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大規(guī)??稍偕茉措娊馑茪浜铣砂标P(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究進(jìn)展

2022-10-13 09:52:50周步祥邱一葦畢可鑫戴一陽
工程科學(xué)與技術(shù) 2022年5期
關(guān)鍵詞:電解水合成氨工段

吉 旭,周步祥,賀 革,3,邱一葦,畢可鑫,周 利,戴一陽

(1.四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,四川 成都 610065;2.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都 610065;3.四川大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610065)

構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系是推動中國能源革命的本質(zhì)要求和經(jīng)濟(jì)社會轉(zhuǎn)型發(fā)展的迫切需要。氫能作為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?,正成為重點開發(fā)對象。同時,氫氣作為原料,在包括合成氨、甲醇及石油煉化等化工行業(yè)有大量應(yīng)用。截至2020年,全國氫氣消費需求為3 342×104t,其中,66%作為原料用于化工合成,包括氨(37%)、甲醇(19%)等[1],如圖1所示。但是,大規(guī)模儲氫經(jīng)濟(jì)性差,滿足用氫需求仍有較大瓶頸。而傳統(tǒng)制氫主要依靠煤和天然氣等碳基化石能源,產(chǎn)生大量碳排放[2]。因此,受“雙碳目標(biāo)”下化工行業(yè)碳減排需求驅(qū)動,可再生能源電解水制取綠氫作為原料合成氨不僅可實現(xiàn)新能源本地化有效消納,也是化工綠色轉(zhuǎn)型的重要途徑,可顯著降低化工行業(yè)碳排放,規(guī)?;瘽摿薮蟆?/p>

圖1 2020年中國氫氣來源與消費結(jié)構(gòu)示意圖[2]Fig. 1 Schematic diagram of domestic hydrogen source and consumption structure in 2020[2]

基于此背景,世界各國將氫能產(chǎn)業(yè)提升至國家能源戰(zhàn)略高度,綠氫布局空前加快,全球即將建設(shè)的綠氫項目總計達(dá)數(shù)百吉瓦(GW)。例如:沙特阿拉伯規(guī)劃了“太陽神綠色燃料項目(Helios Green Fuels Project)”,利用陸上風(fēng)能和太陽能制綠氫綠氨,規(guī)劃規(guī)模為120×104t綠氨;澳大利亞規(guī)劃了“太平洋太陽能氫(Pacific Solar Hydrogen)”3.6 GW的太陽能制氫設(shè)施,制氫規(guī)模20×104t/a。國內(nèi),蘭州新區(qū)“千噸級液態(tài)太陽燃料合成示范項目”研究了綠氫儲運技術(shù)方案;北京京能公司計劃在內(nèi)蒙開發(fā)5 GW的風(fēng)光發(fā)電解水制氫,其生產(chǎn)規(guī)??蛇_(dá)到40×104~50×104t/a。但目前各國利用可再生能源制氫用于制氨/醇的項目均為中小項目或者仍處于啟動階段[3-6],尚無生產(chǎn)規(guī)模在105t/a以上的大規(guī)模綠氫制氨(綠氨)運營案例。

大規(guī)??稍偕茉措娊馑茪浜铣砂钡脑O(shè)計與運行依然存在諸多挑戰(zhàn),需要在合成氨工藝多穩(wěn)態(tài)優(yōu)化與柔性調(diào)控、大規(guī)模電解水制氫平穩(wěn)運行、制氫負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)控和全系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面展開研究。研究綠氫耦合靈活化工技術(shù),提升水光互補、制氫儲氫和合成氨全流程的柔性調(diào)節(jié)能力,實現(xiàn)季節(jié)性水電、波動性光伏發(fā)電與合成氨生產(chǎn)柔性協(xié)同,具有重要意義:1)將新能源消納方式從電力消納單一途徑,拓展到電、氫、氨多種方式共同消納,實現(xiàn)新能源本地規(guī)?;瘧?yīng)用和化工零碳發(fā)展;2)化工大范圍多穩(wěn)態(tài)柔性調(diào)節(jié)負(fù)荷,實現(xiàn)荷隨源動,使其具有深調(diào)峰能力,有望解決新能源資源富集區(qū)域電力調(diào)頻、電力調(diào)峰資源不足的問題。

