(lái)看，電力行業(yè)是CO2排放的主要來(lái)源之一，具有排放量大、增速快等特點(diǎn)[3]。同時(shí)，電力行業(yè)可通過(guò)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、設(shè)備改造、優(yōu)化運(yùn)行模式等措施實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展[4]。

碳捕集與封存（carbon capture and storage,CCS）是電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)，主要包括捕集、輸送和封存三個(gè)系統(tǒng)[5]。它將燃燒后廢氣中的CO2分離出來(lái)，經(jīng)過(guò)脫水、凈化等工藝處理，通過(guò)罐車(chē)或管道等方式將CO2輸送到指定地點(diǎn)進(jìn)行封存[6]。電力行業(yè)的碳排放通常來(lái)自大型火電廠(chǎng)，通過(guò)在傳統(tǒng)火電廠(chǎng)中引入碳捕集裝置，將其改造成具有低排放的碳捕集電廠(chǎng)，可有效緩解化石燃料使用與碳減排之間的矛盾，具有廣泛的應(yīng)用前景[7]。碳捕集系統(tǒng)通常可分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒3 種[8]，與其他2 種技術(shù)相比，基于胺基溶劑的燃燒后碳捕集具有原理簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、易于應(yīng)用、能耗較大等特點(diǎn)[9]，是目前應(yīng)用最廣泛的電廠(chǎng)CO2捕集技術(shù)[10]。

Tan 等[11]首次提出“碳捕集與封存（CCS）總組合曲線(xiàn)”夾點(diǎn)圖示法，通過(guò)構(gòu)造CCS 總組合曲線(xiàn)，可以在滿(mǎn)足電力行業(yè)碳排放約束的同時(shí)，最大限度降低對(duì)發(fā)電廠(chǎng)進(jìn)行碳捕集改造時(shí)所造成的影響。P?kala等[12]以區(qū)域能源需求為基礎(chǔ)，建立混合整數(shù)線(xiàn)性（mixed integer linear programming，MILP）模型，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)優(yōu)化碳捕集裝置在電力部門(mén)的配置情況。Lee[13]建立了一個(gè)考慮多種捕集技術(shù)能量損失的MILP 模型，可以實(shí)現(xiàn)最小能量損失下的碳捕集配置方案。但是以往對(duì)CCS 系統(tǒng)的研究大多集中在固定負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行，實(shí)際上，碳捕集系統(tǒng)通過(guò)引入輔助設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)一定程度上可以獨(dú)立于發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)控制碳捕集電廠(chǎng)中各個(gè)單元之間的能量分配，可獨(dú)立調(diào)整其發(fā)電功率與碳捕集水平。碳捕集電廠(chǎng)的這種結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)行原理使其具有靈活運(yùn)行的潛力，可通過(guò)合理的調(diào)度規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)避峰操作，提高經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)有的研究中，引入的輔助設(shè)備主要用于溶劑儲(chǔ)存和旁路排煙[14]。其中溶劑儲(chǔ)存是指在基于溶劑吸收的CCS 裝置中增加貧、富儲(chǔ)液罐，以便在不進(jìn)行碳捕集操作時(shí)存放溶劑，通過(guò)碳捕集裝置的靈活操作使系統(tǒng)利潤(rùn)最大化[15]。旁路排煙指的是將未經(jīng)處理的廢氣通過(guò)旁路部分排放或完全排放，捕集系統(tǒng)將在部分負(fù)載下運(yùn)行，減少能量消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

