馬麗葉，朱思宇，2，盧志剛，武佳卉，梁白雪

（1. 電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（燕山大學(xué)），河北省 秦皇島市 066004；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江省 湖州市 313000；3. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，浙江省 杭州市 310000；4. 河北省分布式儲(chǔ)能與微網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），河北省 保定市 071003）

0 引言

全球氣候變化是當(dāng)前人類社會(huì)面臨的挑戰(zhàn)之一。為此，中國(guó)提出了2030 年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)［1］。實(shí)現(xiàn)“碳中和”，除了從碳排放源減少碳排放，還要從碳去向上考慮增加碳匯、發(fā)展碳捕集與封存（carbon capture and storage，CCS）等低碳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)碳排放和碳吸收的平衡［2］。

目前，火力發(fā)電仍是中國(guó)電力能源的主要來(lái)源［3］，將火電機(jī)組改造成碳捕集機(jī)組成為提高機(jī)組靈活性且減少碳排放的重要選擇之一。文獻(xiàn)［4］基于靈活運(yùn)行模式，提出了相對(duì)捕集度的概念。文獻(xiàn)［5］挖掘了碳捕集裝置在提供備用服務(wù)方面的潛能。與此同時(shí)，文獻(xiàn)［6-8］建立了碳捕集-電轉(zhuǎn)氣（power to gas，P2G）綜合能源系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，以二氧化碳（CO2）為紐帶將碳捕集裝置與P2G 設(shè)備進(jìn)行耦合，有效提高了可再生能源消納量。文獻(xiàn)［9］提出碳捕集-P2G 協(xié)同框架，將碳捕集裝置產(chǎn)生的能耗進(jìn)行負(fù)荷需求轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步提高了可再生能源消納量。然而，CO2的捕集和消耗存在時(shí)間上的不同步，為了增強(qiáng)碳捕集裝置和P2G 設(shè)備的耦合性，使各類資源得到更高效的利用，文獻(xiàn)［10］提出了一種以儲(chǔ)碳設(shè)備為樞紐的碳捕集-P2G 聯(lián)合運(yùn)行模式，以解決CO2的捕集和利用存在時(shí)間上不匹配的問(wèn)題，同時(shí)減少棄風(fēng)。

事實(shí)上，不同地區(qū)的碳匯能力會(huì)對(duì)凈碳排放量造成不同影響，有必要考慮碳排放去向問(wèn)題。因此，同時(shí)考慮碳排放源和碳匯能力的碳濃度控制模式是一種有效的碳減排方法［11］。影響CO2濃度的主要因素除了碳排放位置、高度和排放量等碳排放源因素，還包括風(fēng)速、風(fēng)向、大氣穩(wěn)定度等大氣環(huán)境因素［12］，以及地面植被固碳能力因素。鑒于此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮碳排放源和碳去向問(wèn)題，針對(duì)不同生態(tài)地理環(huán)境的碳匯差異，考慮碳匯作用以及CO2的大氣擴(kuò)散時(shí)空分布特性，提出自由CO2濃度的概念，并建立考慮時(shí)空擴(kuò)散和碳匯的碳捕集-P2G 協(xié)同低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

1 碳捕集-P2G 協(xié)同運(yùn)行模式

所構(gòu)建的碳捕集-P2G 協(xié)同運(yùn)行模式的能流圖如圖1 所示。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電有盈余時(shí)，可通過(guò)傳輸線路給碳捕集裝置供電并將多余的電能通過(guò)P2G 設(shè)備轉(zhuǎn)化為天然氣存儲(chǔ)起來(lái)［9］，提高了供用電的靈活性，進(jìn)而能夠在負(fù)荷低谷時(shí)期減少棄風(fēng)棄光量，提高可再生能源利用率。

圖1 碳捕集-P2G 協(xié)同運(yùn)行模式能流圖Fig.1 Energy flow diagram of carbon capture-P2G collaborative operation mode

