袁加梅,尤佳,周永剛,韓博韜,丁建順,宋穎冬
(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心,合肥 230601;2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司,合肥 230041; 3.國(guó)網(wǎng)淮南供電公司,安徽 淮南 232002)
隨著溫室效應(yīng)日漸增強(qiáng),化石能源日漸匱乏,人們對(duì)溫室氣體的排放以及化石能源的使用愈發(fā)關(guān)注。為緩解世界環(huán)境及能源問(wèn)題,中國(guó)于2020年提出了碳達(dá)峰及碳中和的“雙碳”目標(biāo),既二氧化碳排放于2030年達(dá)到峰值,于2060年實(shí)現(xiàn)排放與減排量平衡[1]。同時(shí),在環(huán)境與能源可持續(xù)發(fā)展的要求下,綜合能源網(wǎng)絡(luò)也必將得到迅速的發(fā)展,以提高能源的使用效率,促進(jìn)高效節(jié)能的用能方式的應(yīng)用。供電與供熱系統(tǒng)作為碳排放的重點(diǎn)行業(yè),是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要支柱。
合理準(zhǔn)確的碳計(jì)量是衡量碳排放的重要技術(shù)支撐,也是要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)數(shù)據(jù)支撐。電力和供熱作為二氧化碳排放的重要行業(yè),其在節(jié)能減排助力雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)中起著重要的作用,因此研究電熱網(wǎng)絡(luò)的碳排放計(jì)量是至關(guān)重要的。
現(xiàn)階段電熱網(wǎng)絡(luò)的碳排放計(jì)量主要采用宏觀統(tǒng)計(jì)方法,即通過(guò)統(tǒng)計(jì)各種能源的使用總和,隨后根據(jù)各不同能源的碳排放因子計(jì)算電力系統(tǒng)和熱能系統(tǒng)的總碳排放[2]。這樣的方法存在的問(wèn)題包括:一方面,電力網(wǎng)絡(luò)和熱力網(wǎng)絡(luò)都是消耗一次能源提供二次能源的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其特點(diǎn)是碳排放的產(chǎn)生全部來(lái)自能源供應(yīng)側(cè)。在碳計(jì)量時(shí)將碳排放責(zé)任歸于供能側(cè),忽略了供需關(guān)系引發(fā)的碳排放,無(wú)法界定用戶側(cè)的碳排放責(zé)任。同時(shí),中國(guó)能源與用能分布不均,導(dǎo)致這一問(wèn)題更加明顯亟待解決[3]。另一方面,新能源的接入,宏觀的碳排放計(jì)量方法無(wú)法滿足包含眾多分布式供能系統(tǒng)的電熱網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)碳排放計(jì)量問(wèn)題。因此,為了解決上訴問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)電熱耦合網(wǎng)絡(luò)全流程(包括產(chǎn)能、傳輸、用能)的碳排放準(zhǔn)確計(jì)量,需要拓展新的角度進(jìn)行碳排放計(jì)量。
文獻(xiàn)[4-5]提出了電力系統(tǒng)碳排放流的基本定義,即依附于電力潮流存在并用來(lái)表示電力系統(tǒng)中維持任一支路潮流的碳排放所形成的虛擬網(wǎng)絡(luò)流,文獻(xiàn)[6-7]給出了電力系統(tǒng)碳排放流的基本計(jì)算方法。文獻(xiàn)[8-9]在碳排放流這一理論的基礎(chǔ)上研究了基電力系統(tǒng)源-荷協(xié)調(diào)低碳優(yōu)化調(diào)度方法。文獻(xiàn)[10-12]提出了電系統(tǒng)中的低碳運(yùn)行策略。文獻(xiàn)[13-14]從用戶側(cè)的角度分析了低碳用能需求。碳排放流這里理論的提出對(duì)于用戶側(cè)的碳排放的計(jì)量和減排責(zé)任的界定提供了有效的依據(jù)。
上述的文章只對(duì)電力系統(tǒng)的碳排放流進(jìn)行了分析,沒(méi)有考慮到綜合能源系統(tǒng)快速發(fā)展的新形勢(shì)下,存在多種能源形式的電熱耦合網(wǎng)絡(luò)的碳排計(jì)量。多能耦合的綜合能源系統(tǒng),能量之間的轉(zhuǎn)換、多時(shí)間尺度的能量流動(dòng),為系統(tǒng)的碳排放計(jì)量增加了難度。同時(shí),用戶側(cè)的碳排放計(jì)量尚處于起步階段,如何實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)包括能量損失分?jǐn)偟奶寂欧乓约皞鬏斁W(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的碳排放,促進(jìn)各個(gè)環(huán)節(jié)節(jié)能減排需要更深入的理論研究與實(shí)踐應(yīng)用。
