韓儒松，蔣迎花，康麗霞，2，劉永忠，2，3

（1 西安交通大學(xué)化工系，陜西 西安 710049；2 陜西省能源化工過程強(qiáng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；3 熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049）

隨著原油重質(zhì)化與劣質(zhì)化趨勢(shì)的加劇以及輕質(zhì)燃料和清潔燃料的需求不斷增大，煉廠的能耗和氫耗急劇增加，同時(shí)能耗增加也會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。因此，降低煉廠中的能耗和氫耗對(duì)于煉廠的經(jīng)濟(jì)低碳運(yùn)行尤為重要[1]。將可再生能源發(fā)電制氫與煉廠氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成不僅可為煉廠氫氣系統(tǒng)提供氫氣[2]，還可為氫氣系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)設(shè)備提供電能[3]，可有效地降低煉廠氫氣網(wǎng)絡(luò)的氫氣和電等公用工程的消耗。然而，可再生能源發(fā)電和制氫的間歇性和波動(dòng)性將對(duì)氫氣系統(tǒng)帶來沖擊，在可再生能源發(fā)電制氫與氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成時(shí)需要考慮如何消納波動(dòng)的可再生能源[4]。

近年來，可再生能源發(fā)電制氫廣泛應(yīng)用于煤化工系統(tǒng)[5]、合成氨系統(tǒng)[6-7]等工業(yè)場(chǎng)景。Kim等[8]用波動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電制氫來滿足氫氣供應(yīng)鏈的需求，獲得風(fēng)力發(fā)電制氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的綜合解決方案。De Olateju等[9]采用風(fēng)能發(fā)電制氫為瀝青加氫裝置提供氫氣，并驗(yàn)證了可再生能源制氫單元的技術(shù)可行性。王靖等[10]采用風(fēng)力發(fā)電制氫用于協(xié)調(diào)匹配發(fā)電側(cè)和需求側(cè)波動(dòng)性。Dagdougui 等[11]設(shè)計(jì)了利用可再生能源發(fā)電制氫供給加氫站的系統(tǒng)，同時(shí)滿足電力和氫氣的需求。上述研究?jī)H關(guān)注了對(duì)于氫氣流量的需求，而如果將可再生能源制氫與煉廠氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成，則必須從氫氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和氫氣品質(zhì)要求出發(fā)，考慮煉廠的氫氣網(wǎng)絡(luò)對(duì)波動(dòng)電力和氫氣的消納能力。目前針對(duì)可再生能源發(fā)電制氫與煉廠氫氣網(wǎng)絡(luò)集成的研究還處于探索階段。Walker等[12]通過對(duì)加氫裝置進(jìn)行模擬以獲得氫氣的動(dòng)態(tài)需求，對(duì)可再生能源系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化配置。Al-Subaie等[13]考慮了煉廠中的蒸汽甲烷重整（SMR）、電網(wǎng)電力、可再生能源發(fā)電等制氫方法，對(duì)比了不同制氫方案的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益，并指出可再生能源發(fā)電制氫單元為煉廠提供氫氣具備技術(shù)可行性。雖然以上研究關(guān)注了可再生能源制氫在煉廠中的應(yīng)用，但是其研究均是將氫氣網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化為氫氣需求曲線，忽略了可再生能源制氫的波動(dòng)性對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和操作的影響，同時(shí)也忽略了可再生能源發(fā)電對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)中旋轉(zhuǎn)設(shè)備提供電力的影響。

為了探究可再生能源發(fā)電制氫與氫氣網(wǎng)絡(luò)集成中波動(dòng)的可再生能源對(duì)煉廠氫氣系統(tǒng)的影響，以及可再生能源發(fā)電制氫系統(tǒng)和煉廠氫氣系統(tǒng)平抑可再生能源波動(dòng)的特性，本文以風(fēng)力發(fā)電制氫為例，構(gòu)建了集成風(fēng)力發(fā)電制氫的氫氣網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)優(yōu)化分析模型，研究氫氣網(wǎng)絡(luò)平抑風(fēng)力發(fā)電制氫波動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性以及兩個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)平抑特性。

