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2021年6月，每年15萬噸碳捕集與封存（CCS）示范項(xiàng)目在國能錦界公司一次通過168h試運(yùn)行，這是目前國內(nèi)規(guī)模最大的燃煤電廠燃燒后CO2捕集與驅(qū)油封存全流程示范項(xiàng)目。試運(yùn)行期間，該示范項(xiàng)目連續(xù)生產(chǎn)出純度99.5%的工業(yè)級(jí)合格液態(tài)CO2產(chǎn)品，成功實(shí)現(xiàn)了燃煤電廠煙氣中CO2的大規(guī)模捕集。

隨著國際社會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)綠色低碳化的關(guān)注度不斷提高，減緩溫室效應(yīng)持續(xù)性惡化迫在眉睫。電力行業(yè)作為CO2排放水平較高的國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，必須提高燃煤機(jī)組的清潔化水平。碳捕集電廠可以實(shí)現(xiàn)火電電能生產(chǎn)的低碳化，是構(gòu)建清潔能源體系的重要技術(shù)路徑之一。國際能源署指出，碳捕集與封存技術(shù)將在21世紀(jì)末全球溫度變暖控制在2℃以內(nèi)的情景中至關(guān)重要。

據(jù)了解，碳捕集主要包含三種技術(shù)路徑，即燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集，其中燃燒后捕集方式憑借其原理簡單、與機(jī)組燃燒過程相對(duì)獨(dú)立、固定投資相對(duì)較少等優(yōu)點(diǎn)，已成為應(yīng)用較為廣泛的捕碳方式。同時(shí)，常規(guī)火電機(jī)組碳排放水平高且可控容量有限，難以滿足國家大力推動(dòng)低碳減排、發(fā)展清潔可再生能源的宏觀戰(zhàn)略要求，而儲(chǔ)液式碳捕集機(jī)組通過協(xié)調(diào)捕碳與發(fā)電的關(guān)系，兼顧電能生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性與系統(tǒng)排放低碳性，將成為我國建設(shè)清潔煤電體系的有效方式。配置了溶液存儲(chǔ)器的碳捕集電廠能夠解耦CO2的吸收與再生兩個(gè)環(huán)節(jié)，其捕碳和發(fā)電的協(xié)調(diào)運(yùn)行能力更強(qiáng)。

目前，對(duì)碳捕集電廠的運(yùn)行機(jī)制及其參與系統(tǒng)發(fā)電優(yōu)化等方面的研究已不在少數(shù)：有學(xué)者基于碳捕集電廠的運(yùn)行機(jī)理，對(duì)其內(nèi)部能量流和調(diào)峰性能進(jìn)行分析；有學(xué)者基于碳捕集電廠的發(fā)電-捕碳協(xié)調(diào)特性，構(gòu)建低碳經(jīng)濟(jì)下考慮碳捕集電廠電力系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化模型；有學(xué)者將碳捕集電廠視為一種靈活性調(diào)節(jié)資源，建立碳捕集機(jī)組與儲(chǔ)熱裝置、梯級(jí)水電、風(fēng)、光等其他電源聯(lián)合的優(yōu)化模型；有學(xué)者研究碳捕集電廠的電碳特征函數(shù)與電碳運(yùn)行區(qū)間，分析不同運(yùn)行水平下的電廠凈出力與凈碳排放變化情況。

但以上研究建立的模型中均未將吸收塔、再生塔等裝置處理的CO2量予以區(qū)分表達(dá)，而對(duì)溶液存儲(chǔ)器流入、流出量的調(diào)節(jié)可解耦碳捕集系統(tǒng)內(nèi)部各單元的CO2處理量，使各環(huán)節(jié)處理的CO2量不相等。因此，有必要對(duì)儲(chǔ)液式碳捕集電廠的內(nèi)部能量耦合關(guān)系以及調(diào)控溶液存儲(chǔ)器，對(duì)電廠捕碳水平與運(yùn)行靈活性產(chǎn)生的影響進(jìn)行建模研究。