因此,本文建立了電熱耦合網(wǎng)絡(luò)的全流程碳排放流模型,分析了耦合設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn),建立了設(shè)備碳排放流模型,提出了電熱耦合網(wǎng)絡(luò)碳排放流計(jì)算方法。該方法能夠?qū)﹄姛狁詈暇W(wǎng)中生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換以及用能環(huán)節(jié)進(jìn)行碳排放的計(jì)量。最后通過(guò)構(gòu)建算例驗(yàn)證了建立的模型以及提出的算法的準(zhǔn)確性。
本文提出了一種針對(duì)電熱耦合網(wǎng)絡(luò)的全流程碳排放計(jì)量模型。該模型是基于碳排放流及網(wǎng)絡(luò)能量轉(zhuǎn)換與損耗的碳排放分?jǐn)偰P?。本文提出的全流程如圖1所示,考慮了各個(gè)環(huán)節(jié)的能量損耗,有效地對(duì)碳排放的責(zé)任進(jìn)行分?jǐn)偂?/p>
圖1 電熱耦合系統(tǒng)全流程示意圖
電熱耦合網(wǎng)絡(luò)的能量傳遞全流程可分為四部分,分別是能量生產(chǎn)環(huán)節(jié)、能量傳輸環(huán)節(jié)、能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)以及能量使用環(huán)節(jié)[15]。能量生產(chǎn)環(huán)節(jié)消耗一次能源產(chǎn)生熱能及電能同時(shí)伴隨著碳排放;能量通過(guò)熱網(wǎng)及電網(wǎng)進(jìn)行傳輸在此過(guò)程中能量的損耗等同于碳排放的消耗;能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)本文主要考慮了CHP;能量使用環(huán)節(jié)雖然沒(méi)有直接產(chǎn)生碳排放,但是考慮到用能需求對(duì)應(yīng)碳排放歸責(zé),因此也需要計(jì)算其用能量對(duì)應(yīng)的碳排放。
電熱耦合網(wǎng)絡(luò)是已CHP為代表的能夠同時(shí)產(chǎn)生電力與熱力的設(shè)備,或者以電熱鍋爐等能將電能與熱能相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備參與的,將供電網(wǎng)絡(luò)與供熱網(wǎng)絡(luò)相互連接的網(wǎng)絡(luò)。由于不同能源網(wǎng)絡(luò)的耦合,產(chǎn)生了能量的轉(zhuǎn)換,同時(shí)電力與熱力的時(shí)空尺度、時(shí)間尺度都有所不同,因此對(duì)于耦合網(wǎng)絡(luò)的分析,需要對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)及耦合設(shè)備進(jìn)行解耦分析[16-17]。圖2為碳排放硫的桑基圖,展示了二氧化碳從能源到設(shè)備再到網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)過(guò)程。灰色的連接線代表了二氧化碳的流動(dòng)方向,灰色連接線的寬度可以表示數(shù)值大小。
圖2 碳排放流桑基圖
首先定義電熱耦合網(wǎng)絡(luò)中碳排放流的相關(guān)指標(biāo)與能量流之間的關(guān)系。電熱耦合網(wǎng)絡(luò)的碳排放流的相關(guān)的指標(biāo)稱為碳流指標(biāo)。包括支路碳流量、支路碳流率、支路碳流密度、節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)。
(1)支路碳流量(F):在某一時(shí)間內(nèi)隨能量流而通過(guò)某條支路的碳流所對(duì)應(yīng)的碳排放累積量。
(2)支路碳流率(R):支路在單位時(shí)間內(nèi)隨能量流通過(guò)的碳流量。
(3)支路碳流密度(ρ):電力系統(tǒng)任一支路碳流率與有功潮流的比值為該支路碳流密度[4];熱力系統(tǒng)中支路碳流率與支路熱功率的比值為該支路碳流密度。
(4)節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)(E):表示在某節(jié)點(diǎn)消耗單位能量所產(chǎn)生的等同于產(chǎn)能側(cè)的碳排放量。對(duì)于產(chǎn)能節(jié)點(diǎn),其碳勢(shì)就等同于該節(jié)點(diǎn)產(chǎn)能設(shè)備的碳排放強(qiáng)度。
將上述指標(biāo)分別對(duì)應(yīng)到電力網(wǎng)絡(luò)和熱力網(wǎng)絡(luò)中,以下角標(biāo)e表示電力網(wǎng)絡(luò),以下角標(biāo)h表示熱力網(wǎng)絡(luò)。支路碳流量在電力潮流中對(duì)應(yīng)的是支路傳輸?shù)碾娏?,在熱力潮流中?duì)應(yīng)的是支路傳輸?shù)臒崃?。支路碳流率在電力潮流中?duì)應(yīng)支路的有功功率,在熱力潮流中對(duì)應(yīng)的是支路傳輸?shù)臒峁β省t電熱耦合網(wǎng)絡(luò)中的碳排放指標(biāo)分別表示為:Fe,Re,ρe,Ee;Fh,Rh,ρh,Eh。
