一种提高P2G热利用率和碳捕捉设备热耦合的优化方法

技术领域

本发明属于能源系统领域，特别涉及一种提高P2G热利用率和碳捕捉设备热耦合的优化方法。

背景技术

能源多级耦合利用是指通过能源系统的多级能源利用来提高能源利用效率。采用综合动力-热水-蒸汽能源系统可以有效提高综合能源效率。综合能源系统(IES)提高了能源利用效率，但综合能源系统的研究仍存在一定的局限性，采用电转气(P2G)技术可以缓解综合能源系统中风能和太阳能被弃用的现象，通过在综合能源系统中加入P2G，可以改善热电联产P2G系统的电-气耦合，提高了系统运行的稳定性和经济性。但是传统的P2G模型存在一定的局限性，例如存储效率较低，这也限制了P2G在集成系统中的储能性能，导致发电企业在考虑储能时更倾向于采用其他的储能方式，但P2G在储能的同时能够吸收CO

传统的碳捕集装置通常利用火电厂产生的热量进行碳捕集，研究表明碳捕集过程会降低火电厂的热效率，考虑多能源需求响应和碳捕集技术电热集成可以提高碳捕集厂的碳减排能力。碳捕集装置的能源来源影响碳捕集装置的碳捕集成本。碳捕集厂与P2G结合运行的综合能源系统对促进风电消耗和减少碳排放具有积极的影响，增强P2G与碳捕集装置的能量耦合可以降低碳捕集装置的碳捕集成本。以往的研究往往侧重于通过消耗P2G中储存的电能来增强P2G与碳捕集装置的电耦合。如果可以将之前P2G中被忽略的热量分配给碳捕集装置，实现P2G与碳捕集装置的热耦合，则可以合理利用这部分被忽略的热量，降低碳捕集成本。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种考虑P2G热效应且考虑P2G和碳捕捉装置热耦合的优化方法，通过研究P2G在反应过程中化学方程式来推导出这部分热量，将该发明运用在综合能源系统中，其能够提高P2G设备的储能性价比和减少一次能源的消耗量，并且有效降低年运行成本。

本发明提出一种考虑P2G热效应且考虑P2G和碳捕捉装置热耦合的优化方法，具体设计方案如下：

步骤1，根据化学反应方程式推导得到电转气过程的反应热，对传统的P2G模型进行优化；

步骤2，将步骤一中的P2G推导得到的反应热输送给碳捕捉设备，利用这部分热量供给碳捕捉，加强P2G和碳捕捉设备的热耦合；

步骤3，将改进的P2G模型和碳捕捉装置运用到综合能源系统；

步骤4，以年运行成本节省率、一次能源节省量、二氧化碳减排为目标函数，综合能源系统的设备配置为变量，设置约束条件，采用蜜獾算法作为求解算法进行优化配置求解。

传统的P2G模型中，P2G进行储能时，将电能转化为天然气量可计算如下：

F

其中，E

4H

其中，ΔH是改反应吸收或释放的热量，当ΔH为正时，表示吸收热量，当ΔH为负时，表示释放热量，上式表明，每产生1mol的CH

其中，

Q

式中：η

式中：

由于当碳捕捉率在90％左右时，机组循环热效率约会降低9％，而IP2G将储存电能时产生的余热应用于CCU，从而避免了传统P2G设备在运行时需要通过降低机组循环热效率来进行碳捕捉的问题。并且，这部分热量除了捕捉P2G所需的原料二氧化碳，其多出来的热能还可以用于捕捉该系统其他设备产生的二氧化碳。

IP2G产生的热量Q

式中：λ

将IP2G和碳捕捉设备组合运用到综合能源系统中，系统采取以电定热运行方式时时，为了满足电需求D

系统采取以热定电运行方式时，系统将优先满足热需求，为了满足D

综合能源系统的运行表现主要通过4个指标来衡量，其分别为一次能源节省率PESR，二氧化碳减排率CDESR,年运行成本减少率ATCSR和能源浪费率η

定义Goal为综合能源系统的综合性能目标函数，可表示为：

Goal＝ω

式中：ω

式中：e

式中：PEC

CDESR表示的是综合能源系统对比SP系统的二氧化碳减排率，其可由公式计算如下：

式中：CDE

ATCSR表示的是综合能源系统对比SP系统的年运行费用减少率率，其可由公式计算如下：

式中：ATC

η

综合能源系统的约束条件主要为电平衡、热平衡、二氧化碳平衡和设备容量平衡，前三者的约束条件如下所示：

E

Q

t∈[0,8760)

式中：E

设备容量的约束条件如下所示：

0≤A

式中：P

本发明采用以上技术方案，实现了以下有益效果：

改进了的P2G设备与传统的P2G相比具有更好的性能。本文中的IP2G具有以下优点：(1)IP2G考虑到了电转气过程中溢出的热量，并将这些热量与CCU相结合，不仅增加了P2G的环境效益，而且减少了IP2G在此过程中的能量损失。(2)缓解了传统IES放弃风能和太阳能的严重问题。(3)减少了二氧化碳排放和一次能源。

附图说明

图1是本发明中P2G改进原理图；

图2是本发明中综合能源系统结构图；

图3是本发明中IP2G在年运行成本、二氧化碳排放量和一次能源消耗量的年度表现图；

图4是本发明中IP2G在能源浪费率的年度表现图.

