一种基于阶梯碳惩罚响应碳捕捉设备的运行方法

1.本发明属于能源系统领域，特别涉及一种基于阶梯碳惩罚响应碳捕捉设备的运行方法。


背景技术：

2.根据《巴黎协定》目前的全球脱碳趋势，鼓励各区域和经济体探索减少能源强度和尽量减少对二氧化碳排放的可能方式。当前，减排已成为能源系统发展的主要方向。
3.碳捕捉指将二氧化碳用各种手段捕捉然后储存或者利用的过程。通过综合能源系统运行中溢出的热能来驱动碳捕捉系统不仅不会降低系统的热效率，而且还能提高能源利用率，将碳捕捉设备并入综合能源系统有助于提高系统的减排表现。
4.碳交易市场的建立可以应对发电企业的自主减排问题。从价格和规模两个角度评估中国碳交易试点市场的co2减排效果，碳交易价格的提高和交易量的扩大对co2减排有持续而明显的影响。碳交易规则制定的合理性影响减排效果，而碳罚作为一种碳交易方式，可分为固定碳罚和阶梯碳罚，通过对超额的二氧化碳收取适当的碳成本，阶梯碳价可以用较少的碳交易成本控制系统的碳排放量。作为市场反应的具体方法，阶梯式碳罚可以从市场角度动态调节碳排放，碳罚制度的引入使得发电企业在盈利和减碳之间存在矛盾。虽然传统火电厂对二氧化碳的全部捕集大大减少了二氧化碳的排放，但这也使得火电厂付出了高昂的碳捕集成本，而如果不考虑碳捕集，系统也会产生高昂的碳罚成本，如何合理平衡碳捕集和碳惩罚是企业急需解决的问题。


技术实现要素：

5.针对以上问题，本发明公开了一种基于阶梯碳惩罚响应碳捕捉设备的运行方法，并将其运用在综合能源系统，然后采用全生命周期的分析方法来对二氧化碳进行分析，以经济型、二氧化碳减排率、一次能源消耗率和能源浪费率为目标函数，使用蜜獾算法作为对该发明的求解算法。该发明能够实现对不同场景下的建筑碳捕捉数量定额，在考虑环保的同时考虑经济性，为发电企业平衡碳捕集和碳惩罚的关系，为建筑的减碳改造或减碳规划提供了求解方法。
6.本发明提出一种基于阶梯碳惩罚响应碳捕捉设备的运行方法，具体设计方案如下：
7.步骤1，建立包含改进型p2g、碳捕捉单元、新能源发电和辅助锅炉等设备在内的综合能源系统。
8.步骤2，对步骤1中的设备建立对应二氧化碳全生命周期的评估模型；
9.步骤3，对步骤1中的碳捕捉单元和辅助锅炉考虑阶梯碳惩罚响应，根据碳惩罚动态响应碳捕捉单元主动进行二氧化碳的捕捉；
10.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求解。
11.进一步的，步骤1中，综合能源系统包括五种能源流动形式：冷、热、电、气、二氧化碳。
12.首先，为了满足电需求de，光伏和风机产生的电能e
pv
和e
wt
优先供电。当光伏和风电供能不足时，电能产生单元pgu通过燃烧天然气产生的电能e
pgu
补充差额电需求。而当pgu和新能源发电设备以最大功率运行也无法满足de时，其不足电需求e
grid
从电网获取。由于考虑电网的稳定性，当光伏和风机产生的电能大于de，其多余的电能只能被储能设备储存或浪费(e
ex
)。
13.其次，为了满足热需求dq，太阳能集热器产生的热能q
solar
优先供热，当太阳能集热器供热不足时，pgu设备燃烧天然气产生电能过程中产生的热量q
pgu
被热回收装置回收用于补充不足热需求。而当pgu和太阳能集热器以最大功率运行也无法满足dq时，其不足热需求qb由辅助锅炉提供。在这个过程中，当提供热能大于dq的热能被放入储热罐、用于碳捕捉系统或浪费(q
ex
)。
14.进一步的，步骤2中，二氧化碳产生的全生命周期模型可由如下公式计算得到：
[0015][0016]
式中：表示在t时刻i设备所产生的二氧化碳，为i设备的co2的转化系数，ei(t)为t时刻i设备的功率；
[0017]
二氧化碳的消耗主要通过p2g设备，p2g吸收的二氧化碳全生命周期模型如下所示：
[0018][0019]