1.1 碳捕集裝置模型

碳捕集裝置［13］會(huì)產(chǎn)生基準(zhǔn)能耗和運(yùn)行能耗，其模型如式（1）所示［14］。

式中:Qct為時(shí)段t碳捕集機(jī)組c產(chǎn)生的CO2量；μc為碳捕集機(jī)組c的碳排放強(qiáng)度系數(shù)；Pct為時(shí)段t碳捕集機(jī)組c的發(fā)電功率；為時(shí)段t碳捕集機(jī)組c處理的CO2量；αc為碳捕集機(jī)組c的煙氣旁路系統(tǒng)調(diào)節(jié)系數(shù)，取值為［0，1］；為時(shí)段t碳捕集機(jī)組c的CO2捕集量；βc為碳捕集機(jī)組c的碳捕集率，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范，碳捕集裝置的捕集率最大約為90%，故取值0.9；γc為碳捕集機(jī)組c捕集單位CO2量所消耗的功率；為碳捕集機(jī)組c在時(shí)段t的運(yùn)行能耗。

系統(tǒng)凈碳排放總量為:

式中:ΩCU為傳統(tǒng)燃煤機(jī)組集合；ΩCCU為碳捕集機(jī)組集合；為時(shí)段t所有機(jī)組的碳排放總量；為時(shí)段t碳捕集機(jī)組c的碳排放量為時(shí)段t傳統(tǒng)燃煤機(jī)組i的碳排放量；μi為傳統(tǒng)燃煤機(jī)組i的碳排放強(qiáng)度；Pit為時(shí)段t傳統(tǒng)燃煤機(jī)組i的輸出功率。

1.2 P2G 設(shè)備模型

P2G 設(shè)備可以將富余電能轉(zhuǎn)化為氫氣，并將制取的氫氣與CO2通過(guò)薩巴蒂埃反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷，如下式所示［15］:

2 自由CO2濃度分布模型

2.1 傳統(tǒng)燃煤機(jī)組排放CO2的時(shí)空擴(kuò)散模型

由于電力的供應(yīng)是連續(xù)不斷的，根據(jù)空氣污染氣象學(xué)理論，在均勻、定常湍流場(chǎng)的理想條件下，可采用高架點(diǎn)源的高斯煙羽擴(kuò)散模型描述傳統(tǒng)燃煤機(jī)組排放CO2的時(shí)空擴(kuò)散情況［16］。

由于氣態(tài)CO2密度較空氣大而下落，以近地面處空間域作為目標(biāo)區(qū)域，研究水平面上正方體單位域的CO2濃度情況。CO2的實(shí)際擴(kuò)散區(qū)域關(guān)于x軸對(duì)稱（見(jiàn)附錄A 圖A1），每一坐標(biāo)點(diǎn)的CO2濃度為相應(yīng)單位域的CO2濃度，可表示為:

式 中:Nt(x，y，0)為 時(shí) 段t目 標(biāo) 區(qū) 域(x，y，0)點(diǎn) 的CO2濃度，其中，(x，y，0)為采樣點(diǎn)在煙羽擴(kuò)散坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；dv為平均風(fēng)速；σy和σz分別為橫向、垂直大氣擴(kuò)散參數(shù)；Lgd為有效源高，包含煙囪幾何高度h和煙羽的抬升高度Δh，Lgd=h+Δh，取值見(jiàn)文獻(xiàn)［12］；St為時(shí)段t時(shí)CO2擴(kuò)散覆蓋的近地面單位正方體域個(gè)數(shù)，簡(jiǎn)化為對(duì)應(yīng)的水平面積，即擴(kuò)散范圍面積；ΩSt為St個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)單位域的集合；k1、k2、k3、k4為相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)，可通過(guò)查表得到，每當(dāng)大氣穩(wěn)定度、風(fēng)向與風(fēng)速等氣象條件以及源-荷相對(duì)位置確定后，可通過(guò)附錄A 表A1 獲得。

2.2 植物固碳模型

在單位時(shí)間和單位面積內(nèi)，綠色植物利用光合作用固定的有機(jī)總碳量稱為總初級(jí)生產(chǎn)力（gross primary productivity，GPP），GPP 減去植物自養(yǎng)呼吸量（autotrophic respiration consumption，ARC）所得的部分，稱為凈光合固碳量（net primary productivity，NPP）［17］。三者的關(guān)系式如下:

