一种含CCUS的乙烯工业低碳能源系统及其配置优化方法

一种含ccus的乙烯工业低碳能源系统及其配置优化方法
技术领域
1.本发明属于乙烯工业低碳能源技术领域，具体涉及一种含ccus的乙烯工业低碳能源系统及其配置优化方法。


背景技术：

2.乙烯是石油化学工业最基本的原料，也是世界上使用最广泛的化工产品，其生产装置规模、产量与技术水平是衡量一个国家或地区石油化工发展的主要标志。蒸汽裂解作为主要的乙烯生产工艺流程，会产生大量的碳排放，主要来源于裂解炉的裂解气燃烧以及热力、电力消耗的间接排放。
3.为部署可再生能源与碳捕集、利用与封存(ccus)技术被认为是石化行业实现深度减排的核心技术，能够在不改变现有装置工艺流程的基础上，分别从能源供应端和co2排放端入手减少碳排放，适合对已有乙烯工厂的改造。
4.然而，可再生能源与ccus技术的接入将乙烯工业能源系统转变为一个多能流耦合的低碳能源系统。多种能源形式、多种能源转换装备间的复杂耦合以及风速和太阳辐射强度的不确定性会给系统的安全经济运行带来挑战。合理的结构设计与容量配置是乙烯工业低碳能源系统推广应用的重要前提，也是实现多种能源协同互补和系统经济高效运行的基础支撑。
5.因此，如何分别从能源供应端和co2排放端减少碳排放，如何配置优化方法在电、热、碳之间强烈耦合、不同能源设备之间的相互转化及风光不确定的情况下找到系统中各装置的最佳容量及其协同运行机制，保证系统安全稳定运行，是目前需要解决的技术问题。
6.为此，本文提出了一种含ccus的乙烯工业低碳能源系统及其配置优化方法，以支撑乙烯工业低碳转型。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题在于，提出可解决现有技术问题的含ccus的乙烯工业低碳能源系统以及适用于该系统的配置优化方法。
8.为解决上述技术问题，本发明公开了一种含ccus的乙烯工业低碳能源系统，包括蒸汽动力系统，余热回收系统和燃油锅炉，还包括风力发电机，太阳能集热器，电锅炉设备，储热设备，燃烧后co2碳捕集系统和co2加氢制甲醇系统；
9.所述蒸汽动力系统，包含七台汽轮机、三个减温减压阀和四种等级蒸汽；
10.所述七台汽轮机分别为t1-t7，其中t1、t2为抽凝式汽轮机，t3为凝汽式汽轮机，t4-t7为背压式汽轮机；
11.所述三个减温减压阀分别为l1-l3；所述四种等级蒸汽，分别为超高压蒸汽ss，高压蒸汽hs，中压蒸汽ms，低压蒸汽ls；
12.所述余热回收系统回收裂解炉出口裂解气的高温热量并产生超高压蒸汽ss，用于满足乙烯工厂热能需求；
13.所述燃油锅炉用于余热回收系统供热不足时为乙烯工厂补充超高压蒸汽ss；
14.所述风力发电机，太阳能集热器和电锅炉设备驱动燃烧后co2碳捕集系统和co2加氢制甲醇系统，并满足乙烯工厂电、热能量需求；
15.所述电锅炉设备将所述风力发电机产生的多余电量转化为低压蒸汽ls，存储至所述储热设备中或直接满足燃烧后co2碳捕集系统和乙烯工厂的热能需求；
16.所述储热设备在所述太阳能集热器和电锅炉设备产出力高峰期储存多余的低压蒸汽ls，在太阳能集热器和电锅炉设备产出力较弱时释放，以满足燃烧后co2碳捕集系统和乙烯工厂的热能需求；
17.所述燃烧后co2碳捕集系统采用化学吸收法捕集乙烯工厂裂解炉和燃油锅炉排放的co2，并将其送入co2加氢制甲醇系统或运输封存；
18.所述co2加氢制甲醇系统将燃烧后co2碳捕集系统捕集到的部分或全部co2转化为甲醇。
19.本发明还公开了一种基于上述的含ccus的乙烯工业低碳能源系统的配置优化方法，还包括如下步骤，
20.s1.构建乙烯工厂固有的蒸汽动力系统、余热回收系统、燃油锅炉模型，并引入风力发电机、太阳能集热器、电锅炉设备、储热设备、燃烧后co2碳捕集系统和co2加氢制甲醇系统模型；
21.s2.利用拉丁超立方抽样和k-means聚类方法对场景进行生成和缩减；得到n个采样场景，基于场景采样方法将不确定性优化问题转化成确定的混合整数线性规划问题，建立混合整数线性规划模型，再进行线性规划求解；
22.s3.以经济和低碳为系统整体优化指标，在满足各设备约束运行约束条件下对系统进行配置优化，确定系统中各装置的最佳容量及其协同运行机制，保证系统安全稳定运行。
23.进一步的，所述蒸汽动力系统由汽轮机t1-t7和减温减压阀l1-l3组成，汽轮机模型为：
[0024][0025][0026]
式中，p
t
[kw]为汽轮机输出的机械功率；分别为汽轮机进汽、抽汽和排汽的流量；
[0027]
分别为汽轮机进汽、抽汽和排汽的焓值；
[0028]
减温减压阀模型为：
[0029][0030][0031]
式中，分别为减温减压阀入口、出口蒸汽的流量；
[0032]
分别为减温减压阀入口、出口蒸汽以及
给水的焓值；
[0033]
所述余热回收系统，其产生的超高压蒸汽ss热量由裂解炉运行工况决定；
[0034]
所述燃油锅炉模型为：
[0035][0036]
式中，ff[kg/h]，分别为锅炉消耗燃料和产生蒸汽的流量；lhvf[kj/kg]为燃料油的低位热值；η