式中：和e
p2g
(t)表示在t时刻p2g吸收的二氧化碳和p2g储存的电能,为p2g的二氧化碳吸收系数，单位为kg/kw；
[0020]
二氧化碳的储存主要通过碳捕捉装置，碳捕捉装置的全生命周期模型如下所示：
[0021][0022]
式中：和q
ccu
(t)表示在t时刻碳捕捉装置吸收的二氧化碳和用于碳捕捉装置设备的热量，λb为热量转化系数，单位为kw/kg；
[0023]
排放的二氧化碳考虑的是没有被储存或者消耗的二氧化碳，这部分二氧化碳全生命周期模型如下表示：
[0024][0025]
式中：和分为t时刻不考虑碳捕捉装置时二氧化碳排放量和p2g吸收的二氧化碳，分别表示在t时刻，pgu、电网、补充锅炉产生的二氧化碳。
[0026]
进一步的，步骤3中，scpr的原理是通过多阶梯的碳惩罚来激励碳捕捉单元进行主动碳捕捉，当t时刻的碳惩罚大于ccu的碳捕捉成本时，则响应ccu捕捉二氧化碳，从而实现降低碳惩罚的同时降低二氧化碳的排放。考虑到浪费热量并不是所有时刻都存在，因此会
存在某时刻碳惩罚很大，但却没有浪费热量供给ccu的情况，因此本发明scpr分为两层响应，ccu能量来源于浪费热量和辅助锅炉。两层响应的差别是ccu的热量来源，第一层ccu的热量来源于浪费的热量，第二层ccu热量来源于辅助锅炉，当浪费的热量等于0且每吨二氧化碳碳惩罚大于碳捕捉设备单位捕捉成本和辅助锅炉单位供热成本c
qb
之和时启用第二层scpr。和p(t)分别表示在t时刻每吨二氧化碳碳成本，二氧化碳排放量和碳市场碳价格，f
ccu
表示碳捕捉设备单位捕捉成本，当小于(f
ccu
+c
qb
)时，scpr作用结束。
[0027]
在t时刻，超过碳配额时，需要支付碳成本的二氧化碳可如下表示：
[0028][0029]
式中：和分别表示在t时刻需要支付碳成本的二氧化碳和碳配额，需要支付碳成本的二氧化碳其阶梯碳成本为：
[0030][0031]
式中：和p(t)分别表示在t时刻碳成本和碳市场价格，当小于0时，则表示系统实际碳排放量低于碳配额,可以以初始碳交易价格对多余份额获取碳交易收益；a和d分别表示碳价格增长率的阶梯区间。
[0032]
进一步的，步骤4的具体步骤为：
[0033]
改进型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
ex
。
[0034]
定义goal为综合能源系统的综合性能目标函数，可表示为：
[0035]
goal＝ω1·
pesr+ω2·
cdesr+ω3·
atcsr-ω4·
η
ex
[0036]
式中：ω1、ω2、ω3和ω4分别为pesr、cdesr、atcsr和η
ex
的权重，在本发明中，权重的取值采用熵值法进行计算，其计算公式如下所示：
[0037][0038]
式中：ei为指标i的熵值。pesr表示的是改进型综合能源系统对比分供系统的一次能源减少率，其可由公式计算如下：
[0039][0040]
式中：pec
sp
和pec
iies
分别代表sp系统和改进型综合能源系统年度一次能源消耗量。
[0041]
cdesr表示的是改进型综合能源系统对比sp系统的二氧化碳减排率，其可由公式计算如下：
[0042][0043]
式中：cde
sp
和cde
iies
分别代表sp系统和改进型综合能源系统年度二氧化碳排放量。
[0044]
atcsr表示的是改进型综合能源系统对比sp系统的年运行费用减少率，其可由公式计算如下：
[0045][0046]
式中：atc
sp
和atc
iies
分别代表sp系统和改进型综合能源系统年度运行成本。
[0047]
改进型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：
[0048]ewt
(t)+e
pv
(t)+e
grid
(t)+e
pgu
