源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)解決方案和合成氨柔性控制研究進展2024年04月目 錄CONTENTS1源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)解決方案2合成氨柔性控制研究進展3源網(wǎng)荷儲+綠氫合成氨全流程模擬PART1源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)解決方案1.1-源網(wǎng)荷儲制氨路線1.2-源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)方案研究對象風電&光電耦合產(chǎn)電以達成最佳利用效果中間氫/氧緩沖罐投資風光棄電總量某著名企業(yè)補電投資風電/光伏投資電解槽投資8760h風電數(shù)據(jù)8760h光伏發(fā)電數(shù)據(jù)考察從風光發(fā)電到電解槽，再到氫氣儲罐，至下游裝置全流程某著名企業(yè)補電棄電投資比選1.3-源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)研究策略給定風光比例8760風電數(shù)據(jù)8760光電數(shù)據(jù)遍歷計算最佳8000工作時間產(chǎn)電產(chǎn)氫換算1給定下游預產(chǎn)氫要求2給定補棄電比3設定下游負荷上下限生成全域補/棄電&罐容數(shù)據(jù)*滿足下游裝置在上下限內(nèi)有條件波動，滿足電解槽工作上下限，風光發(fā)電到電解槽段都要進行相應的補/棄電操作調(diào)節(jié)電解槽工作上下限調(diào)節(jié)下游負荷波動率消峰填谷優(yōu)化氫罐曲線完成總任務總補/棄電任務1.3-源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)研究策略源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)計算軟件功能：在一定的預設邊界條件下，基于單位產(chǎn)品綜合投資/成本最小為目標，自動對多變量因素影響進行分析，找到合適的風/光配比、棄/補電比例、確定風光電裝機容量，電解槽容量、儲氫規(guī)模以及下游化工裝置規(guī)模（供氫量）。1.3-源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)研究策略風/光比例棄電總量在綠電總量占比補電總量在綠電總量占比風光發(fā)電總量（Gwh/年）光伏投資/億元風電投資/億元氫儲罐投資/億元綜合投資/億元全光伏12%10%748.68815.3102.2817.591:912%10%748.68813.781.551.9817.312:812%10%748.68812.253.111.817.163:712%10%748.68810.714.661.7517.124:612%10%748.6889.186.212.0517.44某項目不同風光發(fā)電比例下的綜合投資比較1.3-源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)研究策略某項目電解槽數(shù)量的經(jīng)濟性比選補電總量在綠電總量占比棄電總量在綠電總量占比產(chǎn)氫裝機容量Nm3/h光伏投資/億元風電投資/億元電解槽投資/億元氫儲罐投資/億元綜合投資/億元10%12%5000010.74.6652.5722.9310%12%5300010.74.665.32.1222.7810%12%5500010.74.665.51.9522.8110%12%6000010.74.6661.7823.1410%12%7700010.74.667.71.724.76補電總量在綠電總量占比棄電總量在綠電總量占比產(chǎn)氫裝機容量Nm3/h風光發(fā)電總量（Gwh/年）光伏投資/億元風電投資/億元電解槽投資/億元氫儲罐投資/億元綜合投資/億元10%5%53000713.03610.24.445.34.5724.5110%8%53000734.00810.54.575.32.723.0710%10%53000748.68810.74.665.32.1222.7810%12%53000763.96710.94.755.31.7222.6710%15%53000788.09311.34.95.31.422.9某項目不同棄電率的經(jīng)濟性比選1.3.1-工作區(qū)間&風光補/棄電配比本軟件可自動遍歷全時間域，進而得到各個工作時間區(qū)對應的760h發(fā)電量，方便設計人員綜合考慮自行確定最佳的工作區(qū)間對應760h發(fā)電量：A1A2A3…遍歷拋去區(qū)域：1~7602~7613~762…8001~8760下游停產(chǎn)區(qū)間本軟件可計算不同風光配比，不同的補電和棄電配比下的某著名企業(yè)補電投資、風光電投資、氫儲罐投資、電解槽投資，方便多方案比選風電比例光電比例補電比例棄電比例計算罐容綜合投資A1B1C1D1V1M1A2B2C2D2V2M2A3…B3C3D3V3M31.3.1-工作區(qū)間&風光補/棄電配比在進行所有的計算之前，首先要確定風電和光電的耦合比例（λ1、λ2），以及棄電/某著名企業(yè)補電在風電總量的占比（

β1、β2

），對于給定的下游氫氣要求產(chǎn)量μ（單位Nm3

/h），即能通過以下公式確定風電系數(shù)φ1、光電系數(shù)φ2

、棄電總量E1

、補電總量E2備注：全年工作時間設為8000h，電解槽每產(chǎn)1Nm3氫氣需要5度電全年氫要求產(chǎn)量=風光所需發(fā)電量+某著名企業(yè)補電量-棄電量=

