電熱耦合系統全流程碳排放計量技術

袁加梅，尤佳，周永剛，韓博韜，丁建順，宋穎冬

(1.國網安徽省電力有限公司營銷服務中心，合肥 230601；2.國網安徽省電力有限公司，合肥 230041； 3.國網淮南供電公司，安徽 淮南 232002)

0 引 言

隨著溫室效應日漸增強，化石能源日漸匱乏，人們對溫室氣體的排放以及化石能源的使用愈發關注。為緩解世界環境及能源問題，中國于2020年提出了碳達峰及碳中和的“雙碳”目標，既二氧化碳排放于2030年達到峰值，于2060年實現排放與減排量平衡[1]。同時，在環境與能源可持續發展的要求下，綜合能源網絡也必將得到迅速的發展，以提高能源的使用效率，促進高效節能的用能方式的應用。供電與供熱系統作為碳排放的重點行業，是實現雙碳目標的重要支柱。

合理準確的碳計量是衡量碳排放的重要技術支撐，也是要實現“雙碳”目標數據支撐。電力和供熱作為二氧化碳排放的重要行業，其在節能減排助力雙碳目標的實現中起著重要的作用，因此研究電熱網絡的碳排放計量是至關重要的。

現階段電熱網絡的碳排放計量主要采用宏觀統計方法，即通過統計各種能源的使用總和，隨后根據各不同能源的碳排放因子計算電力系統和熱能系統的總碳排放[2]。這樣的方法存在的問題包括：一方面，電力網絡和熱力網絡都是消耗一次能源提供二次能源的網絡系統，其特點是碳排放的產生全部來自能源供應側。在碳計量時將碳排放責任歸于供能側，忽略了供需關系引發的碳排放，無法界定用戶側的碳排放責任。同時，中國能源與用能分布不均，導致這一問題更加明顯亟待解決[3]。另一方面，新能源的接入，宏觀的碳排放計量方法無法滿足包含眾多分布式供能系統的電熱網絡的實時碳排放計量問題。因此，為了解決上訴問題，實現電熱耦合網絡全流程(包括產能、傳輸、用能)的碳排放準確計量，需要拓展新的角度進行碳排放計量。

文獻[4-5]提出了電力系統碳排放流的基本定義，即依附于電力潮流存在并用來表示電力系統中維持任一支路潮流的碳排放所形成的虛擬網絡流，文獻[6-7]給出了電力系統碳排放流的基本計算方法。文獻[8-9]在碳排放流這一理論的基礎上研究了基電力系統源-荷協調低碳優化調度方法。文獻[10-12]提出了電系統中的低碳運行策略。文獻[13-14]從用戶側的角度分析了低碳用能需求。碳排放流這里理論的提出對于用戶側的碳排放的計量和減排責任的界定提供了有效的依據。

上述的文章只對電力系統的碳排放流進行了分析，沒有考慮到綜合能源系統快速發展的新形勢下，存在多種能源形式的電熱耦合網絡的碳排計量。多能耦合的綜合能源系統，能量之間的轉換、多時間尺度的能量流動，為系統的碳排放計量增加了難度。同時，用戶側的碳排放計量尚處于起步階段，如何實現用戶側包括能量損失分攤的碳排放以及傳輸網絡中設備的碳排放，促進各個環節節能減排需要更深入的理論研究與實踐應用。

因此，本文建立了電熱耦合網絡的全流程碳排放流模型，分析了耦合設備的運行特點,建立了設備碳排放流模型，提出了電熱耦合網絡碳排放流計算方法。該方法能夠對電熱耦合網中生產、傳輸、轉換以及用能環節進行碳排放的計量。最后通過構建算例驗證了建立的模型以及提出的算法的準確性。

1 基于能量流的電熱耦合網絡全流程碳排放計量模型

本文提出了一種針對電熱耦合網絡的全流程碳排放計量模型。該模型是基于碳排放流及網絡能量轉換與損耗的碳排放分攤模型。本文提出的全流程如圖1所示，考慮了各個環節的能量損耗，有效地對碳排放的責任進行分攤。