ob
为锅炉效率；e
ss
[kj/kg]，ew[kj/kg]分别为超高压蒸汽ss和锅炉给水的焓值；
[0037]
所述风力发电机，其出力模型为：
[0038][0039]
式中，p
wt
[kw]和为风机实际输出功率和额定功率；v[m/s]，vr[m/s]，v
ci
[m/s]，v
co
[m/s]分别为风机轮毂高度处的风速以及额定风速、切入风速与切出风速；
[0040]
所述太阳能集热器，其出力模型为：
[0041]hshc
＝s
shc
η
shcg[0042][0043]
式中，h
shc
[kw]为太阳能集热器收集到的热量；s
shc
[m2]为太阳能集热器的面积；η
shc
为光学效率；g[kw/m2]为太阳辐射强度；为太阳能集热器产生的低压蒸汽质量流量；e
ls
[kj/kg]，ew[kj/kg]分别为蒸汽和水的焓值；
[0044]
所述电锅炉设备模型为：
[0045]heb
＝η
eb
p
eb
[0046][0047]
式中，h
eb
[kw]为电锅炉的制热量；p
eb
[kw]为电锅炉的耗电量；η
eb
为电锅炉的效率；g[kw/m2]为太阳辐射强度；为电锅炉产生的低压蒸汽质量流量；e
ls
[kj/kg]，ew[kj/kg]分别为蒸汽和水的焓值；
[0048]
所述储热设备模型为：
[0049][0050]
式中，分别为储热设备在t和t-1时刻的容量；1时刻的容量；分别为t时刻的充、放热功率；分别为充、放热效率；
[0051]
所述燃烧后co2捕集系统模型为：
[0052][0053]
[0054]
式中，p
pcc
[kw]，h
pcc
[kw]分别为燃烧后co2捕集系统捕集co2消耗的电量和热量；为系统捕集单位co2的电耗和热耗；为捕集co2的质量；
[0055]
所述co2加氢制甲醇系统模型为：
[0056][0057][0058][0059]
式中，p
chm
[kw]为co2加氢制甲醇系统生产甲醇消耗的电功率；为系统生产单位甲醇的电耗；m
methanol
[kg]，为产出甲醇和消耗co2以及h2的质量。
[0060]
进一步的，所述系统整体优化指标为：
[0061]
min o
all
＝o
investment
+o
maintenance
+o
energy
+o
carbon
+o
cut
+o
imbalance-o
methanol
[0062]
式中，o
all
[￥]为年总成本，o
investment
[￥]为年化投资成本，o
maintenance
[￥]为运行维护成本，o
energy
[￥]为能源购买成本，o
carbon
[￥]为碳交易成本，o
cut
[￥]为热电切除惩罚成本，o
imbalance
[￥]为功率不平衡惩罚成本，o
methanol
[￥]为分别为出售甲醇产品收益。
[0063]
进一步的，所述年化投资成本o
investment
为：
[0064][0065][0066]
式中，o
inv,k
[￥]为乙烯工业低碳能源系统中设备k的单位投资成本；rk[kw或kwh或t/h]为相应设备的容量；δ为投资回报率；y为设备使用寿命；r为银行利率；
[0067]
所述运行维护成本o
maintenance
为：
[0068][0069]
式中，d为设备在一年中的运行天数；o
maintenance,k
[￥]为设备k的单位运行维护成本；分别为发电设备和制热设备在t时刻的实际功率；
[0070]
所述能源购买成本o
energy
为：
[0071][0072]
式中，of[￥]，o
ele
[￥]，o
steam
[￥]，分别为燃料、电、热和氢气的购买单价，分别为t时刻购买的燃料、电、热和氢气的量；
[0073]
所述碳交易成本o
carbon
为：
[0074][0075]
式中，为碳交易单位价格；a
t
[kg]为经过碳捕集后的实际碳排放量；e
p
[kg/kw]，eh[kg/kw]分别为外部购买电和热的单位碳排放强度；m
t
[kg]为t时刻的乙烯产量；cea是单位乙烯产量的碳配额；
[0076]
所述热电切除惩罚成本o
cut
为：
[0077][0078]
式中，分别为t时刻的电力和热量切除量；分别为t时刻的电力和热量切除量；分别为相应的单位惩罚成本；
[0079]
所述功率不平衡惩罚成本o
imbalance
为：
[0080][0081]
式中，分别为t时刻的电力和低压蒸汽不平衡量；分别为相应功率不平衡的惩罚系数；
[0082]
所述出售甲醇产品收益o
methanol
为：
[0083][0084]
式中，为t时刻的甲醇产量；o
methanol
[￥/kg]为甲醇的售价。
[0085]
进一步的，所述约束条件包括机械功率和电功率平衡约束、热功率平衡约束与设备运行约束；
[0086]
利用matlab-yalmip-gurobi求解器对所得混合整数线性规划模型进行线性规划求解，求解系统中各装置的最佳容量及其协同运行机制。
[0087]
进一步的，所述机械功率和电功率平衡约束：