1 電解水制氫合成氨系統(tǒng)及其技術(shù)挑戰(zhàn)

1.1 電解水制氫合成氨系統(tǒng)工藝

電解水制氫合成氨系統(tǒng)技術(shù)途徑包括間接合成路線和直接合成路線兩大類。直接合成路線受限于反應(yīng)速率低、器件不成熟等技術(shù)障礙,難以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[7]。目前,被普遍認(rèn)可的間接合成路線的工業(yè)級電解水制氫合成氨系統(tǒng)工藝由電解水制氫工段、壓縮緩沖工段、化工合成氨工段串聯(lián)構(gòu)成,如圖2所示。

圖2 工業(yè)規(guī)模的電解水制氫合成氨系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig. 2 Industrial scale hydrogen production by water electrolysis-ammonia synthesis process system composition diagram

1)電解水制氫工段

電解水制氫工段是化工與電力系統(tǒng)直接耦合的環(huán)節(jié)。電解水制氫工藝主要有堿性電解(AEL)、質(zhì)子交換膜(PEM)和固體氧化物電解(SOEC)工藝,產(chǎn)氫純度均在99.8%以上,經(jīng)純化處理后完全滿足合成氨原料氫的質(zhì)量要求。其中,堿性電解水制氫是傳統(tǒng)工藝,技術(shù)成熟度高,成本低,使用壽命長,國內(nèi)技術(shù)掌握程度高,已應(yīng)用的單機(jī)功率約為5~7 MW(制氫量1 000~1 300 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)),在研單機(jī)功率為15 MW(制氫量3 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)),已達(dá)到工業(yè)化運行要求[8]。PEM電解池已于2015年由英國Proton Onsite公司發(fā)展到兆瓦(MW)級,但PEM成本明顯高于堿性電解技術(shù),壽命較短,技術(shù)成熟度尚難以滿足規(guī)?;瘧?yīng)用需求[9]。SOEC需在600~800 ℃以上的高溫條件下運行,溫控系統(tǒng)復(fù)雜,陶瓷材料與電極、密封結(jié)構(gòu)等存在熱退化問題,目前仍處于實驗室研究階段,尚無大規(guī)模應(yīng)用[10]。面向工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求,堿性電解技術(shù)在中國大規(guī)模可再生能源制氫領(lǐng)域最具優(yōu)勢。

堿性電解水制氫以KOH或NaOH水溶液為電解質(zhì),電解反應(yīng)在堿性環(huán)境下進(jìn)行:

借助堿液循環(huán)泵和氣體壓力,電解槽陰、陽極側(cè)的氣液混合物分別被送入分離器內(nèi),并利用重力作用實現(xiàn)氫氣、氧氣與堿液的分離。將分離的氣體通入洗滌器與冷卻器,純化后供后續(xù)環(huán)節(jié)使用,堿液則循環(huán)至電解槽中。控制器通過調(diào)節(jié)不同閥門的開度,維持溫度、壓力、液位均處于正常范圍。

在消納風(fēng)、光等可再生資源或參與電網(wǎng)平衡調(diào)控時,電解水制氫工段的變負(fù)載運行需滿足自身的工藝流程約束,存在調(diào)節(jié)范圍較窄、低負(fù)載區(qū)域氫氧雜質(zhì)混合風(fēng)險等技術(shù)挑戰(zhàn)[6]。此外,受單機(jī)容量限制,電解水制氫工段需要由多臺制氫機(jī)構(gòu)成集群以滿足化工合成的供氫流量需求[11],負(fù)載調(diào)控亦受到后端化工合成環(huán)節(jié)供氫平穩(wěn)性的約束。

