張曉光 葉 茂 雷馬平

1. 西安航天動(dòng)力研究所, 陜西 西安 710100;2. 中國(guó)兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所, 北京 100089

0 前言

近年來(lái),我國(guó)風(fēng)力發(fā)電延續(xù)平穩(wěn)快速增長(zhǎng)勢(shì)頭,裝機(jī)容量和發(fā)電量不斷攀升。隨著我國(guó)對(duì)清潔能源需求的持續(xù)增加,風(fēng)力發(fā)電具有更加廣闊的發(fā)展前景。但風(fēng)力發(fā)電也有受天氣影響的明顯缺點(diǎn),風(fēng)力發(fā)電量的不穩(wěn)定性對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)峰能力構(gòu)成了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。因此,很多時(shí)候我國(guó)不得已采用“棄風(fēng)限電”策略,造成了風(fēng)電的較大浪費(fèi)[1-3]。如何解決“棄風(fēng)限電”難題對(duì)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)至關(guān)重要。

針對(duì)上述問(wèn)題,將風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)氫注入天然氣管網(wǎng)存儲(chǔ)具有解決風(fēng)力發(fā)電較大波動(dòng)性的可能,即基于天然氣管網(wǎng),利用富裕風(fēng)電電解水產(chǎn)氫,并將之注入到管網(wǎng)中儲(chǔ)存,實(shí)現(xiàn)部分替代天然氣的作用,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)富裕風(fēng)電的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。Haeseldonckx D等人分析了天然氣管網(wǎng)儲(chǔ)氫的可行性及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性[4-5]。Tabkhi F等人仿真分析了儲(chǔ)氫對(duì)天然氣管網(wǎng)相關(guān)特性的影響,指出儲(chǔ)氫會(huì)造成管網(wǎng)能量特性降低[6]。Melaina M W等人詳細(xì)說(shuō)明了天然氣管網(wǎng)儲(chǔ)氫所面臨的兼容性、安全性、泄漏量及分離提取技術(shù)等關(guān)鍵問(wèn)題[7-9]。黃明、吳嫦等人通過(guò)計(jì)算指出提高輸送壓力可保證儲(chǔ)氫管道輸出功率不變[10-11]。Guandalini G等人基于電解水產(chǎn)氫和單根管路模型,對(duì)天然氣管網(wǎng)儲(chǔ)氫技術(shù)可行性進(jìn)行了分析[12-14]。

以上研究主要對(duì)天然氣管網(wǎng)儲(chǔ)氫能力進(jìn)行宏觀分析,缺少對(duì)實(shí)際復(fù)雜管網(wǎng)情況的考慮。本文基于實(shí)際天氣數(shù)據(jù)、風(fēng)力發(fā)電模型、電解水制氫模型及實(shí)際復(fù)雜天然氣管網(wǎng)模型,完成了富裕風(fēng)電產(chǎn)氫注入天然氣管網(wǎng)的建模仿真,考察了產(chǎn)氫注入對(duì)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的氣體組分、壓力、流量、輸運(yùn)功率的影響;在保證用戶(hù)節(jié)點(diǎn)能量需求的前提下,將儲(chǔ)氫工況下管網(wǎng)整體的天然氣節(jié)省量作為可行性指標(biāo),從能量轉(zhuǎn)化角度評(píng)估天然氣管網(wǎng)儲(chǔ)存富裕風(fēng)電產(chǎn)氫的可行性。

1 仿真模型與計(jì)算方法

1.1 富裕風(fēng)電產(chǎn)氫注入天然氣管網(wǎng)仿真模型

為從能量轉(zhuǎn)換角度評(píng)估富裕風(fēng)電產(chǎn)氫注入天然氣管網(wǎng)的可行性,進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真。靜態(tài)仿真僅針對(duì)天然氣管網(wǎng)靜態(tài)儲(chǔ)氫能力進(jìn)行分析,而動(dòng)態(tài)仿真則在考慮天氣因素和當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)容量的基礎(chǔ)上進(jìn)行棄風(fēng)量、電解水產(chǎn)氫量和天然氣管網(wǎng)儲(chǔ)氫動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算,仿真流程見(jiàn)圖1。