[0088][0089][0090][0091]
式中，为汽轮机i在t时刻提供的机械功率；为乙烯工厂相应的机械功率需求；为备用电动机i在t时刻提供的机械功率；为表示汽轮机运行状态的二进制变量；为风力发电机在t时刻的发电功率；为购买的电量，为切断的电量；
[0092]
为电锅炉设备系统耗电量，为燃烧后co2捕集系统耗电量，为co2加氢制甲醇系统耗电量；为乙烯工厂的电负荷需求；
[0093]
所述热功率平衡约束：
[0094][0095][0096][0097][0098]
式中，分别为乙烯工厂余热回收锅炉和燃油锅炉在t时刻产生的超高压蒸汽流量；
[0099]
为汽轮机ti进汽的质量流量，为汽轮机ti抽汽的质量流量，为汽轮机ti排汽的质量流量；
[0100]
为减温减压阀li进口蒸汽流量，为减温减压阀li进口蒸汽流量；
[0101]
为蒸汽的购买蒸汽负荷需求，为切除的蒸汽量蒸汽负荷需求，为乙烯工厂蒸汽负荷需求；
[0102]
为储热设备充如的低压蒸汽流量，为储热设备放出的低压蒸汽流量；
[0103]
为燃烧后co2捕集系统消耗的低压蒸汽流量；
[0104]
所述设备运行约束：
[0105][0106][0107]
式中，cr为燃烧后co2捕集系统的co2捕集率；
[0108]
为烟气中co2质量流量，捕集到的co2质量流量。
[0109]
进一步的，在风力发电机及太阳能集热器的出力模型中，风速和太阳辐射强度预测误差序列δv
t
，δg
t
服从正态分布n(μ,σ2)，因此实际风速和太阳辐射强度满足：
[0110][0111][0112]
式中，v
t
[m/s]为t时刻的风速；为t时刻的预测风速；
[0113]
δv
t
[m/s]为t时刻的风速预测偏差；g
t
[kw/m2]为t时刻的太阳辐射强度；
[0114]
为t时刻的预测太阳辐射强度；δg
t
[kw/m2]为t时刻的太阳辐射强度预测偏差。
[0115]
进一步的，所述风速和太阳辐射强度的预测具有不确定性，无法存在某一组决策变量使得在调度周期内电功率平衡约束完全满足，引入松弛因子对电、热平衡约束进行松弛，以此将电、热平衡等式约束松弛为不等式约束，并使用机会约束进行描述：
[0116]
[0117][0118]
式中，pr{}表示括号内事件发生的概率；为风力发电机在t时刻的发电功率；分别为购买和切断的电量；
[0119]
为电锅炉设备系统耗电量，为燃烧后co2捕集系统耗电量，为co2加氢制甲醇系统耗电量；
[0120]
为乙烯工厂的电负荷需求；为汽轮机ti排汽的质量流量；为减温减压阀l3出口蒸汽流量；
[0121]
为低压蒸汽的购买，为切除的蒸汽量，为乙烯工厂蒸汽负荷需求；
[0122]
为储热设备充入低压蒸汽流量，为储热设备放出的低压蒸汽流量；为燃烧后co2捕集系统消耗的低压蒸汽流量。
[0123]
进一步的，电、热不平衡量满足：
[0124][0125][0126]
式中，为系统在t时刻的电功率不平衡量；
[0127]
为风力发电机在t时刻的发电功率；
[0128]
分别为购买和切断的电量；
[0129]
分别为电锅炉设备、燃烧后co2捕集系统和co2加氢制甲醇系统耗电量；
[0130]
为乙烯工厂的电负荷需求；
[0131]
为系统在t时刻的低压蒸汽不平衡量；
[0132]
为汽轮机ti排汽的质量流量；
[0133]
为减温减压阀l3出口蒸汽流量；
[0134]
分别为低压蒸汽的购买、切除的蒸汽量和乙烯工厂蒸汽负荷需求；
[0135]
分别为储热设备充、放的低压蒸汽流量；
[0136]
为燃烧后co2捕集系统消耗的低压蒸汽流量。
[0137]
有益效果：
[0138]
1.本发明设计了一种含ccus的乙烯工业低碳能源系统，除乙烯工厂原有设备外，引入包括可再生供能单元，即风力发电机和太阳能集热器，电转热设备电锅炉，储热设备以及ccus工艺，即燃烧后co2碳捕集系统和co2加氢制甲醇系统；该系统分别从能源供应端和co2排放端减少碳排放，并通过将捕集的co2资源化利用产生一定的经济效益；
[0139]
2.在含ccus的乙烯工业低碳能源系统基础上，提出了一种乙烯工业低碳能源系统的配置优化方法，在可再生出力不确定的情况下，优化系统中各装置的最佳容量及其协同运行机制，以保证系统低碳、经济、安全运行；通过本系统配置优化方法，能够充分发挥系统中风力发电机、太阳能集热器、电锅炉设备、储热设备、燃烧后co2碳捕集系统和co2加氢制甲醇系统灵活运行特性。
附图说明
[0140]
图1为本发明提出的一种含ccus的乙烯工业低碳能源系统的整体结构图；
[0141]
图2为本发明中系统在典型日的电、热功率调度结果图；
[0142]
图3为本发明中系统在典型日的co2排放量和co2捕集率的示意图；
[0143]
图4为本发明中系统储热设备在典型日的运行结果图；
[0144]
图5为本发明中系统co2产品的利用及封存情况示意图。
具体实施方式
[0145]
如图1所示，本发明提出一种含ccus的乙烯工业低碳能源系统，在此系统中，蒸汽动力系统，余热回收系统，燃油锅炉为乙烯工厂原有设备，用于满足全厂蒸汽动力需求；
