1. 為什么是P2G和CCS熱電聯(lián)供系統(tǒng)的三筆糊涂賬過去幾年我一直在做綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度接觸的案例越多越覺得傳統(tǒng)熱電聯(lián)供CHP系統(tǒng)雖然技術成熟賬卻越來越難算。這里有三筆糊涂賬是單靠多上幾臺機組解決不了的。第一筆賬是熱電耦合。常規(guī)的抽凝式汽輪機或燃氣輪機電出力和熱出力是綁在一起的。冬天供熱需求大機組就得高負荷運行電跟著多發(fā)了可電網(wǎng)調(diào)度那邊卻可能因為負荷低谷或者新能源出力高峰要求你壓電。壓電就得減燃料減燃料熱又不夠供熱公司那邊又找你麻煩。很多項目寧可棄風棄光也要保證供熱就是這個原因。第二筆賬是碳排放。燃氣鍋爐、燃煤熱電站在供暖季滿負荷燒燃料碳排放指標噌噌往上漲。碳交易市場越鋪越廣碳價從幾十塊錢漲到上百塊錢一噸這筆成本在幾年內(nèi)已經(jīng)從可以忽略變成了必須進優(yōu)化模型的量級。我之前算過一個北方園區(qū)的項目碳成本占運行總成本的比例從2020年的不到3%漲到了前年的8%左右這個趨勢誰還敢忽視。第三筆賬是新能源消納。風電光伏裝機越加越多但熱電聯(lián)供系統(tǒng)里新能源的滲透率一直上不去原因就是電網(wǎng)需要調(diào)節(jié)能力而傳統(tǒng)CHP機組調(diào)節(jié)深度有限深度調(diào)峰又帶來效率下降和排放增加。說白了系統(tǒng)里缺的不是發(fā)電能力是靈活性。這三個問題單獨拆開都能找到對策但如果只盯著單個環(huán)節(jié)打補丁往往會按下葫蘆浮起瓢。所以當我第一次看到P2G與CCS耦合這個思路時第一反應是——這可能是把三筆賬放在同一張表上一起算的解法。1.1 P2G和CCS到底各自干什么P2GPower to Gas是電轉(zhuǎn)氣核心邏輯很簡單用富余的電尤其是棄風棄光時段電解水制氫氫氣可以直接用也可以和二氧化碳反應生成甲烷注入天然氣管網(wǎng)。CCSCarbon Capture and Storage是碳捕集與封存把電廠煙氣里的二氧化碳分離出來壓縮后封存或利用。單看技術路線P2G是耗電的CCS是耗熱的兩者不僅不搭甚至看起來有點互相拖累——P2G要電CCS的捕集單元也要電P2G制甲烷需要CO?而CCS好不容易捕集來的CO?過去是拿去封存現(xiàn)在卻可以拿來做原料。但放進熱電聯(lián)供系統(tǒng)里這個組合的邏輯通了。熱電聯(lián)供在供暖季本來就要在高負荷狀態(tài)運行電多、氣多、熱多、碳多正好是P2G需要電、CCS需要熱和碳的匹配場景。P2G把系統(tǒng)里富余的電轉(zhuǎn)化成燃氣解決消納問題CCS把排放的CO?抓回來一部分一部分封存減少碳成本一部分供給P2G做甲烷化原料形成一個閉環(huán)。1.2 耦合之后系統(tǒng)多了什么新能力加入P2G和CCS之后熱電聯(lián)供系統(tǒng)不再只是燒燃料→產(chǎn)電產(chǎn)熱的單向鏈條而是多了一條可以雙向調(diào)節(jié)的路徑低谷電時段電解槽啟動消耗富余電力制氫相當于給電網(wǎng)增加了一個可調(diào)負荷。制出的氫一部分可以直接混入燃氣供應一部分進入甲烷化反應器和CCS捕集來的CO?合成天然氣。高峰期氣不夠用儲存在罐里的合成天然氣可以補進燃氣鍋爐或燃氣輪機緩解供氣壓力。CCS單元在捕集CO?