(t)＝e
p2g
(t)+e
ec
(t)+e
ex
(t)+e(t)
[0049][0050][0051]
t∈[0,8760)
[0052]
式中：e
ec
(t)、e(t)分别为t时刻电动制冷机的功率和用户电需求，qr(t)、q
s,out
(t)和q
s,in
(t)分别表示在t时刻pgu的热回收热量、储热罐放热量和储热罐吸热量，和分别表示在t时刻吸收式制冷机和换热装置的热量需求。设备容量的约束条件如下所示：
[0053][0054][0055]
0≤a
pv
+a
st
≤3000
[0056]
式中：pi(t)表示在t时刻设备i的功率，表示设备i的额定功率。a
pv
和a
st
分别表示pv和太阳能集热器的面积。
[0057]
本发明采用以上技术方案，实现了以下有益效果：
[0058]
(1)首先，本发明提出的阶梯碳惩罚响应运行策略，与传统的综合能源系统相比，其年综合运行表现有了明显的提高。阶梯碳惩罚响应具有以下优点：阶梯碳惩罚响应对碳捕捉设备的响应平衡了碳捕集和经济性之间的关系，从系统经济性的角度选择性地捕集co2从系统经济性的角度来看，减少co2排放的同时让碳捕捉系统经济性得到改善；阶梯碳惩罚响应响应ccu回收浪费的热量，降低了热量浪费率。
[0059]
(2)以flc分析二氧化碳，这与阶梯碳惩罚响应相辅相成，flc能够令阶梯碳惩罚响应的表现效果更好，flc的分析方法也是用来评判碳中和的一个评估标准，对比于传统的年度分析二氧化碳，flc能从根源分析二氧化碳的产生和去处，为系统的改进和优化提供了帮助。
附图说明
[0060]
图1是本发明中综合能源系统的结构图；
[0061]
图2是本发明中阶梯碳惩罚响应的原理图；
[0062]
图3是本发明中阶梯碳惩罚响应的流程图；
[0063]
图4是本发明实施例中年度的结果图；
[0064]
图5是本发明实施例中典型日二氧化碳平衡结果图；
[0065]
图6是本发明实施例中典型日阶梯碳惩罚响应表现结果图。
具体实施方式
[0066]
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，结果如图4至6所示。具体步骤如下：
[0067]
步骤1：建立包含改进型p2g、碳捕捉单元、新能源发电和辅助锅炉等设备在内的综合能源系统。具体步骤如下：
[0068]
综合能源系统包括五种能源流动形式：冷、热、电、气、二氧化碳。具体如说明书附图1所示。
[0069]
首先，为了满足电需求de，光伏和风机产生的电能e
pv
和e
wt
优先供电。当光伏和风电供能不足时，电能产生单元pgu通过燃烧天然气产生的电能e
pgu
补充差额电需求。而当pgu和新能源发电设备以最大功率运行也无法满足de时，其不足电需求e
grid
从电网获取。由于考虑电网的稳定性，当光伏和风机产生的电能大于de，其多余的电能只能被储能设备储存或浪费(e
ex
)。
[0070]
其次，为了满足热需求dq，太阳能集热器产生的热能q
solar
优先供热，当太阳能集热器供热不足时，pgu设备燃烧天然气产生电能过程中产生的热量q
pgu
被热回收装置回收用于补充不足热需求。而当pgu和太阳能集热器以最大功率运行也无法满足dq时，其不足热需求qb由辅助锅炉提供。在这个过程中，当提供热能大于dq的热能被放入储热罐、用于碳捕捉系统或浪费(q
ex
)。
[0071]
步骤2：对步骤1中的设备建立对应二氧化碳全生命周期的评估模型，具体步骤如下：
[0072]
二氧化碳产生的全生命周期模型可由如下公式计算得到：
[0073][0074]
式中：表示在t时刻i设备所产生的二氧化碳，为i设备的co2的转化系数ei(t)为t时刻i设备的功率；
[0075]
二氧化碳的消耗主要通过p2g设备，p2g吸收的二氧化碳全生命周期模型如下所示：
[0076][0077]