盡管引入碳捕集系統(tǒng)能夠有效地達(dá)成減排目標(biāo)，但其解吸過(guò)程對(duì)能量依賴(lài)性強(qiáng)，導(dǎo)致發(fā)電廠(chǎng)向電網(wǎng)輸送電力的效率下降[16]。因此，為了確保發(fā)電廠(chǎng)和碳捕集裝置集成系統(tǒng)的運(yùn)行能力在動(dòng)態(tài)上仍然可行，需對(duì)二者之間存在的耦合作用機(jī)制及調(diào)度關(guān)系進(jìn)行深入分析。Chen 等[17]將發(fā)電廠(chǎng)簡(jiǎn)化成一個(gè)電力輸出單元，探究燃燒后碳捕集聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠(chǎng)的運(yùn)行特性。同時(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)透平設(shè)備的連接方式、結(jié)構(gòu)安排和汽、電需求對(duì)于電廠(chǎng)和碳捕集裝置集成系統(tǒng)的調(diào)度有著較大影響。Lawal 等[18]在對(duì)基于胺溶液的碳捕集研究得出，溶劑再生所需的熱量由低壓蒸汽提供最優(yōu)。He 等[19]提出一個(gè)燃燒后碳捕集-天然氣聯(lián)合循環(huán)（NGCC）電廠(chǎng)模型，用于評(píng)估多種情況下，如再沸器熱負(fù)荷、透平機(jī)抽汽以及電廠(chǎng)輸入因素變化時(shí)，集成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

Haines 等[20]從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度分析了碳捕集電廠(chǎng)的靈活運(yùn)行機(jī)制，認(rèn)為碳捕集裝置的靈活操作模式會(huì)減少系統(tǒng)的總費(fèi)用。隨后Cohen 等[21]將煙氣旁路與溶劑儲(chǔ)罐兩種靈活運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比分析，討論最優(yōu)靈活運(yùn)行機(jī)制隨電價(jià)、碳稅等因素的變化。van Peteghem 等[22]在引入配置溶液存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)上分析碳捕集電廠(chǎng)的靈活運(yùn)行特性，結(jié)果表明配置溶液存儲(chǔ)器能夠使CO2吸收劑的儲(chǔ)存與再生實(shí)現(xiàn)類(lèi)似抽水蓄能電廠(chǎng)的運(yùn)行特性，提供碳捕集電廠(chǎng)靈活的調(diào)峰能力。Mac Dowell 等[23]充分開(kāi)發(fā)電廠(chǎng)的靈活性，分別對(duì)四種不同的靈活運(yùn)行方式：負(fù)荷跟蹤、溶劑儲(chǔ)存、煙氣旁路和時(shí)變?nèi)軇┰偕M(jìn)行評(píng)估。其結(jié)果顯示與參考方案相比，4 種方案的日利潤(rùn)都有所提高。Mechleri 等[24]提出燃煤燃?xì)獍l(fā)電廠(chǎng)與燃燒后碳捕集模型，并在一個(gè)多周期動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題中分別對(duì)四種不同的靈活操作方式進(jìn)行評(píng)估，得到各方案的適用條件。但上述研究者都只是對(duì)每種靈活運(yùn)行機(jī)制分別進(jìn)行評(píng)估，沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行深入探討，同時(shí)也忽略了電廠(chǎng)的優(yōu)化，及其與碳捕集裝置間的同步調(diào)度關(guān)系。

本文針對(duì)電廠(chǎng)和碳捕集裝置之間的耦合關(guān)系，考慮電價(jià)的波動(dòng)，對(duì)于化石燃料發(fā)電廠(chǎng)和燃燒后碳捕集裝置進(jìn)行同步集成與調(diào)度優(yōu)化研究。模型中同時(shí)引入煙氣旁路和溶劑儲(chǔ)罐兩種輔助設(shè)備，以提升電廠(chǎng)和碳捕集裝置之間的解耦合程度，而另兩種模式因涉及到電網(wǎng)負(fù)荷和塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這里不進(jìn)行探究。同時(shí)在電廠(chǎng)的配置中引入分級(jí)透平，優(yōu)化透平的調(diào)度，以合理分配系統(tǒng)能量，提高碳捕集電廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性。該模型旨在探索碳捕集調(diào)度和電廠(chǎng)經(jīng)濟(jì)性之間的權(quán)衡，從而得出電廠(chǎng)和碳捕集裝置集成系統(tǒng)同步調(diào)度的運(yùn)行機(jī)制，為工業(yè)應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 問(wèn)題描述

