适用于环境-经济调度研究的燃煤机组二氧化碳排放特性模型
A Model for Carbon Dioxide Emission Characteristics of Coal-Fired Units for Environment-Economic Dispatch Research
通讯作者: 班明飞,男,副教授,电话(Tel.):18945103533;E-mail:mban2@iit.edu.
责任编辑: 石易文
收稿日期: 2021-06-30
基金资助: |
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Received: 2021-06-30
作者简介 About authors
张展鹏(1998-),男,吉林省长春市人,硕士生,主要从事燃煤机组大气污染物排放特性建模研究.
为精准量化不同容量燃煤机组碳排放量,更好地服务于我国“碳达峰、碳中和”目标,建立了一种适用于电力系统环境-经济调度的新型燃煤机组CO2排放特性模型.首先,总结并分析了近年来我国燃煤机组容量和煤耗变化情况;其次,采用K-Medoide聚类分析了典型机组的负荷率与CO2排放强度的关系,建立了受基本方程规范的新型燃煤机组碳排放特性模型;最后,结合理论分析与实际数据,对所建立的模型进行算例仿真,验证了模型的有效性.
关键词:
In order to accurately quantify the carbon emissions of coal-fired units with different capacities and serve the goal of “carbon peaking and carbon neutrality” in China better, a novel CO2 emission characteristic model for environment-economic dispatch of power systems is established. First, the changes in the capacity and coal consumption of coal-fired units in China in recent years are summarized and analyzed. Then, the relationship between the load rate and CO2 emission intensity is analyzed using the K-Medoide cluster method, and the carbon emission characteristic model of new coal-fired units restricted to basic equations is established. Finally, combined with theoretical analysis and actual data, a simulation is conducted to verify the validity of the model.
Keywords:
本文引用格式
张展鹏, 班明飞, 郭丹阳, 陈启超, 江海洋.
ZHANG Zhanpeng, BAN Mingfei, GUO Danyang, CHEN Qichao, JIANG Haiyang.
通过电力环境-经济调度手段从系统层面降低CO2排放,是电力行业降碳的重要一环,而掌握燃煤机组CO2排放特性模型,则是电力系统切实实现低碳调度的前提.当前,应用于电力系统环境-经济调度需求的燃煤机组CO2排放特性模型,往往源于20世纪90年代针对国外机组的若干经典文献[5],多数文献认为机组的CO2排放量与燃煤消耗量成正比,通过对燃煤成本函数模型添加特定罚因子,即可确定燃煤机组负荷-碳排放特性模型.文献[6,7,8]用二次多项式函数表示燃煤机组CO2的排放特性,并量化了燃煤机组有害气体排放对环境的污染,通过污染排放罚款等方式提高煤电效率.文献[9]以机组煤耗量和CO2排放量最小为目标,建立了节能减排下燃煤机组电量分配优化模型,求解机组最优负荷区间.文献[10]采用机组发电和CO2排放联合调度的方式,在考虑了线路潮流约束的基础上,寻求经济目标与排放目标的折中解.
综上所述,国内外学者已对燃煤机组CO2排放特性模型进行了大量研究,但是需要注意到,由于我国燃煤机组运行已进入超低排放阶段,传统的CO2排放特性模型与参数已不能充分适用电力系统的精准调度需求.
针对上述问题,本文拟从电力系统环境-经济调度需求角度出发,深入研究燃煤发电与CO2排放之间的映射关系,确定新型燃煤机组的CO2排放强度,开发服务于电力系统环境-经济调度研究需求的新型燃煤机组负荷-碳排放特性模型,以期为电力行业降碳研究与实践提供一定的理论和技术支撑.
1 火电装机容量与煤耗量变化情况
图1
图1
火电装机容量各阶段变化
Fig.1
Variation of installed capacity of thermal power at different stages
与此同时,即便煤电在我国能源结构中的占比逐年下降,燃煤消耗总量却呈现波动上升趋势,如图2所示.其中:Fc为煤电年均燃煤消耗量;Ce为能源结构占比.2019年我国煤电约占能源结构的57.7%,与2010年相比下降11.5%;燃煤消耗量约为28亿吨标准煤,较2010年增长近20%.