式中：和e
p2g
(t)表示在t时刻p2g吸收的二氧化碳和p2g储存的电能,为p2g的二氧化碳吸收系数，单位为kg/kw；
[0078]
二氧化碳的储存主要通过碳捕捉装置，碳捕捉装置的全生命周期模型如下所示：
[0079][0080]
式中：和q
ccu
(t)表示在t时刻碳捕捉装置吸收的二氧化碳和用于碳捕捉装置设备的热量，λb为热量转化系数，单位为kw/kg；
[0081]
排放的二氧化碳考虑的是没有被储存或者消耗的二氧化碳，这部分二氧化碳全生命周期模型如下表示：
[0082][0083]
式中：和分为t时刻不考虑碳捕捉装置时二氧化碳排放量和p2g吸收的二氧化碳，分别表示在t时刻，pgu、电网、补充锅炉产生的二氧化碳。
[0084]
步骤3：对步骤1中的碳捕捉单元和辅助锅炉考虑阶梯碳惩罚响应，根据碳惩罚动态响应碳捕捉单元主动进行二氧化碳的捕捉，具体步骤为：
[0085]
scpr的原理是通过多阶梯的碳惩罚来激励碳捕捉单元进行主动碳捕捉，当t时刻的碳惩罚大于ccu的碳捕捉成本时，则响应ccu捕捉二氧化碳，从而实现降低碳惩罚的同时降低二氧化碳的排放。考虑到浪费热量并不是所有时刻都存在，因此会存在某时刻碳惩罚很大，但却没有浪费热量供给ccu的情况，因此本发明scpr分为两层响应，其原理图和流程图分别如说明书附图2和说明书附图3所示，ccu能量来源于浪费热量和辅助锅炉。两层响应的差别是ccu的热量来源，第一层ccu的热量来源于浪费的热量，第二层ccu热量来源于辅助锅炉，当浪费的热量等于0且每吨二氧化碳碳惩罚大于碳捕捉设备单位捕捉成本和辅助锅炉单位供热成本c
qb
之和时启用第二层scpr。第二层scpr。和p(t)分别表示在t时刻每吨二氧化碳碳成本，二氧化碳排放量和碳市场碳价格，f
ccu
表示碳捕捉设备单位捕捉成本，当小于(e
ccu
+c
qb
)时，scpr作用结束。
[0086]
在t时刻，超过碳配额时，需要支付碳成本的二氧化碳可如下表示：
[0087][0088]
式中：和分别表示在t时刻需要支付碳成本的二氧化碳和碳配额，需要支付碳成本的二氧化碳其阶梯碳成本为：
[0089][0090]
式中：和p(t)分别表示在t时刻碳成本和碳市场价格，当小于0时，则表示系统实际碳排放量低于碳配额,可以以初始碳交易价格对多余份额获取碳交易收益。a和d分别表示碳价格增长率的阶梯区间。
[0091]
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求解，具体步骤为：
[0092]
改进型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(primary energy saving rate,pesr)，二氧化碳减排率(carbon dioxide emissions saving rate,cdesr),年运行成本减少率(annual total cost saving ratio,atcsr)和能源浪费率(energy waste rate,η
ex
)。
[0093]
定义goal为综合能源系统的综合性能目标函数，可表示为：
[0094]
goal＝ω1·
pesr+ω2·
cdesr+ω3·
atcsr-ω4·
η
ex
[0095]
式中：ω1、ω2、ω3和ω4分别为pesr、cdesr、atcsr和η
ex
的权重，在本发明中，权重的取值采用熵值法进行计算，其计算公式如下所示：
[0096][0097]
式中：ei为指标i的熵值。pesr表示的是改进型综合能源系统对比分供系统的一次能源减少率，其可由公式计算如下：
[0098][0099]
式中：pec
sp
和pec
iies
分别代表sp系统和改进型综合能源系统年度一次能源消耗量。
[0100]