風光+風光*

β

–風光*

β12=（1+

β2

–

β1）*風光=8000

μ*5即得到風光所需發(fā)電量，再根據(jù)：風所需發(fā)電=

λ1*風光所需發(fā)電量光所需發(fā)電=

λ

*風光所需發(fā)電量2即分別得到的風所需發(fā)電量和光所需發(fā)電量，于是：風電系數(shù)φ1=風所需發(fā)電/8000小時風電數(shù)據(jù)總量光電系數(shù)φ2=光所需發(fā)電/8000小時光電數(shù)據(jù)總量棄電總量E1=風光*β1λ1λ2λ1+

λ2=100%某著名企業(yè)補電滿足產(chǎn)氫需求1.3.2-電解槽投資的優(yōu)化采用全域補/棄電法來滿足進電解槽的瞬時上下限要求，本軟件可根據(jù)給定上下限計算出不同投資方案，方便比選電解槽上限電解槽投資風光投資綜合投資A1B1C1M1A2B2C2M2A3…B3C3M3電解槽工作上限電解槽工作下限降低上限→棄電增加風光電投資增加→電解槽投資降低求解最佳上限點使得綜合投資最小1.3.3-罐容計算策略風光發(fā)電制取綠氫系統(tǒng)儲氫與上游綠電電解水制氫、下游裝置用氫的系統(tǒng)匹配、冗余等的研究。綠氫用于下游裝置上游產(chǎn)氫氣下游消耗氫氣Nm3/hNm3/h單位時間內(nèi)的累計值產(chǎn)出‐消耗虛擬氫儲罐內(nèi)氫氣量隨時間變化初始曲線1.3.3-罐容計算策略1.3.3-罐容計算策略??:下游操作區(qū)間產(chǎn)生的罐容??:下游負荷調(diào)節(jié)速度產(chǎn)生的罐容:中間氫儲罐容積包括調(diào)節(jié)頻率及調(diào)節(jié)幅度??=

??(??,??)緩沖罐罐容是下游操作區(qū)間和上游產(chǎn)氫區(qū)間不一致產(chǎn)生罐容和下游負荷調(diào)節(jié)速度和上游產(chǎn)氫速率不匹配產(chǎn)生罐容的和已知中間緩沖罐容積的影響因素，下一步開始探究如何調(diào)節(jié)使氫儲罐容積最小？操作區(qū)間如何變化？1

5

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97上游供氫量 下游氫氣消耗15913172125293337414549535761656973778185899397101上游供氫量 下游氫氣消耗1.3.3-罐容計算策略1800001600001400001200001000008000060000400002000001

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101上游供氫量 下游氫氣消耗180000140000

①160000120000100000800006000040000200000180000140000

②160000120000100000800006000040000200000④方案1.上下游完全同步，??1

=

0

方案2.上下游一定負荷區(qū)間內(nèi)同步，??2

=

43萬1800001600001400001200001000008000060000400002000001

5

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101上游供氫量 下游氫氣消耗

③

1.3.3-罐容計算策略序號運行特點詳細情況計算罐容方案1下游和上游完全吻合理想情況，不需要中間緩沖罐0方案2下游氫消耗波動與上游一致下游裝置實時調(diào)節(jié)，下游負荷在操作區(qū)間內(nèi)的波動與上游一致43萬方案3下游氫消耗波動與上游不一致下游裝置多穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，下游負荷在操作區(qū)間內(nèi)有計劃的進行變負荷生產(chǎn)，一段時間內(nèi)負荷保持穩(wěn)定，與上游波動不一致62萬方案4下游氫消耗穩(wěn)定下游負荷一直恒定106萬如果下游裝置調(diào)節(jié)速度越快，與供氫波動情況越匹配，使下游負荷在一定范圍內(nèi)與上游供氫波動保持一致，此時能有效減少對中間氫儲罐的依賴，即中間氫儲罐的設計容積明顯減小。對于方案2雖然實現(xiàn)了下游裝置和上游供氫波動一致，但僅限于在下游裝置操作區(qū)間內(nèi)，而由于供氫量會存在為0的時刻，在預設化工生產(chǎn)裝置不停車的前提下，化工生產(chǎn)裝置無法匹配為0的時刻，即下游操作區(qū)間與供氫區(qū)間的不一致性也會產(chǎn)生罐容。實際上下游合成氨負荷變動頻率很難追上實時調(diào)節(jié)速度，即下游負荷排產(chǎn)計劃無法與上游供氫波動完全匹配，則此時中間氫儲罐的設計容積在方案2的基礎上就會有所增加，方案3是兼顧罐容和生產(chǎn)平穩(wěn)性的綜合解決方法。1.3.3-罐容計算策略一、實時變化調(diào)節(jié)：從影響罐容的因素出發(fā)，找出最優(yōu)調(diào)節(jié)方法使氫儲罐容積最小40000200000100000800006000018000016000014000012000015913172125293337414549535761656973778185899397101上游供氫量下游氫氣消耗下游上限下游下限‐300000‐250000