1 可再生能源發(fā)電制氫與煉廠氫氣網(wǎng)絡(luò)的耦合系統(tǒng)

圖1給出可再生能源發(fā)電制氫與煉廠氫氣網(wǎng)絡(luò)的耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)：氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和可再生能源發(fā)電制氫系統(tǒng)。氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由氫源（S）、氫阱（K）、壓縮機(jī)、氫氣管道和燃?xì)庀到y(tǒng)（FG）等組成?？稍偕茉窗l(fā)電制氫系統(tǒng)（RE）由可再生能源發(fā)電設(shè)備、電解槽、儲(chǔ)能電池和氫氣儲(chǔ)罐等[14]組成?？稍偕茉此l(fā)電量可以直接供給電解槽或儲(chǔ)存在電池中，或向氫氣網(wǎng)絡(luò)中的壓縮機(jī)供電。電解槽將電能轉(zhuǎn)化的氫氣可以直接分配給氫氣網(wǎng)絡(luò)或儲(chǔ)存在氫氣儲(chǔ)罐中。在氫氣網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)氫源的氫氣流股壓力不能滿足氫阱需求時(shí)，需要通過壓縮機(jī)增壓再供給氫阱；若無法滿足氫阱的純度要求，則該氫源可以與純度更高的氫氣流股（內(nèi)部氫源或公用工程氫源）混合提高濃度再供給氫阱，或者排放到燃?xì)庀到y(tǒng)。在該系統(tǒng)中，可再生能源與氫氣網(wǎng)絡(luò)通過氫氣和電力進(jìn)行耦合，即可再生能源發(fā)電制氫通過氫氣管道向氫氣網(wǎng)絡(luò)供氫以及可再生能源發(fā)電為氫氣網(wǎng)絡(luò)中的壓縮機(jī)提供電能。

圖1 耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中給定的參數(shù)包括：①可再生能源發(fā)電的功率曲線；②氫氣網(wǎng)絡(luò)中氫源、氫阱的流量、純度和壓力；③系統(tǒng)中各組件的設(shè)備參數(shù)、經(jīng)濟(jì)因子；④與系統(tǒng)操作和運(yùn)行相關(guān)的費(fèi)用，如電網(wǎng)價(jià)格、氫氣公用工程價(jià)格、燃?xì)庀到y(tǒng)收益等。值得注意的是，可再生能源發(fā)電是唯一的外部波動(dòng)來源，氫氣網(wǎng)絡(luò)中氫源和氫阱的總流率和純度是穩(wěn)定的，但是連接氫源和氫阱的管道中氫氣流量是可變的。

本文通過氫氣和電力實(shí)現(xiàn)可再生能源系統(tǒng)和氫氣網(wǎng)絡(luò)的耦合，建立數(shù)學(xué)規(guī)劃分析模型，以系統(tǒng)的總費(fèi)用最小為目標(biāo)，研究耦合方式對(duì)平抑波動(dòng)的效果以及可再生能源發(fā)電制氫的波動(dòng)對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和操作的影響。

2 數(shù)學(xué)規(guī)劃分析模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以系統(tǒng)的總費(fèi)用最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化?？傎M(fèi)用TAC可表示為式(1)。

式中，CH2為公用工程氫氣費(fèi)用；Cgrid為公用工程電力費(fèi)用；Ccom為壓縮機(jī)投資成本；Cfuel為燃?xì)庀到y(tǒng)的收益?？稍偕茉窗l(fā)電制氫為固定投資，不計(jì)入總費(fèi)用。AF為設(shè)備投資的年度化因子，可表示為式(2)。