cdesr表示的是改进型综合能源系统对比sp系统的二氧化碳减排率，其可由公式计算如下：
[0101][0102]
式中：cde
sp
和cde
iies
分别代表sp系统和改进型综合能源系统年度二氧化碳排放量。
[0103]
atcsr表示的是改进型综合能源系统对比sp系统的年运行费用减少率，其可由公式计算如下：
[0104][0105]
式中：atc
sp
和atc
iies
分别代表sp系统和改进型综合能源系统年度运行成本。
[0106]
改进型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：
[0107]ewt
(t)+e
pv
(t)+e
grid
(t)+e
pgu
(t)＝e
p2g
(t)+e
ec
(t)+e
ex
(t)+e(t)
[0108][0109][0110]
t∈[0，8760)
[0111]
式中：e
ec
(t)、e(t)分别为t时刻电动制冷机的功率和用户电需求，qr(t)、q
s，out
(t)和q
s，in
(t)分别表示在t时刻pgu的热回收热量、储热罐放热量和储热罐吸热量，和
分别表示在t时刻吸收式制冷机和换热装置的热量需求。设备容量的约束条件如下所示：
[0112][0113][0114]
0≤a
pv
+a
st
≤3000
[0115]
式中：pi(t)表示在t时刻设备i的功率，表示设备i的额定功率。a
pv
和a
st
分别表示pv和太阳能集热器的面积。
[0116]
(1)仿真参数如下
[0117]
改进型综合能源系统设备运行参数如下：
[0118][0119]
综合能源系统设备价格如下：
[0120][0121]
算法变量范围如下：
[0122][0123]
为了能够表现阶梯碳惩罚响应两层响应，阶梯碳惩罚响应的配置分成2组，其中一组只考虑一层响应，另一组考虑双层响应。以电定热下3组配置用case1～case 3来表示，case 1表示在以电定热下的“传统的ies”配置情况，case 3表示在以电定热下的“ies+ccu(q
ex
+qb)”配置情况，以此类推。将ftl下3组配置用case 4～6来表示，case 4表示以热定电下的“传统的ies”配置情况，case 6表示在以热定电下的“ies+ccu(q
ex
+qb)”配置情况，以此类推。
[0124]
各种配置特征如下：
[0125][0126]
结果说明：
[0127]
在fel运行方式下的求解结果如下：
[0128][0129]
在ftl运行方式下的求解结果如下：
[0130][0131]
不管是传统的ies还是改进型综合能源系统，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五种配置进行对比，case3的整体表现最好，它的目标函数等于25.43％，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
ex
的表现分别为
42.02％，72.13％，0.08％(考虑了初始投资成本)和12.49％。
[0132]
年度表现如下表所示：
[0133][0134]
case 1～case 3的年度表现如说明书附图4所示。对比case 1和{case 2,case 3}可以发现：首先，由于引入了阶梯碳惩罚响应运行策略，改进型综合能源系统在二氧化碳的减排上取得优异的表现，改进型综合能源系统对比分供系统，二氧化碳减排率最高达到了72.13％，改进型综合能源系统对比传统的ies系统，二氧化碳的减排表现也高出27％。然后，与改进型综合能源系统不同，由于在case 1中，除了提高储热罐的容量之外，没有能吸收溢出热能的设备，其a
st
的面积比例小于{case 2,case 3}，间接导致了case 1的第一层供热减少，因此需要更多的一次能源供给辅助锅炉，导致了在一次能源节省率的表现不如{case 2,case 3}，综上，采用了scpr响应的两种策略对比传统的综合能源系统，其各项表现都得到了改进。