[0146]
蒸汽动力系统，包含七台汽轮机t1-t7，其中t1、t2为抽凝式汽轮机，t3为凝汽式汽轮机，t4-t7为背压式汽轮机；包括三个减温减压阀l1-l3；包括四种等级蒸汽，分别为超高压蒸汽ss，高压蒸汽hs，中压蒸汽ms，低压蒸汽ls；
[0147]
余热回收系统回收裂解炉出口裂解气的高温热量并产生超高压蒸汽ss，用于满足乙烯工厂热能需求；
[0148]
燃油锅炉用于余热回收系统供热不足时为乙烯工厂补充超高压蒸汽ss；
[0149]
风力发电机，太阳能集热器和电锅炉设备驱动燃烧后co2碳捕集系统和co2加氢制甲醇系统，并满足乙烯工厂电、热能量需求；
[0150]
电锅炉设备将风力发电机产生的多余电量转化为热量，存储至储热设备中或直接满足燃烧后co2碳捕集系统和乙烯工厂的热能需求；
[0151]
储热设备在太阳能集热器和电锅炉设备产出力高峰期储存多余的热能，在太阳能集热器和电锅炉设备产出力较弱时释放热能，以满足燃烧后co2碳捕集系统和乙烯工厂的热能需求；
[0152]
燃烧后co2碳捕集系统采用化学吸收法捕集乙烯工厂裂解炉和燃油锅炉排放的co2，并将其送入co2加氢制甲醇系统或运输封存；
[0153]
co2加氢制甲醇系统将燃烧后co2碳捕集系统捕集到的部分或全部co2转化为甲醇。
[0154]
本发明提出的乙烯工业低碳能源系统分别从能源供应端和co2排放端减少碳排放，并通过将捕集的co2资源化利用产生一定的经济效益，实现乙烯工业的低碳、经济、安全运行。
[0155]
系统设计及配置优化的实现包括如下步骤：
[0156]
s1：基于传统乙烯生产过程中蒸汽动力系统、燃油锅炉造成的co2排放问题，将可再生能源风力发电机和太阳能集热器应用于乙烯工业，为系统提供电能和热量，从能源供应端减少碳排放；
[0157]
s2：针对可再生能源出力的间歇波动性，引入电锅炉设备和储热设备，以促进可再生能源的消纳；
[0158]
s3：针对乙烯裂解炉和燃油锅炉产生的co2排放，部署ccus工艺，从末端减少碳排放；
[0159]
s4：为充分利用捕集到的co2及裂解过程氢气副产物，在燃烧后co2捕集系统下游部署co2加氢制甲醇技术，在将co2资源化利用的同时产生一定的经济效益；
[0160]
s5：构建整体系统优化指标，考虑风光的不确定性，建立基于机会约束规划的乙烯工业低碳能源系统配置优化模型，优化系统中各装置的最佳容量及其协同运行机制，从而支撑系统安全稳定运行。
[0161]
实现该系统运行目标需要建立系统各设备稳态模型用于配置优化。
[0162]
s1中所述蒸汽动力系统由汽轮机t1-t7和减温减压阀l1-l3组成，汽轮机模型为：
[0163][0164][0165]
式中，p
t
[kw]为汽轮机输出的机械功率；分别为汽轮机进汽、抽汽和排汽的流量；分别为汽轮机进汽、抽汽和排汽的焓值；
[0166]
减温减压阀模型为：
[0167][0168][0169]
式中，分别为减温减压阀入口、出口蒸汽的流量；分别为减温减压阀入口、出口蒸汽的流量；分别为减温减压阀入口、出口蒸汽以及给水的焓值；
[0170]
所述燃油锅炉模型为：
[0171][0172]
式中，ff[kg/h]，分别为锅炉消耗燃料和产生蒸汽的流量；lhvf[kj/kg]为燃料油的低位热值；η
ob
为锅炉效率；e
ss
[kj/kg]，ew[kj/kg]分别为超高压蒸汽ss和锅炉给水的焓值；
[0173]
所述风力发电机出力模型为：
[0174][0175]
式中，p
wt
[kw]和为风机实际输出功率和额定功率；v[m/s]，vr[m/s]，v
ci
[m/s]，v
co
[m/s]分别为风机轮毂高度处的风速以及额定风速、切入风速与切出风速；
[0176]
太阳能集热器出力模型为：
[0177]hshc
＝s
shc
η
shcgꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0178][0179]
式中，h
shc
[kw]为太阳能集热器收集到的热量；s
shc
[m2]为太阳能集热器的面积；η
shc
为光学效率；g[kw/m2]为太阳辐射强度；为太阳能集热器产生的低压蒸汽质量流量；e
ls
[kj/kg]，ew[kj/kg]分别为蒸汽和水的焓值；
[0180]
s2中电锅炉设备模型为：
[0181]heb
＝η
eb
p
eb
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0182][0183]
式中，h
eb
[kw]为电锅炉的制热量；p
eb
[kw]为电锅炉的耗电量；η
eb
为电锅炉的效率；g[kw/m2]为太阳辐射强度；为电锅炉产生的低压蒸汽质量流量；e
ls
[kj/kg]，ew[kj/kg]分别为蒸汽和水的焓值；
[0184]
储热设备模型为：
[0185][0186]
式中，分别为储热设备在t和t-1时刻的容量；[kw]，分别为t时刻的充、放热功率；分别为充、放热效率；
