(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111617864.4 (22)申请日 2021.12.27 (71)申请人 华北电力大 学 地址 102206 北京市昌平区北农路2号 (72)发明人 王玮　张光明　牛玉广　 (74)专利代理 机构 北京众合诚成知识产权代理 有限公司 1 1246 代理人 陈波 (51)Int.Cl. G06Q 10/06(2012.01) G06Q 10/04(2012.01) G06Q 50/06(2012.01) F24D 18/00(2022.01) F24D 101/10(2022.01) (54)发明名称 一种碳循环系统及其应用 (57)摘要 本发明公开了一种碳循环系统， 包括CO2产 生系统、 碳捕集装置、 电转气装置和超临界CO2发 电厂， 其中， 该碳捕集系统捕获煤炭和天然气产 生的二氧化碳， 为电转气装置和超临界CO2系统 提供碳源。 当电力系统的负荷需求较低时， 通过 碳捕集系统减少燃煤机组的最低输出， 以容纳更 多的可再生能源； 多余的可再生能源发电量将被 电转气装置所消耗。 该碳循环系统可应用到包括 新能源的综合能源系统优化调度中。 权利要求书4页 说明书7页 附图3页 CN 114282828 A 2022.04.05 CN 114282828 A 1.一种碳循环系统， 包括CO2产生子系统、 碳捕集装置、 电转气装置， 其特征在于， 其中， 所述CO2产生子系统包括以CH4为燃料的燃气轮机GT、 燃气锅炉GB， 和以煤炭为燃料的热电联 产CHP和超临界CO2发电厂； 所述碳捕集装置捕集C O2产生子系统中所产生的CO2， 具体是从包 括燃气轮机GT、 燃气锅炉GB、 热电联产CHP和超临界CO2发电厂中所产生的烟气中分离和捕 集CO2， 所述超临界CO2发电厂采用S ‑CO2机组发电； 所被捕集的CO2一部分进入超临界CO2发电 厂中作为补充工作液， 一部分进入电转气装置P2G； 所述碳循环系统被用于综合能源系统 中， 该综合能源系统包括 发电装置、 供热装置以及能源转换装置， 所述 发电装置包括风电或 光伏的新能源发电装置、 燃气轮机、 燃气锅炉、 热电联产和超临界CO2发电厂； 当所述新能源 发电装置出力较高时， 所述碳循环系统中 的电转气装置P2 G利用过剩的电力将一部分CO2还 原成CH4并送至燃气轮机GT或燃气锅炉GB作为燃料。 2.一种将权利要求1所述碳循环系统用于综合 能源系统优化调度的方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 步骤1、 建立CO2产生过程模型： 将发电过程中所产生的CO2的来源指定为天然气和煤； 对 于天然气发电过程， 将燃气轮机和燃气锅炉的输出表征为如式(1)所示： 其中P和H分别为机组的电功率和热功率输出， n为电或热的生产效率， Q为天然气的消 耗速率， hNG为天然气热值。 上标GT和GB分别代表燃气轮机和燃气锅炉， 下标i和j分别是燃气 轮机和燃气锅炉的序列号； 将第i台燃气轮机 和第j台燃气锅炉 的二氧化碳排放量表征为如式(2)所 示： 其中， 为甲烷的密度， 与 分别为二氧化碳和甲烷的分子量； 将燃煤过程所产生的CO2表征为如式(3)、 式(4)所示： 其中， 与 分别为第k台热电联产CHP机组的碳排 放系数， 分别为第l台S ‑CO2机组的碳 排放系数； 从而将整个燃烧过程所产生的CO2排放量表征为如式(5)所示： 步骤2、 构建二氧化 碳捕集过程模型： 将碳捕集装置的功率消耗表示 为如式(6)所示： 其中， α 为碳捕集系统的能量消耗速率； 将经碳捕集后， 排入大气中的CO2量表示为如式权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114282828 A 2(7)所示： 其中，CCS为碳捕集装置的运行效率； 步骤3、 将所捕集到的CO2直接利用或封存， 分别表示为 和 将他们二者之间 的关系表示 为如式(8)所示： 其中， g为CO2利用与封存之间的比例； 被利用的CO2一部分用于通过所述电转气 装置P2G生成天然气CH4， 另一部分进入所述超 临界CO2发电厂作为补充工质， 其中所述超临界CO2发电厂为S ‑CO2装置； 通过所述电转气装 置P2G生成天然气CH4的过程包括两个 阶段， 即电解水过程和甲烷化反应过程， 其中电解水 产生的氢气的流 量 与所述电转气装置P2G的功率消耗PtP2G满足如式(9)所示关系： 其中， β 为电解水制氢产生的速率； 在所述甲烷化反应过程中， 所述电转气装置P2G消耗的CO2量 和所产生的CH4量 量满足如式(10)所示关系： 在甲烷化过程会释放热能， 所释放的热能被用于供热； 假设所释放的热能用于供热的 比例是 ηP2G2H， 则将所述电转气装置P2G供 热的总热功率 表示为如式(1 1)所示： 其中， γ为甲烷 化反应产生单位甲烷所释放的热量； 在第l台超临界CO2机组运行中， 补充工质的流量 与第l台超临界CO2机组的输出 功率 满足如式(12)所示关系： 其中， δ 为超临界CO2机组单位电功率所需的补充工质流 量； 所述电转气装置P2G和超临界CO2发电装置的CO2来源一部分由所述碳捕集装置提供， 另 一部分从外界购入， 表示 为如式(13)所示 式中， 为外界购入的CO2质量流量， 为所述碳捕集装置所提供的CO2质量流 量。 步骤4、 计算综合能源系统运行成本： 将所述综合能源系统运行成本定义为包括燃煤和权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114282828 A 3