式中:CNPP為NPP；CGPP為GPP；CARC為ARC。

2.2.1 C-FIX 模型

為了得到GPP 和NPP，本文采用C-FIX 光能利用率模型來(lái)計(jì)算全日的GPP 和NPP［17］。

式中:CGPP，d為全日的GPP；p(Tatm)為歸一化氣溫依賴因子，取值［0，1］；Tatm為日平均氣溫；XFAPAR為植被可吸收的光合作用有效輻射比例系數(shù)，一般采用遙感植被指數(shù)法推算，取值［0，1］；ε為光能利用率；q為 氣 候 效 率 因 子；Bg，d為 太 陽(yáng) 入 射 總 輻 射 通 量；g1、g2、g3為常數(shù)，分別是21.77、1.163 8、0.142 6；ΔHa，P為活力分子能量；ΔHd，P為惰性分子能量；Rg為氣體常 數(shù)；Δξ為CO2動(dòng) 態(tài) 熵 平 衡；TK為 開(kāi) 爾 文 溫 度；GNDVI為歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index， NDVI），取值［-1，1］，當(dāng)GNDVI不大于0.122 5 時(shí)，地表為無(wú)植被覆蓋的裸土，XFAPAR為最小值0。

由式（5）可知，CGPP包含CNPP和CARC，植被自養(yǎng)呼吸率Yd表示CARC與CGPP的比例，依賴于日溫度Ta的Yd為:

式中:CNPP，d為全日的NPP。

2.2.2 考慮植物碳匯的自由CO2濃度分布模型

為了更好地描述排放的CO2經(jīng)大氣擴(kuò)散并于近地面處被植物吸收之后，穩(wěn)定在空氣中呈游離態(tài)的CO2濃度，本文定義了自由CO2濃度的概念。自由CO2濃度指在化石燃料電廠的大氣時(shí)空擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)，排放的CO2經(jīng)當(dāng)?shù)刂脖还烫嘉蘸?，剩余CO2以氣體形式在近地面空間內(nèi)自由存在時(shí)的濃度，簡(jiǎn)稱自由碳濃度。

由于地面擴(kuò)散區(qū)域范圍較廣，樣本數(shù)太多，故而研究每一單位時(shí)段的樣本平均值，即平均濃度:

式 中:NCO2，t為 時(shí) 段t的 平 均 自 由 碳 濃 度。

研究周期Γ=24 h，故選定夏季某日的平均自由碳濃度為研究對(duì)象，不必考慮植物碳匯的異養(yǎng)呼吸，通過(guò)換算，得到下式:

3 調(diào)度模型及求解

3.1 目標(biāo)函數(shù)

同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)保指標(biāo)，將平均自由碳濃度最小化和運(yùn)行成本最小化作為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)帶權(quán)極小模理想點(diǎn)法構(gòu)造綜合目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。

3.1.1 平均自由碳濃度最小化

式中:F1為平均自由碳濃度；ΩΓ為運(yùn)行時(shí)間周期的集合。

3.1.2 運(yùn)行成本最小化

式 中:F2、fF、fCO2、fW、fV分 別 為 總 成 本、燃 料 損 耗 成本、綜合碳成本、棄風(fēng)成本和棄光成本。

1）燃料損耗成本，包括所有燃煤機(jī)組的發(fā)電成本和啟停成本，如式（12）所示。

式中:ρi和ρc分別為傳統(tǒng)燃煤機(jī)組i、碳捕集機(jī)組c的燃料價(jià)格；ai、bi、ci、ac、bc、cc分別為傳統(tǒng)燃煤機(jī)組i、碳捕集機(jī)組c的燃料損耗系數(shù)；、、、分別為時(shí)段t傳統(tǒng)燃煤機(jī)組i、碳捕集機(jī)組c的開(kāi)機(jī)和停機(jī)能耗。

2）綜合碳成本，包括所有燃煤機(jī)組在碳交易機(jī)制下的碳排放成本和碳捕集機(jī)組傳輸與儲(chǔ)存CO2的成本，如式（13）所示。

式中:ρJ和ρts分別為碳交易價(jià)格、傳輸儲(chǔ)存CO2的價(jià)格；為 時(shí) 段t碳 排 放 基 準(zhǔn) 額 度；為 時(shí) 段t傳輸儲(chǔ)存的CO2量；ηPF為單位電量的碳排放基準(zhǔn)額度系數(shù)［18］。

3）棄風(fēng)棄光懲罰成本如式（15）所示。

3.2 約束條件

3.2.1 系統(tǒng)約束

高壓輸電線路一般不計(jì)網(wǎng)絡(luò)有功損耗，為保證傳輸功率實(shí)時(shí)平衡，相應(yīng)的線路傳輸功率約束和功率平衡約束分別如式（16）和式（17）所示。