圖1 富裕風(fēng)電產(chǎn)氫注入天然氣管網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真流程圖

1.2 棄風(fēng)量計(jì)算模型

棄風(fēng)量Wwpc計(jì)算公式[15]:

(1)

式中:Wwpc為棄風(fēng)量，W;Wwp為風(fēng)力發(fā)電量,W;Wrl為當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)最大接入負(fù)載,W。

Wrl一方面由電網(wǎng)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)確定,另一方面受實(shí)際政策對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電方式傾斜的影響。本文不考慮政策調(diào)整的影響,將Wrl視為僅與電網(wǎng)設(shè)計(jì)相關(guān)的固定值。Wwp主要與當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r和風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電能力有關(guān)。當(dāng)?shù)靥鞖鈹?shù)據(jù)包含溫度、濕度和風(fēng)速等,這里簡(jiǎn)化處理,僅將風(fēng)速視為主要影響參量。風(fēng)電渦輪輸出功率Wwt與風(fēng)速vw的關(guān)系見(jiàn)圖2。風(fēng)電渦輪啟動(dòng)風(fēng)速vci、額定風(fēng)速vr和停機(jī)風(fēng)速vco分別為3.5、14和25 m/s。Wwt和vw在啟動(dòng)風(fēng)速至額定風(fēng)速區(qū)間內(nèi)呈非線性關(guān)系,為簡(jiǎn)化計(jì)算,將其線性化處理為式(2)[15]:

(2)

式中：Wwtr為風(fēng)電渦輪額定輸出功率，W。

圖2 典型風(fēng)電輸出曲線圖

1.3 電解水產(chǎn)氫計(jì)算模型

電解水產(chǎn)氫技術(shù)主要有Alkaline和PEM(質(zhì)子交換膜)兩種。Alkaline是目前最成熟的工業(yè)化制氫技術(shù),但因安全原因無(wú)法在低于額定功率20%以下工作,而風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性和波動(dòng)性特點(diǎn),因此本文不考慮Alkaline技術(shù)。PEM是近期發(fā)展的制氫技術(shù),雖然效率較Alkaline低,但可在全功率范圍內(nèi)工作而不產(chǎn)生安全問(wèn)題。PEM產(chǎn)氫計(jì)算模型采用Electrolyzer model A,見(jiàn)式(3)[16-17]。該模型不考慮溫度和壓力影響,精度對(duì)于工程計(jì)算足夠。

(3)

式中:nH2為產(chǎn)氫氣量,mol/s;nC為PEM組元數(shù)；IEZ為PEM電解電流,A;F為Faraday常數(shù),C/mol;ηF為Faraday效率。

1.4 天然氣管網(wǎng)流動(dòng)過(guò)程仿真模型

天然氣管網(wǎng)流動(dòng)過(guò)程仿真模型包含連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程及氣體狀態(tài)方程[18]:

(4)

式中:A為管道橫截面積,m2;d為管道內(nèi)徑,m;為時(shí)間,s;s為各路高程,m;λ為管段水力摩阻系數(shù);g為重力加速度,m/s2;x為距管段起點(diǎn)的距離,m;Q為在[0,x]管段中氣流向周?chē)h(huán)境的散熱量,W;p為氣體絕對(duì)壓力,Pa;ρ為氣體密度,kg/m3;w為氣體流速,m/s;u為單位質(zhì)量氣體內(nèi)能,J/kg;T為氣體絕對(duì)溫度,K;R為通用氣體常數(shù),J/(kg·K);Z為氣體壓縮因子。

這里,忽略高程s和散熱量Q的影響,認(rèn)為管網(wǎng)均處于同一水平面,且其中氣體溫度保持均一。氣體壓縮因子Z為壓力、溫度及組分的函數(shù),由于管網(wǎng)儲(chǔ)氫率較低(≤20%),可將Z視為常量,這里取0.99。