式中，n為設(shè)備預(yù)期壽命；r為利率。

購(gòu)買公用工程氫氣的費(fèi)用可表示為式(3)。

燃?xì)庀到y(tǒng)的收益可表示為式(4)。

式中，fs,t,SUR表示氫源s被排放到燃?xì)庀到y(tǒng)的流量；ys是氫源s的氫氣純度；eheat為出售單位熱量可獲得的收益。

從電網(wǎng)購(gòu)電的費(fèi)用為式(5)。

式中，Pt,grid為電網(wǎng)提供的功率。

壓縮機(jī)費(fèi)用包括固定成本和運(yùn)維成本，可表示為式(8)。

2.2 可再生能源發(fā)電制氫系統(tǒng)

2.2.1 可再生能源發(fā)電的電量平衡

可再生能源發(fā)電的電力可用于電解水、儲(chǔ)存在電池中、給氫氣網(wǎng)絡(luò)中的壓縮機(jī)供電，還有一部分電力無法利用，表示為式(11)。

2.2.2 電解槽

電解槽的輸入功率可表示為式(12)。

電解槽輸出的氫氣流率可表示為式(13)。

電解槽的功率限制約束方程取自文獻(xiàn)[10]。

2.2.3 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能電池系統(tǒng)由發(fā)電側(cè)供電，其充電功率可表示為式(14)。

儲(chǔ)能電池系統(tǒng)可以同時(shí)給壓縮機(jī)和電解槽供電，其功率平衡可表示為式(15)。

電池的電量平衡、充放電功率約束和充放電狀態(tài)約束均基于文獻(xiàn)[10]。

2.2.4 氫氣儲(chǔ)罐

氫氣儲(chǔ)罐接受電解槽產(chǎn)生的氫氣，并可向氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)輸出氫氣，氫氣儲(chǔ)罐的輸入和輸出流率滿足式(16)、式(17)。

氫氣儲(chǔ)罐的存量約束、充放速率限制基于文獻(xiàn)[10]。

2.3 氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

2.3.1 氫源流量平衡

氫源流量平衡可表示為式(18)。

式中，fs表示氫源s的摩爾流率，mol/s。

公用工程的最大流量約束為式(19)。

2.3.2 氫阱的流量和純度約束

語言是復(fù)雜的、非線性的。但以往的語言發(fā)展觀總是通過還原論方法把它加以簡(jiǎn)化，即把語言看成是線性簡(jiǎn)單系統(tǒng)，語言可以分解為部分，部分相加就構(gòu)成語言的整體。對(duì)于非線性的語言系統(tǒng)而言，復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性是其重要特征。然而，在看似復(fù)雜的語言現(xiàn)象背后，存在著某種規(guī)律性。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論的語言發(fā)展觀借助分形理論，使人們能以新的觀念來分析撲朔迷離的語言難題，透過復(fù)雜的語言現(xiàn)象，揭示語言系統(tǒng)局部與整體的本質(zhì)聯(lián)系以及語言系統(tǒng)的內(nèi)在生長(zhǎng)機(jī)制。