2)合成氨工段

傳統(tǒng)以天然氣為原料的合成氨裝置綜合能耗已降低到每噸氨29.3 GJ以下[12]。根據(jù)制氣工藝和凈化工藝的不同組合構(gòu)成各種不同的制氨工藝流程,其代表性的大型合成氨工藝包括凱洛格(Kellogg)、布朗(Brown)、托普索(Tops?e)和卡薩利(Casale)等公司所開發(fā)的工藝流程。

如圖3所示,綠氨與傳統(tǒng)合成氨工藝最大的不同在于綠氨原料直接為電解水產(chǎn)生的綠氫,綠氫與低溫空氣分離所得的氮氣混合、加壓、純化后,通過合成氨反應(yīng)器生成氨。傳統(tǒng)合成反應(yīng)器溫度通常為450~525 ℃,壓力為15~32 MPa;近年來推廣應(yīng)用的低溫低壓合成氨工藝對合成環(huán)境溫度和壓力要求降低,有利于降低能耗,提高合成氨系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[13]。事實上,對于綠氨工藝而言,需要結(jié)合氨節(jié)能降耗和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等角度對反應(yīng)器內(nèi)部的空速流場和催化劑性能進(jìn)行綜合分析,優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及催化劑相關(guān)的工藝參數(shù)。

圖3 天然氣合成氨與綠氨的工藝及溫度變化范圍對比[14]Fig. 3 Comparison of natural gas ammonia synthesis and green ammonia synthesis in process and temperature range[14]

由于催化劑活性溫度、壓力存在一定適應(yīng)范圍,化工合成工段的負(fù)載水平(產(chǎn)率)可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)[15]。但由圖3的工藝流程可知,化工合成工段除反應(yīng)器外,還包含壓縮、換熱、分離等單元過程。這些化工單元過程在“電-熱-質(zhì)”多物理意義上相互耦合,與合成反應(yīng)過程的靈活性共同決定化工合成工段的負(fù)載靈活性,其對原料氣供應(yīng)的平穩(wěn)性要求反映至電解水制氫工段,最終反映為電網(wǎng)側(cè)功率調(diào)控的靈活性約束。

與傳統(tǒng)化工合成的過程控制主要關(guān)注平穩(wěn)性[16]不同,變負(fù)載運行方式下,化工合成工段受非平穩(wěn)“電-熱-質(zhì)”多物理過程約束,經(jīng)典模型難以滿足系統(tǒng)級靈活調(diào)控的需求。

3)壓縮緩沖工段

合成氨過程對原料氣壓力要求通常超過10 MPa,電解水制氫工段所產(chǎn)氫氣的壓力通常不超過3 MPa,二者之間不能直接耦合。此外,電解水制氫工段的負(fù)載調(diào)控速度較快(秒級、分鐘級),化工合成工段的負(fù)載調(diào)控速度通常較慢(小時級、日級),二者之間需配置緩沖環(huán)節(jié)以滿足化工合成供氫平穩(wěn)性的要求。

1.2 電解水制氫合成氨系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題

電解水制氫合成氨系統(tǒng)本質(zhì)上需要揭示適應(yīng)可再生能源波動特性的電解水制氫合成氨系統(tǒng)的能量與物質(zhì)間的轉(zhuǎn)換規(guī)律,包括以下關(guān)鍵技術(shù)問題:

1)可再生能源波動條件下的合成氨工藝流程優(yōu)化和柔性調(diào)控技術(shù)