由于氫氣注入會(huì)改變管網(wǎng)氣體組分,進(jìn)而影響其能量特性,這里引入輸運(yùn)功率WTran以綜合描述氣體能量特性[10]:

WTran=QNHN

(5)

式中:WTran為輸運(yùn)功率，W;QN為管道標(biāo)況(101 325 Pa,288 K)等效流量,m3/h;HN為標(biāo)況氣體熱值,J/m3。

引入理論節(jié)省天然氣標(biāo)況等效流量,QSave_theory和實(shí)際節(jié)省天然氣標(biāo)況等效流量,QSave_real,以評(píng)估管網(wǎng)儲(chǔ)氫的實(shí)際可行性,見(jiàn)(6)、(7):

(6)

QSave_real=QGas0-QGas_H2

(7)

式中:(QH2)N為管網(wǎng)中氫氣標(biāo)況等效總流量,m3/h;QGas0、QGas_H2分別為管網(wǎng)中非儲(chǔ)氫工況、儲(chǔ)氫工況天然氣標(biāo)況等效總流量,m3/h;HH2、HGas分別為氫氣、天然氣標(biāo)準(zhǔn)熱值，J/m3。

可見(jiàn),QSave_theory的物理意義為管網(wǎng)注入氫氣總熱值換算成等熱值的天然氣流量,而,QSave_real為非儲(chǔ)氫工況與儲(chǔ)氫工況管網(wǎng)注入天然氣的流量差值。仿真計(jì)算中,須以保持用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的能量需求WTran為前提,以QSave_theory和QSave_real來(lái)評(píng)價(jià)管網(wǎng)儲(chǔ)氫的優(yōu)劣。

本文天然氣管網(wǎng)流動(dòng)過(guò)程仿真計(jì)算采用Pipeline Studio軟件中的TGNET模塊，驗(yàn)證算例管網(wǎng)模型見(jiàn)圖3[19]。所采用的天然氣主要組分為96.5%(體積分?jǐn)?shù))甲烷、1.82%乙烷、0.46%丙烷、0.10%異丁烷、0.10%正丁烷等。分別設(shè)置管道效率100%和90%,計(jì)算各用戶(hù)節(jié)點(diǎn)壓力見(jiàn)圖4,與文獻(xiàn)結(jié)果均較為接近,且分布變化趨勢(shì)一致,最大偏差≤2.8%,表明本文所采用的天然氣管網(wǎng)儲(chǔ)氫仿真計(jì)算方法具有較高精度。為進(jìn)一步提高仿真精度,將管道效率設(shè)為96%,使最大偏差≤1.5%。

圖3 仿真驗(yàn)證算例管網(wǎng)模型圖

圖4 仿真驗(yàn)證算例計(jì)算結(jié)果曲線圖

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)仿真分析

靜態(tài)仿真主要對(duì)穩(wěn)態(tài)儲(chǔ)氫工況下天然氣管網(wǎng)的流量、壓力、組分和熱值等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,初步開(kāi)展管網(wǎng)基本性能和儲(chǔ)氫影響分析,為風(fēng)力發(fā)電與管網(wǎng)儲(chǔ)氫聯(lián)合動(dòng)態(tài)仿真奠定基礎(chǔ)。計(jì)算過(guò)程為:

1)非儲(chǔ)氫管網(wǎng)靜態(tài)仿真,獲得各用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的天然氣組分、壓力和流量等基本參數(shù)。

2)保證管網(wǎng)輸入總能量不變,設(shè)置氫氣輸入量進(jìn)行仿真,獲得各用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的氣體組分、壓力和流量等基本參數(shù)。

3)詳細(xì)對(duì)比1)、2)步驟中各用戶(hù)節(jié)點(diǎn)輸運(yùn)功率,對(duì)管網(wǎng)天然氣輸入量和氫氣輸入量進(jìn)行調(diào)整,反復(fù)迭代。