氫阱k接受的氫氣流率fk,t可表示為式(20)。

氫阱的最小流率約束為式(21)。

式中，F(xiàn)k是氫阱k的最小流率要求。

氫阱的氫氣純度約束為式(22)。

式中，yRE是輸送到氫氣網(wǎng)絡(luò)的氫氣流股純度，其值為1；yHU是氫氣公用工程的氫氣純度；yk表示氫阱k的最小氫氣純度要求。

2.3.3 匹配連接約束

每根氫氣管道允許的氫氣流率最小值為fmin，最大值為fmax，匹配連接約束式為(23)、式(24)。

2.4 可再生能源發(fā)電制氫與氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的耦合

2.4.1 氫氣管道

通過氫氣管道輸送到氫氣網(wǎng)絡(luò)的氫氣來自電解槽和氫氣儲(chǔ)罐，即式(25)、式(26)。

2.4.2 壓縮機(jī)用電

可再生能源發(fā)電為氫氣網(wǎng)絡(luò)中的壓縮機(jī)提供的電能來自風(fēng)機(jī)和電池，即式(27)。

為氫氣流股增壓的壓縮機(jī)會(huì)消耗電能，一部分電能來自可再生能源，不足部分由電網(wǎng)補(bǔ)充，即式(28)。

3 案例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文采用風(fēng)力發(fā)電制氫系統(tǒng)作為可再生能源發(fā)電的案例。本案例采用文獻(xiàn)[10]中一組風(fēng)力發(fā)電歷史數(shù)據(jù)作為可再生能源發(fā)電曲線，風(fēng)力發(fā)電的容量因子如圖2所示，采樣間隔為4h，所選風(fēng)力數(shù)據(jù)的年平均容量因子為22.5%；本文中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量是既定的，相關(guān)參數(shù)來源于文獻(xiàn)[10]，如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能元件和電解槽的相關(guān)參數(shù)

圖2 風(fēng)力發(fā)電的容量因子

氫氣網(wǎng)絡(luò)部分取自文獻(xiàn)[16]，包括6 個(gè)氫源和5 個(gè)氫阱，其特性如表2 所示。本文氫氣網(wǎng)絡(luò)中流量波動(dòng)的最小時(shí)間間隔為24h，氫氣公用工程價(jià)格為0.0023USD/mol；風(fēng)力發(fā)電制氫過程輸出純氫，其壓力為3MPa；耗電設(shè)備為壓縮機(jī)，電價(jià)取為0.16USD/(kW·h)，本文計(jì)算的時(shí)間基準(zhǔn)為8760h。

表2 氫氣網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

式(1)～式(27)構(gòu)成了MILP模型，本文在GAMS平臺(tái)上求解，并選擇CPLEX求解器。在本案例中，模型中的總變量數(shù)為238806個(gè)，其中包括8800個(gè)二元變量以及230006個(gè)連續(xù)變量；模型中含有的約束個(gè)數(shù)為454075。采用本文提出的模型求解該案例，所得結(jié)果為最優(yōu)解，求解時(shí)間為3.64s，并獲得年度化總費(fèi)用最小的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)特性。

3.2 計(jì)算結(jié)果的分析與討論

3.2.1 氫氣網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和費(fèi)用

對(duì)本文模型進(jìn)行求解，可以得到費(fèi)用最低時(shí)氫氣網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3 所示，其費(fèi)用情況如表3 所示。其中，圖3(a)為基礎(chǔ)案例，對(duì)應(yīng)于未與風(fēng)力發(fā)電制氫進(jìn)行集成的氫氣網(wǎng)絡(luò)，僅采用SMR法制氫作為公用工程；圖3(b)為本文建立的耦合系統(tǒng)，引入了風(fēng)力發(fā)電提供氫氣和電力。由圖3 可知，與基礎(chǔ)案例相比，耦合系統(tǒng)的管道連接總數(shù)從18增加到23，耦合系統(tǒng)的壓縮機(jī)數(shù)量也從6臺(tái)增加到10臺(tái)，氫氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。

圖3 氫氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

表3 氫氣網(wǎng)絡(luò)的各部分費(fèi)用

對(duì)于耦合系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電制氫輸出的氫氣優(yōu)先分配給對(duì)氫氣流量和純度要求較高的氫阱k1和k2。由于風(fēng)力發(fā)電制氫的氫氣純度較高，一般會(huì)先與低純度內(nèi)部氫源混合后供給氫阱，若未能滿足氫阱的流量要求，則需要引入SMR 公用工程氫氣。因此內(nèi)部氫源與氫阱的連接增加，內(nèi)部氫源的利用率提高，同時(shí)公用工程的消耗減少。