式中:ΩWF、ΩPVPS、ΩP2G、ΩTL分別為風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站、P2G 設(shè)備和輸電線路的集合；Abi、Abc、Abw、Abv、Abp、Abl為與節(jié)點(diǎn)b對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣元素值；和分別為時(shí)段t碳捕集機(jī)組c的上網(wǎng)功率和供給P2G 的功率；Pwt和Pvt分別為時(shí)段t風(fēng)電場(chǎng)w、光伏電 站v出 力 預(yù) 測(cè) 值；PL，bt為 時(shí) 段t節(jié) 點(diǎn)b的 電 負(fù) 荷；PCSlt為時(shí)段t線路l的傳輸功率；θl1，t和θl2，t分別為時(shí)段t線路l首端節(jié)點(diǎn)l1和尾端節(jié)點(diǎn)l2的電壓角度；xl為線路l的 電抗和分別為線 路l輸送 有功功率的上限、下限；θb，min和θb，max分別為節(jié)點(diǎn)b電壓角度的最小值和最大值；θref和θbt分別為參考節(jié)點(diǎn)電壓角度和t時(shí)段節(jié)點(diǎn)b的電壓角度；ΩB為節(jié)點(diǎn)集合；分別為時(shí)段t傳統(tǒng)燃煤機(jī)組i、風(fēng)電場(chǎng)w、光伏電站v的上網(wǎng)功率；和分別為時(shí)段t傳統(tǒng)燃煤機(jī)組i用于承擔(dān)碳捕集運(yùn)行能耗的功率和提供給P2G 的功率。

系統(tǒng)約束還包括正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束、輸出功率約束、爬坡約束、開(kāi)停機(jī)能耗約束和最小開(kāi)停機(jī)時(shí)間約束，分別見(jiàn)文獻(xiàn)［15］。

3.2.2 儲(chǔ)碳設(shè)備約束

為解決P2G 設(shè)備和碳捕集裝置運(yùn)行時(shí)間不對(duì)等的問(wèn)題，本文增加儲(chǔ)碳設(shè)備，保證P2G 設(shè)備啟動(dòng)時(shí)有充足的碳源去合成甲烷［10］。

儲(chǔ)碳設(shè)備需要滿足儲(chǔ)碳平衡約束、儲(chǔ)碳量大小約束、注入CO2流量大小約束、取出CO2流量大小約束以及運(yùn)行周期始末時(shí)段存儲(chǔ)約束，分別見(jiàn)式（18）至式（22）。

儲(chǔ)碳設(shè)備的CO2僅來(lái)源于碳捕集裝置，且滿足式（23）。

式中:ΩCT為儲(chǔ)碳設(shè)備的集合。

3.2.3 其他相關(guān)約束

在碳捕集-P2G 協(xié)同運(yùn)行模式下，P2G 設(shè)備電解過(guò)程所耗功率由傳統(tǒng)燃煤機(jī)組、碳捕集機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站提供［9］，且P2G 設(shè)備所消耗的CO2完全來(lái)自儲(chǔ)碳設(shè)備。具體約束如式（24）所示:

事實(shí)上，學(xué)生分層、目標(biāo)分層與作業(yè)分層是層層遞進(jìn)、相輔相成的。不同層次的學(xué)生有不同層次的目標(biāo)，通過(guò)不同層次的作業(yè)鞏固才能實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)。A類學(xué)生在學(xué)有余力的情況下可以做一些沖刺題，選題要精，避免無(wú)選擇性的題海戰(zhàn)術(shù)，這樣只會(huì)挫傷其英語(yǔ)學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)，教師可以通過(guò)課后溝通提供一些學(xué)習(xí)資源，布置一些有挑戰(zhàn)性的開(kāi)放性任務(wù)，以提高其學(xué)習(xí)興趣；B類生應(yīng)選擇一些難度較為平實(shí)的題目，并且要重視錯(cuò)題的訂正，明確自身薄弱點(diǎn)以尋求突破。C類生的首要目標(biāo)是掌握基礎(chǔ)題，平時(shí)練習(xí)中頻繁出現(xiàn)的單詞和詞組搭配要熟記。結(jié)合目標(biāo)分層將作業(yè)分層后，不僅僅有望大幅度提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，還能減輕教學(xué)雙方的負(fù)擔(dān)。

碳捕集裝置的運(yùn)行能耗同樣由傳統(tǒng)燃煤機(jī)組、碳捕集機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站出力共同承擔(dān)［19-20］，故有約束式（25）:

