碳捕集电厂灵活运行方法评述与展望

合研究领域 。 其以电力系统为载体 ， 以低碳为目标 ， 将电气工程与经济 、 环境 、 热能 、 化工 、 机械等多个学 科的研究工作相互融合 ， 使Ｃ Ｃ Ｓ 技术带动各个相关 具有重大的现实意义 领域的思路更新与 模 式 转 变 ， 与研究价值 。 碳捕集电厂的结构特征和运行机理使其具有灵 活运行的潜力 。 灵活运行的碳捕集电厂具有迥异于 常规火电厂的运行 特 性 ， 将赋予未来电力行业全新 的运行模式与发展机制 。 本文力图全面分析碳捕集 电厂灵活运行方法 的 研 究 状 况 源自文库 建立完整的碳捕集 展望碳捕集电厂灵活 电厂灵活运行方法 研 究 框 架 ， 运行方法的研究重点方向 。
第３ ６ 卷 第 ６ 期 ２ ０ １ ２年３月２ ５日
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ６ Ｎ ｏ ． ６ Ｍ ａ ｒ ． ２ ５， ２ ０ １ ２
： ／ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ ０ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ １ ２ ０ ６． ２ ０ １ ２． ０ ６． ０ ０ １ － ｊ
碳捕集电厂灵活运行方法评述与展望
康重庆 ，季 震 ，陈启鑫
（ ） 电力系统国家重点实验室 ，清华大学电机系 ，北京市 １ ０ ０ ０ ８ ４
摘要 ：碳捕集电厂将赋予未来电力行业 全 新 的 运 行 模 式 和 发 展 机 制 ， 具有深远的现实意义和研究 。 ， ， 价值 目前 尽管整个碳捕集技术领域得到了较多关注 但绝大多数仅针对碳捕集电厂的基准运行 工况与静态运行方式展开研究 ， 而对碳捕集电厂灵活运行方 法 的 研 究 还 处 于 起 步 阶 段 。 文 中 分 别 从电厂层面和电力系统层面详细分析和展望了碳捕集电厂灵活 运 行 方 法 的 发 展 潜 力 、 实现方式和 揭示了灵活运行的碳捕集电厂所具有的良好运行性能 ， 指出碳捕集电厂将为电力系统带 技术特性 ， 来巨大的效益提升空间 。 文中揭示了未来碳捕集电厂灵活运行方法这一领域的研究重点和发展方 向， 力图建立完整的 碳 捕 集 电 厂 灵 活 运 行 方 法 研 究 框 架 ， 以期为相关研究提供分析方向和研究 思路 。 关键词 ：碳捕集电厂 ；低碳电力 ；灵活运行 ；研究框架
图 １ 碳捕集电厂分流式灵活运行方法 ｌ ａ ｎ ｔ ｓ Ｆ ｉ ． １ Ｆ ｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｏ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｃ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｐ ｇ ｐ ｐ ｗ ｉ ｔ ｈ ｆ ｌ ｕ ｅ ｂ ａ ｓ ｓ ｏ ｒ ｒ ｉ ｃ ｈ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｎ ｔ ｂ ａ ｓ ｓ ａ ｓ ｙ ｐ ｙ ｐ ｇ
］ ４， ６ ７ － 。 成溶液的循环利用 ［ １． ２ 碳捕集电厂灵活运行的基本原理