4)重復(fù)步驟3)直至總輸運(yùn)功率差≤0.5%,各用戶(hù)節(jié)點(diǎn)最大輸運(yùn)功率差≤1.0%,計(jì)算完成。

天然氣管網(wǎng)流量會(huì)隨著用戶(hù)消耗量的改變而調(diào)整,并不是一個(gè)恒定值。這里,重點(diǎn)分析管網(wǎng)低谷和高峰兩種情況,總流量分別為最大流量的33%和100%。

靜態(tài)仿真采用的管網(wǎng)模型為中壓區(qū)域管網(wǎng),儲(chǔ)配氣站出口最大壓力0.5 MPa,允許最低壓力0.2 MPa,見(jiàn)圖5。該管網(wǎng)包括4個(gè)儲(chǔ)配氣站點(diǎn)、8個(gè)集中用戶(hù)節(jié)點(diǎn),其中Supply 0001/0002為天然氣輸入點(diǎn),Supply 0003/0004為氫氣輸入點(diǎn)。非儲(chǔ)氫工況下,Supply 0001/0002出口壓力均為0.4 MPa,天然氣流量分別為961 m3/h和706 m3/h;儲(chǔ)氫工況下,Supply 0003/0004氫氣輸入量按照Supply 0001/0002天然氣輸入量比值進(jìn)行分配。

圖5 靜態(tài)儲(chǔ)氫仿真計(jì)算采用的管網(wǎng)模型圖

氫氣注入天然氣管網(wǎng)可能導(dǎo)致管道材料氫脆和氫氣漏率大等問(wèn)題。管道儲(chǔ)氫率φH2(氫氣所占體積分?jǐn)?shù))≤22%,氫脆問(wèn)題可不予考慮,φH2≤20%則漏率可忽略[7]。此外,考慮到燃?xì)獾幕Q性,要求儲(chǔ)氫后氣體的華白數(shù)和燃燒勢(shì)變化幅度為±10%,這就要求儲(chǔ)氫率φH2≤17%[10]。綜合上述因素,為充分考慮儲(chǔ)氫率對(duì)管網(wǎng)的影響,本文選取φH2≤20%。

天然氣和氫氣標(biāo)況熱值分別為38.42、12.08 MJ/m3?？梢?jiàn),如果管網(wǎng)壓力保持不變,摻混氫氣必然造成單位體積下燃?xì)饽芰刻匦缘慕档?。為保持用?hù)節(jié)點(diǎn)的總熱值不變,可考慮采用定壓力變流量策略和變壓力定流量?jī)煞N管道輸運(yùn)策略。

2.1.1 定壓力變流量策略靜態(tài)仿真分析

圖6 采用定壓力變流量策略時(shí)低谷情況下不同用戶(hù)節(jié)點(diǎn)所需流量隨管網(wǎng)儲(chǔ)氫率的變化曲線圖

圖7 采用定壓力變流量策略時(shí)低谷情況下天然氣節(jié)省量隨管網(wǎng)儲(chǔ)氫率的變化曲線圖

保持Supply 0001/0002出口壓力0.4 MPa,通過(guò)增加天然氣流量的方式來(lái)保證用戶(hù)節(jié)點(diǎn)能量需求,進(jìn)行定壓力變流量策略靜態(tài)仿真分析。低谷情況下不同用戶(hù)節(jié)點(diǎn)所需流量隨管網(wǎng)儲(chǔ)氫率的變化見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn),隨著儲(chǔ)氫率不斷增加,各用戶(hù)節(jié)點(diǎn)所需流量也不斷增加,如儲(chǔ)氫率上升至17.6%,各用戶(hù)節(jié)點(diǎn)流量增加約13.7%～13.8%。低谷情況下天然氣節(jié)省量隨管網(wǎng)儲(chǔ)氫率的變化見(jiàn)圖7，由圖7可見(jiàn)，隨著儲(chǔ)氫率增加,QSave_real也在不斷增加,但其數(shù)值略低于QSave_theory，當(dāng)儲(chǔ)氫率為17.6%時(shí),QSave_real達(dá)到了413.8 m3/h，表明天然氣管網(wǎng)具有一定的儲(chǔ)氫能力,并可實(shí)現(xiàn)天然氣能源的節(jié)省。

