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

中圖分類號：TM73" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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)機組（CHP-CCS）是滿足電熱負荷與降低機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現(xiàn)役發(fā)電機組進行改造，體現(xiàn)出顯著的碳減排優(yōu)勢，同時，碳捕集系統(tǒng)造成的高能耗和運行靈活性問題也引起了普遍關(guān)注。

開展耦合碳捕集系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機組的能耗和運行特性研究具有一定的理論意義和現(xiàn)實需求。張婷等[1]對耦合CCS的凝汽式機組進行了熱力學(xué)分析，引入小背壓機和疏水再循環(huán)系統(tǒng)，并分析了變負荷條件下機組的能耗特性及脫碳負荷分配方案。謝瑋祎[2]提出碳捕集/供熱雙機組，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)進行耦合，綜合考慮系統(tǒng)的低碳和經(jīng)濟性開展優(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)測模型，并研究系統(tǒng)的經(jīng)濟靈活運行特性。趙紅濤等[5]分析了碳捕集系統(tǒng)對燃煤機組熱經(jīng)濟性指標的影響。

隨著新型電力系統(tǒng)對機組碳排放和靈活運行要求的日益提高，特別是現(xiàn)貨電力市場和碳交易機制的提出，碳捕集對機組經(jīng)濟敏感性的影響越發(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]開展了二氧化碳捕集技術(shù)的經(jīng)濟敏感度分析，得到對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)濟性評價指標，分析了碳稅價格和碳交易價格對耦合機組發(fā)電成本的影響。王力等[8]提出了一種考慮碳交易機制和凈利潤最大化的虛擬電廠經(jīng)濟調(diào)度模型。王楓等[9]研究了660 MW燃煤機組百萬噸CO2捕集系統(tǒng)工程的技術(shù)經(jīng)濟性，分析了各脫碳情景的上網(wǎng)電價、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)電機組的系統(tǒng)運行特性，鮮少關(guān)注不同工況和碳交易機制下耦合系統(tǒng)對熱電聯(lián)產(chǎn)機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機組的收益及相關(guān)策略。

本文基于EBSILON仿真平臺開展CHP-CCS機組的熱力學(xué)分析，研究機組的單位脫碳能耗、熱電負荷特性及運行可行域，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機組能耗和熱電出力的影響，提出CHP-CCS機組的凈收益模型和靈活高效運行策略。

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荷為64 MW，再生能耗為3.8 GJ/tCO2[1]。

1.2" CHP-CCS機組熱力學(xué)分析模型

1.2.1" CHP-CCS機組的Ebsilon仿真

本文在Ebsilon仿真平臺上建立耦合碳捕集系統(tǒng)的某350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱力學(xué)分析模型。該機組型號為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機組運行特性分析

設(shè)機組年運行小時數(shù)為8 358 h，年脫碳指標為50萬t，平均脫碳60 t/h，開展CHP-CCS系統(tǒng)全工況下的電熱運行特性分析，如圖1所示。

耦合碳捕集系統(tǒng)會顯著降低CHP機組的運行靈活性。碳捕集率不變，平均捕集量為60 t/h時，機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%，抽汽對機組熱出力的影響遠大于對電出力的影響。若碳捕集率可調(diào)，則機組電熱出力范圍由ABCD變?yōu)锳BB'C'CH。不同工況下，可通過調(diào)節(jié)和優(yōu)化碳捕集率提高CHP-CCS機組的運行靈活性。

2" 基于余壓余熱利用改造的CHP-CCS機組

對于CHP-CCS機組而言，脫碳系統(tǒng)再沸器所需熱量來自汽輪機中、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原有CHP-CCS系統(tǒng)進行改造，引入疏水再循環(huán)、背壓機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供熱，減少熱能損失。

CHP-CCS改造機組中：①將小汽輪機代替了節(jié)流閥為抽汽降壓，從汽輪機中、低壓缸抽出的蒸汽先進入小汽輪機降壓，小汽輪機利用壓降發(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，從而減少對機組效率的影響；③再沸器疏水改去熱用戶供熱完再去凝汽器，提高了機組效率。

3" 結(jié)果與分析

3.1" 改造后CHP-CCS機組熱力學(xué)分析

如圖2所示，改造后CHP-CCS機組的電出力范圍由[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%，可明顯降低機組熱負荷高峰期的電熱耦合特性，拓展了機組的運行可行域，增強了機組靈活性，同時，通過余壓余熱利用也降低了CHP-CCS機組的單位脫碳能耗。

