CN115860178A

CN115860178A - 一种考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略

Info

Publication number: CN115860178A
Application number: CN202211352441.9A
Authority: CN
Inventors: 杨欢红; 周泽; 周思怡; 焦伟; 柴磊; 严灵杰; 杨镇瑜; 赵峰
Original assignee: Shanghai Electric Power University
Current assignee: Shanghai Electric Power University
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-03-28

Abstract

本发明公开了一种考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略，包括：基于废物能源化和电转气两阶段运行机理构建电‑气‑热区域综合能源系统；通过引入奖惩阶梯碳交易机制，设计区域综合能源系统低碳经济的目标函数，构建区域综合能源低碳经济模型；将所述区域综合能源低碳经济模型转化为混合整数线性模型，计算实际碳排放式通过0‑1变量进行分段线性化处理并引入采用Yalmip调用CPLEX商业求解器求解。本发明从提高富余风电消纳能力、废物资源利用两个方面出发，首先引入合成甲醇系统和可变热电比的氢燃料电池，系统地解决消纳弃风、氢能储运的高成本等问题，并且将副产物氧气输送到废物能源化单元，达到富氧燃烧的效果。

Description

一种考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略

技术领域

本发明涉及区域综合能源系统低碳经济运行技术领域，尤其涉及一种考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略。

背景技术

国内外针对垃圾发电接入多能源系统已有初步的研究。比如：1)针对城市垃圾焚烧供能模式，建立城市垃圾能源化利用供能系统以及多能源协调储能模型；2)针对垃圾处理过程，建立废物处理单元能量流转模型；3)针对含电转气和垃圾焚烧厂协同的优化调度模型的研究，实现削峰填谷和消纳可再生能源的作用。上述研究仅考虑垃圾热解或垃圾焚烧发电进行供能或供能特性利用，而缺少结合垃圾分类和环境效益的情况，限制了废物能源化带来的节能减排的效果。电转气可以将富余风电或谷价电转化成氢气或天然气储存。1)针对P2G、碳捕集系统等设备建模，提出基于合作博弈的优化运行模型；2)针对平衡电转气成本和消纳风电能力之间的矛盾，提出一种多目标日前优化调度模型。上述文献对利用P2G进行消纳弃风进行了积极的研究，但是未考虑到电解水产生的氧气如何利用。本发明将在此基础上，进一步研究氢能所带来的可用价值。氢能在发电、化工等相关领域有十分重要的作用，但由于氢能的储运安全与高昂成本、相关技术的限制，与富余风电量难以匹配。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：氢能在发电、化工等相关领域有十分重要的作用，但由于氢能的储运安全与高昂成本、相关技术的限制，与富余风电量难以匹配的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于废物能源化和电转气两阶段运行机理构建电-气-热区域综合能源系统；

通过引入奖惩阶梯碳交易机制，设计区域综合能源系统低碳经济的目标函数，构建区域综合能源低碳经济模型；

将所述区域综合能源低碳经济模型转化为混合整数线性模型，计算实际碳排放式通过0-1变量进行分段线性化处理并引入采用Yalmip调用CPLEX商业求解器求解。

作为本发明所述的考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略的一种优选方案，其中：所述电-气-热区域综合能源系统的构建包括，

从所述废物能源化和电转气两阶段运行机理入手，结合垃圾分类，通过垃圾焚烧和厌氧制沼技术达到废物能源化的效果，对系统中的电转气重新建模，在电解水消纳富余风电的基础上，利用氢燃料电池和甲醇合成系统，使得氢能高品位利用，从而构建电-气-热区域综合能源系统。

作为本发明所述的考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略的一种优选方案，其中：所述废物能源化运行机理分别为垃圾焚烧发电和厌氧制沼两个阶段。

作为本发明所述的考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略的一种优选方案，其中：包括，

运入废物能源化设施的垃圾总量、经过分类的干、湿垃圾量以及干垃圾、湿垃圾比例构建垃圾分配模型；

所述垃圾分配模型的计算包括，

其中，W_L(t)表示t时段内运入废物能源化设施的垃圾总量，W_Dg(t)、W_Wg(t)分别表示t时段内经过分类干、湿垃圾量，λ_Dg、λ_Wg分别表示干垃圾、湿垃圾比例。