圖1 電熱耦合系統全流程示意圖

電熱耦合網絡的能量傳遞全流程可分為四部分，分別是能量生產環節、能量傳輸環節、能量轉換環節以及能量使用環節[15]。能量生產環節消耗一次能源產生熱能及電能同時伴隨著碳排放；能量通過熱網及電網進行傳輸在此過程中能量的損耗等同于碳排放的消耗；能量轉換環節本文主要考慮了CHP；能量使用環節雖然沒有直接產生碳排放，但是考慮到用能需求對應碳排放歸責，因此也需要計算其用能量對應的碳排放。

1.1 電熱耦合網絡碳排放特性分析

電熱耦合網絡是已CHP為代表的能夠同時產生電力與熱力的設備，或者以電熱鍋爐等能將電能與熱能相互轉換的設備參與的，將供電網絡與供熱網絡相互連接的網絡。由于不同能源網絡的耦合，產生了能量的轉換，同時電力與熱力的時空尺度、時間尺度都有所不同，因此對于耦合網絡的分析，需要對不同網絡及耦合設備進行解耦分析[16-17]。圖2為碳排放硫的桑基圖，展示了二氧化碳從能源到設備再到網絡中的流動過程。灰色的連接線代表了二氧化碳的流動方向，灰色連接線的寬度可以表示數值大小。

圖2 碳排放流桑基圖

首先定義電熱耦合網絡中碳排放流的相關指標與能量流之間的關系。電熱耦合網絡的碳排放流的相關的指標稱為碳流指標。包括支路碳流量、支路碳流率、支路碳流密度、節點碳勢。

(1)支路碳流量(F)：在某一時間內隨能量流而通過某條支路的碳流所對應的碳排放累積量。

(2)支路碳流率(R)：支路在單位時間內隨能量流通過的碳流量。

(3)支路碳流密度(ρ)：電力系統任一支路碳流率與有功潮流的比值為該支路碳流密度[4];熱力系統中支路碳流率與支路熱功率的比值為該支路碳流密度。

(4)節點碳勢(E)：表示在某節點消耗單位能量所產生的等同于產能側的碳排放量。對于產能節點，其碳勢就等同于該節點產能設備的碳排放強度。

將上述指標分別對應到電力網絡和熱力網絡中，以下角標e表示電力網絡，以下角標h表示熱力網絡。支路碳流量在電力潮流中對應的是支路傳輸的電量，在熱力潮流中對應的是支路傳輸的熱量。支路碳流率在電力潮流中對應支路的有功功率，在熱力潮流中對應的是支路傳輸的熱功率。則電熱耦合網絡中的碳排放指標分別表示為：Fe,Re,ρe,Ee;Fh,Rh,ρh,Eh。

表1總結了碳排放流的指標支路碳流量、支路碳流率、支路碳流密度和節點碳勢在電熱耦合網絡中的物理意義。同時說明了碳排放流與能量流之間的對應關系。

表1 電熱耦合網絡碳排放流指標意義

1.2 電力網絡碳排放流模型

電力系統的有功功率為：

(1)

其中ij表示節點的序號；V表示節點電壓；Gij為節點導納矩陣的實部；Bij為節點導納矩陣的虛部[18]。

節點i的電力碳排放流Fei如式(2)所示，其中，λgik表示節點i接入的第k臺發電機的碳排放因子；Pgik表示節點i接入的第k臺發電機的有功輸出。

(2)

支路碳流率是支路碳流量對時間的導數，其為：

(3)

支路碳流密度為：

(4)

節點i的碳勢表示為：

(5)

式中j表示與節點i連接的支路號。

由于線路阻抗等存在，系統支路的有功損耗用Pl表示，則支路有功損耗的碳流率為：

Res=diag(Eei)·Pl

(6)