现有的碳捕集电厂研究工作绝大多数仅针对碳 捕集电厂的基准运 行 工 况 与 静 态 运 行 方 式 ， 即碳捕 集系统的运行水 平 始 终 与 发 电 循 环 的 工 况 相 匹 配 ， 碳捕集单元不可 单 独 调 节 。 而 事 实 上 ， 碳捕集电厂 的发电循环与碳捕 集 系 统 耦 合 关 系 较 弱 ， 二者之间 的能量交换主要包括由发电循环提供给碳捕集系统 的再生热 能 、 风机和 Ｃ Ｏ ２ 压缩电能以及辅助电能（ ， 泵的耗能等 ） 这些能量的大小和分流关系决定了碳 捕集系统的 运 行 水 平 ， 并 具 有 快 速、 灵活的调整特 。 性 碳捕集电厂的这种结构特征和运行机理使其具 有灵活运行的潜力 ， 即碳捕集系统的运行状态可以 — ２ —
作特别说明时 ， 所述碳捕集电厂均特指采用燃烧后 捕集技术的碳捕集电厂 。 １． １ 常规碳捕集电厂捕集流程 典型的基于化学吸收法的燃烧后碳捕集电厂 Ｃ Ｏ ２ 捕集流程如下 。 ） 如图 １ 实线 部 分 所 示 ， 从火电厂发电循环排 １ 出 的 烟 气 经 过 冷 却 后 ，从 底 部 进 入 吸 收 塔 （ ） ， 吸收剂在 ４ ｓ ｃ ｒ ｕ ｂ ｂ ｅ ｒ ０～６ ０ ℃ 的温度 下 与 烟 气 逆 烟气中的 Ｃ 流发生吸收 反 应 ， Ｏ ２ 即 被 吸 收 剂 吸 收。 经过处理后的烟气直接从塔顶排出 。
图 ２ 碳捕集电厂溶液存储式灵活运行方法 Ｆ ｉ ． ２ Ｆ ｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｏ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｃ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｇ ｐ ｐ ｌ ａ ｎ ｔ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｎ ｔ ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｅ ｐ ｇ
。 收稿日期 ： ２ ０ １ ２ ０ ２ １ ９ － － ） ； 国家自然科学基金资助项目 （ 高等学 校 博 士 学 科 ５ １ １ ０ ７ ０ ５ ９ ） 。 点专项科研基金资助项目 （ ２ ０ １ ０ ０ ０ ０ ２ １ １ ０ ０ ０ ７
（ ） ２ ０ １ ２， ３ ６ ６
］ ４ ５ － 。 本文 过程 ， 是当前碳捕集电厂采用的主流技术 ［ 未 以燃烧后碳捕集电 厂 为 主 要 研 究 对 象 展 开 叙 述 ，
在一定程 度 上 独 立 于 发 电 循 环 的 工 况 进 行 单 独 调 节， 近似等效于一个能量密集的可控负荷 ， 从而可以 在运 行 过 程 中 灵 活 控 制 碳 捕 集 电 厂 的 Ｃ Ｏ ２ 捕集力 度和能量分配关系 ， 进而影响碳捕集电厂的整体运 行特性 。 从目 前 的 文 献 研 究 来 看 ， 燃烧后碳捕集电厂的 ］ ８ １ ０ － 。 灵活运行方法主要有如下 ２ 种类型 ［ ） 。 分流式灵活 运 行 方 法 （ 以下简称分流模式） １ 碳捕集电厂 的 分 流 式 灵 活 运 行 方 法 有 ２ 种 实 现 形 式： 烟气分流 （ 如图 １ 中 ① 所示 ） 或富液分 流 （ 如图１ 。 前者通 过 控 制 烟 气 旁 路 系 统 可 使 一 定 中 ② 所示 ） 比例的烟 气 在 某 些 时 刻 直 接 排 放 而 不 再 进 入 吸 收 塔； 后者则通过控制 富 液 分 流 阀 可 使 一 定 比 例 的 富 液直接返回吸收塔而不再进入解析塔进行再生 。 增 大直接排放烟气比 例 或 者 返 回 吸 收 塔 的 富 液 比 例 ， 同步减小抽取蒸汽 的 速 率 ， 即可降低捕集系统的运 行水平 ， 捕集能耗 降 低 ， 电厂净发 Ｃ Ｏ ２ 排 放 量 增 大， 反 之 亦 然 。２ 种 形 式 的 灵 活 运 行 方 法 电出力增大 ， 均可实现 Ｃ 从而 使 得 碳 捕 Ｏ ２ 捕集力度的灵活可控 ，
