高效氢能利用与CCPP-MR-HCHP灵活运行的低碳综合能源系统优化研究

《International Transactions on Electrical Energy Systems》：Optimization of Low-Carbon Integrated Energy Systems With Efficient Hydrogen Use and Flexible CCPP-MR-HCHP Operations

本文提出了一种考虑氢能高效利用和碳捕集电厂（CCPP）-甲烷反应器（MR）-掺氢热电联产（HCHP）联合灵活运行的综合能源系统（IES）低碳优化策略。通过构建含风电制氢、氢转热电、天然气掺氢和氢转甲烷的高效氢能利用模型，并引入液态存储罐（LST）和Kalina循环提升CCPP与HCHP运行灵活性，同时结合电热综合需求响应（IDR），建立了兼顾低碳与经济性的IES优化模型。仿真结果表明，所提策略可提升风电消纳水平，使系统总成本和碳排放分别降低约11.35%和24.73%，显著增强系统运行灵活性。

　　

综合能源系统（IES）低碳优化策略的核心在于高效利用氢能并实现碳捕集电厂（CCPP）、甲烷反应器（MR）与掺氢热电联产（HCHP）的协同灵活运行。随着可再生能源并网规模扩大，弃风与运行灵活性不足成为突出问题。本文构建的氢能高效利用模型涵盖碱性电解槽（AEL）电解水制氢、氢燃料电池（HFC）发电、天然气掺氢（如HCHP和掺氢燃气锅炉HGB）以及氢转甲烷（MR）等多条路径，并创新性地引入废热回收装置，捕获电解与甲烷化反应过程中的余热，提升整体能源利用效率。

在源侧，CCPP通过液态存储罐（LST）实现碳捕集能耗的时移，形成全面灵活运行模式，缓解高峰负荷时段碳捕集与供电的矛盾。HCHP单元则通过Kalina循环解耦“以热定电”约束，实现热电输出灵活调节。三者联合运行框架下，CCPP与HCHP产生的二氧化碳可作为MR的碳源，降低额外购碳成本；MR反应产生的热量又可反哺CCPP的碳捕集能耗，形成能-碳协同循环。

负荷侧引入电、热综合需求响应（IDR）模型，通过分时电价与室内温度调节平滑负荷曲线，降低峰谷差。在此基础上，以总成本最小化为目标建立IES低碳经济调度模型，涵盖购能、运维、弃风、燃煤、碳捕集与碳交易成本。

案例仿真设置七种场景对比分析，结果表明：高效氢能利用模型可提升风电消纳能力，降低系统总成本与碳排放分别达11.35%和24.73%；CCPP-MR-HCHP联合运行模型进一步优化系统灵活性，使总成本与碳排放较传统模式再降8.51%和11.06%。本研究为高比例新能源接入下的IES低碳、经济、灵活调度提供了理论支撑与工程实践参考。