含碳捕集的虛擬電廠運行分析

中圖分類號：TM73 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0081-04

Abstract：Theoperatingmodeofthevirtualpowerplantwithcarbon-containing capturesystemisexplored，and mathematicalmodelsarebuiltforkeyunitssuchastheelectrcity-to-gassystemandgasstorageequipmentofthevirtualpower plant，inordertoachieveoptimalschedulingandeficientoperationofthevirtualpowerplant.Thecarboncapturevirtualpower plantbasedonpost-combustioncapturetechnologyandelectric-togastechnologyrealizesthecouplingof thepowernetworkand thenaturalgasnetwork，whichcannotonlyreducethegassourcetransmisionpressreofnaturalgasbutalsoabsorbcarbon dioxidetoachieveenergyconservationandemissonreductionefects.Inviewoftheproblemoflowcarbondioxideutilization efciencyinthecombinedoperationofcarboncapturepowerplantsandelectritytogas，anoptimizationplantoaddcarbon storageeuipmentisproposed，whichcanautomaticallyadjustthestorageandreleaseofelectricalenergyandnaturalgas accordingtothepeakandvallyofelectricityconsumption，realizingthemulti-levelutilizationofenergy，reducingpolutant emissions，and taking into account economic and environmental benefits.

Keywords： carbon capture; flue gas diversion; virtual power plant; electricity to gas; environmental protection

碳捕集作為常用的低碳化技術，通常與電轉氣技術搭配使用。碳捕集設備獲取的二氧化碳，與電轉氣系統產生的甲烷混合后，作為機組運行所需的燃料，在降低電廠發電成本的同時還能起到綠色低碳的環保效益。虛擬電場在電力資源的優化配置、保障電網的安全運行等方面發揮了重要作用，在大力推進智能電網建設背景下，虛擬電廠被廣泛應用到電力系統中。在這一背景下，探究含碳捕集的虛擬電廠的運行結構與建模方法，對電力工業完成低碳減排目標有積極幫助。

1碳捕集機組系統結構

碳捕集的原理是依托各種方法（如物理吸收法、化學吸收法、膜分離法等），獲取化石燃料在燃燒時生成的二氧化碳，同時將其儲存起來加以利用，避免直接排放二氧化碳帶來的溫室效應等環境問題。根據二氧化碳捕獲時機的不同，又可分為燃燒前捕集、燃燒后捕集2種技術。對比來看，燃燒后捕集技術可用于不同化石燃料（如煤炭、天然氣）的碳捕集，同時具有收集過程簡單、設備改造成本低等優勢，因此選擇該技術設計了碳捕集機組系統。該系統的核心設備有吸收塔、再生塔、換熱器等，結構組成如圖1所示。

該系統的運行可分為3個步驟。第一是“吸收”。煤炭燃燒過程中生成的煙氣經排氣管道進入吸收塔，經過溶液吸收后成為二氧化碳濃度較高的富液，而不含二氧化碳的氣體可以從吸收塔頂部排氣孔直接排放。第二是“再生”。富液流入換熱器后實現分離，貧液重新回到吸收塔再次吸收煙氣中的二氧化碳，實現循環利用，富液則流入再生塔。二氧化碳氣體從再生塔頂部管道排入壓縮機。二氧化碳溶液流入再沸器和換熱器，實現二氧化碳的循環利用。第三是“壓縮”。使用壓縮機壓縮二氧化碳氣體后，將其儲存起來。

2碳捕集電場運行方式

對比傳統火電機組，碳捕集機組的優勢為低碳環保，但是也存在調節能力受限、靈活性差等缺陷。為了補齊這一短板，對碳捕集機電廠加以改造。改造方案有2套，其一是煙氣分流，即在原進煙口處新增一條煙氣旁路;其二是新增富液罐和貧液罐2種儲液裝置2]。

2.1煙氣分流運行

在火電機組與吸收塔之間新增一條帶有分流閥的煙氣旁路，通過調節分流閥的開啟程度控制進入吸收塔（碳捕集設備）的二氧化碳量，從而實現對二氧化碳捕集量的實時控制。在該運行模式下，火電機組運行期間排放的二氧化碳有2種流向：一種直接進入吸收塔，另一種則是進入煙氣旁路，如圖2所示。由于煙氣旁路的二氧化碳可以直接排除，因此不會消耗能量。

