源网荷储系统解决方案和合成氨柔性控制研究进展

2024年04月1源网荷储系统解决方案12合成氨柔性控制研究进展23源网荷储3源网荷储+绿氢合成氨全流程模拟 1.1-源网荷储制氨路线 1.2-8760h风电数据风光弃电总量风光弃电总量风电风电&光电耦合产电以达成最佳利用效果风电/风电/光伏投资1.3-源网荷储系统研究策总补/总补/弃电任务87608760风电数据调节电解槽工作上下限调节电解槽工作上下限调节下游负荷波动率给定风光比例遍历计算最佳8000工作时间1给定下游预产氢要求2给定补弃电比调节下游负荷波动率给定风光比例遍历计算最佳8000工作时间3设定下游负荷上下限8760光电数据消峰填谷优化氢罐曲线8760光电数据消峰填谷优化氢罐曲线生成全域补生成全域补/弃电&罐容数据 1.3-源网荷储系统研究策源网荷储系统计算软件功能：源网荷储系统计算软件功能：在一定的预设边界条件下，基于单位产品综合投资/成本最小为目标，自动对多变量因素响进行分析，找到合适的风/光配比、弃/补电比例、确定风光电装机容量，电解槽容量、储氢规模以及下游化工装置规模（供氢量）。1.3-源网荷储系统研究策某项目不同风光发电比例下的综合投资比较风光发电总量748.6880748.688748.688748.6884.66748.6881.3-源网荷储系统研究策某项目电解槽数量的经济性比选产氢装机容量Nm3/h综合投资/亿元500004.665530004.66550004.66600004.666770004.66某项目不同弃电率的经济性比选Nm3/h53000713.0364.444.5753000734.0084.5753000748.6884.6653000763.9674.7553000788.0931.3.1-工作区间&风光补/弃电配下游停产区间本软件可计算不同风光配比，不同的补电和弃电配比下的电网补电投资、风光电投资、氢储罐投资、电解槽投资，方便多方案比选本软件可自动遍历全时间域，进而得到各个工作时间区对应的下游停产区间本软件可计算不同风光配比，不同的补电和弃电配比下的电网补电投资、风光电投资、氢储罐投资、电解槽投资，方便多方案比选本软件可自动遍历全时间域，进而得到各个工作时间区对应的760h发电量，方便设计人员综合考虑自行确定最佳的工作区间1~7602~7613~762…A1A2A3…8001~8760风电比例光电比例补电比例弃电比例计算罐容A1A2A3…1.3.1-工作区间&风光补/弃电配下游氢气要求产量μ（单位Nm3/h），即能通过以下公式确定风电系数φ1、光电系数φ2、弃电总量E1、补电总量E2备注：全年工作时间设为8000h，电解槽每产1Nm3氢气需要5度电1λ1λ1λ2λ2 1.3.2-电解槽投资的优化采用全域补/弃电法来满足进电解槽的瞬时上下限要求，本软件可根据给定上下限计算出不同投资方案，方便比选采用全域补/弃电法来满足进电解槽的瞬时上下限要求，本软件可根据给定上下限计算出不同投资方案，方便比选风光投资综合投资A1A2A3… 1.3.3-罐容计算策略风光发电制取绿氢系统储氢与上游绿电电解水制氢、下游装置用氢的系统匹配、冗余等的研究。1.3.3-罐容计算策略上游产氢气下游消耗氢气Nm3/hNm3/h单位时间内的累计值产出‐消耗上游产氢气下游消耗氢气Nm3/hNm3/h单位时间内的累计值产出‐消耗虚拟氢储罐内氢气量随时间变化初始曲线 1.3.3-罐容计算策略x:x:下游操作区间产生的罐容y:下游负荷调节速度产生的罐容缓冲罐罐容是下游操作区间和上游产氢区间不一致产生罐容和下游负荷调节速度和上游产氢速率不匹配产生罐容的和包括调节频率及调节幅度包括调节频率及调节幅度操作区间如已知中间缓冲罐容积的影响因素，下一步开始探究如何调节使氢储罐操作区间如已知中间缓冲罐容积的影响因素，下一步开始探究如何调节使氢储罐容积最小？ 1.3.3-罐容计算策略0015915900方案1.上下游完全同步，V方案1.上下游完全同步，V1=0 0方案方案2.上下游一定负荷区间内同步，V2=43万方案方案3.