的同時本身也是一個可控負荷捕集率可以動態(tài)調(diào)節(jié)參與系統(tǒng)的靈活調(diào)度。這套配置讓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)維度從電熱擴展到電熱氣碳四個維度靈活性完全不在一個層面。當然這四個維度也意味著優(yōu)化問題的復雜度上了一個臺階。熱能、電能、天然氣、氫能、CO?流交織在一起任何一個環(huán)節(jié)的參數(shù)變化都會牽動其他環(huán)節(jié)。這也是為什么這類系統(tǒng)一定要數(shù)學建模做優(yōu)化——光靠經(jīng)驗調(diào)度維度太多根本顧不過來。2. 系統(tǒng)架構(gòu)與能量流從設備堆砌到耦合協(xié)同很多人在做綜合能源系統(tǒng)項目時容易犯一個錯誤把設備買齊、把管線接上就以為萬事大吉。實際上設備堆得再多如果不解決能量流和信息流的耦合關系系統(tǒng)運行起來仍然是一盤散沙。以我參與的一個典型熱電聯(lián)供工業(yè)園區(qū)項目為例系統(tǒng)主要設備包括一臺燃氣輪機核心熱電聯(lián)供單元額定電功率50MW熱功率約40MW一臺余熱鍋爐回收燃氣輪機排煙熱量供熱能力約35MW一臺燃氣鍋爐調(diào)峰熱源額定熱功率60MW風電場裝機容量80MW光伏電站裝機容量30MW電解槽P2G制氫單元額定功率10MW甲烷化反應器額定產(chǎn)氣能力約3000Nm3/hCCS捕集單元額定捕集能力50t/h捕集率可調(diào)范圍70%–95%儲氫罐和儲氣罐電儲能和蓄熱罐光看設備清單這個系統(tǒng)的能量流就已經(jīng)很復雜了。電、熱、氣、氫、碳五條流線相互交織燃氣輪機燒天然氣產(chǎn)電產(chǎn)熱余熱鍋爐回收排煙熱量供給熱網(wǎng)電解槽消耗風電和電網(wǎng)低谷電制氫氫氣一部分直接混入天然氣管道一部分和CCS捕集來的CO?進甲烷化反應器合成天然氣CCS本身需要消耗電力和蒸汽。2.1 五條能量流怎么串成一張網(wǎng)電力流燃氣輪機發(fā)電 風電 光伏 → 匯集到母線 → 供給電負荷、電解槽、CCS捕集單元、電制冷/熱泵等多余部分上網(wǎng)。熱力流燃氣輪機排煙余熱 余熱鍋爐 燃氣鍋爐 電熱鍋爐 → 供給熱負荷和CCS再生塔需要低壓蒸汽。天然氣流外購天然氣 儲氣罐放氣 甲烷化產(chǎn)氣 → 供給燃氣輪機和燃氣鍋爐。氫氣流電解槽產(chǎn)氫 → 一部分直接混入天然氣一般控制混氫比例不超過10%–20%避免下游燃燒設備改造一部分進儲氫罐備用。CO?流燃氣輪機/余熱鍋爐煙氣 → CCS捕集單元 → 一部分壓縮后封存或外售一部分送入甲烷化反應器。這個系統(tǒng)里最精妙的一個交叉點是CCS的捕集CO?不僅是碳排放管理的一部分更是P2G甲烷化環(huán)節(jié)的原料來源。傳統(tǒng)思路里CO?是廢物處理它需要成本而在耦合方案里CO?成了價值鏈上的一環(huán)。當然這里要說句實話目前工業(yè)規(guī)模的甲烷化反應器對CO?純度要求比較高CCS捕集出來的CO?往往還要經(jīng)過提純才能使用這部分能耗在建模時不能漏掉。2.2 耦合之后熱電比剛性被打破傳統(tǒng)熱電聯(lián)供最頭疼的就是熱電比剛性問題——系統(tǒng)按設計工況運行熱電比基本固定但實際負荷端的需求是隨時波動的。