本文對(duì)電廠(chǎng)和碳捕集裝置集成系統(tǒng)參與的電力交易市場(chǎng)和碳排放交易市場(chǎng)做出如下情景假設(shè)：（1）電力交易市場(chǎng)由長(zhǎng)期雙邊交易和提前一天的集中交易組成，其關(guān)注點(diǎn)在于日前市場(chǎng)的決策[25-26]。首先，電廠(chǎng)可以通過(guò)簽訂長(zhǎng)期雙邊協(xié)議，在日前市場(chǎng)之外進(jìn)行長(zhǎng)期的能源貿(mào)易，獲得一個(gè)固定電量的合同收益。其次，電廠(chǎng)可以根據(jù)每小時(shí)電價(jià)的波動(dòng)提前決策此時(shí)的產(chǎn)電量，并按照小時(shí)電價(jià)在日前市場(chǎng)上進(jìn)行交易，獲取波動(dòng)的電力市場(chǎng)收益。（2）碳排放交易市場(chǎng)機(jī)制由碳排放量分配、碳排放量交易和結(jié)算三部分組成[27]。政府規(guī)定碳排放總量的強(qiáng)制性上限，并將一定的碳排放量分配給電廠(chǎng)。碳排放量可用于抵消實(shí)際排放量或在市場(chǎng)上交易獲取碳市場(chǎng)收益，并在定期進(jìn)行結(jié)算。

本文采用基于化學(xué)吸收法的燃燒后碳捕集技術(shù)回收CO2，利用堿性吸收劑（如MEA）和CO2發(fā)生反應(yīng)進(jìn)而回收CO2，該方法技術(shù)成熟，氣體產(chǎn)品的回收率和純度較高，并且對(duì)于CO2濃度較低的煙氣也有較好的處理效果[28]。

本文假設(shè)電廠(chǎng)和碳捕集裝置集成系統(tǒng)面向以上兩種市場(chǎng)，并已預(yù)知日前每小時(shí)電價(jià)波動(dòng)情況。已知發(fā)電廠(chǎng)的額定發(fā)電量，碳捕集裝置的額定操作參數(shù)，且蒸汽動(dòng)力循環(huán)部分流股的進(jìn)出口溫度、壓力和焓值給定。該問(wèn)題基于日電價(jià)的實(shí)時(shí)變化對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，致力于得到具有最大日利潤(rùn)的電廠(chǎng)和碳捕集裝置結(jié)構(gòu)及同步調(diào)度方案。

2 電廠(chǎng)和碳捕集裝置耦合集成與同步調(diào)度超結(jié)構(gòu)

碳捕集裝置位于電廠(chǎng)的下游，處理電廠(chǎng)燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的CO2，同時(shí)其操作還需要消耗大量蒸汽，因此碳捕集裝置與電廠(chǎng)配置具有強(qiáng)烈的耦合關(guān)系。而引入儲(chǔ)罐后，可對(duì)這種關(guān)系進(jìn)行一定程度的解耦，使碳捕集操作不再完全跟隨于電廠(chǎng)，兩者之間具有很大的調(diào)度優(yōu)化空間。本文所建立的電廠(chǎng)和碳捕集裝置耦合集成與同步調(diào)度超結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中所示超結(jié)構(gòu)包括碳捕集裝置和電廠(chǎng)兩部分。碳捕集裝置主要由吸收塔、解吸塔和壓縮機(jī)構(gòu)成。在碳捕集裝置中，從發(fā)電廠(chǎng)鍋爐中排出的煙氣通入吸收塔塔底，MEA 溶液（未吸收時(shí)稱(chēng)為貧液）從吸收塔塔頂進(jìn)入，與吸收塔內(nèi)CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。吸收CO2的MEA 溶液（此時(shí)稱(chēng)為富液）在進(jìn)入解吸塔之前與從解吸塔塔底中流出的貧液換熱，富液被加熱到接近解吸塔內(nèi)的溫度后進(jìn)入解吸塔，并進(jìn)一步在外部熱量的作用下，于解吸塔塔底再沸器中進(jìn)行CO2解吸和MEA 再生，而貧液溫度則降低到與入口煙氣溫度相近后，再通入吸收塔進(jìn)行下一階段的吸收。