[0187]
s3中燃烧后co2捕集系统模型为：
[0188][0189][0190]
式中，p
pcc
[kw]，h
pcc
[kw]分别为燃烧后co2捕集系统捕集co2消耗的电量和热量；为系统捕集单位co2的电耗和热耗；为捕集co2的质量；
[0191]
s4中co2加氢制甲醇系统模型为：
[0192][0193][0194][0195]
式中，p
chm
[kw]为co2加氢制甲醇系统生产甲醇消耗的电量；为系统生
产单位甲醇的电耗；m
methanol
[kg]，为产出甲醇和消耗co2以及h2的质量；
[0196]
基于上述模型，考虑系统年化投资成本，运行维护成本，能源购买成本，碳交易成本和热电切除惩罚成本，功率不平衡惩罚成本和出售甲醇产品收益，提出系统整体优化指标为：
[0197]
min o
all
＝o
investment
+o
maintenance
+o
energy
+o
carbon
+o
cut
+o
imbalance-o
methanol
ꢀꢀ
(17)
[0198]
式中，o
all
[￥]，o
investment
[￥]，o
maintenance
[￥]，o
energy
[￥]，o
carbon
[￥]，o
cut
[￥]，o
imbalance
[￥]，o
methanol
[￥]分别为年总成本，年化投资成本，运行维护成本，能源购买成本，碳交易成本，热电切除惩罚成本，功率不平衡惩罚成本和出售甲醇产品收益；
[0199]
其中，年化投资成本o
investment
为：
[0200][0201][0202]
式中，o
inv,k
[￥]为乙烯工业低碳能源系统中设备k的单位投资成本；rk[kw或kwh或t/h]为相应设备的容量；δ为投资回报率；y为设备使用寿命；r为银行利率；
[0203]
运行维护成本o
maintenance
为：
[0204][0205]
式中，d为设备在一年中的运行天数；o
maintenance,k
[￥]为设备k的单位运行维护成本；分别为发电设备和制热设备在t时刻的实际功率；
[0206]
能源购买成本o
energy
为：
[0207][0208]
式中，of[￥]，o
ele
[￥]，o
steam
[￥]，分别为燃料、电、热和氢气的购买单价，分别为t时刻购买的燃料、电、热和氢气的量；
[0209]
碳交易成本o
carbon
为：
[0210][0211]
式中，为碳交易单位价格；a
t
[kg]为经过碳捕集后的实际碳排放量；e
p
[kg/kw]，eh[kg/kw]分别为外部购买电和热的单位碳排放强度；m
t
[kg]为t时刻的乙烯产量；cea是单位乙烯产量的碳配额；
[0212]
热电切除惩罚成本o
cut
为：
[0213][0214]
式中，分别为t时刻的电力和热量切除量；分别为t时刻的电力和热量切除量；分别为相应的单位惩罚成本；
[0215]
所述功率不平衡惩罚成本o
imbalance
为：
[0216][0217]
式中，分别为t时刻的电力和低压蒸汽不平衡量；
分别为相应功率不平衡的惩罚系数；
[0218]
所述出售甲醇产品收益o
methanol
为：
[0219][0220]
式中，为t时刻的甲醇产量；o
methanol
[￥/kg]为甲醇的售价；
[0221]
配置优化模型的约束条件包括机械功率和电功率平衡约束、热功率平衡约束与设备运行约束；
[0222]
机械功率和电功率平衡约束：
[0223][0224][0225][0226]
式中，为汽轮机i在t时刻提供的机械功率；为乙烯工厂相应的机械功率需求；为备用电动机i在t时刻提供的机械功率；为表示汽轮机运行状态的二进制变量；为风力发电机在t时刻的发电功率；分别为购买和切断的电量；分别为电锅炉设备、燃烧后co2捕集系统和co2加氢制甲醇系统耗电量；为乙烯工厂的电负荷需求；
[0227]
热功率平衡约束：
[0228][0229][0230][0231][0232]
式中，分别为乙烯工厂余热回收锅炉和燃油锅炉在t时刻产生的超高压蒸汽流量；分别为汽轮机ti进汽、抽汽、排汽的质量流量；分别为减温减压阀li进出口蒸汽流量；分别为蒸汽的购买、切除的蒸汽量和乙烯工厂蒸汽负荷需求；分别为储热设备充、放的低压蒸汽流量；为燃烧后co2捕集系统消耗的低压蒸汽流量；
[0233]
设备运行约束：
[0234]
[0235][0236]
式中，cr为燃烧后co2捕集系统的co2捕集率；分别为烟气中和捕集到的co2质量流量；
[0237]
配置优化模型中风速和太阳辐射强度预测误差序列δv
t
，δg
t
服从正态分布n(μ,σ2),因此实际风速和太阳辐射强度满足：
[0238][0239][0240]
式中，v
t
[m/s]为t时刻的风速；为t时刻的预测风速；δv
t
[m/s]为t时刻的风速预测偏差；g
t
[kw/m2]为t时刻的太阳辐射强度；为t时刻的预测太阳辐射强度；δg
t
[kw/m2]为t时刻的太阳辐射强度预测偏差；
