电热耦合系统全流程碳排放计量技术

袁加梅，尤佳，周永刚，韩博韬，丁建顺，宋颖冬

(1.国网安徽省电力有限公司营销服务中心，合肥 230601；2.国网安徽省电力有限公司，合肥 230041； 3.国网淮南供电公司，安徽 淮南 232002)

0 引 言

随着温室效应日渐增强，化石能源日渐匮乏，人们对温室气体的排放以及化石能源的使用愈发关注。为缓解世界环境及能源问题，中国于2020年提出了碳达峰及碳中和的“双碳”目标，既二氧化碳排放于2030年达到峰值，于2060年实现排放与减排量平衡[1]。同时，在环境与能源可持续发展的要求下，综合能源网络也必将得到迅速的发展，以提高能源的使用效率，促进高效节能的用能方式的应用。供电与供热系统作为碳排放的重点行业，是实现双碳目标的重要支柱。

合理准确的碳计量是衡量碳排放的重要技术支撑，也是要实现“双碳”目标数据支撑。电力和供热作为二氧化碳排放的重要行业，其在节能减排助力双碳目标的实现中起着重要的作用，因此研究电热网络的碳排放计量是至关重要的。

现阶段电热网络的碳排放计量主要采用宏观统计方法，即通过统计各种能源的使用总和，随后根据各不同能源的碳排放因子计算电力系统和热能系统的总碳排放[2]。这样的方法存在的问题包括：一方面，电力网络和热力网络都是消耗一次能源提供二次能源的网络系统，其特点是碳排放的产生全部来自能源供应侧。在碳计量时将碳排放责任归于供能侧，忽略了供需关系引发的碳排放，无法界定用户侧的碳排放责任。同时，中国能源与用能分布不均，导致这一问题更加明显亟待解决[3]。另一方面，新能源的接入，宏观的碳排放计量方法无法满足包含众多分布式供能系统的电热网络的实时碳排放计量问题。因此，为了解决上诉问题，实现电热耦合网络全流程(包括产能、传输、用能)的碳排放准确计量，需要拓展新的角度进行碳排放计量。

文献[4-5]提出了电力系统碳排放流的基本定义，即依附于电力潮流存在并用来表示电力系统中维持任一支路潮流的碳排放所形成的虚拟网络流，文献[6-7]给出了电力系统碳排放流的基本计算方法。文献[8-9]在碳排放流这一理论的基础上研究了基电力系统源-荷协调低碳优化调度方法。文献[10-12]提出了电系统中的低碳运行策略。文献[13-14]从用户侧的角度分析了低碳用能需求。碳排放流这里理论的提出对于用户侧的碳排放的计量和减排责任的界定提供了有效的依据。

上述的文章只对电力系统的碳排放流进行了分析，没有考虑到综合能源系统快速发展的新形势下，存在多种能源形式的电热耦合网络的碳排计量。多能耦合的综合能源系统，能量之间的转换、多时间尺度的能量流动，为系统的碳排放计量增加了难度。同时，用户侧的碳排放计量尚处于起步阶段，如何实现用户侧包括能量损失分摊的碳排放以及传输网络中设备的碳排放，促进各个环节节能减排需要更深入的理论研究与实践应用。

因此，本文建立了电热耦合网络的全流程碳排放流模型，分析了耦合设备的运行特点,建立了设备碳排放流模型，提出了电热耦合网络碳排放流计算方法。该方法能够对电热耦合网中生产、传输、转换以及用能环节进行碳排放的计量。最后通过构建算例验证了建立的模型以及提出的算法的准确性。

1 基于能量流的电热耦合网络全流程碳排放计量模型

本文提出了一种针对电热耦合网络的全流程碳排放计量模型。该模型是基于碳排放流及网络能量转换与损耗的碳排放分摊模型。本文提出的全流程如图1所示，考虑了各个环节的能量损耗，有效地对碳排放的责任进行分摊。

图1 电热耦合系统全流程示意图

电热耦合网络的能量传递全流程可分为四部分，分别是能量生产环节、能量传输环节、能量转换环节以及能量使用环节[15]。能量生产环节消耗一次能源产生热能及电能同时伴随着碳排放；能量通过热网及电网进行传输在此过程中能量的损耗等同于碳排放的消耗；能量转换环节本文主要考虑了CHP；能量使用环节虽然没有直接产生碳排放，但是考虑到用能需求对应碳排放归责，因此也需要计算其用能量对应的碳排放。

1.1 电热耦合网络碳排放特性分析

电热耦合网络是已CHP为代表的能够同时产生电力与热力的设备，或者以电热锅炉等能将电能与热能相互转换的设备参与的，将供电网络与供热网络相互连接的网络。由于不同能源网络的耦合，产生了能量的转换，同时电力与热力的时空尺度、时间尺度都有所不同，因此对于耦合网络的分析，需要对不同网络及耦合设备进行解耦分析[16-17]。图2为碳排放硫的桑基图，展示了二氧化碳从能源到设备再到网络中的流动过程。灰色的连接线代表了二氧化碳的流动方向，灰色连接线的宽度可以表示数值大小。