1.3 熱力網絡碳排放流模型

(7)

網絡熱力模型用于確定每個節點的溫度，如圖3所示，每個節點有三種不同的溫度。分別是供熱溫度Ts、出口溫度To、回水溫度Tr。出口溫度定義為在回水網絡中混合之前每個節點出口處的水流溫度。

通常，在熱力模型中熱源的出口溫度和負載的入口溫度是已知的,回水溫度取決于供熱溫度、室溫和熱負載[20]。

圖3 溫度關系示意圖

網絡中的熱功率可以用式(8)計算：

(8)

Φ表示節點的熱功率；Cp是水的比熱容。

管道中的熱量損耗受管道長度和環境溫度等影響。Tend代表管道末端溫度；Tstart是管道起始溫度；Ta是環境溫度；λ是單位管道的熱傳導系數；L表示管道長度。

(9)

通過上述計算可以得出熱力網絡的熱功率矩陣。節點i的熱力碳排放流Fhi如式(10)所示，其中，λhik表示節點i接入的第k臺產熱設備的碳排放因子；Φhik表示節點i接入的第k臺產熱設備的有功輸出。

(10)

支路碳流率是支路碳流量對時間的導數，其為：

(11)

支路碳流密度為：

(12)

節點i的碳勢表示為：

(13)

式中j表示與節點i連接的支路號。

對于熱網中，由于管道內水溫的損失會導致能量損耗用Φl表示，則支路有功損耗的碳流率如式(14)所示。

Rhs=diag(Ehi)·Φl

(14)

1.4 能量轉換設備碳排放模型

CHP是電熱網路中的耦合設備，能夠同時產生電能及熱量，是能量轉換的重要設備[21-23]。熱電聯產單元可提高產熱效率，但其總效率恒定。CHP的供能關系如圖4所示。CHP消耗天然氣，發電環節通過燃氣發電機直接產生電能；發熱則是通過吸收式熱泵和制冷技術將余熱加以利用。

圖4 CHP供能關系圖

根據圖4所示流程圖，CHP系統的供電量和供熱量分別如式(15)和式(16)所示。

PE=Qηe

(15)

ΦH=Qηhλa

(16)

式中Q為CHP系統一次能源(天然氣)消費量；PE,ΦH分別為系統供電、供熱量；ηe為原動機發電效率；ηh為余熱回收裝置效率；λa為吸收式熱泵性能系數。

則在電、熱系統中CHP作為供能節點的碳排放強度(節點碳勢)可分別表示為:

(17)

式中φ為天然氣的碳排放因子。

2 電熱耦合網絡碳排放流計算方法

電熱耦合網絡的碳排放流計算是依托于綜合能源網絡的能量流計算結果。綜合能源網絡的能量流計算需要網絡結構及相關參數，同時需要設定平衡節點用以保證系統內的功率平衡。表2為能量流計算過程中系統節點類型，以及各類節點的已知量和未知量。

表2 能量流計算的要求

結合能量流的計算方法和計算原理，對于碳排放流的計算有相同點也有不同點。雖然碳排放流的計算依托于能量流的計算結果，但能量流計算中的節點類型并不對應碳排放流的節點類型。

表3描述了綜合能源網絡碳排放流計算過程中的節點類型，以及各個節點的已知量和帶求解量。同時，根據能量流的計算結果能夠求解出系統中的節點碳勢。

表3 碳排放流計算的要求

系統中的節點可以分為兩類，分別為供能節點和用能節點。其中，供能節點的位置和碳排放強度是已知的，電力網絡中存在K個發電機，供熱網絡中存在K個供熱設備，其節點的碳勢如式(18)所示。其中需要注意的是對于CHP節點來說，其對于電熱網絡的碳勢按照式(18)進行計算。

(18)