［本刊訊］2012年上海市護(hù)理學(xué)會(huì)團(tuán)體與個(gè)人會(huì)費(fèi)繳納工作已于本月啟動(dòng)。入會(huì)人員需將“會(huì)員信息一覽表”按樣張格式采用Excel電子文檔統(tǒng)一錄入信息，并在繳納會(huì)費(fèi)時(shí)將電子版與紙質(zhì)打印版會(huì)員信息一并上交備案。集中辦理時(shí)間:2012年3月27日—28日上午9:00—11:00，下午1:30—3:30，地點(diǎn):上海市膠州路358弄1號(hào)605室。凡交納2012年個(gè)人會(huì)費(fèi)者可享受會(huì)員免費(fèi)講座2次。逾期未繳納者，請(qǐng)于2012年4月1日—4月30日內(nèi)每周二至上海市護(hù)理學(xué)會(huì)(北京西路1623號(hào)203室)辦理。咨詢(xún)電話:021－62580348。

圖8 采用定壓力變流量策略時(shí)高峰情況下不同用戶(hù)節(jié)點(diǎn)所需流量隨管網(wǎng)儲(chǔ)氫率的變化曲線圖

圖9 采用定壓力變流量策略時(shí)高峰情況下天然氣節(jié)省量隨管網(wǎng)儲(chǔ)氫率的變化曲線圖

高峰情況下不同用戶(hù)節(jié)點(diǎn)所需流量隨管網(wǎng)儲(chǔ)氫率的變化見(jiàn)圖8，與低谷情況類(lèi)似,各用戶(hù)節(jié)點(diǎn)所需流量也隨儲(chǔ)氫率增加而增加。儲(chǔ)氫率上升至17.5%時(shí),各用戶(hù)節(jié)點(diǎn)流量增加比例差異較大:最高為Delievery 0007,達(dá)到14.8%;最低為Delievery 0001,僅13.8%。這主要是因?yàn)殡S著天然氣流量增加,有限的管網(wǎng)運(yùn)輸能力阻礙了管網(wǎng)中氫氣組分的均勻分布見(jiàn)圖9。圖9表明,高峰情況下QSave_real也隨儲(chǔ)氫率增加而增加。儲(chǔ)氫率增加至17.5%時(shí),管網(wǎng)天然氣節(jié)省量為 1 108.4 m3/h。但在較高儲(chǔ)氫率情況下,QSave_real明顯低于,QSave_theory,且差值隨儲(chǔ)氫率增加而增大。這是因?yàn)樵趦?chǔ)配氣站出口壓力保持不變的情況下,WTran隨著儲(chǔ)氫率增加而降低,為保證節(jié)點(diǎn)用戶(hù)熱值需求,須進(jìn)一步增加天然氣輸入量,從而導(dǎo)致,QSave_real低于,QSave_theory;而管網(wǎng)輸運(yùn)能力有限,能量損失隨天然氣流量增加而加劇,進(jìn)一步放大了QSave_real與QSave_theory的差值。綜上,受制于管網(wǎng)輸運(yùn)能力和能量損失,定壓力變流量策略在天然氣流量較大情況下會(huì)削弱管網(wǎng)天然氣節(jié)省能力。

2.1.2 變壓力定流量策略靜態(tài)仿真分析

保持Supply 0001/0002出口天然氣流量不變,通過(guò)增加出口壓力的方式來(lái)保證用戶(hù)節(jié)點(diǎn)能量需求,進(jìn)行變壓力定流量策略靜態(tài)仿真分析。低谷情況下天然氣輸入點(diǎn)壓力隨管網(wǎng)儲(chǔ)氫率的變化見(jiàn)圖10。由圖10可見(jiàn),Supply 0001/0002壓力均隨儲(chǔ)氫率增加而升高,且差別微小。低谷情況下管網(wǎng)天然氣節(jié)省量隨儲(chǔ)氫率的變化見(jiàn)圖11,由圖11可見(jiàn)，QSave_real基本與儲(chǔ)氫率正相關(guān)。當(dāng)儲(chǔ)氫率達(dá)到20%時(shí),管網(wǎng)天然氣節(jié)省量為488.6 m3/h。計(jì)算表明,QSave_real略高于QSave_theory,一方面是因?yàn)楣芫W(wǎng)輸運(yùn)功率WTran隨壓力升高而增大,另一方面則是因?yàn)楣苈纺芰繐p失有所下降,各用戶(hù)節(jié)點(diǎn)壓力隨之升高。