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，为了更好的说明本发明，采用Matlab数值仿真对所提出的数学模型进行验证，结果如说明书附图3至图4所示。具体步骤如下：

步骤1，根据化学反应方程式推导得到电转气过程的反应热，对传统的P2G模型进行优化；

步骤2，将步骤一中的P2G推导得到的反应热输送给碳捕捉设备，利用这部分热量供给碳捕捉，加强P2G和碳捕捉设备的热耦合；

步骤3，将改进的P2G模型和碳捕捉装置运用到综合能源系统；

步骤4，以年运行成本节省率、一次能源节省量、二氧化碳减排为目标函数，综合能源系统的设备配置为变量，设置约束条件，采用蜜獾算法作为求解算法进行优化配置求解。

步骤1：传统的P2G模型中，P2G进行储能时，将电能转化为天然气量可计算如下：

F

其中，E

4H

其中，ΔH是改反应吸收或释放的热量，当ΔH为正时，表示吸收热量，当ΔH为负时，表示释放热量，上式表明，每产生1mol的CH

其中，

Q

式中：η

式中：

由于当碳捕捉率在90％左右时，机组循环热效率约会降低9％，而IP2G将储存电能时产生的余热应用于CCU，从而避免了传统P2G设备在运行时需要通过降低机组循环热效率来进行碳捕捉的问题。并且，这部分热量除了捕捉P2G所需的原料二氧化碳，其多出来的热能还可以用于捕捉该系统其他设备产生的二氧化碳。

步骤2：IP2G产生的热量Q

式中：λ

步骤3：将IP2G和碳捕捉设备组合运用到综合能源系统中，其具体原理图如说明书附图2所示。

系统采取以电定热运行方式时时，为了满足电需求D

系统采取以热定电运行方式时，系统将优先满足热需求，为了满足D

步骤4：综合能源系统的运行表现主要通过4个指标来衡量，其分别为一次能源节省率PESR，二氧化碳减排率CDESR,年运行成本减少率ATCSR和能源浪费率η

定义Goal为综合能源系统的综合性能目标函数，可表示为：

Goal＝ω

式中：ω

式中：e

式中：PEC

CDESR表示的是综合能源系统对比SP系统的二氧化碳减排率，其可由公式计算如下：

式中：CDE

ATCSR表示的是综合能源系统对比SP系统的年运行费用减少率率，其可由公式计算如下：

式中：ATC

η

综合能源系统的约束条件主要为电平衡、热平衡、二氧化碳平衡和设备容量平衡，前三者的约束条件如下所示：

E

Q

t∈[0,8760)

式中：E

设备容量的约束条件如下所示：

0≤A

式中：P

(1)仿真参数如下

改进型综合能源系统设备运行参数如下：

综合能源系统设备价格如下：

算法变量范围如下：

为了能够表现出IP2G的效果，将加入了IP2G的综合能源系统与传统的P2G进行对比。

各种配置特征如下：

结果说明：

在以电定热运行方式下的求解结果如下：

在以热定电运行方式下的求解结果如下：

不管是传统的P2G还是IP2G，其年度整体表现都优于分供系统。通过两种运行方式的各自2种配置进行对比，Case2的整体表现最好，它的目标函数等于26.43％，它在一次能源节省率，二氧化碳减排率，年运营成本节省率和η

年度表现如下表所示：

综合能源系统的典型日分析包括二氧化碳平衡和阶梯碳惩罚响应典型日表现。

为了体现出IP2G对比传统P2G的优势，根据下表可以发现，IP2G对比传统的P2G在年运行成本、一次能源消耗量、二氧化碳排放量和目标函数都有着显著的提升，由于传统的P2G的热溢出没有被考虑，因此CCU需要额外消耗系统的热量进行碳捕捉，系统的一次能源消耗增加，二氧化碳的捕捉成本上升，从而导致传统P2G的二氧化碳减排表现不如IP2G。

其配置了IP2G的综合能源系统月度表现如说明书附图3和说明书附图4所示。其中明书附图3表示月运行成本(MTCSR)、二氧化碳排放量(CDESR)和一次能源消耗量(PESR)，说明书附图4表示电能效率(η

从说明书附图3可以发现，IES的MTCSR、CDESR和PESR在春秋季节表现最好，夏季次之，冬季表现最差，原因如下：首先，在春秋季节时，Q

从说明书附图4可以发现，从整体来看，η

综上所述，本发明所设计的优化配置方法改进了P2G的利用效率，进一步提高了其储能性价比。

上述具体实施案例，只是为了便于本研究领域的人员理解本发明，但本发明并不只适用于案例中的情况，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。