與傳統(tǒng)合成氨相比,綠氨工藝受可再生能源不穩(wěn)定特性的影響很大,需在滿足安全性與經(jīng)濟(jì)性要求的條件下,解決氫儲供、催化活性、生產(chǎn)負(fù)荷波動等因素耦合下的多工段協(xié)同的多穩(wěn)態(tài)柔性調(diào)控的關(guān)鍵技術(shù)問題。面對可再生能源波動下的多穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)要求,基于合成氨系統(tǒng)柔性工藝的反應(yīng)動力學(xué)機(jī)制與能量效率規(guī)律,解決工藝安全邊界與運行優(yōu)化邊界是工藝拓?fù)湓O(shè)計與優(yōu)化控制的首要目標(biāo),進(jìn)而解決兼顧系統(tǒng)熱平衡及反應(yīng)速率的氨合成柔性調(diào)控技術(shù)問題。

2)考慮“電-熱-質(zhì)”耦合的大規(guī)模電解水制氫系統(tǒng)的模塊化集成和集群動態(tài)控制技術(shù)

電解水制氫涉及“電流、熱流、物質(zhì)轉(zhuǎn)化”等多個時間和空間尺度的動態(tài)特性,氣液分離、循環(huán)冷卻等輔機(jī)系統(tǒng)增強(qiáng)了系統(tǒng)的非線性耦合,多個電解槽的電氣串并連接和輔機(jī)并用使得集群系統(tǒng)與單機(jī)系統(tǒng)呈現(xiàn)不同的動態(tài)特性和約束條件。如何布局性能優(yōu)化的系統(tǒng)工藝流程和模塊化集群網(wǎng)絡(luò),在滿足安全約束的前提下,實現(xiàn)集群系統(tǒng)在不同時間尺度的分層調(diào)度與控制,是其中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

3)計及可再生能源波動性與化工多穩(wěn)態(tài)特性的“源—網(wǎng)—氫—氨”的全系統(tǒng)協(xié)同控制技術(shù)

針對“源—網(wǎng)—氫—氨”系統(tǒng)協(xié)同控制的需求,需突破電解水制氫合成氨系統(tǒng)多工段和多穩(wěn)態(tài)靈活控制技術(shù)、“源—網(wǎng)—氫—氨”多工段協(xié)同控制技術(shù)、系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行技術(shù)、平衡源側(cè)發(fā)電功率波動儲能技術(shù),以及調(diào)頻、調(diào)峰和事故響應(yīng)等電力輔助服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)等;通過將制氫合成氨系統(tǒng)接入電網(wǎng)和參與電力輔助服務(wù),以助力電網(wǎng)安全和穩(wěn)定運行,并拓寬綠氨系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收益渠道。

4)計及電、氫、氨等要素的全方位安全防護(hù)與市場運營機(jī)制

針對大規(guī)??稍偕茉措娊馑茪浜铣砂毕到y(tǒng)安全與經(jīng)濟(jì)運行需求,綜合考慮水光互補發(fā)電技術(shù)、規(guī)?;娊馑茪浼夹g(shù)、柔性合成氨技術(shù)、控制策略間的相互影響及響應(yīng)規(guī)律,需要有效識別“源—網(wǎng)—氫—氨”全流程的安全風(fēng)險,開發(fā)生產(chǎn)運營故障診斷技術(shù),以及電解水制氫合成氨工程的安全聯(lián)動防護(hù)技術(shù);進(jìn)而,建立在安全約束下生產(chǎn)效益最優(yōu)的“電-氫-氨”系統(tǒng)決策模型,探索電、氫、化工、碳等多市場價格聯(lián)動的運營決策機(jī)制和可持續(xù)發(fā)展商業(yè)模式,解決兼顧安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)運行的工程化及商業(yè)化難題。

綜上,大規(guī)??稍偕茉措娊馑茪浜铣砂钡脑O(shè)計、控制與運營涉及電氣工程、化學(xué)工程、能源動力等學(xué)科之間的交叉,雖然目前仍存在一些理論及技術(shù)瓶頸亟待攻克,但化工大規(guī)模消納可再生能源,并提供電力平衡調(diào)控服務(wù)已展示出巨大的潛力。

