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申请/专利权人：东北电力大学

摘要：本发明公开了一种基于电转氨和生物质废能转换的农村化工园区综合能源系统低碳调度方法，属于电力系统技术领域。考虑碳‑氨耦合过程，将电转氨产生的氨气与碳捕集设备配合，引入生物质废能转换构建化工园区联合生产单元。通过对农村化工园区综合能源系统建模，化工园区灵活性响应建模，并对联合生产单元运行模式进行分析，建立化工园区低碳经济调度模型。本发明的基于电转氨和生物质废能转换的农村化工园区综合能源系统低碳调度方法，能够实现绿色化工生产，降低园区碳排放，有效提高了系统经济性，极大地促进了能源梯级利用，实现低碳经济调度。

主权项：1.一种基于电转氨和生物质废能转换的农村化工园区综合能源系统低碳调度方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：农村化工园区综合能源系统建模1园区综合能源系统能流关系农村化工园区综合能源系统通过上级电网、上级气网和生物质废能转换单元进行供能，源侧输入能量通过系统内部耦合设备满足负荷需求，源侧引入有机朗肯循环余热发电，将燃气轮机产生的热功率一部分通过余热锅炉供给热负荷，另一部分通过有机朗肯循环余热发电供给电负荷，实现热电联产的热电灵活性，在负荷侧考虑多种能源负荷的综合需求响应，进一步增加系统灵活性；2电转氨两阶段精细化建模①第一阶段为电解水制氢以及变压吸附设备制氮，将电解槽电解水过程中产生的热量提供给热负荷，电解槽模型如下： 式中：PECt、PEC,ht为t时段电解槽的输出功率和热功率；PECr为额定功率；hEC、hEC,h分别为氢和热转化效率；a、b、c分别为效率函数系数；为电解槽最大、最小输入功率；风光存在波动性导致各个时段产生的氢气不稳定，加入储氢罐实现对氢气量的平滑调节，减少制氨设备的调节压力， 式中：为储氢罐容量；为别为t时段储、用氢功率；hcha、hdis为储、用氢效率；分别为储氢罐的最大、最小容量；风光产生的部分电力送到变压吸附PSA设备中，对氮和氧进行分离， 式中：PPSAt为t时段内PSA输入功率；mairt为t时段空气的质量流量；P为输入、输出压力；TPSA为工作温度；hm、his,PSA分别为压缩机的机械效率和等熵效率；②第二阶段为氢气氮气合成氨气，将制氨过程产生的热量进行利用满足热负荷需求，对制氨设备模型进行处理，模型如下所示： 式中：为t时段制氨设备提供的热功率；为t时段输入制氨设备的输入、输出功率；为制氨效率；hP2A为制氨设备供热的热释放比例；σ为单位质量氨气所释放的热功率，为t时段生成氨的质量；分别为制氨设备的最大、最小输入功率；3尿素合成单元建模考虑尿素合成的碳-氨耦合过程，引入碳捕集设备将燃气机组和垃圾焚烧机组产生的二氧化碳进行吸收并利用，减少购碳成本并降低园区碳排放量， 式中：PCCt为t时段碳捕集设备运行能耗；VCCt、VCSt、分别为吸收、封存以及利用二氧化碳的体积；分别为碳捕集设备固定能耗、最大能耗和爬坡上限；δCC、hCC、λCS分别为捕获单位体积二氧化碳能耗、效率以及二氧化碳封存效率；4生物质废能转换单元建模垃圾焚烧厂在热电比可调的模式下运行，其输出的电热功率如下： 式中：mLt、mdLt、mwLt为t时段废弃物总量以及干、湿废弃物量；LHVw表示单位质量废弃物焚烧的热值；Pwipp-pt、Pwipp-ht为t时段垃圾焚烧厂的产电量和产热量；hwet、hwht为t时段产电、产热系数；λmax、λmin为热电比上、下限；在垃圾焚烧厂中增加烟气处理装置，去除垃圾焚烧过程中产生的气态污染物， 式中：Qwippt、Pgast分别为t时段烟气排放量和能量消耗；egas、cg分别为烟气排放强度和能量消耗系数；垃圾焚烧厂除热电比可调外，还可通过ORC余热发电将部分热能转化为电能，实现热电解耦，提高生物质废能转换单元灵活性， 式中：Pwipp-hht、Pwipp-het分别为t时段供给热负荷热量和ORC余热发电的热量；Pgas-ht为t时段烟气处理装置热量；PORC_wt、PORC-wet为t时段余热发电输入热量和产电量；Pwipp-et为t时段垃圾焚烧厂实际发电功率；hORC、hgas-h分别为余热发电效率和烟气处理装置产热效率；从生物质废物中产生的气体通过厌氧消化技术产生沼气，然后净化转化为天然气，沼气池建模如下： 式中：Rset、Pset、Pmgt分别为t时段污水处理量、处理污水耗电量、沼气量；hse为沼气产生效率；λse为污水能源转化系数；δse为处理单位体积污水耗电量；ρse为污水密度；通过沼气净化得到天然气供给气负荷，减少对上级气网的需求，Pg,wast＝hgasPmgt10式中：Pg,wast为t时段天然气产生量；hgas为天然气产生效率；步骤2：化工园区灵活性响应建模和联合生产单元运行模式分析1源侧灵活性响应建模 