“双碳”背景下适应需求的综合能源系统运行策略

徐世明

（国能长源随州发电有限公司，湖北 随州 441326）

0 引 言

目前，在多能源系统研究中，对于“双碳”背景下适应需求的研究较少，并且也缺乏对多能源市场价格传导机制的关注。本文以综合能源系统（Integrated Energy System，IES）为主要研究对象，基于“双碳”背景下节能减排，以综合能源系统运行维护最小成本为目标，构建了综合能源运行策略，并采用算例验证方法验证了算法运行的可行性和可靠性。

1 综合能源系统构建

综合能源系统是一种通过调配能源供给方式，采用耦合互补来满足系统运行负荷需求的能源调度系统。近年来，随着人们环境保护意识、节约能源意识的不断增强，垃圾处理单元在IES中的接入不仅满足了城市垃圾减量，而且也可以将城市废弃物转换为可以利用能源，实现减排、节能的目的，为实现碳达峰、碳中和目标提供了支撑[1]。

图1所示的为综合能源系统结构，IES主要由能源输出端、输入端和能量耦合端组成。该系统可以实现能源与废弃物处理的多能互补和梯级利用，能源输入端主要包括垃圾处理供能、风能、天然气网、太阳能和大电网；能源输出端与气负荷、热负荷和电负荷相连接；能量耦合端由燃气轮机、电转气装置等多源转换设备以及储气、储热和储电等储能设备组成。

1.1 城市垃圾处理单元

城市垃圾清理和运输处理工作包括垃圾运输、收集以及填埋等步骤，工作流程烦琐，并且垃圾占地面积较大，不仅会造成社会资源浪费，而且也使得垃圾资源无法得到有效利用[2]。随着城市垃圾处理技术和焚烧发电技术的飞速发展，垃圾供能效率得到了进一步的提升，垃圾处理技术可以在处理城市生活垃圾的同时，收集垃圾处理过程中产生的氢气和甲烷等可燃气体，然后供城市供能系统使用。本文将垃圾焚烧发电技术与垃圾降解技术相结合，构建了垃圾处理单元供能模型，垃圾能量转换过程如图2所示。

在单位时间内，城市生活垃圾首先会经过分类和筛选，然后将其分为城市垃圾、可降解垃圾和可燃烧垃圾，生活垃圾分配模型为

式中：Wt为t时段垃圾处理单元生活垃圾总量；Wre,t为可回收垃圾总量；Wwb,t为可燃烧垃圾总量；Wpg,t为可降解垃圾总量；λre为可回收垃圾比例；λwb为可燃烧垃圾比例；λpg可热解垃圾比例。

生活垃圾处理过程中，对于可燃烧垃圾，其在焚烧时产生的热量可以为余热锅炉进行加热[3]。对于可降解垃圾产生的可燃烧气体，可以将其注入城市供热燃烧室，为余热锅炉提供燃料，而余热锅炉产生的高压蒸汽可以作为汽轮机的运行动力。城市垃圾处理单元供能模型为

式中：Ppg,h,t为可热解生活垃圾降解时产生的热量；Pwb,h,t为可燃烧生活垃圾燃烧时产生的热量；ηpg为垃圾热解气化焚烧炉运行效率；ηmgb为甲烷、氢气等气体燃烧室运行效率；ηwb为垃圾焚烧炉运行效率；vpg为可降解垃圾低品位余热，取值为14 380 kJ/kg；vvwb为可燃烧垃圾低品位余热；取值为5 000 kJ/kg；ηq1为汽轮机发电效率；Pwd,e,t为t时段汽轮机输出电能；ηcyd为处理单元厂用电率。

1.2 阶梯碳交易运行模型

当工厂碳排放量超过城市碳排放量分配额时，工厂需要通过碳排放交易方式购买碳排放量额度，增加碳交易成本[4]。当工厂碳排放量未超过城市碳排放量分配额时，工厂可以出售多余碳排放量额度，以此来从中获取利益。在碳排放市场机制下，碳排放交易模式可以进一步挖掘城市各个生产企业和工厂降低碳排放的潜力。现阶段，我国对于碳排放额度的分配主要以有偿、无偿和混合分配计算方式为主，为便于计算，本文主要采用无偿分配方式，计算方法为