目前 ， 尽管 整 个 Ｃ Ｃ Ｓ研究领域得到了广泛关
· 特约专稿 · 康重庆 ， 等 碳捕集电厂灵活运行方法评述与展望
注， 但涉及碳捕集 电 厂 灵 活 运 行 方 法 的 研 究 在 其 中 帝国理工大学的 Ｇ 所占比例却非常小 。 其中 ， ｉ ｂ ｂ ｉ ｎ ｓ ， Ｌ ｕ ｃ ｕ ｉ ａ ｕ ｄ Ｍ， Ｃ ｈ ａ ｌ ｍ ｅ ｒ ｓ Ｈ，德 克 萨 斯 大 学 的 Ｊ ｑ ， Ｃ ｏ ｈ ｅ ｎ Ｓ ｔ ｕ ａ ｒ ｔ Ｍ Ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ ｌ ｌ ｅ Ｇ ａ ｒ Ｔ， Ｗ ｅ ｂ ｂ ｅ ｒ Ｍ ｉ ｃ ｈ ａ ｅ ｌ ｙ Ｅ 等学者为该领域的研究作出了较大贡献 。 国际能 源机 构 温 室 气 体 研 发 计 划 （ Ｉ Ｅ Ａ Ｇ ｒ ｅ ｅ ｎ ｈ ｏ ｕ ｓ ｅ Ｇ ａ ｓ 也曾于 ２ Ｐ ｒ ｏ ｒ ａ ｍ， Ｉ Ｅ ＡＧＨＧ） ０ ０ ９ 年专门举办 Ｒ＆Ｄ ｇ 了以碳捕集电厂灵活运行为主题的研讨会 。 １． ３ 碳捕集电厂灵活运行方法的研究框架 本文将以 Ｃ 全面研究碳捕集电 Ｃ Ｓ 技术为基础 ， 按照观察视角 ， 将该领域研究分 厂的灵活运行方法 ， 为电厂层面的研究 和 电 力 系 统 层 面 的 研 究 ， 并按照 时间尺度或运行类 别 ， 将电厂层面的研究归纳为碳 捕集电厂的动态分 析 与 瞬 态 特 性 研 究 、 碳捕集电厂 碳捕集电厂的优化控 的运行机制与技术 特 性 研 究 、 制与运行决策研究 、 碳捕集电厂的系统设计与性能 优化研究 ； 将电力系 统 层 面 的 研 究 归 纳 为 碳 捕 集 电 含碳捕集电厂的 厂提供电网辅助服 务 机 制 的 研 究 、 电力系统运行方式 与 整 体 特 性 研 究 、 含碳捕集电厂 的电力系统运行 优 化 与 调 度 决 策 研 究 。 据 此 ， 整体 研究框架如图 ３ 所示 。
１ 碳捕集电厂的技术原理与灵活运行方法
根据 Ｃ 可将现有的 Ｏ ２ 捕集原理和流程的不 同 ， 、 燃 碳捕集技术 分 为 燃 烧 后 捕 集 （ ｏ ｓ ｔ ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ） － ｐ （ ） （ ） 烧前捕 集 ｐ ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ 与富氧燃烧 ｏ ｘ ｆ ｕ ｅ ｌ ｒ ｅ － ｙ 燃烧后捕集技术直接从电厂 ３ 个主要类 别 。 其 中 ， 燃烧后产生的烟气 中 捕 集 和 分 离 Ｃ 燃烧前捕集 Ｏ ２； 技术则使燃料首先 进 入 气 化 炉 气 化 得 到 合 成 气 ， 其 再对 Ｃ 经变换后 成 为 Ｃ Ｏ Ｏ ２ 和 Ｈ ２ 的 混 合 物， ２ 和 从而 实 现 能 量 和 碳 的 分 离 ； 而富氧燃 Ｈ２ 进行分离 ， 烧技术利用空分系 统 制 取 富 氧 或 纯 氧 ， 然后将燃料 所生成烟 与氧气一同输送到 纯 氧 燃 烧 炉 进 行 燃 烧 ， 气的主要成 分 为 Ｃ 很 容 易 分 离， 同时 Ｏ ２ 和 水 蒸 气， 燃烧后的部分烟气重新注回燃烧炉 。 从技术成熟水 平和发展现状看 ， 燃烧后捕集技术适用范围广 ， 对已 有电厂继承性好 ， 几乎不影响上游发电设备的燃烧 — １ —