加入P2G和CCS以后系統(tǒng)有了幾個新的調(diào)節(jié)支路電力富余時多余電能驅(qū)動電解槽制氫不經(jīng)過熱力循環(huán)熱電比調(diào)節(jié)空間拉大。熱力富余而電力負荷不足時蒸汽可以用于CCS捕集單元的再生塔把本來的副產(chǎn)品變成可調(diào)節(jié)熱負荷。天然氣緊張時儲氫罐里的氫和合成的甲烷可以補充氣源減少外購天然氣的依賴。這些調(diào)節(jié)手段各有各的成本特性和響應速度怎么在每一個時段選擇最經(jīng)濟的調(diào)節(jié)組合就是優(yōu)化問題要回答的核心問題。3. 優(yōu)化模型怎么建目標函數(shù)、約束條件與決策變量的三角關系搞懂系統(tǒng)架構(gòu)之后下一步就是把這個問題翻譯成數(shù)學模型。優(yōu)化熱電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)本質(zhì)上是找一個多時段的運行方案讓系統(tǒng)的經(jīng)濟性、環(huán)保性和可靠性盡量同時滿足。3.1 目標函數(shù)不止是算運行成本很多文章一上來就寫以運行成本最小為目標函數(shù)但實際項目里目標函數(shù)往往要包含三塊燃料成本天然氣消耗費用包括外購天然氣和合成天然氣的增量成本。這里有個細節(jié)天然氣價格在不同時段可能有峰谷價差這個要在建模時體現(xiàn)為分段價格。碳成本碳交易成本實際排放量?免費配額×碳價。引入CCS后實際排放量會顯著下降這一項直接進入目標函數(shù)變化非常明顯。運行維護成本各設備的運維成本按出力比例折算P2G和CCS設備的啟停成本也應該建模在內(nèi)因為它們不是常規(guī)的火電機組頻繁啟停會有額外的損耗。我的建議是把這三塊統(tǒng)一折算成系統(tǒng)總運行費用因為實際項目中決策者關心的往往就是總賬。如果想兼顧新能源消納率或者碳排放目標可以引入懲罰項但懲罰系數(shù)設置要謹慎調(diào)得太大可能扭曲經(jīng)濟性最優(yōu)解。3.2 約束條件的幾類關鍵約束約束是優(yōu)化模型的核心也是最容易踩坑的地方。幾個關鍵約束必須建模準確功率平衡約束每個時段的電功率平衡、熱功率平衡、氣量平衡。這是最基本的等式約束。這里容易忽略的細節(jié)是P2G和CCS設備自身的耗電特性——電解槽不只是產(chǎn)氫也會有一段待機功耗CCS捕集單元在低負荷運行時單位捕集能耗反而更高。設備出力上下限與爬坡約束燃氣輪機、鍋爐、電解槽都有出力的上限和下限也有爬坡率限制。特別要注意電解槽這類設備的爬坡特性和燃氣輪機差異很大——電解槽啟動快但低溫環(huán)境下效率會打折扣冬季工況的爬坡約束要保守一些。儲能約束儲氫罐、儲氣罐、蓄熱罐都有容量限制和充放速率限制而且涉及多時段耦合——這個時段充進去的能量下一個時段才能放出來。這種時序耦合約束是優(yōu)化的難點也決定了模型求解時間的長短。CO?平衡約束這是耦合系統(tǒng)特有的約束。CCS捕集量封存量甲烷化用CO?量每個組分都有上下限。實際項目中封存端往往受制于封存場地和壓縮能耗甲烷化端受制于反應器容量這兩個約束一個都不能少。環(huán)保約束碳排放總量上限、污染物排放濃度限制等這些約束在環(huán)保政策嚴格地區(qū)的項目里往往反過來成為主導約束。3.3 決策變量別忘了0-1變量模型的決策變量包括各設備的逐時出力連續(xù)變量設備的啟停狀態(tài)0-1變量儲能設備的充放狀態(tài)0-1變量外購能源量以及碳排放配額交易量和封存流量。