2 大規(guī)模電解水制氫合成氨關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 適用于柔性生產(chǎn)的合成氨工藝協(xié)同優(yōu)化

近年來,由于合成氨顯示出大規(guī)模消納可再生能源的巨大潛力,學(xué)者們對合成氨在不穩(wěn)定能源供給下的適應(yīng)性開展了研究。目前,普遍認(rèn)為合成氨過程具備變負(fù)載運行能力,負(fù)載下限可到20%[17],能夠輔助提供電力調(diào)節(jié)服務(wù)以消納可再生能源。但是,可再生能源制氫合成氨是一個動態(tài)、連續(xù)非線性的工程系統(tǒng),電氣系統(tǒng)和化工系統(tǒng)深度耦合,涉及可再生能源發(fā)電、制氫及合成氨多系統(tǒng)安全、魯棒并協(xié)同的復(fù)雜調(diào)控要求,尤其是適應(yīng)可再生能源波動特性的多穩(wěn)態(tài)柔性生產(chǎn)工藝。對此,劍橋大學(xué)、明尼蘇達(dá)大學(xué)、空氣產(chǎn)品公司等機(jī)構(gòu)對可再生能源制綠氫、綠氨生產(chǎn)工藝及其經(jīng)濟(jì)運行模式等關(guān)鍵工程技術(shù)問題開展了研究,取得一定進(jìn)展進(jìn)展[3,18]。如:Nayak-Luke等[4]考慮合成氨廠的最佳生產(chǎn)規(guī)模、可再生能源供應(yīng)及氫緩沖區(qū)運行的氨平準(zhǔn)化成本,開發(fā)了數(shù)學(xué)模型,以定量分析影響平準(zhǔn)化成本的關(guān)鍵變量,變量包括平準(zhǔn)化電力成本、電解槽資本支出、最低生產(chǎn)負(fù)載、負(fù)載最大斜坡率和再供電組合。

然而,因合成氨生產(chǎn)過程的復(fù)雜性,特別是高維非線性、多變量耦合、多參數(shù)大時滯、時變性等特點[19],其負(fù)載調(diào)節(jié)時間為小時級,無法像電解水制氫一樣進(jìn)行秒級快速功率調(diào)節(jié),考慮到化工生產(chǎn)“安穩(wěn)長滿優(yōu)”的需要,與化工負(fù)荷實時參與可再生能源消納、提供電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)服務(wù)之間的均衡性,需要重點解決“源—網(wǎng)—氫—氨”各環(huán)節(jié)復(fù)雜時空域耦合條件下的穩(wěn)態(tài)協(xié)同與優(yōu)化問題。本質(zhì)上,這是一個綠氫供量波動導(dǎo)致的生產(chǎn)負(fù)荷不確定條件下的生產(chǎn)穩(wěn)定性、安全性與經(jīng)濟(jì)性多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)控問題。目前,利用流程模擬、數(shù)學(xué)建模技術(shù)開展面向化工過程的穩(wěn)定性與柔性調(diào)控的研究已取得一定的進(jìn)展[20-22],但是復(fù)雜大型化工過程的應(yīng)用案例很少[23]。針對風(fēng)光互補電解水制氫合成氨的復(fù)雜過程,四川大學(xué)吉旭教授團(tuán)隊[19,24-27]從系統(tǒng)工程的角度研究解決了合成氨多穩(wěn)態(tài)柔性工況下的過程安全性、能質(zhì)網(wǎng)絡(luò)綜合、多穩(wěn)態(tài)魯棒控制等關(guān)鍵技術(shù)問題,研究了變工況條件下的催化劑宏觀性能模型,優(yōu)化催化劑在多穩(wěn)態(tài)條件下的活性可操作區(qū)間;考慮氫儲供量與催化劑性能,綜合合成塔、壓縮機(jī)、氣體分離、換熱網(wǎng)絡(luò)等子系統(tǒng)開發(fā)了合成氨高保真模型系統(tǒng);提出可再生能源供給和市場需求波動下,充分考慮操作安全性和過程經(jīng)濟(jì)性的電解水制氫合成氨工藝中的氨合成塔、壓縮機(jī)、氣體分離系統(tǒng)、換熱網(wǎng)絡(luò)等子系統(tǒng)的適配方案與協(xié)同控制技術(shù),解決了氫儲供量和合成氨多穩(wěn)態(tài)柔性可操作區(qū)間耦合下的工藝拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。進(jìn)而,開發(fā)了適應(yīng)多穩(wěn)態(tài)柔性生產(chǎn)模式的合成氨工藝優(yōu)化模式和調(diào)控技術(shù),如圖4所示。