式中：hchp-e、hchp-h为CHP电、热效率；PCHPmax、PCHPmin分别为CHP最大、最小输出功率；△PCHPmax、△PCHPmin依次t时段为CHP最大、最小爬坡功率；PORC,ht、PWHB,ht分别为t时段ORC余热发电和余热锅炉的热功率；PWHBt为t时段余热锅炉输出热功率；hWHB为余热锅炉热效率；hORC为ORC余热发电产电效率；PORCmax、PORCmin分别为t时段ORC余热发电最大、最小输出功率；△PORCmax、△PORCmin依次为t时段ORC余热发电最大、最小爬坡功率；2荷侧综合需求响应建模PIES中存在多种类型负荷，由固定型、削减型和替代型三部分构成，考虑负荷削减以及不同类型负荷相互替代， 式中：i表示负荷类型；Pi,loadt为t时段第i类负荷的值；为t时段第i类负荷的固定型负荷；为t时段第i类负荷的削减型负荷；为t时段第i类负荷的替代型负荷； 式中：分别为第i类削减替代型负荷t时段需求响应后负荷值和参与需求响应的值；为第i类替代型负荷t时段转入、转出参数；依次为第i类替代型负荷t时段的转入、转出量；分别为第i类削减替代型负荷t时段的最小、最大值；3化工园区联合生产单元运行模式分析考虑尿素合成的碳-氨耦合过程，引入碳捕集构建CCS-P2A化工生产单元， 式中：PP2At、PCCSt为t时段送入P2A和CCS的功率；Pwindt、Ppvt分别为t时段风电、光伏供给化工生产的功率；Pet、Pht为t时段化工生产单元送入电、热负荷的功率；Pwind,et、Ppv,et分别为t时段风电、光伏送入电负荷功率；结合农村地区背景，引入生物质废能转换单元，构建CCS-P2A-BWEC联合生产单元，建立多能协同关系，同步分析其电、热、气及碳能量耦合特性， 式中：Pft、PBWECt为t时段上级电网购电量和额外送入负荷功率；PCHP,gt、PGB,gt为t时段BWEC供给CHP和GB的天然气量；PJ,ht为t时段联合生产单元总产热量；PCHP,hht、PGB,hht为t时段供气后CHP、GB产热量；PB,ht、PP2A,ht分别为t时段BWEC、P2A产热量；步骤3：化工园区低碳经济调度模型1目标函数以园区综合能源系统运行成本最优为目标，不考虑向上级电网送电，富余风光通过P2A消纳，目标函数如下所示： 式中：T为调度周期；C为PIES调度周期内运行总成本；CEt为t时段系统购电成本；CQt为t时段系统购气成本；CMt为t时段系统运维成本；CDt为t时段系统需求响应成本；CCt为t时段系统碳交易成本；CNt为t时段系统化工利润；CBt为t时段生态效益；①系统购能成本购能成本包括购电成本和购气成本， 式中：αt、βt分别t时段分时电价和固定气价；Pe,buyt、Pg,buyt依次为t时段从上级网络购买的电量和天然气量；②运行维护成本 式中：Pagast、PURt为t时段氨气和尿素生产量；PEB,ht为t时段EB产热量；PER,ct、PAC,ct分别为t时段ER和AC产冷量；Pedist、Phdist、Pcdist、PHdist为t时段电、热、冷和氢储能的释放能量；③需求响应成本 式中：k为负荷类型；λi为各类负荷补偿系数；④碳交易成本初始碳配额模型如下： 式中：EPIES、Ee,buy、ECHP、EGB以及Ewas依次为PIES、上级电网、CHP、GB、和垃圾焚烧厂的碳排放配额；λ分别为单位功率的碳排放配额；根据生物质发电特性，秸秆存在碳循环，不考虑秸秆燃烧造成的碳排放，实际碳排放模型为： 式中：EPIES,a、Ee,buy,a、ECHP,a、EGB,a及Ewas,a为PIES、上级电网、CHP、GB和垃圾焚烧厂的实际碳排放量；δi分别为单位功率实际碳排放量；PIES参与碳交易量和碳交易成本如下： 式中：EC为参与碳交易市场的碳排放量；λ表示碳交易价格；⑤化工利润 式中：CNsellt、CNtrant、依次为t时段出售尿素利润、运输成本及生产尿素的质量；Ctran为单位质量尿素售价和运输成本；⑥生态效益生态效益为生物质废能转换补贴减垃圾焚烧造成的环境污染治理成本， 式中：CWt、Cet分别为t时段生物质废能转换补贴和环境成本，CG、Cse为单位废弃物、污水处理补贴，I为污染物种类；K为污染物当量数需缴纳的税额；mi为单位垃圾、秸秆燃烧时产生的第i种污染物数量；hi为烟气处理装置、环保装置去除第i种污染物效率；Gi为第i种污染物的污染当量数；2约束条件①功率平衡约束 Pg,loadt＝Pg,buyt+Pg,wast-PCHPt+PGBt27Pc,loadt＝PER,ct+PAC,ct+Pcdist-Pcchat28式中：PWt、PPVt分别为t时段风电、光伏出力；PEBt、PERt分别为t时段EB和ER耗电量；PACt为t时段AC耗热量；Pechat、Phchat、Pcchat为t时段电、热和冷储能的存储能量；②生物质废能转换单元约束 式中：mL,max、mL,min分别为生物质废能转换单元处理废弃物的上、下限；Rse,max、Rse,min分别为生物质废能转换单元处理污水的上、下限；△Pmg,max、△Pmg,min为产生沼气速率的最大、最小爬坡功率；△mL,max、△mL,min为生物质废能转换单元处理废弃物的最大、最小爬坡功率。

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