有0-1變量就意味著這個模型是混合整數(shù)規(guī)劃MILP問題求解難度比純線性規(guī)劃高不少。我在做這類項目時通常會先用線性化處理把模型盡量化簡——比如用分段線性化近似非線性效率曲線才能在合理的求解時間內(nèi)拿到最優(yōu)解。4. 求解方法的選擇與實現(xiàn)細節(jié)別一上來就上啟發(fā)式算法優(yōu)化模型的求解方式直接決定了項目的落地效率。很多同行拿到模型第一反應就是用遺傳算法用粒子群算法覺得智能算法大氣上檔次。但從工程實踐角度看這個選擇需要慎重。4.1 為什么優(yōu)先嘗試MILP精確求解對于中等規(guī)模的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型比如幾十個節(jié)點、24小時優(yōu)化周期如果模型能夠線性化處理優(yōu)先用商業(yè)求解器Gurobi、CPLEX等求精確解。原因很實際精確解有全局最優(yōu)性保證啟發(fā)式算法沒有——這意味著你給決策層匯報方案時底氣完全不同。求解時間可控。我做過一個包含6個設備、24個時段的園區(qū)級模型Gurobi在300秒內(nèi)能收斂到1%以內(nèi)的gap完全可以接受。便于做靈敏度分析。模型線性化程度高參數(shù)擾動后重新求解很快這對調(diào)度系統(tǒng)上線后的日常運營非常關鍵。當然如果模型規(guī)模特別大比如包含上百個節(jié)點、多個園區(qū)耦合MILP求解時間確實會爆炸。這時候才考慮啟發(fā)式算法或元啟發(fā)式算法而且最好先用MILP求解的一個松弛解作為初始解引導啟發(fā)式搜索方向。4.2 模型線性化的幾個關鍵細節(jié)燃氣輪機效率的非線性排煙溫度和發(fā)電效率是負荷率的非線性函數(shù)可以每臺機組用2-3個線性段去逼近分段點選在典型負荷率如40%、70%、100%附近。電解槽能耗特性電解槽產(chǎn)氫速率與電流密度近似線性但效率隨負載變化?？梢杂镁€性函數(shù)修正系數(shù)處理。CCS捕集能耗單位捕集能耗在低負荷率下顯著升高。把這個關系做成非線性的分段函數(shù)比線性擬合更準確但會增加變量數(shù)量要在精度和求解速度之間做權(quán)衡。這些線性化的具體參數(shù)建議直接從設備廠商的樣本曲線里提取數(shù)據(jù)點做擬合。我踩過的一個坑是一開始用了估算的效率曲線做優(yōu)化算出來的最優(yōu)解到了現(xiàn)場根本實現(xiàn)不了——設備實際在某個負荷區(qū)間的效率比模型假設的低了5個百分點直接導致整個調(diào)度方案作廢。4.3 算例配置與典型日選擇仿真算例選取很講究。不要只跑一個典型夏日或典型冬日就下結(jié)論至少要選取冬季供暖高峰日、夏季電負荷高峰日、春秋過渡季典型日以及一個極端工況日比如寒潮來襲、新能源大發(fā)疊加的低谷日。我常用的做法是加一個新能源棄電日場景——專門模擬風電大發(fā)、電網(wǎng)消納受限最嚴重的情況評估P2G設備在這種場景下的調(diào)節(jié)貢獻。這類場景往往是論證項目必要性的關鍵證據(jù)。5. 算例分析與結(jié)果解讀數(shù)據(jù)不會騙人但解讀會這一節(jié)我想用一組實際項目的典型數(shù)據(jù)演示優(yōu)化結(jié)果的基本面貌。