圖10 采用變壓力定流量策略時(shí)低谷情況下儲(chǔ)配氣站壓力隨管網(wǎng)儲(chǔ)氫率的變化曲線圖

圖11 采用變壓力定流量策略時(shí)低谷情況下天然氣節(jié)省量隨管網(wǎng)儲(chǔ)氫率的變化曲線圖

高峰情況下儲(chǔ)配氣站出口壓力隨管網(wǎng)儲(chǔ)氫率的變化見(jiàn)圖12。雖然天然氣輸入口壓力仍與儲(chǔ)氫率呈正相關(guān),但Supply 0001壓力要高于Supply 0002壓力,造成該現(xiàn)象的原因同樣是相對(duì)有限的管網(wǎng)輸運(yùn)能力。高峰情況下天然氣節(jié)省量隨管網(wǎng)儲(chǔ)氫率的變化見(jiàn)圖13,與低谷情況類(lèi)似,QSave_real同樣高于QSave_theory,且差值隨儲(chǔ)氫率增加而增大。由于適當(dāng)增加管路壓力可改善天然氣管道輸運(yùn)功率和能量損失,因此,變壓力定流量策略在天然氣流量較大情況下會(huì)增強(qiáng)管網(wǎng)天然氣節(jié)省能力。

圖12 采用變壓力定流量策略時(shí)高峰情況下儲(chǔ)配氣站壓力隨管網(wǎng)儲(chǔ)氫率的變化曲線圖

圖13 采用變壓力定流量策略時(shí)高峰情況下天然氣節(jié)省量隨管網(wǎng)儲(chǔ)氫率的變化曲線圖

2.2 動(dòng)態(tài)仿真分析

動(dòng)態(tài)仿真以2.1節(jié)靜態(tài)仿真為基礎(chǔ),耦合了風(fēng)力發(fā)電、電解水制氫及天然氣管網(wǎng)儲(chǔ)氫動(dòng)態(tài)變化等計(jì)算內(nèi)容,主要考察注入氫氣對(duì)天然氣管網(wǎng)基本性能的動(dòng)態(tài)影響。由于變壓力定流量策略更有利于發(fā)揮管網(wǎng)儲(chǔ)氫節(jié)氣能力,因此重點(diǎn)對(duì)該策略進(jìn)行仿真分析。Supply 0001/0002天然氣輸入壓力隨儲(chǔ)氫率變化的調(diào)整主要基于圖11和圖13計(jì)算結(jié)果。所采用的風(fēng)力田機(jī)組數(shù)為30組,每組額定功率3 MW,電網(wǎng)額定輸出功率65 MW,所造成的棄風(fēng)量由式(1)和(2)計(jì)算,電解水制氫產(chǎn)量由式(3)計(jì)算。風(fēng)速、風(fēng)力發(fā)電、棄風(fēng)量、氫氣產(chǎn)量和氫氣輸出量的關(guān)系見(jiàn)圖14～15。由圖14、15可見(jiàn),氫氣產(chǎn)量和氫氣輸出量雖總值相同,但耦合關(guān)系相對(duì)較弱,前者主要受天氣影響,后者則主要配合天然氣管網(wǎng)輸出策略。

