环境污染与能源短缺问题加速了低碳化、能源清洁化的全球发展趋势，为实现“碳达峰、碳中和”的目标，多能互补互济、多源协同优化综合能源系统（IES）会成为缓解能源供需矛盾、提升能源转换能力的关键研究方向。
目前，大多数研究中以燃气机组作为IES核心供能单元，燃气机组的运行低碳性与灵活性直接影响IES的碳排放水平与灵活运行。因此，需从减碳改造与热电解耦两个方面提升燃气机组的运行性能。
碳捕集与储存（CCS）技术是降低常规机组碳排量的关键技术。其中，部分学者采用燃烧后捕集技术对燃气机组进行低碳化改造，但存在设备占地面积大、捕集能力弱及捕集成本高的缺点，适用于火电机组。燃烧前捕集技术需对机组进行较大改造，适用性较低。富氧燃烧捕集技术综合燃烧前捕集技术与燃烧后捕集技术的优势，对机组发电流程影响小，碳捕集能力强，但对燃料本身的清洁性要求较高，适用于燃气机组，具有较好的发展前景。
当前国内外主要针对富氧燃烧技术的经济性及运行特性进行研究。但是相关文献仅探讨了技术本身，并未将富氧燃烧技术与综合能源系统低碳运行问题相结合；此外，富氧燃烧技术需要创造高氧环境，具有较高的制氧成本，拓宽氧气来源成为降低制氧成本的关键途径。而电转气设备作为IES中重要的能量耦合设备，其运行过程中产生大量的高纯度氧气未有效利用，可为拓宽氧气来源提供思路。
目前对电转气设备的研究集中于精细化建模、可再生能源消纳及减碳效益等问题。相关研究均验证了电转气设备参与IES运行时可降低碳排放与运行成本，但忽略了电转气反应过程的强放热过程及附带产物氧气，未有效挖掘电转气设备的运行价值。
综合能源系统电热需求规律不同，燃气机组“以热定电”的运行限制无法满足多种能量需求。光热电站是一种配有大容量储热系统的新型太阳能发电形式，存在“热-电”能量转换环节，能够作为电能和热能的枢纽实现电热耦合协调运行，具有灵活可控、运行稳定的优越性能。因此具备辅助传统机组实现多能联供及热电解耦的潜力。
目前，部分学者利用光热电站的灵活可控性以提高间歇性新能源的消纳空间；还有学者将光热电站引入IES中，以含电转热装置的光热电站充当热电联供核心机组，结合电转气设备实现电热气多能联供，从而提高IES的低碳稳定运行与多能灵活转换能力，但研究中光热电站的运行本质仍为热电分离，未能有效利用汽轮机组产生的余热蒸汽，能量综合利用率较低。此外，以上文献均未挖掘光热电站实现常规机组热电解耦的潜力。
针对传统机组的运行约束及环境污染问题，北京交通大学电气工程学院的贠韫韵、张大海等学者，引入富氧燃烧捕集技术对燃气机组进行改造，配置含热回收器的光热电站实现热电解耦与辅助供能，并结合电转气设备、燃气锅炉等能量转换设备组成综合能源系统，提出一种电热气综合能源系统低碳优化方法。该方案可兼顾减碳效果与运行效益，不仅可以提高燃气机组的运行调节能力与电转气设备的运行潜力，提升系统的运行效益，而且可以有效降低环境污染与制氧能耗。
图1 电热气综合能源系统结构
他们发现，引入富氧燃烧捕集技术与光热电站可以满足系统内部的多能需求，实现了多种能量的双向转换，提高了系统的运行灵活性，具有较好的减碳效果与经济性。此外，配置热回收器的光热电站可实现“热电联供”，拓展了储热系统的储热来源，提高了光热电站的热能时移能力与能量利用效率；同时，热回收器与光热电站结合可以实现电站内部的热能循环流动，提高了其运行灵活性。
图2 光热电站架构
研究者指出，燃气机组引入富氧燃烧捕集技术可以提高其出力调节范围，有效降低了碳排量，且其与电转气联合运行可实现系统内部的碳资源循环利用，提高了系统的低碳运行能力。电转气设备具备多种供能潜力，其降碳特性也可提升系统的碳交易收益；同时，当电转气运行效率提升时，系统的运行成本与燃气机组制氧能耗也缓慢下降，说明电转气设备运行效率的提升可进一步提升系统的运行经济效益。
图3 富氧燃烧捕集机组能流
另外，光照条件的变化对光热电站的供电/热能力及能量的时移能力具有明显的影响，从而影响了系统内热电联供核心机组的运行计划，导致系统的购气量及运行成本发生变化。
图4 光热电站与富氧燃烧捕集机组联合供热原理
研究者最后表示，本次研究中未采用IEEE节点测试系统进行验证，所以未考虑电热气的网络安全约束，此处对其进行定性分析。电能传输速率极快，一般考虑线路功率传输限制，而线路传输功率约束需要大于负荷功率需求，因此电力网络约束对系统的经济运行影响较小。
另外，他们指出，热能与天然气的传输速率较慢，一般可达到小时级，则热网与气网需要考虑网络传输延时特性（即管存特性）与传输损耗，而热网与气网传输时损耗较小，管存特性更为明显，热网的管存特性拓宽系统的储热渠道，气网的管存特性与电转气设备配合可提高风电的消纳能力。因此，热网及气网的管存特性可提高系统的运行灵活性，电力约束对系统影响很小。
本工作成果发表在2023年第24期《电工技术学报》，论文标题为“考虑光热电站及富氧燃烧捕集技术的电热气综合能源系统低碳运行优化”。本课题得到国家自然科学基金的支持。