图2 碳排放流桑基图

首先定义电热耦合网络中碳排放流的相关指标与能量流之间的关系。电热耦合网络的碳排放流的相关的指标称为碳流指标。包括支路碳流量、支路碳流率、支路碳流密度、节点碳势。

(1)支路碳流量(F)：在某一时间内随能量流而通过某条支路的碳流所对应的碳排放累积量。

(2)支路碳流率(R)：支路在单位时间内随能量流通过的碳流量。

(3)支路碳流密度(ρ)：电力系统任一支路碳流率与有功潮流的比值为该支路碳流密度[4];热力系统中支路碳流率与支路热功率的比值为该支路碳流密度。

(4)节点碳势(E)：表示在某节点消耗单位能量所产生的等同于产能侧的碳排放量。对于产能节点，其碳势就等同于该节点产能设备的碳排放强度。

将上述指标分别对应到电力网络和热力网络中，以下角标e表示电力网络，以下角标h表示热力网络。支路碳流量在电力潮流中对应的是支路传输的电量，在热力潮流中对应的是支路传输的热量。支路碳流率在电力潮流中对应支路的有功功率，在热力潮流中对应的是支路传输的热功率。则电热耦合网络中的碳排放指标分别表示为：Fe,Re,ρe,Ee;Fh,Rh,ρh,Eh。

表1总结了碳排放流的指标支路碳流量、支路碳流率、支路碳流密度和节点碳势在电热耦合网络中的物理意义。同时说明了碳排放流与能量流之间的对应关系。

表1 电热耦合网络碳排放流指标意义

1.2 电力网络碳排放流模型

电力系统的有功功率为：

(1)

其中ij表示节点的序号；V表示节点电压；Gij为节点导纳矩阵的实部；Bij为节点导纳矩阵的虚部[18]。

节点i的电力碳排放流Fei如式(2)所示，其中，λgik表示节点i接入的第k台发电机的碳排放因子；Pgik表示节点i接入的第k台发电机的有功输出。

(2)

支路碳流率是支路碳流量对时间的导数，其为：

(3)

支路碳流密度为：

(4)

节点i的碳势表示为：

(5)

式中j表示与节点i连接的支路号。

由于线路阻抗等存在，系统支路的有功损耗用Pl表示，则支路有功损耗的碳流率为：

Res=diag(Eei)·Pl

(6)

1.3 热力网络碳排放流模型

(7)

网络热力模型用于确定每个节点的温度，如图3所示，每个节点有三种不同的温度。分别是供热温度Ts、出口温度To、回水温度Tr。出口温度定义为在回水网络中混合之前每个节点出口处的水流温度。

通常，在热力模型中热源的出口温度和负载的入口温度是已知的,回水温度取决于供热温度、室温和热负载[20]。

图3 温度关系示意图

网络中的热功率可以用式(8)计算：

(8)

Φ表示节点的热功率；Cp是水的比热容。

管道中的热量损耗受管道长度和环境温度等影响。Tend代表管道末端温度；Tstart是管道起始温度；Ta是环境温度；λ是单位管道的热传导系数；L表示管道长度。

(9)

通过上述计算可以得出热力网络的热功率矩阵。节点i的热力碳排放流Fhi如式(10)所示，其中，λhik表示节点i接入的第k台产热设备的碳排放因子；Φhik表示节点i接入的第k台产热设备的有功输出。

(10)

支路碳流率是支路碳流量对时间的导数，其为：

(11)

支路碳流密度为：

(12)

节点i的碳势表示为：

(13)

式中j表示与节点i连接的支路号。

对于热网中，由于管道内水温的损失会导致能量损耗用Φl表示，则支路有功损耗的碳流率如式(14)所示。

Rhs=diag(Ehi)·Φl

(14)

1.4 能量转换设备碳排放模型

CHP是电热网路中的耦合设备，能够同时产生电能及热量，是能量转换的重要设备[21-23]。热电联产单元可提高产热效率，但其总效率恒定。CHP的供能关系如图4所示。CHP消耗天然气，发电环节通过燃气发电机直接产生电能；发热则是通过吸收式热泵和制冷技术将余热加以利用。

图4 CHP供能关系图

根据图4所示流程图，CHP系统的供电量和供热量分别如式(15)和式(16)所示。

PE=Qηe

(15)

ΦH=Qηhλa

(16)

式中Q为CHP系统一次能源(天然气)消费量；PE,ΦH分别为系统供电、供热量；ηe为原动机发电效率；ηh为余热回收装置效率；λa为吸收式热泵性能系数。

则在电、热系统中CHP作为供能节点的碳排放强度(节点碳势)可分别表示为:

(17)