由表3可知，耦合系統(tǒng)的總費(fèi)用比原系統(tǒng)減少近一半。在基礎(chǔ)案例的費(fèi)用構(gòu)成中，最大的兩項(xiàng)為購(gòu)氫和購(gòu)電費(fèi)用；而在耦合系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電制氫可以向氫氣網(wǎng)絡(luò)提供1.17×1010mol 氫氣和4.07×107kW·h 電力，使購(gòu)氫費(fèi)用下降了44.3%，同時(shí)購(gòu)電費(fèi)用降為0。此外，雖然壓縮機(jī)的數(shù)量增加，但由于壓力更高的風(fēng)力發(fā)電制氫流股和內(nèi)部氫源流股替代了部分公用工程氫氣，因此系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)容量的需求減小，壓縮機(jī)費(fèi)用也小幅下降。另外，在耦合系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電制得的純氫通過流股混合提高了內(nèi)部氫源的氫氣濃度，使得內(nèi)部氫源的利用率提高，故排放至燃?xì)庀到y(tǒng)的流量減少，進(jìn)而導(dǎo)致了燃?xì)馐找娴南陆?。?中給出了氫氣網(wǎng)絡(luò)中各連接的流量變化范圍。

表4 氫氣網(wǎng)絡(luò)中各連接的流量

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電總能量的分配進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電量的90.8%最終用于電解水制氫，以滿足氫氣網(wǎng)絡(luò)對(duì)氫氣的需求，降低了公用工程消耗，只有3.0%以電能形式輸送給壓縮機(jī)。除了給煉廠氫氣網(wǎng)絡(luò)提供質(zhì)量流和能量流的輸入來削減運(yùn)行費(fèi)用外，風(fēng)力發(fā)電制氫過程還起到減排的效果[17]，在本案例中，CO2的排放量為從9.91×108kg 下降至5.30×108kg。

3.2.2 風(fēng)力發(fā)電制氫的波動(dòng)平抑

由于風(fēng)力發(fā)電制氫具有波動(dòng)性，因此需要經(jīng)過平抑波動(dòng)后再供給氫氣網(wǎng)絡(luò)中的氫阱。圖4 以0～1000h的時(shí)間區(qū)間為例，說明了風(fēng)力發(fā)電制氫對(duì)氫氣流量波動(dòng)的平抑作用，其中紅線為各時(shí)刻全部風(fēng)能轉(zhuǎn)化成氫氣的量，黑線表示經(jīng)過平抑之后的氫氣流量。由圖可見，風(fēng)力發(fā)電經(jīng)過棄電、電池、氫氣儲(chǔ)罐以及耗電設(shè)備的消納之后，不僅氫氣流量的波動(dòng)程度有所減小，波動(dòng)頻率也有所降低。

圖4 風(fēng)力發(fā)電制氫系統(tǒng)對(duì)氫氣流量波動(dòng)的平抑

由于電池的容量相對(duì)于氫氣儲(chǔ)罐較小，因而電池平抑氫氣波動(dòng)的能力也較弱。在本文的案例中，全年中經(jīng)電池提供給電解槽的能量只占電解耗電量的0.2%，而在供應(yīng)給氫氣網(wǎng)絡(luò)的氫氣量中，有26.8%經(jīng)由氫氣儲(chǔ)罐進(jìn)行緩沖。對(duì)比可見，風(fēng)力發(fā)電制氫量的波動(dòng)在制氫單元內(nèi)的平抑主要通過氫氣儲(chǔ)罐來實(shí)現(xiàn)。

3.2.3 公用工程氫氣對(duì)風(fēng)力發(fā)電制氫波動(dòng)的平抑作用

雖經(jīng)電池和氫氣儲(chǔ)罐平抑可再生能源發(fā)電制氫的波動(dòng)，但全年中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出到氫氣網(wǎng)絡(luò)的氫氣流率波動(dòng)仍然很大，其流率波動(dòng)范圍為308.8～521.9mol/s。為了滿足氫阱的需求，氫氣網(wǎng)絡(luò)需要通過調(diào)節(jié)氫源和公用工程的流量分配來適應(yīng)這種波動(dòng)。圖5 和圖6 分別給出了氫阱k2 和k5 在前1000h內(nèi)的氫氣流率分配。