需要說明的是這里展示的是脫敏后的參數(shù)和結(jié)果重點在于表現(xiàn)優(yōu)化決策的邏輯而不是某一套精確參數(shù)。5.1 優(yōu)化結(jié)果的三組關鍵指標對比以冬季典型日為例分別計算三種方案的表現(xiàn)A方案傳統(tǒng)熱電聯(lián)供固定熱電比運行B方案加入P2G單純電轉(zhuǎn)氣無CCS協(xié)同C方案P2GCCS耦合協(xié)同指標A方案B方案C方案棄電率12.8%6.2%4.7%碳排放量t/日420405356碳交易成本萬元/日3.363.081.97天然氣外購量千m3/日210198186系統(tǒng)總運行費用萬元/日44.242.740.5從表里能明顯看出C方案的綜合效果最突出。碳排放比純熱電聯(lián)供方案降低了15%左右碳交易成本顯著下降加上合成天然氣替代了一部分外購氣源總運行費用每天節(jié)省約3.7萬元。按一個供暖季180天估算單是冬季一個季度就能節(jié)約約666萬元。這筆錢足夠覆蓋P2G和CCS設備增量的年化投資成本。5.2 逐時調(diào)度曲線上有意思的發(fā)現(xiàn)再看逐時優(yōu)化結(jié)果有幾個細節(jié)很有意思凌晨低谷時段23:00-5:00系統(tǒng)電負荷低但風電出力很足。優(yōu)化結(jié)果里電解槽在這個時段滿負荷運行消耗富余電力制氫。到了午后光伏大發(fā)時段電解槽繼續(xù)高負荷運行同時CCS捕集率也調(diào)到最大值——因為此時熱負荷較低蒸汽有富余正好用來供CCS的再生塔用。傍晚高峰時段18:00-21:00電負荷和熱負荷同時迎來峰值這時候電解槽降負荷運行把電力優(yōu)先讓給電負荷儲氫罐和儲氣罐開始放氣補充燃氣輪機需要的氣源燃氣輪機自身高負荷運行。這個運行模式完全符合直覺——低谷蓄能、高峰釋放。CCS的捕集率在一天之內(nèi)并不是恒定的。夜間和午后碳成本敏感的時段捕集率拉高清晨和傍晚瞬態(tài)工況復雜、蒸汽緊張的時候捕集率自動降下來。這說明在優(yōu)化模型里CCS捕集率本身就是一個靈活的調(diào)節(jié)變量不是設備運行在一個固定值上。這個發(fā)現(xiàn)對實際運行很有價值很多項目的CCS設備還是固定捕集率運行其實浪費了很大的調(diào)節(jié)空間。5.3 靈敏度分析什么參數(shù)最影響結(jié)論做完基本優(yōu)化一定要做靈敏度分析。我用單參數(shù)掃描的方式測試了以下幾個變量的影響碳價從50元/t掃到200元/t。碳價越低CCS的捕集率優(yōu)化值越低——低于某個閾值時CCS的綜合成本大于碳交易懲罰成本方案會傾向于少捕集。這個轉(zhuǎn)折點對項目決策很重要。天然氣價格從2.5元/Nm3掃到4.5元/Nm3。氣價越高P2G合成的天然氣價值越大電解槽的利用率會提高甚至會影響電解槽擴容的決策方向。光伏/風電滲透率新能源占比越高P2G設備的年利用小時數(shù)越高項目的經(jīng)濟效益拐點越早到來。這些靈敏度分析結(jié)果是寫進可研報告的核心材料。決策層往往不看最優(yōu)解本身而看如果外部條件偏離預期方案會不會崩。靈敏度分析就是回答這個問題的。6. 邊界條件與落地現(xiàn)實從仿真到工程的距離模型和算例做完之后很多時候項目才剛剛走到一半。仿真結(jié)果再漂亮落地時還要面對一堆設備層、工程層和運營層的問題這里挑幾個最容易被忽略的講。