2.2 儲液式運行

在吸收塔和再生塔之間，新增一個由富液罐和貧液罐組成的儲液裝置，可以對吸收塔流出的富液，以及流向再生塔的富液的流量速率進行靈活調控。在碳捕集電廣的運行中，人為地加快富液罐的存儲速率或降低貧液罐的存儲速率，均可以達到增加二氧化碳捕集量的效果，如圖3所示。相比于煙氣分流運行，儲液式運行的優勢在于不會產生對外排放的煙氣]。

3含碳捕集的虛擬電廠運行分析

3.1“碳捕集電廠-電轉氣系統\"聯合運行結構

“碳捕集電廠-電轉氣系統”聯合運行流程如下：電轉氣系統產生的天然氣存儲起來，當碳捕集設備需要捕集二氧化碳時，將存儲的天然氣釋放出來，為碳捕集設備提供能量，從而減輕了碳捕集設備的運行能耗。當電轉氣系統在甲烷化處理時，將捕集的二氧化碳作為甲烷化的原材料，從而降低了成本。但是“碳捕集電廠-電轉氣系統”聯合運行結構在實際應用中存在時空不同步的問題，造成了二氧化碳的利用率不高。為了避免該問題，提出了一種增加儲碳設備的改良方案，在碳捕集系統的二氧化碳出口與電轉氣系統之間安裝儲碳設備，這樣在甲烷化處理時首先從儲碳設備中提供所需的二氧化碳，如果還有空缺則抽取空氣補足二氧化碳。

3.2 虛擬電廠設備聯合運行結構

為了做到能量的多級利用，以及進一步減少污染排放量，設計了“風電-光伏-碳捕集電廠-電轉氣\"聯合運行虛擬電廠。其前端由風力發電和光伏發電機組構成，配合碳捕集技術和電轉氣技術將新能源產生的電能高效轉化成天然氣，并將天然氣儲存起來。聯合運行虛擬電廠的結構組成如圖4所示。

由圖4可知，該系統的輸入端有碳捕集電廠出力、風電出力、光伏出力;輸出端為電負荷（電能）和氣負荷（天然氣）。另外，系統中還安裝了儲碳設備和儲氣設備，通過碳存儲可以避免碳捕集電廠與電轉氣設備時空不同步問題，利用氣存儲可以讓天然氣方便存儲和運輸。聯合運行虛擬電廠的工作流程如下。

在用電高峰期，用戶對電能和天然氣的需求較高，此時風電、光電的出力全部上網，如果仍然不能滿足用電需求，空缺的部分由碳捕集電廠補上。在碳捕集機組投人運行后，從煤炭燃燒過程中捕集二氧化碳，將其存儲到儲碳設備中。在用電低谷期，用戶對電能和天然氣的需求較低，風電和光電的上網功率較大，新能源發電在滿足用戶需求的同時還能有一定的盈余。此時電轉氣系統投入運行，利用多余的風電、光電消耗儲碳設備中存儲的二氧化碳，將二氧化碳轉化成天然氣，并將天然氣存儲到儲氣設備中。進入下一個用電高峰期后，儲氣設備釋放出天然氣，為燃氣機組提供燃料。

3.3虛擬電廠關鍵單元數學模型的構建

3.3.1 碳捕集電廠模型

在碳捕集電廠正常運行情況下，其能量消耗由2部分構成，分別是捕集二氧化碳的能耗 （P_t） 和凈輸出功率 （W_t） 。兩者的數學表達式如下

式中： P_t1 和 P_t2 分別表示在 χ_t 時刻碳捕集設備的固定能耗與運行能耗； W₀ 表示在 χ_t 時刻碳捕集電廠的等效出力。另外，碳捕集電廠在運行時消耗的天然氣量與其有功出力存在二次函數關系，可表示為