圖4 合成氨柔性生產(chǎn)建模優(yōu)化及調(diào)控技術(shù)路線圖Fig. 4 Flexible production of synthetic ammonia modeling, optimization and regulation technical roadmap

2.2 大規(guī)模電解水制氫建模調(diào)控與集群動態(tài)控制

堿性電解水制氫雖然達(dá)到工業(yè)化運行要求,受限于單機(jī)功率上限,工業(yè)規(guī)模的電解水制氫需要由數(shù)臺至數(shù)十臺制氫機(jī)組成集群,形成模塊化多機(jī)集群系統(tǒng)。其關(guān)鍵技術(shù)包括電解槽內(nèi)絕緣與氣液隔斷、多電解槽串并聯(lián)電氣拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、整流/氣液分離/純化/循環(huán)冷卻等電氣熱輔機(jī)的共用拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、集群系統(tǒng)狀態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)。建設(shè)多機(jī)集群電解水制氫系統(tǒng)需要提升單機(jī)裝置運行的安全性和控制靈活性,進(jìn)一步以模塊化集成控制技術(shù)提高集群系統(tǒng)的動態(tài)協(xié)同性與經(jīng)濟(jì)性能,以實現(xiàn)大規(guī)模電解水制氫集群系統(tǒng)的寬功率范圍靈活調(diào)節(jié)。

對于工業(yè)級電解水制氫單機(jī)系統(tǒng),其調(diào)控靈活性受到電化學(xué)反應(yīng)、溫度動態(tài)[28]、氫氧雜質(zhì)混合動態(tài)[29]等過程的約束,嚴(yán)格遵循著復(fù)雜的“三傳一反”過程機(jī)理。為準(zhǔn)確評估電解水制氫工段的調(diào)控靈活性,構(gòu)建包括電解槽在內(nèi)的完整電解水制氫系統(tǒng)的動態(tài)模型非常有必要。電解槽模型包括流場模型和代理模型等。流場模型模擬電解槽內(nèi)部反應(yīng)速率、濃度、溫度、壓力的空間分布,用于電解槽結(jié)構(gòu)的分析和優(yōu)化設(shè)計[30]。不過,流場模型依賴計算流體力學(xué)(CFD)嚴(yán)格機(jī)理計算,模型非常復(fù)雜,耗時極長,難以滿足工業(yè)化分析及控制要求。代理模型則通過物理原理[31-32]或經(jīng)驗數(shù)據(jù)擬合[33-34]建立質(zhì)能轉(zhuǎn)換的映射關(guān)系,使得模型復(fù)雜度較低,求解效率高,準(zhǔn)確度能夠得到一定程度的保證,可用于在線評估或控制器設(shè)計[35]。進(jìn)一步地,在描述電解水制氫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行[36]及動態(tài)變負(fù)載運行[37]工況的基礎(chǔ)上,學(xué)者們提出計及溫度[38]、壓力[39]、雜質(zhì)濃度[37]等動態(tài)過程約束的制氫機(jī)變負(fù)載控制方法,拓展負(fù)荷功率調(diào)控的深度、速度。如:有學(xué)者針對寬范圍變負(fù)載運行方式下電解水制氫系統(tǒng)的建模與控制問題,提出電解槽的詳細(xì)3維建模[40]、集總代理模型[35]和動態(tài)性能退化過程的建模與辨識方法[10],進(jìn)而提出電解水制氫機(jī)全系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的在線辨識方法[41],并以此提出計及動態(tài)工藝過程約束以拓展負(fù)載靈活性的優(yōu)化控制方法[37]和集群控制方法[42]。