图2
2 燃煤机组碳排放强度变化分析
2.1 燃煤机组CO2排放强度变化情况
图3
图3
燃煤机组碳排放强度变化情况
Fig.3
Change of carbon emission intensity of coal-fired units
电力行业贯彻执行燃煤机组“上大压小”政策是降低我国碳排放强度的关键因素.根据文献[21]中数据,截止2003年,我国已关停大部分发电容量小于50 MW的燃煤机组,并从2007年开始进一步关停装机容量小于200 MW的机组,而在2016年之后,300 MW及以上的机组已成为我国煤电主力,约占煤电总装机容量的 90.56%.机组容量的增大有利于提高发电能效水平,降低电力碳排放强度.
2.2 燃煤机组碳排放测量方法
为了更加直观地反应燃煤机组负荷率对于CO2排放强度的影响,便于对不同容量机组进行更为精准的调度,本文基于在线监测法,结合《中国发电企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》[24],对机组运行过程产生的 CO2表示如下:
式中:
监测时间段内CO2排放强度、排放量可分别采用下式计算:
式中:Eav为机组单位时间的CO2平均排放强度;Pout为机组的输出功率;
2.3 燃煤机组CO2排放强度分析
图4
图4
600 MW燃煤机组CO2排放强度散点图
Fig.4
Scatter diagram of CO2 emission intensity of 600 MW coal-fired units
为了减小测量误差与噪声干扰、保证燃煤机组排放数据的准确性,本文采用K-Medoide聚类分析的方法确定机组各典型工况下的CO2排放强度基准值,并在此基础上,归纳分析不同容量机组的供电煤耗率与CO2排放强度.在K-Medoide聚类分析中,X={Xl
式中:Dj为聚类簇Sj的聚类中心;δ为所有数据点聚类偏差和.
首先,随机选择k个初始聚类中心B1,B2,…,Bk,并利用式(4)计算每一个数据样本Xl到各个聚类中心Bj的欧式距离,从而将数据样本分配到聚类簇Sj中;其次,用聚类簇Sj内样本点替换掉原始中心点,并利用式(5)选取聚类效果最好的样本点Dj作为该聚类簇中新的中心点;上述过程将不断重复直至准则函数式(6)收敛.
图5
图5
600 MW燃煤机组CO2排放强度聚类图
Fig.5
Cluster diagram of CO2 emission intensity of 600 MW coal-fired units
表1 不同容量机组供电煤耗和CO2排放强度典型值
Tab.1
负荷 率/ % | Ig=200 MW | Ig=300 MW | Ig=600 MW | Ig=1000 MW | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
煤耗/[g· (kW·h)-1] | 排放强度/[g· (kW·h)-1] | 煤耗/[g· (kW·h)-1] | 排放强度/[g· (kW·h)-1] | 煤耗/[g· (kW·h)-1] | 排放强度/[g· (kW·h)-1] | 煤耗/[g· (kW·h)-1] | 排放强度/[g· (kW·h)-1] | ||||
50 | 380 | 1065 | 337 | 945 | 316 | 885 | 305 | 848 | |||
75 | 343 | 950 | 322 | 900 | 307 | 859 | 289 | 805 | |||
100 | 325 | 910 | 318 | 885 | 302 | 851 | 282 | 790 |
3 新型燃煤机组负荷-碳排放特性建模分析
图6
图6
600 MW和300 MW燃煤机组负荷-碳排放图
Fig.6
Load-carbon emission diagram of 600 MW and 300 MW coal-fired units
采用二次函数形式的负荷-碳排放特性模型对图6中数据进行拟合,如下式所示:
式中:P为机组的平均输出功率;a、b、c分别为关于燃煤机组功率二次方、一次方系数和常数项,统称为机组排放系数.