圖5 氫阱k2的輸入流股構(gòu)成

圖6 氫阱k5的輸入流股構(gòu)成

下面以氫阱k2 為例分析氫氣網(wǎng)絡(luò)如何來適應(yīng)產(chǎn)氫量的波動(dòng)。如圖5所示，氫阱k2在前1000h內(nèi)的輸入流率由4個(gè)氫源輸出的流股構(gòu)成，分別是內(nèi)部氫源s1 和s4、氫氣公用工程（HU）以及風(fēng)力發(fā)電制氫（RE）。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸送至k2 的流率最大值為213.1mol/s，而氫源s4 的流率波動(dòng)趨勢(shì)與風(fēng)力發(fā)電制氫類似；公用工程氫氣的流率變化趨勢(shì)與另外兩者相反，變化幅度最大。這是由于氫源s4 的純度較低，必須以一定的比例與風(fēng)力發(fā)電制氫混合提高純度后再供給氫阱。因此當(dāng)風(fēng)力發(fā)電制氫的供氫量變化時(shí)，s4也要隨之調(diào)節(jié)，由于氫阱要求的總流率不變，故公用工程氫氣的流率也要相應(yīng)改變。一般來說，由于內(nèi)部氫源的氫氣純度較低，在氫氣網(wǎng)絡(luò)中主要通過調(diào)節(jié)純度較高的公用工程來適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電制氫的流率波動(dòng)。氫阱k5 并不與風(fēng)力發(fā)電制氫流股（RE）直接相連，但是引入氫源（RE）也會(huì)引起為氫阱k5 供氫的內(nèi)部氫源流股的流率變化。因此，風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)因素會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶來影響。

3.2.4 公用工程氫氣和燃?xì)庀到y(tǒng)氫氣的波動(dòng)

由于風(fēng)力發(fā)電制氫不能完全消除氫氣流率的波動(dòng)，因此氫氣網(wǎng)絡(luò)必須采用多周期的操作方式來適應(yīng)變化的電力和氫氣輸入。

一方面，這會(huì)對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)帶來影響。為了避免風(fēng)力發(fā)電制氫量的下降使氫阱需求無法滿足，與風(fēng)力發(fā)電制氫連接的氫阱可能需要公用工程氫氣供氫來彌補(bǔ)氫氣虧缺，這使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。

另一方面，從操作的角度上看，氫氣網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各匹配的流率變化是通過調(diào)節(jié)內(nèi)部氫源和氫氣公用工程的流率分配來實(shí)現(xiàn)的。未被利用的內(nèi)部氫源會(huì)被排放到燃?xì)庀到y(tǒng)，因此風(fēng)力發(fā)電制氫輸出純氫流率的波動(dòng)最終會(huì)轉(zhuǎn)化成公用工程氫氣和燃?xì)庀到y(tǒng)的波動(dòng)。圖7給出了公用工程氫氣和燃?xì)庀到y(tǒng)的總流量在前1000h內(nèi)的變化情況。由圖可見，兩者波動(dòng)都較為頻繁，此外，公用工程氫氣的流率波動(dòng)范圍很大，為433～702mol/s。這種不穩(wěn)定的操作雖然盡可能地利用了風(fēng)力發(fā)電制氫提供的氫氣，降低了系統(tǒng)購(gòu)氫的費(fèi)用，但卻增加了操作難度，頻繁地調(diào)節(jié)也可能造成壓縮機(jī)的故障，并會(huì)對(duì)裝置的操作穩(wěn)定運(yùn)行帶來影響，不利于氫氣網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)運(yùn)行。另外，在第94h時(shí)，公用工程氫氣的負(fù)荷從661mol/s 降至433mol/s，負(fù)荷的大幅度改變?cè)?000h 內(nèi)發(fā)生了13次之多，而實(shí)際中頻繁的操作不利于公用工程制氫裝置穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 公用工程氫氣和燃?xì)庀到y(tǒng)氫氣（以純氫計(jì)算）的流量變化