式中φ为天然气的碳排放因子。

2 电热耦合网络碳排放流计算方法

电热耦合网络的碳排放流计算是依托于综合能源网络的能量流计算结果。综合能源网络的能量流计算需要网络结构及相关参数，同时需要设定平衡节点用以保证系统内的功率平衡。表2为能量流计算过程中系统节点类型，以及各类节点的已知量和未知量。

表2 能量流计算的要求

结合能量流的计算方法和计算原理，对于碳排放流的计算有相同点也有不同点。虽然碳排放流的计算依托于能量流的计算结果，但能量流计算中的节点类型并不对应碳排放流的节点类型。

表3描述了综合能源网络碳排放流计算过程中的节点类型，以及各个节点的已知量和带求解量。同时，根据能量流的计算结果能够求解出系统中的节点碳势。

表3 碳排放流计算的要求

系统中的节点可以分为两类，分别为供能节点和用能节点。其中，供能节点的位置和碳排放强度是已知的，电力网络中存在K个发电机，供热网络中存在K个供热设备，其节点的碳势如式(18)所示。其中需要注意的是对于CHP节点来说，其对于电热网络的碳势按照式(18)进行计算。

(18)

电热网络的节点负荷矩阵分别为PL、ΦL；供能节点注入网络的能量矩阵分别为PG、ΦB；能量流分布矩阵分别为Pe;Φh;节点能量通量矩阵为PN,ΦN。

则电热耦合网络的节点碳势为别为

(19)

则负荷碳流量为：

ReL=PLEe

RhL=ΦLEh

(20)

电热耦合网络碳排放流计算流程如图5所示。

图5 电热耦合系统碳排放流计算流程

3 实验结果与分析

为了验证本文提出了电热耦合系统碳排放流模型以及计算方法的准确性，采用如图6所示的电力网络。该网络为标准的IEEE—14节点的电网，其中节点1,2连接的是燃煤发电机组，碳排放强度为[875,525] g CO2/(kW·h)。节点3,7连接的是风电机组碳排放强度为零。电网节点6对应热网节点5连接的是CHP电热碳排放强度为[520,480] g CO2/(kW·h)。

图6 电力网络结构图

热力网络模型如图7所示，节点1为燃煤集中供热站其碳排放强度为965 g CO2/(kW·h)。图中标出了各个节点的负荷以及管线长度。热网的详细数据可在文献[10]中获得。

图7 热力网络示意图

表4及表5是应用文本提出的方法计算得到的电热耦合网络全流程的碳排放情况。

表4 系统节点碳势及碳流率

表5 支路损耗碳流率

表4展示了电网及热网各个节点的碳势及负荷碳流率，由表4中可以看出，节点1的碳势与该节点机组的碳排放强度相等，这是因为节点1除了该发电机的电能外再无其他能量注入。节点7连接的是风力发电机组其碳排放为零，因此节点碳势为零。机组注入碳流率对应单位时间内产生的能量值，负荷碳流率与该节点消耗的有功功率相对应。此外，机组注入的碳流率总和与负荷碳流率总和存在差值，这个差值就是系统损耗的碳流率。系统消耗的碳流率由表5给出，支路损耗的碳流率与支路的能量损耗有关，电力网络中主要表现在线路的阻抗上，热网中则与管道的长度及管道热传导系数直接相关。表4和表5中的数据符合能量守恒定律即碳排放守恒。

本算例采用传统碳排放计算方法，不考虑全流程碳排放分摊情况计算结果如表6所示。与本文提出的方法进行对比可以看出，不考虑全流程分摊的情况，网络损耗的碳排放全都计算到了用户侧，这显然是不合理的。

表6 传统方法系统节点碳势及碳流率

在采用集中供电和集中供热的情况下用户侧的碳排放计量可以相对简单，但同时对节能减排并不能起到很好的促进作用，因此在上述算例中，在电网11节点接入分布式光伏发电系统，碳排放计算结果如表7所示。

表7 系统节点碳势及碳流率

通过表7与表4的对比可以看出，在节点11增加分布式光伏发电系统，光伏发电系统的碳排放强度为零，其发电量能够供给自身使用，同时余电上网。节点11的碳势为0，碳流率也变为零。同时，由于其产生的清洁电能传输到了节点6、节点9和节点10使得这三个节点的碳流率也有所下降。由此可以说明，本文提出的碳排放计量方法能够合理的界定碳排放责任，有效的促进清洁能源的发展。

4 结束语

本文分析了电热耦合网络碳排放的特性，提出了电热耦合网络全流程碳排放计量模型。将系统分为能量产生、能量传输、能量转化、能量使用环节，有效地进行碳排放责任分摊。同时，提出了电热耦合网络碳排放流的计算方法，利用能量流计算结果热和供能侧碳排放强度，计算得出网络中各负荷节点的碳流率，从而计量全流程各环节碳排放量。最后，通过算例对模型及算法的准确性进行了验证，表明该方法能够有效地对电热耦合网络中全流程各环节进行碳排放计量，有效促进各环节节能减排。