表1總結(jié)了碳排放流的指標(biāo)支路碳流量、支路碳流率、支路碳流密度和節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)在電熱耦合網(wǎng)絡(luò)中的物理意義。同時(shí)說(shuō)明了碳排放流與能量流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
表1 電熱耦合網(wǎng)絡(luò)碳排放流指標(biāo)意義
電力系統(tǒng)的有功功率為:
(1)
其中ij表示節(jié)點(diǎn)的序號(hào);V表示節(jié)點(diǎn)電壓;Gij為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的實(shí)部;Bij為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的虛部[18]。
節(jié)點(diǎn)i的電力碳排放流Fei如式(2)所示,其中,λgik表示節(jié)點(diǎn)i接入的第k臺(tái)發(fā)電機(jī)的碳排放因子;Pgik表示節(jié)點(diǎn)i接入的第k臺(tái)發(fā)電機(jī)的有功輸出。
(2)
支路碳流率是支路碳流量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù),其為:
(3)
支路碳流密度為:
(4)
節(jié)點(diǎn)i的碳勢(shì)表示為:
(5)
式中j表示與節(jié)點(diǎn)i連接的支路號(hào)。
由于線路阻抗等存在,系統(tǒng)支路的有功損耗用Pl表示,則支路有功損耗的碳流率為:
Res=diag(Eei)·Pl
(6)
(7)
網(wǎng)絡(luò)熱力模型用于確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度,如圖3所示,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三種不同的溫度。分別是供熱溫度Ts、出口溫度To、回水溫度Tr。出口溫度定義為在回水網(wǎng)絡(luò)中混合之前每個(gè)節(jié)點(diǎn)出口處的水流溫度。
通常,在熱力模型中熱源的出口溫度和負(fù)載的入口溫度是已知的,回水溫度取決于供熱溫度、室溫和熱負(fù)載[20]。
圖3 溫度關(guān)系示意圖
網(wǎng)絡(luò)中的熱功率可以用式(8)計(jì)算:
(8)
Φ表示節(jié)點(diǎn)的熱功率;Cp是水的比熱容。
管道中的熱量損耗受管道長(zhǎng)度和環(huán)境溫度等影響。Tend代表管道末端溫度;Tstart是管道起始溫度;Ta是環(huán)境溫度;λ是單位管道的熱傳導(dǎo)系數(shù);L表示管道長(zhǎng)度。
(9)
通過(guò)上述計(jì)算可以得出熱力網(wǎng)絡(luò)的熱功率矩陣。節(jié)點(diǎn)i的熱力碳排放流Fhi如式(10)所示,其中,λhik表示節(jié)點(diǎn)i接入的第k臺(tái)產(chǎn)熱設(shè)備的碳排放因子;Φhik表示節(jié)點(diǎn)i接入的第k臺(tái)產(chǎn)熱設(shè)備的有功輸出。
(10)
支路碳流率是支路碳流量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù),其為:
(11)
支路碳流密度為:
(12)
節(jié)點(diǎn)i的碳勢(shì)表示為:
(13)
式中j表示與節(jié)點(diǎn)i連接的支路號(hào)。
對(duì)于熱網(wǎng)中,由于管道內(nèi)水溫的損失會(huì)導(dǎo)致能量損耗用Φl表示,則支路有功損耗的碳流率如式(14)所示。
Rhs=diag(Ehi)·Φl
(14)
CHP是電熱網(wǎng)路中的耦合設(shè)備,能夠同時(shí)產(chǎn)生電能及熱量,是能量轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備[21-23]。熱電聯(lián)產(chǎn)單元可提高產(chǎn)熱效率,但其總效率恒定。CHP的供能關(guān)系如圖4所示。CHP消耗天然氣,發(fā)電環(huán)節(jié)通過(guò)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)直接產(chǎn)生電能;發(fā)熱則是通過(guò)吸收式熱泵和制冷技術(shù)將余熱加以利用。
圖4 CHP供能關(guān)系圖
根據(jù)圖4所示流程圖,CHP系統(tǒng)的供電量和供熱量分別如式(15)和式(16)所示。
PE=Qηe
(15)
ΦH=Qηhλa
(16)
式中Q為CHP系統(tǒng)一次能源(天然氣)消費(fèi)量;PE,ΦH分別為系統(tǒng)供電、供熱量;ηe為原動(dòng)機(jī)發(fā)電效率;ηh為余熱回收裝置效率;λa為吸收式熱泵性能系數(shù)。