目前,基于多機(jī)集群電解水制氫系統(tǒng)的調(diào)控主要集中在通過基于規(guī)則的控制策略[43]或混合整數(shù)線性規(guī)劃[44-45]確定制氫機(jī)機(jī)組組合,未全面考慮制氫機(jī)的各項工藝流程約束,難以兼顧寬范圍變負(fù)載運行方式下的安全性與調(diào)節(jié)性能。同時,現(xiàn)有電解水制氫變負(fù)載控制方面的研究很少考慮到后端化工合成供氫的平穩(wěn)性約束[46-47]。因此,針對大規(guī)模電解水制氫集群系統(tǒng)的多模塊集成和寬范圍功率動態(tài)調(diào)節(jié)中的“電-熱-質(zhì)”耦合難題,四川大學(xué)邱一葦團(tuán)隊考慮槽氣液比、氣液分離、溫度/壓力升降、氫氧雜質(zhì)混合過程的不同時間常數(shù),基于奇異攝動和代理模型技術(shù)研究了集群系統(tǒng)多時間尺度時域仿真方法,建立了電解集群系統(tǒng)多物理耦合狀態(tài)空間模型;綜合考慮了模塊啟停組合調(diào)度、模塊間功率分配調(diào)度及模塊自身靈活調(diào)節(jié),計及安全運行區(qū)間及電熱氣接口特性約束,以提高氫產(chǎn)量、提升能量利用效率、改善水光電源消納和跟蹤電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻指令為目標(biāo),構(gòu)建了集群系統(tǒng)多目標(biāo)分層調(diào)度與控制模型,開展了百兆瓦級電解水制氫系統(tǒng)的模塊化集成和動態(tài)調(diào)控技術(shù)的研究,實現(xiàn)電解功率快速寬范圍變工況運行。其技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 大規(guī)模電解水制氫建模調(diào)控與集群動態(tài)控制技術(shù)路線圖Fig. 5 Large-scale electrolytic hydrogen production modeling, regulation and cluster dynamic control technical roadmap

2.3 氫能負(fù)荷側(cè)靈活資源參與電網(wǎng)互動控制

電解水制氫合成氨整體作為電力負(fù)荷,接入電力系統(tǒng)的研究主要集中在的資源配置與容量規(guī)劃方面[48],包括電解水制氫廠站選址定容以滿足現(xiàn)有合成氨用氫需求、制氫與合成氨工段之間緩沖氫儲罐的容量規(guī)劃[49]、計及電解槽選型/原料來源/儲罐容量等工藝環(huán)節(jié)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[50]等。此外,從能量管理角度,為電解水制氫合成氨[51]或甲醇參與電力側(cè)儲能、電力市場服務(wù)[17],以及綜合市場供需變化優(yōu)化調(diào)度計劃等方面也有最新的研究成果[52-53]。通常,這一類研究的時間分辨率較低,以穩(wěn)態(tài)/準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)為主,模型精度要求不高,采用固定的效率系數(shù)描述電、氫、氨、甲醇之間的變換關(guān)系,不能刻畫動態(tài)工藝過程約束對調(diào)控特性的影響[54]。