風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站出力平衡約束為:

3.3 模型求解

本文所建模型同時(shí)包含整數(shù)變量和連續(xù)變量，并且由式（12）可以看出，燃煤機(jī)組的耗量特性為二次方程。因此，首先對(duì)非線性方程進(jìn)行分段線性化處理，將模型轉(zhuǎn)換為混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題，然后，調(diào)用YALMIP 工具箱的Cplex 求解器進(jìn)行求解。

同時(shí)，針對(duì)模型的雙目標(biāo)函數(shù)，本文使用層次分析法確定各函數(shù)權(quán)重，并采用帶權(quán)極小模理想點(diǎn)法構(gòu)造綜合目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解［21］，其表達(dá)式如下:

式中:F為綜合目標(biāo)函數(shù)；λ1和λ2分別為各相對(duì)子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，且滿足λ1+λ2=1；F′1和F′2分別為理想點(diǎn)目標(biāo)值，即各子目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值。

4 算例仿真

4.1 算例分析

所采用的6 節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A2 所示，包括5 個(gè)燃煤機(jī)組（G1 至G5）、1 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)、1 個(gè)光伏 電 站、1 臺(tái)P2G 設(shè) 備、7 條 輸 電 線 路 和3 個(gè) 電 負(fù) 荷（EL1、EL2、EL3）。燃煤機(jī)組G5 被改造為碳捕集機(jī)組。機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用為總負(fù)荷的10%。碳捕集裝置的固定能耗為機(jī)組裝機(jī)容量的0.5%，碳交易價(jià)格和單位CO2傳輸儲(chǔ)存價(jià)格分別為14.286 美元/t［18］和5 美 元/t［15］。煙 氣 旁 路 系 統(tǒng) 調(diào) 節(jié) 系 數(shù)αc取 值 為0.8，NDVI 數(shù)值GNDVI為0.7。風(fēng)電、光伏和電負(fù)荷預(yù)測(cè)值見(jiàn)附錄A 圖A3，其余系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)附錄A 表A2 和表A3。為驗(yàn)證本文模型的有效性，設(shè)置以下5種案例。

案例1:不考慮碳捕集裝置和P2G 設(shè)備；案例2:考慮碳捕集裝置；案例3:考慮P2G 設(shè)備；案例4:考慮碳捕集裝置和P2G 設(shè)備；案例5:在碳捕集-P2G 協(xié)同運(yùn)行模式下，考慮時(shí)空擴(kuò)散和碳匯作用。

其中，案例2 和案例4 中捕集的CO2全部被運(yùn)輸儲(chǔ)存；案例3 和案例4 的甲烷化過(guò)程所需CO2皆來(lái)自空氣中的捕集；案例5 的碳匯全用于碳排放吸收，且不考慮其他工業(yè)民用碳排放的影響。

4.2 仿真結(jié)果分析

4.2.1 成本結(jié)果分析

5 種案例的成本計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 成本計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of costs

由表1 可以看出，與案例1 至4 相比，案例5 的總成本、燃料成本、綜合碳成本和棄風(fēng)棄光成本均有不同程度的減少，說(shuō)明案例5 的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)保成本皆為最優(yōu)，驗(yàn)證了考慮時(shí)空擴(kuò)散和碳匯作用的調(diào)度模型的優(yōu)越性。由于碳捕集裝置會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行能耗和固定能耗，因而案例2 和4 的燃料損耗成本高于案例1 和3。從表1 中棄風(fēng)棄光成本結(jié)果來(lái)看，案例4 的棄風(fēng)棄光成本明顯減少，說(shuō)明在同樣的模型和算例中，碳捕集裝置和P2G 設(shè)備的加入有效實(shí)現(xiàn)了燃煤機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站通過(guò)各節(jié)點(diǎn)之間的輸電線路對(duì)碳捕集裝置、P2G 設(shè)備的供電，從而達(dá)到了減少棄風(fēng)棄光的目標(biāo)。

由于碳捕集裝置能減少燃煤機(jī)組的碳排放量，因此，案例2 和4 的碳交易成本比案例1 和3 低，而案例5 最低。其中，案例2、4、5 的碳交易成本為負(fù)值，說(shuō)明機(jī)組碳排放少于配額，可視作在碳交易市場(chǎng)獲得的收益。由于案例3 和4 中P2G 設(shè)備的CO2來(lái)自空氣中的碳捕集，增加了額外的成本，故案例3 和4 的綜合碳成本分別比案例1 和2 高。