[0135]
为了体现出scpr对比其他碳处理的优势，根据下表可以发现，采用了scpr的case3对比其他两种配置优化效果显著提升，其中，不考虑碳捕捉系统的情况由于没有采用碳捕捉设备，不需要考虑碳捕捉设备的初始投资，因此它的年运行成本略微下降，但其二氧化碳排放量大于case3和捕捉率90％的系统。而捕捉率90％的系统捕捉了大部分的二氧化碳，因此它对比case3的二氧化碳排放量有着显著的下降，但由于高昂的碳捕捉成本，因此它的年运行成本也对应提高，atc表现不如case3。同时，由于捕捉率90％的系统的热量来源于系统的产热设备，因此也导致了这种配置下一次能源的消耗量增加。综述所述，采用了scpr的case3虽然在atc的表现上略显不足，但其综合表现优于其他两种不考虑scpr的ies。
[0136][0137]
为了体现出双层scpr对比单层scpr的优点，对比case 2和case 3可以发现：首先，由于增加qb作为ccu的热能需求来源，从而case 3的二氧化碳排放量下降。然后，由于引入了qb来应对阶梯碳惩罚太大的情况来应对阶梯碳惩罚太大的情况case 3的碳惩罚总额从11605美元下降至9386.3美元，因此采用了双层的case 3的在年运行成本节省率的表现略高于case 2。
[0138]
对比{case 2,case 3}和{case 4,case 5}可得：首先，由于p2g工作时需要二氧化碳作为原料，二氧化碳排放量下降，因此{case 4,case 5}在cdesr的表现优于{case 2,case 3}。然后，由于p2g将浪费电能转化成天然气，令一次能源的消耗量下降和e
ex
下降，因此{case 4,case 5}在cdesr和η
ex
的表现优于{case 2,case 3}。最后，由于p2g设备昂贵的初始投资，这也导致了{case 4,case 5}在atcsr的表现比不上{case 2,case 3}。
[0139]
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。
[0140]
二氧化碳典型日平衡如说明书附图5所示：深色实线表示典型日如果没有用碳捕捉装置的二氧化碳排放量，浅色实线表示典型日引入阶梯碳惩罚响应之后的二氧化碳排放量。当电平衡出现多余电能被p2g吸收时，二氧化碳被吸收。当热平衡出现多余热量且满足阶梯碳惩罚响应而被碳捕捉装置吸收时，二氧化碳也会被捕捉和封存。只有当碳捕捉装置工作时，深色实线和浅色实线才会不重合。同时，当二氧化碳排放量为负值时表示此时不仅没有碳排放，而且还从额外捕捉二氧化碳，而这部分二氧化碳可以为改进型综合能源系统带来碳收益。
[0141]
阶梯碳惩罚响应典型日表现如说明书附图6所示：(a)、(b)和(c)表示没有引入阶梯碳惩罚响应的碳阶梯成本，(d)、(e)和(f)表示引入阶梯碳惩罚响应的碳阶梯成本。深色实线表示典型日在这个时刻的碳成本，结合图6可以发现，当二氧化碳排放量小于0时，碳成本为负数，此时产生碳收益。通过对比{(a),(b),(c)}和{(d),(e),(f)}可以发现：引入了阶梯碳惩罚响应之后，碳成本大大下降，大部分原本处于第四阶梯的碳惩罚因为阶梯碳惩罚响应减少至第四阶梯之下。
[0142]
综上所述，本发明所设计的优化配置方法只需要输入建筑物的能源需求和天气状况就可以对该建筑物进行优化配置求解，并且对碳捕捉设备进行合理响应，所求解出的配置既降低了二氧化碳，又让系统的经济性得到提高，全生命周期的分析方法也用来评判本系统碳排放的评估标准。
[0143]
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。