為了使電廠(chǎng)和碳捕集裝置之間解耦合，增加二者的靈活操作能力，本文一方面在電廠(chǎng)和捕集系統(tǒng)之間設(shè)置一個(gè)煙氣旁路，可在滿(mǎn)足減碳要求的前提下向環(huán)境釋放CO2，另一方面在吸收塔和解吸塔之間設(shè)置溶劑儲(chǔ)罐，使吸收塔和解吸塔的操作脫鉤，滿(mǎn)足靈活調(diào)度的需求。

在電廠(chǎng)部分，發(fā)電機(jī)組蒸汽動(dòng)力循環(huán)是整個(gè)電廠(chǎng)能量轉(zhuǎn)換的核心。如圖1 所示，作為工質(zhì)的水在鍋爐內(nèi)吸熱變成過(guò)熱蒸汽，然后通過(guò)不同等級(jí)的透平機(jī)膨脹做功后發(fā)電，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)變。其中透平排出的低壓蒸汽需要分配一部分至解吸塔再沸器驅(qū)動(dòng)CO2解吸和MEA 再生；同時(shí)，一部分產(chǎn)電量用于碳捕集裝置和其他輔助設(shè)備。經(jīng)過(guò)透平做功后的蒸汽進(jìn)入冷凝器，冷凝成水后再次進(jìn)入鍋爐，實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的循環(huán)利用。由于蒸汽透平機(jī)的合理布置對(duì)于電廠(chǎng)和碳捕集系統(tǒng)的靈活調(diào)度有較大影響，本文建立了分級(jí)式蒸汽透平超結(jié)構(gòu)。

圖1 電廠(chǎng)和碳捕集裝置耦合集成與同步調(diào)度超結(jié)構(gòu)Fig.1 Coupling integration and synchronous scheduling superstructure of power plant and carbon capture device

3 數(shù)學(xué)模型

基于圖1所示的電廠(chǎng)和碳捕集裝置耦合集成與同步調(diào)度超結(jié)構(gòu)，本文建立如下所示的混合整數(shù)非線(xiàn)性規(guī)劃（mixed integer non-linear programming，MINLP）模型，用于系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以集成系統(tǒng)日利潤(rùn)最大為設(shè)計(jì)目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)如式（1）所示[10]，日利潤(rùn)包括固定電量合同收益、電力市場(chǎng)收益、產(chǎn)電費(fèi)用、碳市場(chǎng)收益以及CO2運(yùn)輸和儲(chǔ)存費(fèi)用：

其中，gt表示發(fā)電廠(chǎng)的總產(chǎn)電量，MW;αA為CO2吸收過(guò)程的效率懲罰系數(shù);αD為CO2解吸和壓縮過(guò)程的效率懲罰系數(shù);rA,t和rD,t分別表示CO2的吸收和解吸速率。在式(2)中，這些速率根據(jù)吸收和解吸操作的額定速率進(jìn)行歸一化[4,9]，速率越大表明相應(yīng)的捕集設(shè)備負(fù)荷量越高。定義為：

（3）Qt和cQ分別為產(chǎn)生電量所需的燃料量和燃料價(jià)格，Qt的計(jì)算公式如下：

其中,MBt為鍋爐產(chǎn)生的水蒸氣的量，kg·h-1；H0和HS分別為鍋爐產(chǎn)生的水蒸氣的焓值和飽和冷凝水的焓值，kJ·kg-1；LHV 為燃料能提供的最低熱值，kJ·kg-1,這里的燃料為煤粉；ξ 為燃料燃燒的效率系數(shù)。