圖14 24 h風(fēng)力發(fā)電、棄風(fēng)量與風(fēng)速隨時(shí)間的變化曲線圖

圖15 24 h氫氣產(chǎn)量、氫氣輸出量與棄風(fēng)量隨時(shí)間的變化曲線圖

對(duì)儲(chǔ)氫管網(wǎng)進(jìn)行0～48 h動(dòng)態(tài)仿真,所采用的天然氣管網(wǎng)輸出點(diǎn)流量變化策略見(jiàn)圖16。初始0 h時(shí)刻為未填充狀態(tài),從5 h時(shí)刻各輸入點(diǎn)開(kāi)始填充,后續(xù)各時(shí)刻保持填充狀態(tài)。選取Delievery 0001用戶(hù)節(jié)點(diǎn)為說(shuō)明對(duì)象,其流量、出口壓力、氫含量、華白數(shù)及單位時(shí)間熱值隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖17。由圖17可見(jiàn),氫含量、華白數(shù)及單位時(shí)間熱值在4～48 h時(shí)間段隨各輸入點(diǎn)供氣策略和出口壓力的變化而滯后變化。在絕大部分時(shí)間段內(nèi),Delievery 0001氫含量大致穩(wěn)定,基本保持在12.6%～13.7%,但在29.3 h時(shí)刻驟降至1.97%。該節(jié)點(diǎn)的單位時(shí)間熱值和華白數(shù)也有類(lèi)似突變,但變化幅度均小于8%。部分用戶(hù)節(jié)點(diǎn)在4～24 h時(shí)間段氫含量隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖18-a)，各用戶(hù)節(jié)點(diǎn)變化關(guān)系基本一致,但靠近輸入節(jié)點(diǎn)的用戶(hù)節(jié)點(diǎn)變化滯后性較小。部分用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的輸運(yùn)功率比(與非儲(chǔ)氫工況)隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖18-b)：在4～21 h時(shí)間段,輸運(yùn)功率比基本在1.0以上;在21～24 h時(shí)間段逐漸降至0.9左右,但由于處于低谷階段,其影響相對(duì)較小。上述計(jì)算結(jié)果表明,基于靜態(tài)變壓力定流量策略的結(jié)果對(duì)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)氫工況有一定的適用性,但考慮到部分時(shí)刻輸運(yùn)功率偏差較多,該策略依然需要進(jìn)行調(diào)整。

圖16 動(dòng)態(tài)仿真所采用的天然氣管網(wǎng)輸出策略曲線圖

a)流量、壓力、氫含量

b)華白數(shù)、熱值圖17 變壓力定流量策略下Delievery 0001的流量、壓力、氫含量、華白數(shù)以及單位時(shí)間熱值隨時(shí)間的變化曲線圖

a)氫含量

b)輸運(yùn)功率比圖18 變壓力定流量策略下部分用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的氫含量、輸運(yùn)功率比隨時(shí)間的變化曲線圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)富裕風(fēng)電產(chǎn)氫注入天然氣管網(wǎng)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真分析,得到以下結(jié)論:

1)天然氣管網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)注入富裕風(fēng)電產(chǎn)氫的均勻分布,具備一定的儲(chǔ)氫能力;但隨著管網(wǎng)儲(chǔ)氫率升高,用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的天然氣輸運(yùn)功率逐漸降低,需考慮增加管網(wǎng)天然氣流量或提高儲(chǔ)配氣站入口壓力以保證用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的能量需求。

2)增加天然氣流量或提高管儲(chǔ)配氣站入口壓力均可在保持用戶(hù)總輸運(yùn)功率基本不變的前提下實(shí)現(xiàn)氫氣管網(wǎng)存儲(chǔ)運(yùn)輸,并降低管網(wǎng)天然氣消耗。提高儲(chǔ)配氣站壓力策略更有利于減少管網(wǎng)天然氣消耗,且對(duì)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)變化適應(yīng)性好,但各用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的氣體組分和輸運(yùn)功率存在波動(dòng)。

3)從能量轉(zhuǎn)換角度考慮,富裕風(fēng)電產(chǎn)氫注入天然氣管網(wǎng)可降低管網(wǎng)天然氣消耗,實(shí)現(xiàn)不可存儲(chǔ)的富裕電能向可存儲(chǔ)的氫能源轉(zhuǎn)換。