建立负荷-碳排放特性模型的目标函数为
式中:N为机组调度总时段数;s为时段号;Gs 为机组第s时段的CO2排放量(在线监测得出);
同时,为保证拟合函数可以反映燃煤机组碳排放特性的关键特征,并在关键特征点上得到有效“钳制”,因此,建立负荷-碳排放特性模型的约束条件为[28]
式中:
表2 燃煤机组负荷-碳排放特性模型系数辨识值
Tab.2
Ig/ MW | a/(t· MW-2·h-1) | b/ [t·(MW·h)-1] | c/ (t·h-1) |
---|---|---|---|
100~200 | 0.0002766 | 0.656496 | 39.063752 |
200~300 | 0.0001296 | 0.764384 | 24.132013 |
300~600 | 0.0000471 | 0.773090 | 29.265488 |
600~1000 | 0.0000552 | 0.653291 | 87.038448 |
4 验证分析
4.1 理论验证
根据《中国发电企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》[23]中的碳守恒法可知,在电厂实际的发电过程中,当煤粉含碳量一定时,碳排放量与煤耗量之间存在近似线性关系,可根据下式按完全燃烧反应计算:
此时,利用单位标准煤的CO2排放系数与煤耗乘积,即可求得燃煤机组的碳排放强度.计算标准煤的CO2排放系数需要确定其单位质量含碳量Uc以及碳氧化率γ,两者可分别由下式表示[29]:
式中:Qst、Qlw分别为标准煤和燃煤的低位发热量;War(C)为燃煤的平均收到基含碳量;λz、λh为炉渣、飞灰产量;Uz、Uh为炉渣、飞灰含碳量;Fa为机组燃煤消耗量;Umc为燃煤质量含碳量;η为除尘器效率.因此,机组碳排放强度可以表示为
表3 燃煤机组供电煤耗和CO2排放强度值
Tab.3
压力参数 | Ig/ MW | ζ/ [g·(kW·h)-1] | Eav/ [g·(kW·h)-1] |
---|---|---|---|
超超临界 | 1000 | 288 | 806 |
超临界 | 600 | 306 | 856 |
亚临界 | 300 | 319 | 893 |
超高压 | 200 | 360 | 1008 |
表3中,各典型容量等级机组所对应碳排放强度与本文提出的燃煤机组负荷-碳排放模型计算值基本一致,如此,本文对燃煤机组CO2排放强度的理论分析,以及由此建立的负荷-碳排放特性模型,符合现阶段我国燃煤机组碳排放的实际情况.
4.2 算例验证
表4 机组性能参数
Tab.4
机组 编号 | 机组出力 | 煤耗成本系数 | CO2排放系数 | ramp/ (MW·h-1) | ton/ h | toff/ h | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Pmax/ MW | Pmin/ MW | αi/(美元· MW-2·h-1) | βi/[美元· (MW·h)-1] | γi/(美元· h-1) | ai/(t· MW-2·h-1) | bi/[t· (MW·h)-1] | ci/ (t·h-1) | ||||||||
Y1 | 455 | 150 | 0.00048 | 16.19 | 1000 | 0.022 | -2.86 | 130 | 130 | 8 | 8 | ||||
Y2 | 455 | 150 | 0.00031 | 17.26 | 970 | 0.020 | -2.72 | 132 | 130 | 8 | 8 | ||||
Y3 | 130 | 20 | 0.00200 | 16.60 | 700 | 0.044 | -2.94 | 138 | 60 | 5 | 5 | ||||
Y4 | 130 | 20 | 0.00211 | 16.50 | 680 | 0.058 | -2.35 | 130 | 60 | 5 | 5 | ||||
Y5 | 162 | 25 | 0.00398 | 19.70 | 450 | 0.065 | -2.36 | 125 | 90 | 6 | 6 | ||||
Y6 | 80 | 20 | 0.00712 | 22.26 | 370 | 0.080 | -2.28 | 110 | 40 | 3 | 3 | ||||
Y7 | 85 | 25 | 0.00079 | 27.74 | 480 | 0.075 | -2.36 | 135 | 40 | 3 | 3 | ||||
Y8 | 55 | 10 | 0.00413 | 25.92 | 660 | 0.082 | -1.29 | 157 | 40 | 1 | 1 | ||||
Y9 | 55 | 10 | 0.00220 | 27.27 | 665 | 0.090 | -1.14 | 160 | 40 | 1 | 1 | ||||
Y10 | 55 | 10 | 0.00173 | 27.79 | 670 | 0.084 | -2.14 | 138 | 40 | 1 | 1 |
表5 系统各时段负荷
Tab.5
时段/h | 负载/MW | 时段/h | 负载/MW | 时段/h | 负载/MW |
---|---|---|---|---|---|
1 | 700 | 9 | 1300 | 17 | 1000 |
2 | 750 | 10 | 1400 | 18 | 1100 |
3 | 850 | 11 | 1450 | 19 | 1200 |
4 | 950 | 12 | 1500 | 20 | 1400 |
5 | 1000 | 13 | 1400 | 21 | 1300 |
6 | 1100 | 14 | 1300 | 22 | 1100 |
7 | 1150 | 15 | 1200 | 23 | 900 |
8 | 1200 | 16 | 1050 | 24 | 800 |
式中:J为系统煤耗成本;Pi,s 为机组i第s时段的平均输出功率.