其中，第一項(xiàng)為發(fā)電廠(chǎng)產(chǎn)生的總CO2量，第二項(xiàng)為吸收塔吸收的CO2量。eG0為額定負(fù)荷下工作時(shí)發(fā)電廠(chǎng)的CO2排放強(qiáng)度，t·(MW·h)-1；g0為最大總發(fā)電量，MW;ηG0和ηG,t分別為在額定負(fù)荷下工作時(shí)發(fā)電廠(chǎng)的產(chǎn)電效率和考慮靈活操作時(shí)發(fā)電廠(chǎng)的產(chǎn)電效率，ηG,t公式如下(ω和β為發(fā)電效率方程中的系數(shù))：

吸收塔吸收的CO2的量E,t為：

3.2 碳捕集裝置過(guò)程約束

電廠(chǎng)發(fā)電量、吸收塔和解吸塔的操作速率需滿(mǎn)足操作可行性，如式（8）～式（10）所示，同時(shí)要求解吸速率與壓縮速率相等。

式(12)～式(14)分別描述了發(fā)電廠(chǎng)、吸收塔和解吸塔的速率變化限制。它們限制了總發(fā)電量、CO2吸收和解吸速率從一個(gè)工作時(shí)間到下一個(gè)工作時(shí)間的最大變化率。

其中，ΔgR為最大發(fā)電斜坡速率，MW·min-1；ΔrA,max為最大吸收斜坡速率，h-1；ΔrD,max為最大解吸斜坡速率，h-1。

3.3 煙氣旁路約束

一天內(nèi)由旁路排出的總CO2量應(yīng)有所限制，如式（15）所示。其中，e,max為 最 大CO2排放強(qiáng) 度，t·MW-1。

3.4 貧、富液儲(chǔ)罐約束

貧、富液儲(chǔ)罐的部分模型如下：

其中，Rt,in和Lt,in分別表示輸入貧、富液儲(chǔ)罐的溶液體積流率，m3·h-1;R0和L0為發(fā)電廠(chǎng)在額定負(fù)荷下貧、富液儲(chǔ)罐的輸入溶液體積流率，m3·h-1。

式（18）和式（19）中的Rt和Lt代表每一時(shí)刻貧、富液罐內(nèi)溶劑的體積，m3;R0,total和L0,total為初始狀態(tài)下貧、富液罐內(nèi)溶劑的體積，m3;Rmax和Lmax為貧、富液罐的最大容積，m3。

約束條件有：

3.5 蒸汽透平機(jī)約束

蒸汽透平機(jī)模型如下所示，式（22）～式（24）分別為高壓、中壓和低壓蒸汽的物料衡算式：

式(25)為蒸汽透平機(jī)的產(chǎn)功計(jì)算式[29]：

CO2解吸塔所需要的蒸汽量可用式(32)計(jì)算，qstr為解吸單位質(zhì)量CO2所需的能量，kJ·t-1;H 為解吸塔再沸器蒸汽進(jìn)出口兩端的焓差，kJ·kg-1。

電廠(chǎng)t時(shí)刻產(chǎn)生的總電量為：

其中，ψ為機(jī)械能和電能之間的轉(zhuǎn)化效率。

本文所建立的MINLP 數(shù)學(xué)模型主要約束如上所示，其中0-1 二元變量表示透平機(jī)及其輸出功的存在性。該模型在通用建模軟件GAMS（general algebraic modeling system）中建模并使用Dicopt 求解器進(jìn)行求解。

4 算例分析

本文對(duì)一個(gè)600 MW 的發(fā)電廠(chǎng)進(jìn)行算例分析，這是目前典型的發(fā)電廠(chǎng)規(guī)模，這樣的發(fā)電廠(chǎng)一般能夠捕集1.5×106t·a-1的CO2。日電價(jià)波動(dòng)數(shù)據(jù)取自Chen 等[17]，其 他 參 數(shù) 從 文 獻(xiàn)[10,30-31]中 獲 得，部 分見(jiàn)表1。

表1 部分重要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Part of important design parameters