6.1 設備成熟度的現(xiàn)實約束P2G的電解槽目前堿性電解技術比較成熟但響應速度偏慢PEM電解響應快但價格高壽命和維護成本也是問題。甲烷化反應器在國內(nèi)并網(wǎng)示范項目不多很多還是設計和試驗階段溫度管理、催化劑壽命這些工程問題都會影響實際可用率。CCS這邊相對成熟一些但捕集能耗和封存場地是硬約束不是所有園區(qū)都有合適的封存條件。做優(yōu)化研究時可以把這些設備理想化處理但做工程設計時務必和廠商確認實際性能參數(shù)曲線尤其是部分負荷工況下的效率和響應限制。我建議模型里的關鍵設備參數(shù)至少留5%–10%的裕量避免優(yōu)化出來的調(diào)度方案在實際設備上跑不動。6.2 并網(wǎng)與安全約束P2G設備大規(guī)模并網(wǎng)會帶來新的電力系統(tǒng)安全約束。電解槽作為大功率直流負荷啟動時對電網(wǎng)的沖擊不容忽視需要配置合適的軟啟動裝置?；鞖渲蟮奶烊粴夤艿肋\行也不是沒風險的——氫脆、泄漏、燃燒特性變化這些都是燃氣行業(yè)關注的焦點。目前大部分地區(qū)對混氫比例有嚴格限制一般不超過20%實際項目中建議控制在10%以內(nèi)并且需要在壓縮機、閥門、流量計等設備上做針對性的適用性評估。6.3 碳市場的政策適配CCS捕集來的CO?如果用于甲烷化嚴格意義上講不屬于封存因此在碳核算時這部分碳是否算作減排、能否納入碳配額抵扣取決于當?shù)靥冀灰坠芾磙k法。不同試點地區(qū)的規(guī)則不完全一樣。項目設計階段就要明確碳核算邊界否則優(yōu)化模型里算出來的碳成本節(jié)省可能在實際履約時打折扣。6.4 運行管理層面的建議最后給幾條基于項目實踐的管理建議不要追求全系統(tǒng)同時最優(yōu)。在多數(shù)時段系統(tǒng)最優(yōu)運行策略其實接近次優(yōu)的穩(wěn)定區(qū)間。過分追求全局最優(yōu)解可能在某個時段換個更激進的運行方式節(jié)省幾萬塊錢但擾動和風險完全抵消了這個收益。實踐中我更推薦在優(yōu)化結(jié)果的基礎上做運行帶約束讓調(diào)度工程師在可行區(qū)間內(nèi)手動調(diào)整。建立滾動優(yōu)化機制。天氣預測、負荷預測、電價碳價都在變一次離線優(yōu)化跑出來的結(jié)果時效性很有限。更實用的做法是建立日內(nèi)滾動優(yōu)化機制每隔2-4小時重新求解一次這樣既保證模型響應最新邊界條件又不至于調(diào)度指令頻繁變動影響設備壽命。監(jiān)控CCS捕集率這個調(diào)節(jié)變量。很多系統(tǒng)把CCS當作環(huán)保設備固定運行這是對調(diào)節(jié)資源的浪費。訓練運行人員把CCS捕集率當作和鍋爐負荷、電解槽功率同等級的可調(diào)度參數(shù)能明顯提升系統(tǒng)整體經(jīng)濟性。我見過的最理想的項目里CCS捕集率一天變動幾十次系統(tǒng)總成本反而比恒定捕集方案低了不少。這類項目的優(yōu)化工作遠遠不止建一個數(shù)學規(guī)劃模型那么簡單。從系統(tǒng)架構(gòu)設計到設備選型從碳核算邊界到允許的混氫比例每一個環(huán)節(jié)都在影響最終的最優(yōu)解。但恰恰是這些工程化約束的存在讓P2G與CCS的耦合方案不至于停留在論文里——它逼迫所有參與者把新技術從理想空間拉回地面在這個不斷磨合的過程中真正的優(yōu)化才算開始。