除了氫氣以外，風(fēng)力發(fā)電制氫與氫氣網(wǎng)絡(luò)還以電力方式耦合，即電池需要通過充放電來調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電供給壓縮機(jī)的功率，以滿足壓縮機(jī)變化的耗電需求。由表3可知，壓縮機(jī)的耗電全部由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)滿足。而由計(jì)算結(jié)果可知，壓縮機(jī)耗電功率較為穩(wěn)定。這是由于氫阱對(duì)氫氣流量的總需求不變；電池釋放的電能有34%供給壓縮機(jī)，卻只滿足了壓縮機(jī)能量需求的2%，這表明電池對(duì)壓縮機(jī)供電起到的調(diào)節(jié)作用較小。

4 結(jié)論

在煉廠中引入可再生能源，將可再生能源發(fā)電制氫集成于煉廠氫氣系統(tǒng)中，不僅可替代部分氫氣公用工程以滿足煉廠的氫氣需求，同時(shí)也可為煉廠中旋轉(zhuǎn)設(shè)備提供電能。然而，可再生能源發(fā)電制氫的波動(dòng)性將影響氫氣網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了探究風(fēng)力發(fā)電制氫與氫氣網(wǎng)絡(luò)集成中兩個(gè)子系統(tǒng)平抑風(fēng)能波動(dòng)的特性，本文構(gòu)建了集成風(fēng)力發(fā)電制氫的氫氣網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)優(yōu)化分析模型，研究了氫氣網(wǎng)絡(luò)平抑風(fēng)力發(fā)電制氫波動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性，分析了引入風(fēng)力發(fā)電制氫對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和操作的影響。

研究表明，風(fēng)力發(fā)電制氫的引入提高了氫氣網(wǎng)絡(luò)中氫源的利用率，主要通過減少公用工程電力和氫氣的費(fèi)用實(shí)現(xiàn)總費(fèi)用的降低。另外，經(jīng)過儲(chǔ)能電池和氫氣儲(chǔ)罐緩沖后，風(fēng)力發(fā)電制氫的氫氣輸出仍存在較大波動(dòng)，這部分波動(dòng)最終將轉(zhuǎn)嫁給氫氣網(wǎng)絡(luò)中的公用工程氫氣和燃?xì)庀到y(tǒng)，氫氣網(wǎng)絡(luò)的操作穩(wěn)定性降低，同時(shí)導(dǎo)致氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。對(duì)于可再生能源發(fā)電制氫與煉廠氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要考慮氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中公用工程氫氣和燃料氣系統(tǒng)穩(wěn)定操作限制，這些問題值得進(jìn)一步深入研究。

符號(hào)說明

e—— 費(fèi)用因子

K—— 氫阱

ΔH—— 焓變，kJ/mol

n—— 設(shè)備預(yù)期壽命，年

S—— 內(nèi)部氫源

T—— 時(shí)間段

z—— 判斷管道連接是否存在

δ—— 表示設(shè)備開啟狀態(tài)

上角標(biāo)

BESS—— 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

com—— 壓縮機(jī)

E—— 可再生能源發(fā)電設(shè)備

ELE—— 電解槽

FG—— 燃料氣系統(tǒng)

HN—— 氫氣網(wǎng)絡(luò)

HT—— 氫氣儲(chǔ)罐

HU—— 氫氣公用工程

pipe—— 管道

RE—— 可再生能源制氫過程

WASTE—— 棄電

下角標(biāo)

CH4—— 甲烷

fuel—— 燃料氣

grid—— 電網(wǎng)

H2—— 氫氣

in—— 輸入

k—— 氫阱

min—— 最小值

max—— 最大值

O2—— 氧氣

out—— 輸出

rated—— 額定值

req—— 規(guī)定值

s—— 氫源

SUR—— 富余量