經(jīng)所建模型優(yōu)化后獲得的最優(yōu)日利潤(rùn)為249936 USD。表2列出了日利潤(rùn)中的各項(xiàng)費(fèi)用與收益，優(yōu)化后得到的電廠(chǎng)和碳捕集裝置耦合集成結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其中在電廠(chǎng)部分配置3 個(gè)蒸汽透平，系統(tǒng)內(nèi)主要設(shè)備及其操作隨日電價(jià)波動(dòng)（時(shí)間）呈現(xiàn)的調(diào)度方案如圖3～圖7所示。

表2 計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results

圖3 給出了在該日電價(jià)分布下的最優(yōu)發(fā)電策略，其中折線(xiàn)所示為已知的電價(jià)隨時(shí)間（h）波動(dòng)情況。圖中，每小時(shí)發(fā)電廠(chǎng)輸出的總電量等于輸出到電力市場(chǎng)的電量和用于碳捕集的電量之和。可以看出，在電價(jià)較高時(shí)，總發(fā)電量遠(yuǎn)高于電價(jià)較低時(shí)；電價(jià)較高時(shí)用于碳捕集的電量更少，甚至為0，說(shuō)明該設(shè)計(jì)可充分考慮電價(jià)波動(dòng)調(diào)度生產(chǎn)，并利用電價(jià)峰值的優(yōu)勢(shì)提高日利潤(rùn)。

圖2 最優(yōu)電廠(chǎng)和碳捕集裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Optimized configuration of power plant and carbon capture device

圖3 電廠(chǎng)發(fā)電量分配及其變化Fig.3 Power generation,allocation and its variation

圖4 描繪出每小時(shí)內(nèi)CO2吸收塔和解吸塔的最優(yōu)吸收速率和解吸速率。優(yōu)化過(guò)程中，這兩個(gè)速率可同時(shí)調(diào)整，只要保證在一定的時(shí)間間隔內(nèi)富、貧液儲(chǔ)罐中的溶劑體積不超過(guò)最大允許容量即可。由圖示可知，在電價(jià)較低時(shí)，CO2吸收和解吸的速率都很高，此時(shí)舍棄電力市場(chǎng)，獲取碳排放市場(chǎng)的利潤(rùn)是有利的，而在電價(jià)較高時(shí)，CO2吸收和解吸速率都降低以實(shí)現(xiàn)電廠(chǎng)的凈電量輸出最大化。

圖4 CO2吸收/解吸速率的調(diào)度Fig.4 Scheduling of CO2 absorption/desorption rate

圖5 最優(yōu)CO2捕集、排放調(diào)度方案Fig.5 Optimized scheduling of CO2 capture and emission

圖5 描繪了發(fā)電廠(chǎng)CO2凈排放量和收集量，CO2吸收量和解吸量在電價(jià)波動(dòng)時(shí)隨時(shí)間的變化。如圖5（a）所示，在高電價(jià)時(shí)期，發(fā)電廠(chǎng)能夠通過(guò)排放CO2獲得比實(shí)施碳捕集更大的收益，而當(dāng)電價(jià)下降時(shí)，電廠(chǎng)應(yīng)減少凈電量的輸出轉(zhuǎn)而增加碳捕集。圖5（b）表明，在低電價(jià)時(shí)期，碳捕集裝置中吸收和解吸的CO2量都比較高，而在高電價(jià)時(shí)期，發(fā)電廠(chǎng)盡可能停止碳捕集裝置的運(yùn)行，來(lái)獲取最大的日利潤(rùn)，這與圖3、圖4和圖5（a）的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖6（a）所示柱狀條表示每個(gè)時(shí)間點(diǎn)下發(fā)電廠(chǎng)透平機(jī)組的產(chǎn)功量，圖6（b）為用于溶劑再生所需的低壓蒸汽量隨電價(jià)（時(shí)間）的變化。由圖6（a）可知，即使通過(guò)透平機(jī)T2,4的蒸汽量要小于通入透平機(jī)T1,2的蒸汽量，但由于透平機(jī)T2,4是跨等級(jí)透平，蒸汽進(jìn)出口溫差較大，因此產(chǎn)功量較大。同時(shí)，由于CO2解吸所需的熱量是由低壓透平機(jī)的蒸汽提供的，因此需要透平機(jī)T2,3運(yùn)行。在低電價(jià)時(shí)期，發(fā)電廠(chǎng)需要提供更多的蒸汽以驅(qū)動(dòng)碳捕集裝置，此時(shí)三個(gè)透平機(jī)的產(chǎn)功量相差不大；而在高電價(jià)時(shí)期，發(fā)電廠(chǎng)提高發(fā)電量，其中透平機(jī)T2,4的產(chǎn)功量有大幅度提高，同時(shí)發(fā)電廠(chǎng)盡可能降低碳捕集裝置的運(yùn)行，關(guān)閉透平機(jī)T2,3，僅由透平機(jī)T1,2和T2,4提供產(chǎn)功量。

