火电机组燃烧后CO2捕集系统优化运行文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

自从2015年世界各国通过《巴黎协定》，确立了本世纪将全球平均气温上升幅度控制在2摄氏度以内，并将全球气温上升控制在前工业化时期水平之上1.5摄氏度以内的两个目标之后，世界各国对于减排CO₂引起了高度重视。IPCC和国际能源署（IEA）的分析一致表明，CCS是实现气候目标的一项必不可少的技术^[1]。

在现有的几种二氧化碳捕集和封存（CCS）技术中，例如燃烧前捕集技术，富氧燃烧技术和燃烧后捕集技术^[2-5]，采用单乙醇胺（MEA）等胺类溶剂的燃烧后二氧化碳捕集技术易于集成到现有的发电厂，可在各种运行条件下灵活运行同时有较高的CO₂捕集率，具有较好的商业应用前景。但主要缺点在于溶剂再生需要大量能源，发电厂的效率下降造成捕集成本较大^[6]。

灵活运行最近被认为是提高碳捕集系统运行效率、进行合理优化的关键技术^[7]，它主要分成以下两个方面：

(1) 燃煤电厂需要经常参与电网功率调节，以平衡供电侧和需求侧之间的差异。 随着电力需求的增长以及诸如风能和太阳能之类的可再生资源的广泛使用，这一要求变得越来越严格。燃煤电厂必须在较宽的运行范围内快速响应负载需求变化。灵活运行的碳捕集系统可以使得燃煤电厂适应这种变化^[8]。

(2)由于高昂的运营成本限制了PCC技术在电厂中的部署，因此PCC电厂始终在满负载条件下运行并不是一个可行的选择。灵活运行的PCC系统可以根据电价灵活地调整PCC过程。在高电价时期，PCC系统可以减少蒸汽消耗，并允许更多的蒸汽用于发电；而在低电价时期，更多的蒸汽可以从汽轮机中抽出并用于二氧化碳捕集^[9]。

因此，要想实现碳捕集系统的灵活运行，关于碳捕集系统调度和控制的研究则必不可少。

关于碳捕集系统的调度，目前的研究主要集中于在给定电厂条件下碳捕集系统本身的调度以及在不同市场条件下电站碳捕集系统的调度规划。卫志农，向育鹏等人在考虑碳捕集电厂的条件下，在原有的以网损为目标的OPF模型上将CO₂排放量作为目标之一引入动态最优潮流问题，从而建立多目标模型，最终可以计算得到不同时段下CO₂的捕集量^[10]。Zantye M S, Arora A等人考虑了电力市场和碳交易市场价格动态变化后的碳捕集机组的规划调度，建立了一种多周期的混合整数规划调度模型，以收益最大为目标函数，让企业了解是否/何时/如何在PCC流程中进行投资才能让收益最大化^[11]。他们的研究没有考虑在未来接入风光的新能源网络下，分析电站碳捕集系统的调度在新能源网络中的作用。孙洪讨论了碳捕集机组与风力发电的结合情况，在他的研究中分析了碳捕集机组运行机理，形成了碳捕集系统的单碳量模型以及双碳量模型，建立了基于单碳量和双碳量的风电-碳捕集系统虚拟电厂经济性优化调度模型，结果表明，将碳捕集机组与风电机组结合为整体，有助于提升电网对风电的接纳能力^[12]。但他的模型简单，没有经过验证，缺乏说服力。

关于碳捕集系统的控制，以往的大部分研究主要存在于单独碳捕集系统的控制方案设计且停留在常规PI / PID控制阶段。Lawal A，Wang M等人提出了一个在gPROMS中实施的二氧化碳捕集过程的动态模型，并使用基于PI的控制方案进行了灵活性和可控性分析。这项研究表明了吸收器内部水平衡的重要性，吸收器的性能主要取决于液/气摩尔比^[13]。Lin等人提出了一种分散控制方案，该方案通过控制再沸器的贫液流量和热负荷来分别控制再沸器内部的CO₂排放温度^[14]。而现阶段MPC控制策略在化工过程中的应用十分普及，相比传统的PID控制，MPC可以考虑空间状态变量的各种约束，并且适用于多变量和大惯性系统控制。Sahraei和Ricardez-Sandoval比较了基于PI的分散控制结构与6times;6 MPC控制方案获得的性能。该研究表明，MPC能够对电厂观察到的变化做出更快的响应^[15]。吴啸等人为集成电站碳捕集系统模型开发了集中模型预测控制器，以统一发电和PCC过程，然后研究了预测控制系统的三种运行模式，研究表明预测控制器可以实现集成电站碳捕集系统的灵活操作，并充分发挥其在发电和减少CO₂中的功能^[16]。但是，所使用的模型是用局部线性模型来代替碳捕集系统的非线性模型，模型的不匹配可能会导致控制结果产生误差，因此还有待进一步开展研究。

因此，基于上述文献综述，本研究拟开展燃煤发电碳捕集机组的调度与控制研究，在基于gCCS开发的电站碳捕集系统上搭建风-光-碳捕集机组协同调度模型，根据给定指标和运行约束，计算电站碳捕集系统的最佳工作点。同时将结果与无碳捕集系统的传统风-光-燃煤电站机组协同调度模型进行对比，分析在新能源高比例接入的格局下，碳捕集系统在整个能源网络中的作用，并分析指标、约束选取对调度结果的影响。在此基础上为电站碳捕集系统整体设计控制方案，以更好地追踪调度指令。

参考文献