4.2.2 自由CO2濃度分布情況

案例1 至5 的全天累積平均自由碳濃度計(jì)算結(jié)果分別為67.33、46.83、65.84、46.84、3.23 g/m3。通過(guò)案例5 與案例1 至4 的結(jié)果對(duì)比可知，植物固碳作用對(duì)碳排放區(qū)域內(nèi)平均自由碳濃度影響很大，而在未考慮植物固碳吸收作用時(shí)，裝設(shè)有碳捕集裝置的案例2 和4 相比于未裝設(shè)碳捕集裝置的案例1 和3，其平均自由碳濃度明顯有所降低，進(jìn)一步說(shuō)明碳捕集裝置對(duì)碳減排的作用。

案例5 的平均自由碳濃度在空間和時(shí)間2 個(gè)維度上的分布情況分別如附錄B 圖B1、圖B2 所示，進(jìn)一步說(shuō)明植物固碳作用對(duì)平均自由碳濃度的影響。

4.2.3 棄風(fēng)棄光量結(jié)果分析

與案例1 相比，在增加碳捕集裝置或P2G 設(shè)備后，案例2 至5 都減少了棄風(fēng)棄光量（具體結(jié)果見(jiàn)附錄B）。同時(shí)，通過(guò)案例2 和案例3 的風(fēng)光消納量對(duì)比，也能看出雖然P2G 設(shè)備會(huì)受到輸入功率最大容量的限制，但是P2G 設(shè)備在消納清潔能源方面明顯比碳捕集裝置具備更大的優(yōu)勢(shì)。案例4 和案例5 的總棄風(fēng)棄光量一致且?guī)缀鯙榱?，說(shuō)明同時(shí)具備能有效消納風(fēng)光的碳捕集裝置和P2G 設(shè)備，就能達(dá)到更理想的風(fēng)光消納效果。

4.3 NDVI 對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的影響分析

植物固碳作用具有地域差異和季節(jié)差異，作為表征區(qū)域內(nèi)植物固碳吸收能力的數(shù)值，通過(guò)改變NDVI，能得到植物固碳的地域性和季節(jié)性差異對(duì)系統(tǒng)環(huán)保經(jīng)濟(jì)效益的影響。故針對(duì)案例5，改變NDVI，得到運(yùn)行結(jié)果如圖2 所示。

圖2 NDVI 對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響Fig.2 Influence of NDVI on system operation

由圖2 可知，NDVI 與NPP 保持線性正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)NDVI 為0.2～0.7 時(shí)，隨著NDVI 的增大，平均自由碳濃度線性減小，而燃料成本基本不變，說(shuō)明此時(shí)碳排放量變化不大，NDVI 主要從碳排放去向方面影響碳濃度；當(dāng)NDVI 大于0.7 時(shí)，燃料成本出現(xiàn)波動(dòng)變化，此時(shí)碳濃度和燃料成本呈相同變化趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)NDVI 主要從碳排放源方面影響碳濃度。當(dāng)NDVI 為0.8 時(shí)系統(tǒng)環(huán)保經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最優(yōu)。

4.4 大氣穩(wěn)定度對(duì)碳濃度的影響分析

不同大氣穩(wěn)定度分別對(duì)應(yīng)不同的橫向、垂直大氣擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而使得CO2的擴(kuò)散范圍面積也有所不同。大氣穩(wěn)定度等級(jí)分為強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定、穩(wěn)定，分別對(duì)應(yīng)A、B、C、D、E、F。假定其他環(huán)境氣象條件一定，針對(duì)案例5 的模型，改變大氣穩(wěn)定度級(jí)別，得到碳濃度結(jié)果如圖3所示。

圖3 大氣穩(wěn)定度對(duì)碳濃度的影響Fig.3 Influence of atmospheric stability on carbon concentration