鑒于此，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院），國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院的彭元、婁素華、吳耀武等研究人員，根據(jù)儲(chǔ)液式碳捕集電廠的能流關(guān)系和運(yùn)行特點(diǎn)，建立了儲(chǔ)液式碳捕集電廠的靈活運(yùn)行模型，通過二維坐標(biāo)圖量化其凈出力特性，將其與常規(guī)火電、無儲(chǔ)液碳捕集電廠進(jìn)行對(duì)比研究。同時(shí)，構(gòu)建了考慮儲(chǔ)液式碳捕集電廠的含風(fēng)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。該研究成果已在《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》2021年第21期上發(fā)表，題目為“考慮儲(chǔ)液式碳捕集電廠的含風(fēng)電系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度”。

華中科技大學(xué)及國網(wǎng)湖北電科院的研究人員配置了溶液存儲(chǔ)器的碳捕集電廠能夠解耦CO2的吸收與再生兩個(gè)環(huán)節(jié)，其捕碳和發(fā)電的協(xié)調(diào)運(yùn)行能力更強(qiáng)。同時(shí)，根據(jù)儲(chǔ)液式碳捕集電廠的運(yùn)行機(jī)理與能流特性，建立了捕碳與發(fā)電出力模型，并構(gòu)建了二維坐標(biāo)圖定量研究無儲(chǔ)液與儲(chǔ)液式碳捕集機(jī)組的總發(fā)電出力與凈出力運(yùn)行區(qū)間。

圖1 儲(chǔ)液式碳捕集系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

此外，他們還利用儲(chǔ)液式碳捕集電廠參與系統(tǒng)調(diào)峰以解決風(fēng)電接入場景下的風(fēng)電消納問題，在綜合考慮系統(tǒng)的燃料費(fèi)用、風(fēng)險(xiǎn)損失和碳減排效益情況下，建立了計(jì)及發(fā)電成本、碳交易成本和風(fēng)電不確定性帶來的風(fēng)險(xiǎn)損失的綜合最小為目標(biāo)函數(shù)的協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，以保證該系統(tǒng)在碳交易市場機(jī)制下獲得最佳的低碳和經(jīng)濟(jì)效益。

在此基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊(duì)以20機(jī)系統(tǒng)為例，應(yīng)用他們所提模型和方法模擬考慮儲(chǔ)液式碳捕集電廠的含風(fēng)電系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該模型能夠較好地實(shí)現(xiàn)常規(guī)火電、風(fēng)電與儲(chǔ)液式碳捕集電廠的協(xié)調(diào)優(yōu)化，可適應(yīng)未來電力系統(tǒng)發(fā)電的低碳化與可持續(xù)發(fā)展。

推進(jìn)碳捕集電廠的發(fā)展，是全球共同應(yīng)對(duì)氣候變化的時(shí)代背景下的重要技術(shù)戰(zhàn)略之一。目前，高投資、高能耗仍是制約碳捕集技術(shù)發(fā)展的重要原因。碳價(jià)的高低直接影響到碳捕集技術(shù)的投資回收能力。從現(xiàn)有碳交易市場的運(yùn)行情況看，目前各國主要碳市場的交易價(jià)格都處于較低水平。過低的碳價(jià)影響了投資者對(duì)碳捕集技術(shù)的信心，未來還需要通過技術(shù)創(chuàng)新、市場與政策機(jī)制的完善進(jìn)一步引導(dǎo)市場合理碳價(jià)的形成，增加碳捕集技術(shù)的投資效益。

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”等國家政策的提出與捕集技術(shù)的逐步成熟，碳捕集電廠的成本下降潛力巨大。據(jù)碳捕集和封存國際知識(shí)中心的研究指出，第二代碳捕集電廠項(xiàng)目的資本成本可降低67%。此外，碳捕集電廠能夠推動(dòng)電力系統(tǒng)度電排放水平的下降，而且可憑借其靈活運(yùn)行能力，獲取額外投資收益。