式中： E_t 表示在 χ_t 時刻碳捕集電廠的能耗， Q_t 表示在 Φ_t 時刻碳捕集電廠消耗的天然氣量， Z 表示天然氣的熱

值， Δ_a，b，c 均為能耗系數。影響碳捕集電廠二氧化碳排放量 （K_t） 的因素有2個，即等效出力 （W₀） 和燃氣輪機的二氧化碳排放強度 （e） ，關系式為

K_t=e×W₀

碳捕集設備在 χ_t 時刻捕集的二氧化碳 （B_t） 取決于碳捕集效率 （η） 和等效出力（ （W₀） ，關系式為

B_t=η×W₀

3.3.2電轉氣系統模型

電轉氣系統的主要功能是把二氧化碳轉化成天然氣存儲起來，對提升可再生能源發電滲透率、實現電力系統的低碳減排有積極作用。電轉氣系統的技術實現分為2步。第一步是水作為原材料，利用可再生能源（如風電、光電等）產生的富余電能進行水的電解處理，得到氫氣和氧氣。第二步是以第一步中生成的氫氣作為原材料，借助于碳捕集設備獲取的二氧化碳（作為催化劑）對氫氣進行甲烷化處理，得到天然氣（甲烷）。從目前已經投入使用的電轉氣系統運行情況來看，該系統的能量轉換效率在 50%～60% 。在電轉氣系統的運行中，各環節的能源消耗和產出受到轉換效率影響，這里以系統輸出能量 （E₁） 、系統產生天然氣量 （Q₁） 、系統消耗二氧化碳量 （Q₂） 為例，其數學模型如下

式中： _！β 表示該系統的能量轉換效率， R 表示輸入電功率， Δt 表示從系統開始運行到時刻 χ_t 的時間長度，A表示每轉換 1m³ 天然氣需要消耗的二氧化碳量， Q₃ 表示消耗的二氧化碳量。

3.3.3天然氣系統模型

在含碳捕集的虛擬電廠中，天然氣系統的主要功能是為電廠提供發電所需的燃料，其核心設備包括壓縮機、氣源點以及配套的天然氣管道等，這里以壓縮機為例，其數學模型如下

Y=y（1-λΔp）

式中： Y 和 y 分別表示壓縮機輸出側和輸人側的天然氣流量， λ 表示壓縮機的流量系數， Δp 表示壓縮機輸入側與輸出側之間的氣壓差。

3.3.4儲氣設備模型

在含碳捕集的虛擬電廠中，儲碳設備和儲氣設備的儲量大小與虛擬電廠的運行效率密切相關。以儲氣設備為例，由于本身存在一定的損耗，如果天然氣存儲量太小，會出現系統生成的天然氣不足以支撐燃氣機組高功率運行的情況，虛擬電廠的發電效率也會受到限制。因此，在含碳捕集虛擬電廠的運行分析中，需要根據輸入量、輸出量以及自身損耗等影響因素，科學確定儲氣設備的容量5。這里以儲氣設備為例，構建了如下數學模型，該模型的輸入信息為電轉氣系統的天然氣量，輸出信息為供給燃氣機組的原材料量，模型的表達式如下

式中： C_t，C_2?C₃ 分別表示在 χ_t 時刻儲氣設備的儲氣量、儲氣設備的流入量，以及儲氣設備在尚未向碳捕集電廠供氣前的天然氣量； ω 表示儲氣設備的損耗系數；C₄ 和 C₅ 分別表示儲氣設備流人量的最大值和最小值；同理 C₆ 和 C₇ 分別表示儲氣設備流出量的最大值和最小值。

4結束語

在積極落實“雙碳\"行動下，虛擬電廠得到了廣泛關注。融合了碳捕集技術與電轉氣技術的虛擬電廠，既可以在用電高峰時段利用碳捕集設備捕集二氧化碳并存儲起來，又能在用電低谷時段將儲存的二氧化碳重新作為甲烷化的原材料，消耗二氧化碳產生天然氣并存儲起來，在下一個用電高峰時段燃氣機組消耗儲存的天然氣發電，滿足高峰時段的用電需求。這種“風電-光伏-碳捕集電廠-電轉氣”聯合運行結構，提高了能量利用率，減少了污染物的排放量，符合節能減排、綠色低碳的發展需要。

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