化工過程作為靈活負(fù)荷參與電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)時,功率波動通過制氫環(huán)節(jié)反映至化工側(cè)。一方面,由于電力平衡調(diào)節(jié)的時間尺度為秒級(調(diào)頻)至分鐘級(調(diào)峰),而化工過程的慣性較大,調(diào)節(jié)時間在分鐘至小時級,二者之間存在跨時間尺度的物質(zhì)(物料組分)和能量(電能、溫度、壓力)平衡匹配的問題。另一方面,可再生能源波動隨機(jī)過程與電解水制氫、化工工藝過程的時序平穩(wěn)性約束也為全系統(tǒng)負(fù)荷均衡調(diào)控提出技術(shù)挑戰(zhàn),迫切需要研究“源—網(wǎng)—氫—氨”系統(tǒng)協(xié)同控制方法,研發(fā)氫-氨系統(tǒng)接入大電網(wǎng)后的調(diào)度控制關(guān)鍵技術(shù),挖掘參與調(diào)頻調(diào)峰及事故響應(yīng)等電力輔助服務(wù)的潛力。本研究前期開展了制氫負(fù)荷接入電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運行[11]、高比例可再生能源電力平衡調(diào)控的隨機(jī)過程建模[55]與控制[56-57]的研究工作,分析了電-氫-氨不同工藝環(huán)節(jié)間控制接口方式、參數(shù)等耦合關(guān)系,研究了水光互補發(fā)電、制氫、儲氫、合成氨、儲氨多工段間穩(wěn)態(tài)運行特性的靈活運行方法,以及制氫合成氨系統(tǒng)柔性動態(tài)協(xié)同控制方法;綜合采用了靜態(tài)等值和參數(shù)聚合等方法降維和等值制氫合成氨系統(tǒng)仿真模型,研究了“源—網(wǎng)—氫—氨”協(xié)同提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的優(yōu)化控制方法和技術(shù)指標(biāo);結(jié)合制氫合成氨系統(tǒng)在發(fā)電波動電網(wǎng)中的調(diào)頻和調(diào)峰特性,研究了制氫合成氨系統(tǒng)參與電力輔助服務(wù)的策略。其技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 氫能負(fù)荷側(cè)靈活資源參與電網(wǎng)互動控制技術(shù)路線圖Fig. 6 Hydrogen load side resources flexibly participating in grid interactive control technical roadmap

3 結(jié)論與展望

發(fā)展綠氨技術(shù),氨作為儲氫載體,可為氫氣長距離安全運輸提供路徑;合成氨生產(chǎn)過程的綠色化也有助于化工過程的深度脫碳。因此,發(fā)展可再生能源制氫合成氨對化工領(lǐng)域“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要意義。同時,化工負(fù)荷具備大規(guī)模接入電力系統(tǒng)、參與消納高比例可再生發(fā)電、提供電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)服務(wù)的潛力。大規(guī)??稍偕茉措娊馑茪浜铣砂必?fù)荷的調(diào)控策略和動態(tài)控制技術(shù)是當(dāng)前正全力突破的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域,具體包括:揭示可再生能源波動下的電解水制氫合成氨系統(tǒng)的能量與物質(zhì)間的轉(zhuǎn)換規(guī)律,建立“源—網(wǎng)—氫—氨”耦合下的系統(tǒng)柔性動態(tài)調(diào)控模型,提出兼顧安全與高效目標(biāo)的系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)則;突破滿足多穩(wěn)態(tài)運行工況需求的合成氨工藝流程優(yōu)化和系統(tǒng)柔性調(diào)控的核心技術(shù),“電-熱-質(zhì)”協(xié)同的大規(guī)模電解水制氫系統(tǒng)的模塊化集成和集群動態(tài)控制的關(guān)鍵技術(shù),突破計及可再生能源波動性與化工多穩(wěn)態(tài)柔性協(xié)同的全系統(tǒng)優(yōu)化控制技術(shù)??傊?,建立可再生能源電解水制氫合成氨的完整技術(shù)鏈,解決可再生能源本地消納及化工生產(chǎn)使用波動綠氫原料,對于實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

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