[0241]
配置优化模型中由于风速和太阳辐射强度的预测具有不确定性，无法存在某一组决策变量使得在调度周期内电功率平衡约束完全满足，引入松弛因子对电、热平衡约束进行松弛，以此将电、热平衡等式约束松弛为不等式约束，并使用机会约束进行描述：
[0242][0243][0244]
式中，pr{}表示括号内事件发生的概率；为风力发电机在t时刻的发电功率；分别为购买和切断的电量；分别为购买和切断的电量；分别为电锅炉设备、燃烧后co2捕集系统和co2加氢制甲醇系统耗电量；为乙烯工厂的电负荷需求；为汽轮机ti排汽的质量流量；为减温减压阀l3出口蒸汽流量；量；分别为低压蒸汽的购买、切除的蒸汽量和乙烯工厂蒸汽负荷需求；工厂蒸汽负荷需求；分别为储热设备充、放的低压蒸汽流量；为燃烧后co2捕集系统消耗的低压蒸汽流量；
[0245]
配置优化模型中电、热不平衡量满足：
[0246][0247][0248]
式中，为系统在t时刻的电功率不平衡量；为风力发电机在t时刻的发电功率；分别为购买和切断的电量；分别为购买和切断的电量；分别为电锅炉设备、燃烧后co2捕集系统和co2加氢制甲醇系统耗电量；为乙烯工厂的电负荷需求；为系统在t时刻的低压蒸汽不平衡量；为汽轮机ti排汽的质量流量；为减温减压阀l3出口蒸汽流量；分别为低压蒸汽的购买、切除的蒸汽量和乙烯工厂蒸汽负荷需求；分别为储热设备充、放的低压蒸汽流量；为燃烧后co2捕集系统消耗的低压蒸汽流量；
[0249]
配置优化模型利用拉丁超立方抽样和k-means聚类方法对场景进行生成和缩减，得到n个采样场景，通过基于场景采样方法将不确定性优化问题转化成确定的混合整数线性规划问题；
[0250]
配置优化模型利用matlab-yalmip-gurobi求解器对所得混合整数线性规划模型进行线性规划求解，求解系统中各装置的最佳容量及其协同运行机制；
[0251]
通过本文提出的含ccus的乙烯工业低碳能源系统及其配置优化方法可获得系统中各装置的最佳容量及其协同运行机制，以某30万吨/年的乙烯工厂运行数据及当地典型日气象数据为例进行配置优化，验证了所提出乙烯工业低碳能源系统及其配置优化方法的可行性。
[0252]
系统各设备配置优化结果如表1所示，
[0253]
设备容量风力发电机86.90mw太阳能集热器98424.51m2电锅炉设备39.55mw储热设备247.07mwh燃烧后co2捕集系统32.51t/hco2加氢制甲醇系统5.15t/h
[0254]
由图2所示的典型运行日的电热调度结果可知，可再生能源的存在减少了燃油锅炉的直接碳排放以及外部购电购热带来的间接碳排放。电锅炉设备和储热设备的使用提高了可再生能源的消纳，减少了电力和热量的购买。
[0255]
典型日的碳排放量和捕获率如图3所示。乙烯工业低碳能源系统全天排放877.82吨co2，捕获768.51吨，相比于原系统减排率达到了57.50％。
[0256]
储热设备的运行如图4所示，主要取决于太阳辐射。白天，当太阳辐射充足时，多余
的低压蒸汽储存在储热设备中，而夜间储热设备则排放低压蒸汽以满足燃烧后co2捕集系统和乙烯工厂的热量需求。
[0257]
捕集的co2用于甲醇生产或运输储存，图5显示了co2产品的利用分配情况。由于裂解炉氢气副产恒定，co2加氢制甲醇系统消耗的co2量也固定在7.08t/h，其消耗了一天中捕获的co2总量的22.38％，而其余的则被运输封存。通过图2-图5，可以看出本发明方法的有效性。
[0258]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语，包括技术术语和科学术语具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0259]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种含ccus的乙烯工业低碳能源系统，包括蒸汽动力系统，余热回收系统和燃油锅炉，其特征在于：还包括风力发电机，太阳能集热器，电锅炉设备，储热设备，燃烧后co2碳捕集系统和co2加氢制甲醇系统；所述蒸汽动力系统，包含七台汽轮机、三个减温减压阀和四种等级蒸汽；所述七台汽轮机分别为t1-t7，其中t1、t2为抽凝式汽轮机，t3为凝汽式汽轮机，t4-t7为背压式汽轮机；所述三个减温减压阀分别为l1-l3；所述四种等级蒸汽，分别为超高压蒸汽ss，高压蒸汽hs，中压蒸汽ms，低压蒸汽ls；所述余热回收系统回收裂解炉出口裂解气的高温热量并产生超高压蒸汽ss，用于满足乙烯工厂热能需求；所述燃油锅炉用于余热回收系统供热不足时为乙烯工厂补充超高压蒸汽ss；所述风力发电机，太阳能集热器和电锅炉设备驱动燃烧后co2碳捕集系统和co2加氢制甲醇系统，并满足乙烯工厂电、热能量需求；所述电锅炉设备将所述风力发电机产生的多余电量转化为低压蒸汽ls，存储至所述储热设备中或直接满足燃烧后co2碳捕集系统和乙烯工厂的热能需求；所述储热设备在所述太阳能集热器和电锅炉设备产出力高峰期储存多余的低压蒸汽ls，在太阳能集热器和电锅炉设备产出力较弱时释放，以满足燃烧后co2碳捕集系统和乙烯工厂的热能需求；所述燃烧后co2碳捕集系统采用化学吸收法捕集乙烯工厂裂解炉和燃油锅炉排放的co2，并将其送入co2加氢制甲醇系统或运输封存；所述co2加氢制甲醇系统将燃烧后co2碳捕集系统捕集到的部分或全部co2转化为甲醇。