作为本发明所述的考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略的一种优选方案，其中：垃圾焚烧发电模型和厌氧制沼模型的计算包括，

其中，V_Dg(t)表示t时段垃圾焚烧后产生的高温烟气体积，η_Dg、λ_Dg分别表示燃烧室运行效率和可燃烧垃圾热值，P_IG(t)表示t时段汽轮机的出力量，η_G,e、μ_G分别表示余热锅炉效率和汽轮机发电效率，P_se(t)、V_se(t)分别表示t时段内污水处理消电量和处理污水的体积，η_se表示单位电能可以处理的污水体积，α_se、β_se分别表示污水中可发酵的有机物系数和污水静置后的平均密度，W_se(t)表示t时段产生可发酵污水量，P_AB(t)表示t时段产生的沼气量，η_B表示沼气池的产沼系数。

基于电解水和合成甲烷的转化效率、催化剂反应速率以及输入EL的电能和输入甲醇合成系统的氢气量构建电解槽模型和甲醇合成模型；

所述电解槽模型和甲醇合成模型的计算包括，

其中，

分别表示t时段内电解水产生的氢气和甲醇的合成量，η_EL、

分别表示电解水和合成甲烷的转化效率，λ_C表示催化剂反应速率，P_EL,e(t)、/>

分别表示t时段内输入EL的电能和输入甲醇合成系统的氢气量；

合成甲醇需要二氧化碳作为原料，这使得在合成甲醇系统在消纳富余风电的同时能够进一步降低碳排放，所消耗二氧化碳的量的计算包括，

其中，

表示消耗二氧化碳的量，η_c表示二氧化碳的摩尔质量与3倍氢气摩尔质量比。

作为本发明所述的考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略的一种优选方案，其中：所述奖惩阶梯碳交易机制包括，

其中，

表示碳交易成本，η表示单位碳排放额度的交易价格，β表示补偿系数，l表示碳排放量的区间长度，α表示碳交易的价格增长幅度，E_c,a表示实际碳排放量与无偿碳排放分配额的差值。

作为本发明所述的考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略的一种优选方案，其中：区域综合能源低碳经济模型F的计算包括，

F＝min(F_buy+F_CO2+F_OP)

其中，F_buy表示购能成本，

表示碳交易成本，F_OP表示系统运行维护成本。

作为本发明所述的考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略的一种优选方案，其中：所述购能成本的计算包括，

其中，F_buy表示购能成本，α_e(t)、β_g,(t)分别表示t时段电价、气价，P_buy,e(t)、P_buy,g(t)分别表示t时段的购电量、购气量。

作为本发明所述的考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略的一种优选方案，其中：所述碳交易成本的计算包括，

E_c,a＝E_a-E_RIES

其中，E_c,a表示实际碳排放量与无偿碳排放分配额的差值，E_a表示系统实际碳排放量，E_RIES表示系统的碳排放分配额；

所述系统运行维护成本的计算包括，

其中，c_ch表示甲醇合成系统消耗单位氢气的运行维护费用，c_EL表示EL消耗单位电能的运行维护费用，c_IG表示垃圾焚烧单位出力的运行维护费用，c_g表示单位处理废弃物的补贴，

表示合成甲醇产生带来的收益，W_R表示废物能源化单元处理垃圾的总量。

本发明的有益效果：本发明根据不同的废物种类通过焚烧发电技术和厌氧制沼技术进行能源化，使得总成本降低了，达到能源的可持续利用的效果。

本发明从提高富余风电消纳能力、废物资源利用两个方面出发，首先引入合成甲醇系统和可变热电比的氢燃料电池，系统地解决消纳弃风、氢能储运的高成本等问题，并且将副产物氧气输送到废物能源化单元，达到富氧燃烧的效果。其次结合垃圾分类，通过垃圾焚烧发电和厌氧制沼实现废物能源化，将富氧燃烧产生的二氧化碳用于甲烷合成，提高能源利用率。最后结合奖惩阶梯碳交易模型，进一步降低系统的碳排放。本发明通过废物能源化和甲醇合成系统联合，在保持经济性的情况下实现风光消纳和节能减排。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例提供的一种考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略的区域综合能源系统结构示意图；