由圖3 可知，系統(tǒng)在不同穩(wěn)定度級(jí)別下運(yùn)行，能得到不同的擴(kuò)散范圍面積，進(jìn)而直接導(dǎo)致平均自由碳濃度的改變。同時(shí)還可以看出，擴(kuò)散范圍面積大小與平均自由碳濃度大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在本文模型中，CO2在大氣環(huán)境中的擴(kuò)散強(qiáng)度直接影響其擴(kuò)散面積，擴(kuò)散面積的增大一方面能使CO2在地面分布的范圍增大進(jìn)而導(dǎo)致碳濃度減小，另一方面，還能通過(guò)新增范圍區(qū)域的植被固碳作用增強(qiáng)對(duì)CO2的吸收，減少地面大氣的自由CO2量從而減小碳濃度。從這兩方面足以說(shuō)明CO2的時(shí)空擴(kuò)散環(huán)節(jié)對(duì)最終的碳濃度的影響結(jié)果。同時(shí)，由于CO2的擴(kuò)散強(qiáng)度取決于大氣穩(wěn)定度，因此，大氣穩(wěn)定度對(duì)碳濃度結(jié)果至關(guān)重要。從圖3 可以看出，當(dāng)大氣穩(wěn)定度為B 等級(jí)時(shí)，擴(kuò)散范圍面積達(dá)到最大，且碳濃度最小，該等級(jí)是最理想的大氣穩(wěn)定度等級(jí)。

4.5 煙氣旁路系數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的影響分析

在碳捕集裝置模型中，煙氣旁路系統(tǒng)調(diào)節(jié)系數(shù)αc能夠控制進(jìn)入吸收塔的煙氣量比例，直接影響碳捕集機(jī)組的CO2捕集量以及凈碳排放量，進(jìn)而影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益。針對(duì)案例5，仿真得到αc的各項(xiàng)運(yùn)行結(jié)果如圖4 所示（具體數(shù)值結(jié)果見(jiàn)附錄B表B1）。

圖4 煙氣旁路系數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響Fig.4 Influence of flue gas bypass coefficient on system operation

由圖4 可知，隨著αc的增大，燃料成本和傳輸儲(chǔ)存成本幾乎呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而碳交易成本幾乎呈線性減小趨勢(shì)，棄風(fēng)棄光成本總體也呈下降趨勢(shì)。捕集過(guò)程所需的運(yùn)行能耗隨CO2捕集量等比例增加，為滿足運(yùn)行能耗需求，燃料機(jī)組將增加發(fā)電而風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站將增加風(fēng)光消納量，因此，燃料成本增加而棄風(fēng)棄光成本減小。由于受碳交易成本由正變負(fù)趨勢(shì)的影響，隨著αc的增大，系統(tǒng)運(yùn)行總成本反而大體呈下降趨勢(shì)。

從圖4（e）可以看出，αc與平均自由碳濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且具有線性化趨勢(shì)。這是因?yàn)樘疾都师耤不變，CO2捕集量以αc與βc的乘積為固定比例進(jìn)行變化。因此，隨著αc的增大，CO2凈排放量線性減少，在擴(kuò)散面積和NDVI 不變的情況下，全天平均自由碳濃度也呈線性下降趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在碳捕集-P2G 協(xié)同運(yùn)行模式基礎(chǔ)上，提出自由碳濃度的概念，同時(shí)，考慮碳排放源和碳排放去向問(wèn)題，以擴(kuò)散區(qū)域的平均自由碳濃度最小化為目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)碳捕集-P2G 耦合的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度。具體結(jié)論如下。

1）在碳捕集-P2G 協(xié)同運(yùn)行模式中引入自由碳濃度這一目標(biāo)函數(shù)后，使系統(tǒng)總成本、碳交易成本、棄風(fēng)棄光量和平均自由碳濃度都顯著降低。

2）時(shí)空擴(kuò)散對(duì)碳濃度的影響主要體現(xiàn)在大氣穩(wěn)定度通過(guò)改變CO2擴(kuò)散強(qiáng)度，導(dǎo)致CO2分布范圍和碳匯效果的變化，并從這兩方面改變碳濃度大小。

3）平均自由碳濃度除了與擴(kuò)散面積和碳匯作用有關(guān)，也受到煙氣旁路系數(shù)的影響。煙氣旁路系數(shù)通過(guò)控制凈碳排放量最終改變碳濃度大小，同時(shí)也影響各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)成本。

在低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題中，植被固碳作用對(duì)以傳統(tǒng)燃煤發(fā)電為主的地區(qū)影響很大，因此，共同考慮碳排放源和碳排放去向更具有現(xiàn)實(shí)意義。由于碳匯季節(jié)性和地域性的差異以及大氣穩(wěn)定度對(duì)自由碳濃度影響較大，下一步將針對(duì)具體地域環(huán)境條件進(jìn)行研究。

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