式中：Es为IES无偿分配额度；Ee为外购电能；Ewd为垃圾处理机组；Egt为燃气轮机碳排放额度；Egb为燃气锅炉碳排放额度。

2 综合能源系统运行策略

2.1 目标函数

考虑IES维护成本、运行成本、购能成本等，为实现降低IES运行成本目标，构建了优化目标：

式中：FB为企业外购能源总成本；Fop为IES维护和运行总成本；Fco2为碳交易总成本。

2.2 综合能源系统约束

IES约束包括功率约束，如电负荷、热负荷和气负荷，通过控制储能设备、电转气设备、储热设备等功率，控制IES功率平衡性。燃气轮机约束包括控制燃气轮机气转热、气转电、额定功率等[5]。燃气锅炉约束包括控制气转热效率、额定功率等。电转气约束包括控制电转气设备额定功率和运行效率等。可再生能源出力约束包括控制光伏、风能等出力情况。处理单元约束包括控制最小垃圾处理量和最大处理量。上机主网交互约束主要约束IES与气网和电网能量交换。网格约束包括电力网络功率、电抗值、功率控制和气网管道流量、功率控制等。

3 算例分析

3.1 算例设置

天然气价格为0.96元/m3，热值为9.98（kW·h）/m3；购电价格低谷时间段购电价格为0.36元/（kW·h），高峰时间段购电价格为1.20元/（kW·h），平时时间段购电价格为0.48元/（kW·h）；补偿系数β为0.2；碳交易价格为252元/t[6]。算例仿真情景共4种，情景1为目标函数只包括Fop运维成本和FB购能成本运行模型；情景2为 IES采用低碳运行模型，并考虑垃圾处理；情景3为只采用阶梯碳交易运行模型；情景4为 IES采用阶梯碳交易运行模型，并考虑垃圾处理。

3.2 仿真结果分析

为验证本文提出IES运行策略可行性和合理性，分别对上述4种情景运行模型进行仿真求解，4种情景下IES的运行成本如表1所示，IES供能出力情况如图3所示。

表1 IES运行成本

3.2.1 情景1和情景3对比分析

情景1和情景3只采用IES运行模型，并未考虑垃圾处理，从图3可以看出，与情景1相比，情景3 IES运行策略购电成本降低，但燃气轮机供电量有所增长。由于企业碳交易成本会影响购气量，当购气成本增加时，企业采购能源减少，企业碳排放量也随之减少。从表1中可以看出，与情景1相比，情景3购气成本和总成本分别增长了16.8万元、5.41万元，碳交易成本和碳排放量分别减少14.38万元、509.8 t[7]。由此可知，在采用阶梯碳交易运行模型情况下，IES会优先使用碳排放量较少的能源，同时在保证IES运行稳定的同时对碳排放量进行约束。

3.2.2 情景2和情景4对比分析

从图3可以看出，与情景2相比，情景4购电量进一步减少，但燃气轮机和废气处理单元供电量有所增长。从表1中可以看出，与情景2相比，情景4碳交易成本和购能成本有一定幅度增长，但碳排放量得到了减少，垃圾处理量增长了339.63 t。通过对比分析发现，阶梯碳交易运行模型对碳排放量约束力度更大，可以在减少碳排放量的同时，增加垃圾处理量。

3.2.3 情景3和情景4对比分析

情景3和情景4均采用阶梯碳交易运行模型，但是情景4考虑了垃圾处理处理并加入了垃圾处理单元，而且也其碳排放量和碳交易成本均有所减少，减小幅度分别为1 339.9 t和10.32万元。由于情景4加入了垃圾处理单元，而这也使得IES运行总成本有所增长，但是增长幅度较小，运行成本增长幅度为4.52万元。由此可见，在采用阶梯碳交易运行模型的同时加入垃圾处理单元，对于减少碳排放量、实现“双碳”目标具有重要意义[8]。

从整体来看，情景1～情景4中低碳运行模型可以降低IES碳排放量，但效果略低于阶梯碳交易运行模型，而且在模型中进入垃圾处理单元可以进一步降低碳排放量，同时提高资源利用率。

4 结 论

本文考虑了IES运行维护成本、购能成本、碳排放量、燃气成本等，以IES最小运行成本为目标，构建了综合能源系统，分析了IES运行策略。基于IES算例验证了IES运行策略的有效性。在IES中应用阶梯碳交易运行模型并加入垃圾处理单元，可以进一步减少碳排放排放量，增加垃圾处理量，在满足“双碳”背景下适应性需求的同时，提高城市生活垃圾资源的有效利用。