图2为本发明一个实施例提供的一种考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略的废物能源化单元模型图；

图3为本发明一个实施例提供的一种考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略的甲醇合成单元模型图；

图4～6为本发明一个实施例提供的一种考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略的优化后电、气、热各个时段内系统不同单元的功率以及氢气平衡图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～3，为本发明的一个实施例，提供了一种考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略，包括：

S1：基于废物能源化和电转气两阶段运行机理构建电-气-热区域综合能源系统。需要说明的是：

电-气-热区域综合能源系统的构建包括，

从废物能源化和电转气两阶段运行机理入手，结合垃圾分类，通过垃圾焚烧和厌氧制沼技术达到废物能源化的效果，对系统中的电转气重新建模，在电解水消纳富余风电的基础上，利用氢燃料电池和甲醇合成系统，使得氢能高品位利用，从而构建电-气-热区域综合能源系统。

S2：通过引入奖惩阶梯碳交易机制，设计区域综合能源系统低碳经济的目标函数，构建区域综合能源低碳经济模型。需要说明的是：

废物能源化运行机理分别为垃圾焚烧发电和厌氧制沼两个阶段。

包括，

垃圾分配模型的计算包括，

垃圾焚烧发电模型和厌氧制沼模型的计算包括，

/>

包括，

电解槽模型和甲醇合成模型的计算包括，

其中，

分别表示t时段内电解水产生的氢气和甲醇的合成量，η_EL、

其中，

奖惩阶梯碳交易机制包括，

其中，

区域综合能源低碳经济模型F的计算包括，

/>

其中，F_buy表示购能成本，

表示碳交易成本，F_OP表示系统运行维护成本。

购能成本的计算包括，

碳交易成本的计算包括，

E_c,a＝E_a-E_RIES

系统运行维护成本的计算包括，

S3：将区域综合能源低碳经济模型转化为混合整数线性模型，计算实际碳排放式通过0-1变量进行分段线性化处理并引入采用Yalmip调用CPLEX商业求解器求解。需要说明的是：

由于区域综合能源低碳经济模型为混合整数非线性模型，故需要转化为混合整数线性模型。

本发明根据不同的废物种类通过焚烧发电技术和厌氧制沼技术进行能源化，使得总成本降低了，达到能源的可持续利用的效果。

实施例2

参照图1～6，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种考虑废物处理和甲醇合成的区域综合能源运行策略的验证测试，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。

现有技术对利用P2G进行消纳弃风进行了积极的研究，但是未考虑到电解水产生的氧气如何利用。本发明将在此基础上，进一步研究氢能所带来的可用价值。

本发明所述构建的考虑废物能源化和甲醇合成的区域综合能源低碳经济模型为混合整数非线性模型，因此需要转化为混合整数线性模型，计算实际碳排放式通过0-1变量进行分段线性化处理。采用Yalmip调用CPLEX商业求解器求解，模型参数如表1所示。

表1：模型参数。

算例以一天24h为一个周期进行优化运行，系统的各负荷与风机预测出力结果如图4所示；天然气售价为0.35元/(kW·h)。分时电价如表1所示，其中峰时段为：12:00—14:00，19:00—22：00，谷时段为：01：00—07：00，23：00—24：00，其余时间是平价时段，单位弃风成本c_cur＝0.65元/(kW·h)；令奖惩阶梯碳交易增长率α＝25％,补偿系数β＝0.3，基价η＝250元/吨。

为验证本文所提的考虑废物能源化和精细化运行电转气的区域综合能源低碳经济运行模型的有效性和可行性，将设置3种运行场景进行对比分析。情景1：在奖惩阶梯碳交易模式下仅考虑甲醇合成系统的运行模型；情景2：为传统碳交易模式下，考虑废物能源化和甲醇合成系统的传统低碳经济运行模型；情景3：在奖惩阶梯碳交易模式下考虑废物能源化单元和传统P2G的低碳经济运行模型；情景4：在奖惩阶梯碳交易模式下考虑废物能源化单元和甲醇合成系统的低碳经济运行模型。表2为4种情景下的优化运行结果。