從圖6（b）中可以看出，高電價(jià)時(shí)，用于CO2解吸的蒸汽量處于最低值，此時(shí)電廠(chǎng)將吸收了CO2的富液儲(chǔ)存在溶劑儲(chǔ)罐中，以減小碳捕集的能量消耗，獲取最大日利潤(rùn)。

圖7 展示了貧、富液儲(chǔ)罐內(nèi)溶液的體積隨電價(jià)的變化情況。在低電價(jià)時(shí)，碳捕集裝置中CO2的解吸速率要大于吸收速率，因此富液儲(chǔ)罐中的溶液體積在逐漸減少，貧液儲(chǔ)罐中的溶液體積在逐漸增大。在電價(jià)較高時(shí)，電廠(chǎng)將吸收CO2的富液儲(chǔ)存起來(lái)，推遲解吸操作，因此富液罐內(nèi)溶液體積增加，貧液罐內(nèi)溶液體積減少。

圖6 最優(yōu)蒸汽動(dòng)力循環(huán)調(diào)度Fig.6 Optimized steam power cycle schedule

圖7 貧、富液儲(chǔ)罐內(nèi)溶液體積變化Fig.7 Solvent volume change in lean/rich tank

5 結(jié) 論

本文在傳統(tǒng)的電廠(chǎng)和碳捕集裝置模型基礎(chǔ)上，引入煙氣旁路和溶劑儲(chǔ)罐兩種靈活運(yùn)行機(jī)制并構(gòu)建電廠(chǎng)蒸汽動(dòng)力循環(huán)的多級(jí)透平結(jié)構(gòu)，提出一個(gè)新的電廠(chǎng)和碳捕集裝置同步集成模型，可實(shí)現(xiàn)基于日電價(jià)變化的系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化。經(jīng)過(guò)實(shí)例分析可知，日電價(jià)變化、減排目標(biāo)、儲(chǔ)罐的體積及蒸汽透平機(jī)位置等因素均對(duì)系統(tǒng)的調(diào)度結(jié)果有一定的影響。值得注意的是隨著減排目標(biāo)的逐漸增加，在高電價(jià)時(shí)期也會(huì)出現(xiàn)碳捕集操作，因此定制合理的碳排放量約束有利于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的權(quán)衡。該方法可有效實(shí)現(xiàn)電廠(chǎng)和碳捕集裝置的解耦合，增加集成系統(tǒng)的靈活性，實(shí)現(xiàn)捕集與外輸供電的合理調(diào)配；同時(shí)蒸汽跨等級(jí)透平做功能有效地減少燃料消耗，實(shí)現(xiàn)能量利用最大化。算例結(jié)果證明了方法的可行性及有效性，該方法可為碳捕集裝置的實(shí)際利用及相關(guān)減排工藝提供理論基礎(chǔ)。

符 號(hào) 說(shuō) 明

gt——發(fā)電廠(chǎng)的總產(chǎn)電量，MW

H——解吸塔再沸器蒸汽進(jìn)出口兩端的焓差，kJ·kg-1

ΔTstj,jp,sat——第j 等級(jí)到第jp 等級(jí)間該蒸汽壓力下飽和蒸汽的溫度差，℃