2.一种含ccus的乙烯工业低碳能源系统的配置优化方法，其特征在于：基于权利要求1所述的含ccus的乙烯工业低碳能源系统，还包括如下步骤，s1.构建乙烯工厂固有的蒸汽动力系统、余热回收系统、燃油锅炉模型，并引入风力发电机、太阳能集热器、电锅炉设备、储热设备、燃烧后co2碳捕集系统和co2加氢制甲醇系统模型；s2.利用拉丁超立方抽样和k-means聚类方法对场景进行生成和缩减；得到n个采样场景，基于场景采样方法将不确定性优化问题转化成确定的混合整数线性规划问题，建立混合整数线性规划模型，再进行线性规划求解；s3.以经济和低碳为系统整体优化指标，在满足各设备约束运行约束条件下对系统进行配置优化，确定系统中各装置的最佳容量及其协同运行机制，保证系统安全稳定运行。3.根据权利要求2所述乙烯工业低碳能源系统的配置优化方法，其特征在于：所述蒸汽动力系统由汽轮机t1-t7和减温减压阀l1-l3组成，汽轮机模型为：l3组成，汽轮机模型为：式中，p
t
[kw]为汽轮机输出的机械功率；分别为汽
轮机进汽、抽汽和排汽的流量；分别为汽轮机进汽、抽汽和排汽的焓值；减温减压阀模型为：减温减压阀模型为：式中，分别为减温减压阀入口、出口蒸汽的流量；分别为减温减压阀入口、出口蒸汽以及给水的焓值；所述余热回收系统，其产生的超高压蒸汽ss热量由裂解炉运行工况决定；所述燃油锅炉模型为：式中，f
f
[kg/h]，分别为锅炉消耗燃料和产生蒸汽的流量；lhv
f
[kj/kg]为燃料油的低位热值；η
ob
为锅炉效率；e
ss
[kj/kg]，e
w
[kj/kg]分别为超高压蒸汽ss和锅炉给水的焓值；所述风力发电机，其出力模型为：式中，p
wt
[kw]和为风机实际输出功率和额定功率；v[m/s]，v
r
[m/s]，v
ci
[m/s]，v
co
[m/s]分别为风机轮毂高度处的风速以及额定风速、切入风速与切出风速；所述太阳能集热器，其出力模型为：h
shc
＝s
shc
η
shc
g式中，h
shc
[kw]为太阳能集热器收集到的热量；s
shc
[m2]为太阳能集热器的面积；η
shc
为光学效率；g[kw/m2]为太阳辐射强度；为太阳能集热器产生的低压蒸汽质量流量；e
ls
[kj/kg]，e
w
[kj/kg]分别为蒸汽和水的焓值；所述电锅炉设备模型为：h
eb
＝η
eb
p
eb
式中，h
eb
[kw]为电锅炉的制热量；p
eb
[kw]为电锅炉的耗电量；η
eb
为电锅炉的效率；g[kw/m2]为太阳辐射强度；为电锅炉产生的低压蒸汽质量流量；e
ls
[kj/kg]，e
w
[kj/kg]分别为蒸汽和水的焓值；所述储热设备模型为：
式中，分别为储热设备在t和t-1时刻的容量；1时刻的容量；分别为t时刻的充、放热功率；分别为充、放热效率；所述燃烧后co2捕集系统模型为：捕集系统模型为：式中，p
pcc
[kw]，h
pcc
[kw]分别为燃烧后co2捕集系统捕集co2消耗的电量和热量；为系统捕集单位co2的电耗和热耗；为捕集co2的质量；所述co2加氢制甲醇系统模型为：加氢制甲醇系统模型为：加氢制甲醇系统模型为：式中，p
chm
[kw]为co2加氢制甲醇系统生产甲醇消耗的电功率；为系统生产单位甲醇的电耗；m
methanol
[kg]，为产出甲醇和消耗co2以及h2的质量。4.根据权利要求2所述乙烯工业低碳能源系统的配置优化方法，其特征在于：所述系统整体优化指标为：min o
all
＝o
investment
+o
maintenance
+o
energy
+o
carbon
+o
cut
+o
imbalance-o
methanol
式中，为年总成本，为年化投资成本，为运行维护成本，为能源购买成本，为碳交易成本，为热电切除惩罚成本，为功率不平衡惩罚成本，为分别为出售甲醇产品收益。5.根据权利要求4所述乙烯工业低碳能源系统的配置优化方法，其特征在于：所述年化投资成本o
investment
为：为：式中，为乙烯工业低碳能源系统中设备k的单位投资成本；r
k
[kw或kwh或t/h]为相应设备的容量；δ为投资回报率；y为设备使用寿命；r为银行利率；所述运行维护成本o
maintenance
为：式中，d为设备在一年中的运行天数；为设备k的单位运行维护成本；分别为发电设备和制热设备在t时刻的实际功率；
所述能源购买成本o
energy
为：式中，分别为燃料、电、热和氢气的购买单价，分别为t时刻购买的燃料、电、热和氢气的量；所述碳交易成本o
carbon
为：式中，为碳交易单位价格；a
t
[kg]为经过碳捕集后的实际碳排放量；e
p
[kg/kw]，e
h
[kg/kw]分别为外部购买电和热的单位碳排放强度；m