電熱網絡的節點負荷矩陣分別為PL、ΦL；供能節點注入網絡的能量矩陣分別為PG、ΦB；能量流分布矩陣分別為Pe;Φh;節點能量通量矩陣為PN,ΦN。

則電熱耦合網絡的節點碳勢為別為

(19)

則負荷碳流量為：

ReL=PLEe

RhL=ΦLEh

(20)

電熱耦合網絡碳排放流計算流程如圖5所示。

圖5 電熱耦合系統碳排放流計算流程

3 實驗結果與分析

為了驗證本文提出了電熱耦合系統碳排放流模型以及計算方法的準確性，采用如圖6所示的電力網絡。該網絡為標準的IEEE—14節點的電網，其中節點1,2連接的是燃煤發電機組，碳排放強度為[875,525] g CO2/(kW·h)。節點3,7連接的是風電機組碳排放強度為零。電網節點6對應熱網節點5連接的是CHP電熱碳排放強度為[520,480] g CO2/(kW·h)。

圖6 電力網絡結構圖

熱力網絡模型如圖7所示，節點1為燃煤集中供熱站其碳排放強度為965 g CO2/(kW·h)。圖中標出了各個節點的負荷以及管線長度。熱網的詳細數據可在文獻[10]中獲得。

圖7 熱力網絡示意圖

表4及表5是應用文本提出的方法計算得到的電熱耦合網絡全流程的碳排放情況。

表4 系統節點碳勢及碳流率

表5 支路損耗碳流率

表4展示了電網及熱網各個節點的碳勢及負荷碳流率，由表4中可以看出，節點1的碳勢與該節點機組的碳排放強度相等，這是因為節點1除了該發電機的電能外再無其他能量注入。節點7連接的是風力發電機組其碳排放為零，因此節點碳勢為零。機組注入碳流率對應單位時間內產生的能量值，負荷碳流率與該節點消耗的有功功率相對應。此外，機組注入的碳流率總和與負荷碳流率總和存在差值，這個差值就是系統損耗的碳流率。系統消耗的碳流率由表5給出，支路損耗的碳流率與支路的能量損耗有關，電力網絡中主要表現在線路的阻抗上，熱網中則與管道的長度及管道熱傳導系數直接相關。表4和表5中的數據符合能量守恒定律即碳排放守恒。

本算例采用傳統碳排放計算方法，不考慮全流程碳排放分攤情況計算結果如表6所示。與本文提出的方法進行對比可以看出，不考慮全流程分攤的情況，網絡損耗的碳排放全都計算到了用戶側，這顯然是不合理的。

表6 傳統方法系統節點碳勢及碳流率

在采用集中供電和集中供熱的情況下用戶側的碳排放計量可以相對簡單，但同時對節能減排并不能起到很好的促進作用，因此在上述算例中，在電網11節點接入分布式光伏發電系統，碳排放計算結果如表7所示。

表7 系統節點碳勢及碳流率

通過表7與表4的對比可以看出，在節點11增加分布式光伏發電系統，光伏發電系統的碳排放強度為零，其發電量能夠供給自身使用，同時余電上網。節點11的碳勢為0，碳流率也變為零。同時，由于其產生的清潔電能傳輸到了節點6、節點9和節點10使得這三個節點的碳流率也有所下降。由此可以說明，本文提出的碳排放計量方法能夠合理的界定碳排放責任，有效的促進清潔能源的發展。

4 結束語

本文分析了電熱耦合網絡碳排放的特性，提出了電熱耦合網絡全流程碳排放計量模型。將系統分為能量產生、能量傳輸、能量轉化、能量使用環節，有效地進行碳排放責任分攤。同時，提出了電熱耦合網絡碳排放流的計算方法，利用能量流計算結果熱和供能側碳排放強度，計算得出網絡中各負荷節點的碳流率，從而計量全流程各環節碳排放量。最后，通過算例對模型及算法的準確性進行了驗證，表明該方法能夠有效地對電熱耦合網絡中全流程各環節進行碳排放計量，有效促進各環節節能減排。