則在電、熱系統(tǒng)中CHP作為供能節(jié)點(diǎn)的碳排放強(qiáng)度(節(jié)點(diǎn)碳勢(shì))可分別表示為:
(17)
式中φ為天然氣的碳排放因子。
電熱耦合網(wǎng)絡(luò)的碳排放流計(jì)算是依托于綜合能源網(wǎng)絡(luò)的能量流計(jì)算結(jié)果。綜合能源網(wǎng)絡(luò)的能量流計(jì)算需要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù),同時(shí)需要設(shè)定平衡節(jié)點(diǎn)用以保證系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡。表2為能量流計(jì)算過(guò)程中系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)類型,以及各類節(jié)點(diǎn)的已知量和未知量。
表2 能量流計(jì)算的要求
結(jié)合能量流的計(jì)算方法和計(jì)算原理,對(duì)于碳排放流的計(jì)算有相同點(diǎn)也有不同點(diǎn)。雖然碳排放流的計(jì)算依托于能量流的計(jì)算結(jié)果,但能量流計(jì)算中的節(jié)點(diǎn)類型并不對(duì)應(yīng)碳排放流的節(jié)點(diǎn)類型。
表3描述了綜合能源網(wǎng)絡(luò)碳排放流計(jì)算過(guò)程中的節(jié)點(diǎn)類型,以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)的已知量和帶求解量。同時(shí),根據(jù)能量流的計(jì)算結(jié)果能夠求解出系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)。
表3 碳排放流計(jì)算的要求
系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)可以分為兩類,分別為供能節(jié)點(diǎn)和用能節(jié)點(diǎn)。其中,供能節(jié)點(diǎn)的位置和碳排放強(qiáng)度是已知的,電力網(wǎng)絡(luò)中存在K個(gè)發(fā)電機(jī),供熱網(wǎng)絡(luò)中存在K個(gè)供熱設(shè)備,其節(jié)點(diǎn)的碳勢(shì)如式(18)所示。其中需要注意的是對(duì)于CHP節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),其對(duì)于電熱網(wǎng)絡(luò)的碳勢(shì)按照式(18)進(jìn)行計(jì)算。
(18)
電熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷矩陣分別為PL、ΦL;供能節(jié)點(diǎn)注入網(wǎng)絡(luò)的能量矩陣分別為PG、ΦB;能量流分布矩陣分別為Pe;Φh;節(jié)點(diǎn)能量通量矩陣為PN,ΦN。
則電熱耦合網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)為別為
(19)
則負(fù)荷碳流量為:
ReL=PLEe
RhL=ΦLEh
(20)
電熱耦合網(wǎng)絡(luò)碳排放流計(jì)算流程如圖5所示。
圖5 電熱耦合系統(tǒng)碳排放流計(jì)算流程
為了驗(yàn)證本文提出了電熱耦合系統(tǒng)碳排放流模型以及計(jì)算方法的準(zhǔn)確性,采用如圖6所示的電力網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)準(zhǔn)的IEEE—14節(jié)點(diǎn)的電網(wǎng),其中節(jié)點(diǎn)1,2連接的是燃煤發(fā)電機(jī)組,碳排放強(qiáng)度為[875,525] g CO2/(kW·h)。節(jié)點(diǎn)3,7連接的是風(fēng)電機(jī)組碳排放強(qiáng)度為零。電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)6對(duì)應(yīng)熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)5連接的是CHP電熱碳排放強(qiáng)度為[520,480] g CO2/(kW·h)。
圖6 電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
熱力網(wǎng)絡(luò)模型如圖7所示,節(jié)點(diǎn)1為燃煤集中供熱站其碳排放強(qiáng)度為965 g CO2/(kW·h)。圖中標(biāo)出了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷以及管線長(zhǎng)度。熱網(wǎng)的詳細(xì)數(shù)據(jù)可在文獻(xiàn)[10]中獲得。
圖7 熱力網(wǎng)絡(luò)示意圖