t
[kg]为t时刻的乙烯产量；cea是单位乙烯产量的碳配额；所述热电切除惩罚成本o
cut
为：式中，分别为t时刻的电力和热量切除量；分别为t时刻的电力和热量切除量；分别为相应的单位惩罚成本；所述功率不平衡惩罚成本o
imbalance
为：式中，分别为t时刻的电力和低压蒸汽不平衡量；分别为相应功率不平衡的惩罚系数；所述出售甲醇产品收益o
methanol
为：式中，为t时刻的甲醇产量；为甲醇的售价。6.根据权利要求2所述乙烯工业低碳能源系统的配置优化方法，其特征在于：所述约束条件包括机械功率和电功率平衡约束、热功率平衡约束与设备运行约束；利用matlab-yalmip-gurobi求解器对所得混合整数线性规划模型进行线性规划求解，求解系统中各装置的最佳容量及其协同运行机制。7.根据权利要求6所述乙烯工业低碳能源系统的配置优化方法，其特征在于：所述机械功率和电功率平衡约束：功率和电功率平衡约束：功率和电功率平衡约束：式中，为汽轮机i在t时刻提供的机械功率；为乙烯工厂相应的机械功率需求；为备用电动机i在t时刻提供的机械功率；为表示汽轮机运行状态的二进制变量；为风力发电机在t时刻的发电功率；为购买的电量，为切
断的电量；为电锅炉设备系统耗电量，为燃烧后co2捕集系统耗电量，为co2加氢制甲醇系统耗电量；为乙烯工厂的电负荷需求；所述热功率平衡约束：所述热功率平衡约束：所述热功率平衡约束：所述热功率平衡约束：式中，分别为乙烯工厂余热回收锅炉和燃油锅炉在t时刻产生的超高压蒸汽流量；为汽轮机ti进汽的质量流量，为汽轮机ti抽汽的质量流量，为汽轮机ti排汽的质量流量；为减温减压阀li进口蒸汽流量，为减温减压阀li进口蒸汽流量；为蒸汽的购买蒸汽负荷需求，为切除的蒸汽量蒸汽负荷需求，为乙烯工厂蒸汽负荷需求；为储热设备充如的低压蒸汽流量，为储热设备放出的低压蒸汽流量；为燃烧后co2捕集系统消耗的低压蒸汽流量；所述设备运行约束：所述设备运行约束：式中，cr为燃烧后co2捕集系统的co2捕集率；为烟气中co2质量流量，捕集到的co2质量流量。8.根据权利要求2所述乙烯工业低碳能源系统的配置优化方法，其特征在于：在风力发电机及太阳能集热器的出力模型中，风速和太阳辐射强度预测误差序列δv
t
，δg
t
服从正态分布n(μ,σ2),因此实际风速和太阳辐射强度满足：),因此实际风速和太阳辐射强度满足：式中，v
t
[m/s]为t时刻的风速；为t时刻的预测风速；δv
t
[m/s]为t时刻的风速预测偏差；g
t
[kw/m2]为t时刻的太阳辐射强度；
为t时刻的预测太阳辐射强度；δg
t
[kw/m2]为t时刻的太阳辐射强度预测偏差。9.根据权利要求8所述乙烯工业低碳能源系统的配置优化方法，其特征在于：所述风速和太阳辐射强度的预测具有不确定性，无法存在某一组决策变量使得在调度周期内电功率平衡约束完全满足，引入松弛因子对电、热平衡约束进行松弛，以此将电、热平衡等式约束松弛为不等式约束，并使用机会约束进行描述：松弛为不等式约束，并使用机会约束进行描述：式中，pr{}表示括号内事件发生的概率；为风力发电机在t时刻的发电功率；分别为购买和切断的电量；为电锅炉设备系统耗电量，为燃烧后co2捕集系统耗电量，为co2加氢制甲醇系统耗电量；为乙烯工厂的电负荷需求；为汽轮机ti排汽的质量流量；为减温减压阀l3出口蒸汽流量；为低压蒸汽的购买，为切除的蒸汽量，为乙烯工厂蒸汽负荷需求；为储热设备充入低压蒸汽流量，为储热设备放出的低压蒸汽流量；为燃烧后co2捕集系统消耗的低压蒸汽流量。10.根据权利要求9所述乙烯工业低碳能源系统的配置优化方法，其特征在于：电、热不平衡量满足：平衡量满足：式中，为系统在t时刻的电功率不平衡量；
为风力发电机在t时刻的发电功率；分别为购买和切断的电量；分别为电锅炉设备、燃烧后co2捕集系统和co2加氢制甲醇系统耗电量；为乙烯工厂的电负荷需求；为系统在t时刻的低压蒸汽不平衡量；为汽轮机ti排汽的质量流量；为减温减压阀l3出口蒸汽流量；分别为低压蒸汽的购买、切除的蒸汽量和乙烯工厂蒸汽负荷需求；分别为储热设备充、放的低压蒸汽流量；为燃烧后co2捕集系统消耗的低压蒸汽流量。

技术总结
本发明公开了一种在未来乙烯工业高质量转型发展和节能减排需求下，一种含CCUS的乙烯工业低碳能源系统及其配置优化方法。该方法通过部署可再生能源和CCUS技术，以减少乙烯工业的碳排放。在可再生出力不确定的情况下，为保证系统低碳、经济、安全运行，研究一种乙烯工业低碳能源系统的配置优化方法。利用拉丁超立方抽样和K-means聚类方法对场景进行生成和缩减，并基于场景采样方法将不确定性优化问题转化为确定的混合整数线性规划问题，再进行线性规划问题求解，得到系统中各装置的最佳容量及其协同运行机制，从而支撑系统安全稳定运行。从而支撑系统安全稳定运行。从而支撑系统安全稳定运行。


技术研发人员：吴啸 郑诚 彭诗芸 吴梓航
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/25