表2：运行结果。

参数	情景1	情景2	情景3	情景4
					总成本/元	247094.53	185171.06	220962.94	200115.56
设备成本/元	14235.29	20139.83	25539.83	17119.33
					垃圾处理量//t	0	61.03	75.05	74.34
甲醇合成量/kg	1594.57	1357.12	0	1178.25
					购能成本/元	179748.81	152164.22	149658.98	150623.99
碳排放量/kg	105894.09	103612.15	109805.32	97940.92
					碳交易成本/元	58407.32	25903.04	61704.66	51451.59

首先对比分析情景1和情景4，两者均在考虑奖惩阶梯碳交易模式前提下，区别在于情景4考虑了废物能源化单元。由于情景1缺少垃圾焚烧电厂出力，且天然气价格低于电价，此时CHP所产生的碳排放成本还低于选择购气所减少的成本，因此情景1会选择适当增加CHP出力。虽然情景4加入废物能源化单元后，相较于情景1，由于存在垃圾焚烧发电设备和污水处理设备的运维成本，设备运行成本增加了16.8％，但是从表2来看，情景4的总成本和碳排放量分别比情景1低19.01％，7.5％，废物能源化单元所减少的碳排放量和废弃物处理所带来的环境效益的前景是相当可观的。

从表2中可知，对比2种情景的总成本，由于各时段气价均低于电价，情景2虽然考虑了碳交易成本，但交易机制为传统的固定价格模式，系统会增加购电和购气量，合成甲醇的量会少幅增加。因此碳交易成本远远低于情景4；场景4虽然总成本增加了7.4％，但碳排放量减少了5.5％，证明在奖惩阶梯碳交易机制下，系统运行时会在保证系统经济运行的同时最大限度降低碳排放。

对比情景3和情景4，情景3中含传统P2G设备，情景4将传统P2G设备替换成HFC、甲烷合成系统。由表2可知，虽然情景3通过MR合成天然气从而降低购气成本，但情景4中因为部分氢气输入可变热电比HFC供应电、热负荷，因此设备的成本略有增加，但相较于情景3，情景4的总成本和碳排放量减少了9.4％、10.8％，。利用甲醇合成和HFC高品位使用氢能降低了梯级转化的能量损耗，并且能大幅度降低碳排放量。

如附图1-3所示，分别为所述的电-气-热区域综合能源系统、废物能源化单元模型和甲醇合成单元模型，并对其进行仿真分析。

图4-6为优化后电、气、热各个时段内系统不同单元的功率以及氢气平衡图。分析可知，凌晨0：00-6：00左右，系统电负荷和电价处于低谷时刻，风机出力接近满发，此时充分发挥电解水的消纳弃风的能力，此时热负荷较高，部分氢气通过氢燃料电池供应热负荷，剩余部分进行甲醇合成，这避免了氢气的储存成本。此时通过污水处理进行供应气负荷。7：00-21：00，气负荷和电负荷处于高峰状态，通过沼气池和向上级气网购气供应，电负荷有垃圾焚烧电厂，购电和CHP机组供应。晚上22：00-24：00左右为电负荷处于低谷，热负荷需求增加。而且风机再次接近满发状态，电解水产生的氢气分别供应氢燃料电池和甲醇合成系统，热负荷由燃气锅炉发挥主要作用，剩余部分用氢燃料电池补充。

通过上述方式，本发明考虑废物能源化和甲醇合成的区域综合能源低碳经济运行策略，在我国三北地区分布式风电渗透率较高的情况下，通过废物能能源化和甲醇合成系统。在消纳富余风电的同时，提高资源利用率，降低氢能利用的能量损耗。与传统区域综合能源相比，本发明参与到奖惩阶梯碳交易机制下，在对碳排放约束更为严格的阶梯碳交易机制下，在保证系统运行成本经济性的同时进一步降低碳排放量，能够更好的起到引导系统出力单元碳排放的作用，最后以购能成本、碳交易成本和系统运维成本最小为优化目标，实现节能减排的同时具有良好的经济性。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。