15913172125293337414549535761656973778185899397由之前方案②計算可知，每一組下游上下限對應一個計算罐容值，當下游負荷上下限比例確定時，即對應左上圖中的紅線相對位置不變，兩者同時上下滑動時，就能計算多個罐容值；在實際項目中（下游負荷區(qū)間為20~100%），我們將上游8760個產(chǎn)氫數(shù)據(jù)分別作為下游最大負荷，計算8760個對應緩沖罐容積（實際計算中我們進行了算法優(yōu)化），得到左下圖下游最大負荷‐罐容曲線，進而確定出使??最小時的??，即確定了最佳下游負荷區(qū)間25000020000015000010000050000

罐容

0

‐50000‐100000‐150000‐200000罐容下游最大負荷1.3.3-罐容計算策略在確定了最佳的??變量后，我們繼續(xù)加入??

變量，由于??變量已經(jīng)確定，此時罐容函數(shù)可以簡化為??

=

??(??)，此時的罐容受到下游負荷調(diào)節(jié)速度的制約考慮實際下游負荷調(diào)節(jié)情況，我們引入了下游負荷調(diào)節(jié)頻率和每小時負荷變化極限值兩個參數(shù)，來滿足實際化工裝置要求80000100000180000160000140000120000

60000 400002000001

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101上游供氫量 下游氫氣消耗??:下游負荷調(diào)節(jié)速度我們在計算程序內(nèi)巧妙嵌入了均值控頻算法：比如設定允許48小時調(diào)負荷一次，我們將全域時間按照48小時一段進行分組，每組的上游產(chǎn)氫均值作為下游負荷，當這個均值超出下游上下限時，則以邊界值作為此段分組的下游負荷值下游上限下游下限下游負荷變動無法跟上上游產(chǎn)氫速率1.3.3-罐容計算策略二、多穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)：從初始儲氫曲線出發(fā)，直接進行區(qū)間均值消峰，得到指定罐容的下游排產(chǎn)計劃1.從以上游供氫量均值作為下游負荷得到的初始氫儲量隨時間變化曲線出發(fā)，相當于在??

=

??(??,

??)函數(shù)中我們設定一個??min，通過我們自行開發(fā)設計的區(qū)間均值消峰法將曲線進行多次“削峰填谷”操作，直接一步找到能滿足??min的??,

??，以下游排產(chǎn)計劃表體現(xiàn)。削峰填谷

142717 ‐600000‐400000‐2000000200000400000600000800000

1077958 1

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97‐40000‐60000‐80000‐100000400002000008000060000‐20000159131721252933374145495357616569737781858993

97

??=

??(??,??) 給定??minPART2合成氨柔性控制研究進展2.1

合成氨柔性控制研究問題綠氫制氨的技術挑戰(zhàn)光伏發(fā)電的波動性Vs化工裝置期望的穩(wěn)定性波動性對操作費用影響的評估，涉及到工藝方案的選擇不同地區(qū)有不同的光伏發(fā)電的曲線，直接影響到項目的運行模式負荷頻繁波動對高壓合成回路尤其是氨合成塔設計的影響2.1

合成氨柔性控制研究問題序號研究內(nèi)容解決的關鍵技術問題1合成氨反應器動力學數(shù)學模型計算各負荷工況下的工藝操作條件，設計氨合成塔及內(nèi)件、確定合成氨裝置負荷調(diào)整方案2多工況工藝流程模擬及物熱平衡多工況下的設備核算，滿足各操作工況3關鍵設備工程圖（氨合成塔、內(nèi)件、廢鍋、蒸汽過熱器）關鍵設備設計4工藝流程動態(tài)模擬工藝動態(tài)模擬+APC自控技術方案2.2-合成氨柔性控制方案合成氨裝置動態(tài)模型35040045050055060000.050.10.150.20.25t

/℃yNH3平衡

最佳

BED1#操作

BED2#操作

BED3#操作0.050.10.150.20.25yNH3平衡

最佳

BED1#操作

BED2#操作

BED