考虑系统CO2排放量最小时,调度目标函数如下:
算例包含以下3种情形:
(1) 情形I——以系统经济性指标为优化目标,采用传统排放特性模型进行调度;
(2) 情形II——以系统碳排放量最小为目标,采用传统排放特性模型进行调度;
(3) 情形III——以系统碳排放量最小为目标,采用本文的排放特性模型进行调度.
表6 不同模型优化结果比较
Tab.6
优化模型 | 排放总量/t |
---|---|
情形I | 55984 |
情形II | 43272 |
情形III | 25869 |
上述3种情形下,系统内100 WM容量等级以上机组各时段调度结果如图7所示,其中:t为系统运行调度时段.由于机组Y1的煤耗成本较低,所以在以经济性为目标的算例情形I中对其利用率最高,而在以系统碳减排为目标的情形 II 和情形 III 中,则增加了排放强度较低的机组Y2的出力占比.对比情形 II 和情形 III 的调度结果可以看出,同样是以碳减排为调度目标,不同排放特性模型将产生较大差异的调度结果,而本文所提出模型更加符合我国机组的实际排放情况,根据其制定发电计划,有助于降低电力系统实际碳排放.
图7
图7
系统不同时段的机组负荷分配图
Fig.7
Unit load distribution diagram in different periods of system
相同调度目标下,两种不同排放特性模型各时段的CO2排放量及排放强度具有较大差异,如图8所示.由图8可知,情形 III 下各时段的排放强度介于875 g/(kW·h)和 1015 g/(kW·h)之间,较情形 II 更为契合我国燃煤机组碳排放强度实际区间.传统的碳排放特性模型多是针对上世纪典型燃煤机组,在其煤耗成本函数基础上添加罚因子而得,目前,我国燃煤机组经历了多轮升级改造,各项技术性能明显提升,煤耗强度和排放强度均大幅降低,传统模型的排放系数已难以准确反映当前燃煤机组的排放特性,如此,本文所建立的新型燃煤机组碳排放特性模型具有重要意义,将其应用于环境-经济调度中,能够更好地掌握燃煤机组实际排放特征,提高电力行业科学化、精细化降碳水平.
图8
图8
系统不同时段的CO2排放图
Fig.8
CO2emission diagram of system in different time periods
5 结语
本文在深入研究我国典型燃煤机组CO2排放数据的基础上,分析了不同容量等级机组在不同负荷率下的CO2排放强度,并结合在线监测法与实际数据,建立了受基本方程规范的新型燃煤机组碳排放特性模型;利用典型算例系统,通过与传统碳排放模型比较,证明了所提出模型更加符合我国当前燃煤机组碳排放实际情况,能够为电力系统环境-经济调度提供更为准确的分析依据.后续研究将进一步完善所建立模型,细化考虑燃煤机组运行状态对其碳排放特性的影响.
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