上下游一定负荷区间内不同步，V3=62万 1.3.3-罐容计算策略序号运行特点详细情况计算罐容方案1下游和上游完全吻合理想情况，不需要中间缓冲罐0方案2下游氢消耗波动与上游一致下游装置实时调节，下游负荷在操作区间内的波动与上游一致43万方案3下游氢消耗波动与上游不一致下游装置多稳态调节，下游负荷在操作区间内有计划的进行变负荷生产，一段时间内负荷保持稳定，与上游波动不一致62万方案4下游氢消耗稳定下游负荷一直恒定106万1.如果下游装置调节速度越快，与供氢波动情况越匹配，使下游负荷在一定范围内与上游供氢波动保持一致，此时能有效减少对中间氢储罐的依赖，即中间氢储罐的设计容积明显减小。2.对于方案2虽然实现了下游装置和上游供氢波动一致，但仅限于在下游装置操作区间内，而由于供氢量会存在为0的时刻，在预设化工生产装置不停车的前提下，化工生产装置无法匹配为0的时刻，即下游操作区间与供氢区间的不一致性也会产生罐容。3.实际上下游合成氨负荷变动频率很难追上实时调节速度，即下游负荷排产计划无法与上游供氢波动完全匹配，则此时中间氢储罐的设计容积在方案2的基础上就会有所增加，方案3是兼顾罐容和生产平稳性的综合解决方法。1.3.3-罐容计算策略一、实时变化调节：从影响罐容的因素出发，找出最优调节方法使氢储罐容积最小 40000 !!0159159AA1591590厂A罐容虚拟氢储罐容积随下游合成氨装置负荷变化曲线由之前方案②计算可知，每一组下游上下限对应一个计算罐容值，当下游负荷上下限比例确定时，即对应左上图中的红线相对位置不变，两者同时上下滑动时，就能计算多个罐容），），1.3.3-罐容计算策略在确定了最佳的x变量后，我们继续加入y变量，由于x变量已经确定，此时罐容函数可以简化为v=f(y)，此y:下游y:下游负荷调节速度考虑实际下游负荷调节情况，我们引入了下游负荷调节频率和每小时负荷变化极限值两个参数，来满足实际化工装置要求 120000800000我们在计算程序内巧妙嵌入了均值控频算法：比如设定允许48小时调负荷一次，我们将全域时间按照48小时一段进行分组，每组的上游产氢均值作为下游负荷，当这个均值超出下游上下限时，则以边界值作为此段分组的下游负荷值1.3.3-罐容计算策略二、多稳态调节：从初始储氢曲线出发，直接进行区间均值消峰，得到指定罐容的下游排产计划v=f(x,y)AA削峰填谷AA01.从以上游供氢量均值作为下游负荷得到的初始氢储量随时间变化曲线出发，相当于在v=f(x,y)函数中我们设定一个vmin，通过我们自行开发设计的区间均值消峰法将曲线进行多次“削峰填谷”操作，直接一步找到能满足vmin的x,y，以下游排产计划表体现。2.1合成氨柔性控制研究问题绿氢制氨的技术挑战光伏发电的波动性Vs化工装置期望的稳定性波动性对操作费用影响的评估，涉及到工艺方案的选择不同地区有不同的光伏发电的曲线，直接影响到项目的运行模负荷频繁波动对高压合成回路尤其是氨合成塔设计的影响2.1合成氨柔性控制研究问题序号研究内容解决的关键技术问题1合成氨反应器动力学数学模型计算各负荷工况下的工艺操作条件，设计氨合成塔及内件、确定合成氨装置负荷调整方案2多工况工艺流程模拟及物热平衡多工况下的设备核算，满足各操作工况3关键设备工程图（氨合成塔、内件、废锅、蒸汽过热器）关键设备设计4工艺流程动态模拟工艺动态模拟+APC自控技术方案2.2-合成氨柔性控制方合成氨装置动态模型合成氨装置动态模型yNH3yNH30.250.2yNH3yNH30.250.20.10.0500.250.052.2-合成氨柔性控制方平衡温度最佳温度平衡温度最佳温度BED1#操作温度BED2#操作温度BED3#操作温度平衡温度最佳温度平衡温度最佳温度BED1#操作温度BED2#操作温度BED3#操作温度0.250.25BED1#操作温度BED2#操作温度0.250.25BED3#操作温度0.20.2-0.2yNHyNH..015-015--"yNHyNH..33330.050.05负荷1负荷2荷下0.050.05负荷1负荷2合成反应曲线0350400450500550600t合成反应曲线0350400450500550600t/℃350400450500550600t/℃平衡温度最佳温度BED1#操作温度BED2#操作温度BED3#操作温度负荷3350400450500