表4及表5是應(yīng)用文本提出的方法計(jì)算得到的電熱耦合網(wǎng)絡(luò)全流程的碳排放情況。
表4 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)及碳流率
表5 支路損耗碳流率
表4展示了電網(wǎng)及熱網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的碳勢(shì)及負(fù)荷碳流率,由表4中可以看出,節(jié)點(diǎn)1的碳勢(shì)與該節(jié)點(diǎn)機(jī)組的碳排放強(qiáng)度相等,這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)1除了該發(fā)電機(jī)的電能外再無(wú)其他能量注入。節(jié)點(diǎn)7連接的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其碳排放為零,因此節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)為零。機(jī)組注入碳流率對(duì)應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的能量值,負(fù)荷碳流率與該節(jié)點(diǎn)消耗的有功功率相對(duì)應(yīng)。此外,機(jī)組注入的碳流率總和與負(fù)荷碳流率總和存在差值,這個(gè)差值就是系統(tǒng)損耗的碳流率。系統(tǒng)消耗的碳流率由表5給出,支路損耗的碳流率與支路的能量損耗有關(guān),電力網(wǎng)絡(luò)中主要表現(xiàn)在線路的阻抗上,熱網(wǎng)中則與管道的長(zhǎng)度及管道熱傳導(dǎo)系數(shù)直接相關(guān)。表4和表5中的數(shù)據(jù)符合能量守恒定律即碳排放守恒。
本算例采用傳統(tǒng)碳排放計(jì)算方法,不考慮全流程碳排放分?jǐn)偳闆r計(jì)算結(jié)果如表6所示。與本文提出的方法進(jìn)行對(duì)比可以看出,不考慮全流程分?jǐn)偟那闆r,網(wǎng)絡(luò)損耗的碳排放全都計(jì)算到了用戶側(cè),這顯然是不合理的。
表6 傳統(tǒng)方法系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)及碳流率
在采用集中供電和集中供熱的情況下用戶側(cè)的碳排放計(jì)量可以相對(duì)簡(jiǎn)單,但同時(shí)對(duì)節(jié)能減排并不能起到很好的促進(jìn)作用,因此在上述算例中,在電網(wǎng)11節(jié)點(diǎn)接入分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),碳排放計(jì)算結(jié)果如表7所示。
表7 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)及碳流率
通過(guò)表7與表4的對(duì)比可以看出,在節(jié)點(diǎn)11增加分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),光伏發(fā)電系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度為零,其發(fā)電量能夠供給自身使用,同時(shí)余電上網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)11的碳勢(shì)為0,碳流率也變?yōu)榱?。同時(shí),由于其產(chǎn)生的清潔電能傳輸?shù)搅斯?jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)9和節(jié)點(diǎn)10使得這三個(gè)節(jié)點(diǎn)的碳流率也有所下降。由此可以說(shuō)明,本文提出的碳排放計(jì)量方法能夠合理的界定碳排放責(zé)任,有效的促進(jìn)清潔能源的發(fā)展。
本文分析了電熱耦合網(wǎng)絡(luò)碳排放的特性,提出了電熱耦合網(wǎng)絡(luò)全流程碳排放計(jì)量模型。將系統(tǒng)分為能量產(chǎn)生、能量傳輸、能量轉(zhuǎn)化、能量使用環(huán)節(jié),有效地進(jìn)行碳排放責(zé)任分?jǐn)?。同時(shí),提出了電熱耦合網(wǎng)絡(luò)碳排放流的計(jì)算方法,利用能量流計(jì)算結(jié)果熱和供能側(cè)碳排放強(qiáng)度,計(jì)算得出網(wǎng)絡(luò)中各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的碳流率,從而計(jì)量全流程各環(huán)節(jié)碳排放量。最后,通過(guò)算例對(duì)模型及算法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證,表明該方法能夠有效地對(duì)電熱耦合網(wǎng)絡(luò)中全流程各環(huán)節(jié)進(jìn)行碳排放計(jì)量,有效促進(jìn)各環(huán)節(jié)節(jié)能減排。