3.2" CHP-CCS機組供熱期與非供熱期能耗分析

在全年范圍內(nèi)，CHP-CCS機組運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機組供熱的影響大于在非供熱期對供電的影響。

在供熱期和非供熱期內(nèi)，經(jīng)過余壓余熱利用后的CHP-CCS機組，其單位脫碳電/熱耗量均顯著降低。在供熱期內(nèi)，CHP-CCS改造機組的單位脫碳熱耗會隨負荷的增大而升高，在進行脫碳負荷調(diào)度時應(yīng)遵循低工況下多脫碳，高工況下少脫碳的原則，減少耦合碳捕集對供熱的影響。在非供熱期內(nèi)，CHP-CCS改造機組的單位脫碳熱耗會隨負荷的增大而降低，在進行脫碳負荷調(diào)度時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機組會產(chǎn)生大量二氧化碳，燃料消耗量、碳排放量、碳交易機制和調(diào)峰政策等因素都給CHP-CCS機組成本和收益帶來很大的不確定性。隨著碳交易機制的引入，脫碳帶來的經(jīng)濟效益可彌補供熱出力降低和能耗增大帶來的經(jīng)濟損失。對供熱期的CHP-CCS機組進行經(jīng)濟性分析，探究如何在供熱期不損失機組收益的同時減少碳排放。

3.3" CHP-CCS機組凈收益模型與經(jīng)濟性分析結(jié)果

在最大抽汽工況下，發(fā)電機端功率286 MW，將碳捕集系統(tǒng)熱耗歸為供熱。根據(jù)計算可得碳捕集量每增加10 t/h，供熱能力降低16～17 MW，機組碳排放量隨之增大。抽汽供熱機組保留一部分蒸汽進入低壓缸做功，碳捕集系統(tǒng)的熱耗增加，進入低壓缸做功蒸汽減少，發(fā)電出力降低；同時，供熱抽汽量減少，機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”，使得供電標準煤耗率降低。具體說來，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)前后機組供熱能力變化。同時，在不同負荷下，碳捕集系統(tǒng)的熱耗會對機組煤耗產(chǎn)生影響?？傻酶哓摵蓞^(qū)域碳捕集熱耗變化對機組煤耗的影響顯著高于低負荷區(qū)域。

根據(jù)計算可得，機組凈收益會隨著碳交易成本的提高而增加。當碳交易價格達到0.32元/kgCO2時，CHP-CCS改造機組與原始機組的總凈收益相等；而當碳交易價格超過0.32元/kgCO2時，CHP-CCS改造機組的凈收益將超過原始機組。

本文對耦合碳捕集前后的熱電聯(lián)產(chǎn)機組進行建模，通過建模模擬各工況下所需參數(shù)，在機組運行可行域內(nèi)取點，輸入Python程序中參與計算過程，將EBSILION仿真軟件模擬出的結(jié)果用Python交互讀取，然后計算出需要的經(jīng)濟性參數(shù)，并將結(jié)果導(dǎo)入Excel表格中進行分析。由于碳捕集系統(tǒng)需要從機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，所以會給機組的供熱供電能力造成影響。使機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后機組收益的影響，本節(jié)計算了全工況下耦合碳捕集前后的凈收益，具體對比分析如圖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，在較高負荷區(qū)域，機組的碳交易占比較大，使得碳交易收益可以彌補降低電熱輸出所造成的經(jīng)濟損失；而在低負荷區(qū)間內(nèi)，碳交易收益占比明顯降低，無法彌補電熱輸出下降造成的經(jīng)濟損失。同時，考慮到低負荷段調(diào)峰機制觸發(fā)引起的收益占比增大，也會使得CHP-CCS機組收益隨負荷的降低而增大。

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

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機組的熱力學(xué)分析模型和凈收益模型，得到了機組脫碳能耗與熱電負荷特性，并提出了CHP-CCS機組的靈活高效運行策略。

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%，增強了機組的運行靈活性。

2）常規(guī)CHP-CCS機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機組的脫碳能耗及熱電運行特性與系統(tǒng)的碳捕集量有關(guān)，可通過調(diào)整不同負荷下的碳捕集率實現(xiàn)CHP-CCS機組的靈活高效運行。

4）供熱期內(nèi)，CHP-CCS機組的凈收益與碳交易成本、電價波動及調(diào)峰政策有關(guān)，合理調(diào)整碳交易價格，可在帶動系統(tǒng)低碳運行的同時彌補因供熱減少造成的經(jīng)濟損失。

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