） 吸收塔底部的富含 Ｃ 以下 ２ Ｏ ２ 的吸收剂溶 液 （ ） ， ） 简称 “ 富液 ” 经泵送至解析塔（ 进 行 解 析 ｓ ｔ ｒ ｉ ｅ ｒ ｐ ｐ 使溶液再生 。 在解 析 过 程 中 ， 通过再沸器提供一定 的热能 （ 称为再生热 能 ） 升高富液的温度（ 典型值为 ， 使吸收反应逆向进行 ， 从而实现 Ｃ １ ０ ０～１ ４ ０ ℃） Ｏ ２ 的分离和吸收剂的再生 。 再生热能占据了燃烧后碳 捕集能耗 （ 不含压缩能耗 ） 的８ 主要通过在 ０％ 以 上 ， 发电循环的中低压透平之间抽取一定量的蒸汽来获 得所需能量 。 ） ） 再生后的吸收液 （ 以下简称 “ 贫液 ” 通过贫富 ３ 液热交换器和冷凝 器 降 低 温 度 ， 最终返回吸收塔完
集电厂能够在宽广的区间内独立控制自身的净发电 出力和净碳排放强度等关键运行指标 。 ） 溶液存储式灵 活 运 行 方 法 （ 以下简称溶液存 ２ 。 碳捕集系统结构如图 ２ 所示 ， 储模式 ） 通过引入富 从吸收塔出来的富液流率 液存储器和贫液存 储 器 ， 与同一时刻进入再生塔的富液流率可以不再保持相 等， 从而使得决定 Ｃ Ｏ Ｏ ２ 捕集量的 Ｃ ２ 吸收过程与决 定系统能 耗 的 溶 液 再 生 过 程 在 一 定 程 度 上 相 互 解 耦 。 当溶液再生速 率 大 于 富 液 产 生 速 率 时 ， 富液存 储器存量减小 ， 贫液存储器存量增大 ， 瞬时捕集能耗 ， ， 增大 电厂净发电出力减小 反之亦然 。 与分流模式 不同 ， 溶液存 储 模 式 并 不 产 生 主 动 性 的 Ｃ Ｏ ２ 排 放， 从而使碳捕集电厂可以在保证一定的整体碳捕集率 的前提下 ， 灵活控制自身的瞬时捕集力度 。
０ 引言
当前 ， 减排 Ｃ Ｏ ２ 已经成为应对全 球 气 候 变 化 的 １］ 。 电力行业是中国国民经济 核心共识与关键举措 ［ 在面临巨大减排 压 力 的 同 中最大的 Ｃ Ｏ ２ 排放部门 ， ２］ 。 时， 也显示出可能的减排潜力 ［ ， 碳捕集与封存 （ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｃ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｅ ｐ ｇ ） ， 技术作为当前最受关注的低碳技术之一 可以 Ｃ Ｃ Ｓ 将Ｃ 能 源 部 门 的 排 放 源 中 分 离 出 来， 输 Ｏ ２ 从工业 、 ［ ３］ 送到一个 安 全 的 封 存 地 点 ， 并长期与大气隔绝 。 传输与封存３个环 Ｃ Ｃ Ｓ技 术 主 要 包 括 Ｃ Ｏ ２ 捕 集、 节， 其 中， 捕 集 环 节 与 电 力 系 统 紧 密 相 关。 在 Ｃ Ｏ ２ 传统火力发电厂中引入 Ｃ 即形成碳捕 Ｏ ２ 捕集系统 ， 集电厂 ， 可对电厂所排放烟气中的 Ｃ Ｏ ２ 进行分离和 处理 ， 从而规避其排入大气所引起的气候变化 ， 实现 化石燃料的可持续利用 。 碳捕集电厂由此具有显著 的低碳属性 。 可以预见 ， 随着低碳理念的逐步深入 、 低碳环境的逐步建 立 以 及 低 碳 技 术 的 逐 步 成 熟 ， 碳 捕集电厂将依 托 Ｃ Ｃ Ｓ技术的快速发展而成为未来 电源结构中一个新 型 而 重 要 的 组 成 部 分 ， 并将深刻 影响电力系统的 规 划 、 建 设、 调 度 等 各 个 环 节， 赋予 未来电力行业全新的运行模式与发展机制 。 目前 ， 关于 Ｃ Ｃ Ｓ 技术以及碳捕集电厂的研究已 呈现出明显的上升 趋 势 ， 成为一个多学科交叉的综