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源网荷储系统解决方案和合成氨柔性控制研究进展-中国五环-外发.pdf

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1、全球化工程公司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月中国五环工程有限公司目录CONTENTS1源网荷储系统解决方案2合成氨柔性控制研究进展3源网荷储+绿氢合成氨全流程模拟中国五环工程有限公司PART1源网荷储系统解决方案中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.1-源网荷储制氨路线中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.2-源网荷储系统方案研究对象风电&光电耦合产电以达成最佳利用效果中间氢/氧缓冲罐投资风光弃电总量电网补电投资风电/光伏投资电解槽投资8760h风电数据风电数据8760h光伏发电数据光伏发电数据考察从风光发电到电解槽，再到氢气储罐，至下游装置全流程电

2、网补电弃电投资比选中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.3-源网荷储系统研究策略给定风光比例8760风电数据8760光电数据遍历计算最佳8000工作时间产电产氢换算1给定下游预产氢要求2给定补弃电比3设定下游负荷上下限生成全域补/弃电&罐容数据*满足下游装置在上下限内有条件波动，满足电解槽工作上下限，风光发电到电解槽段都要进行相应的补/弃电操作调节电解槽工作上下限调节下游负荷波动率消峰填谷优化氢罐曲线总补/弃电任务完成总任务中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.3-源网荷储系统研究策略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

3、量因素影响进行分析，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）。中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.3-源网荷储系统研究策略风风/光比例弃电总量在绿电总量占比补电总量在绿电总量占比风光发电总量（光比例弃电总量在绿电总量占比补电总量在绿电总量占比风光发电总量（Gwh/年）光伏投资年）光伏投资/亿元风电投资亿元风电投资/亿元氢储罐投资亿元氢储罐投资/亿元综合投资亿元综合投资/亿元全光伏亿元全光伏12%10%748.68815.3102.2817.591:912%10%748.68813.781.551.9817.312:812

4、%10%748.68812.253.111.817.163:712%10%748.68810.714.661.7517.124:612%10%748.6889.186.212.0517.44某项目不同风光发电比例下的综合投资比较中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.3-源网荷储系统研究策略某项目电解槽数量的经济性比选补电总量在绿电总量占比弃电总量在绿电总量占比产氢装机容量补电总量在绿电总量占比弃电总量在绿电总量占比产氢装机容量Nm3/h光伏投资光伏投资/亿元风电投资亿元风电投资/亿元电解槽投资亿元电解槽投资/亿元氢储罐投资亿元氢储罐投资/亿元综合投资亿元综合投资/亿元亿元10%12%50

5、00010.74.6652.5722.9310%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补电总量在绿电总量占比弃电总量在绿电总量占比产氢装机容量补电总量在绿电总量占比弃电总量在绿电总量占比产氢装机容量Nm3/h风光发电总量（风光发电总量（Gwh/年）光伏投资年）光伏投资/亿元风电投资亿元风电投资/亿元电解槽投资亿元电解槽投资/亿元氢储罐投资亿元氢储罐投资/亿元综合投资亿元综合投资/亿元亿元10%5%5

6、3000713.03610.24.445.34.5724.5110%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某项目不同弃电率的经济性比选中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.3.1-工作区间&风光补/弃电配比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遍历抛去区域：对应760h

7、发电量：1760A12761A23762A380018760下游停产区间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，方便多方案比选风电比例光电比例补电比例弃电比例计算罐容综合投资A1B1C1D1V1M1A2B2C2D2V2M2A3B3C3D3V3M3中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.3.1-工作区间&风光补/弃电配比在进行所有的计算之前，首先要确定风电和光电的耦合比例（1、2），以及弃电/电网补电在风电总量的占比（1、2），对于给定的下游氢气要求产量（单位Nm3/h），即能通过以下公式确定风电系数1、光电系数2、弃电

8、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度电全年氢要求产量=风光所需发电量+电网补电量-弃电量=风光+风光*2 风光*1=（1+2 1）*风光=8000*5即得到风光所需发电量，再根据：风所需发电=1*风光所需发电量光所需发电=2*风光所需发电量即分别得到的风所需发电量和光所需发电量，于是：风电系数1=风所需发电/8000小时风电数据总量光电系数2=光所需发电/8000小时光电数据总量弃电总量E1=风光*1补电总量E2=风光*2121+2=100%电网补电弃电满足产氢需求中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.3.2-电解槽投资的优化采用全域补/

9、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，方便比选电解槽上限电解槽投资风光投资综合投资A1B1C1M1A2B2C2M2A3B3C3M3电解槽工作上限电解槽工作下限电解槽工作上限电解槽工作下限降低上限弃电增加风光电投资增加电解槽投资降低求解最佳上限点使得综合投资最小中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.3.3-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。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。绿氢用于下游装置中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN上游产氢气下游消耗氢气Nm3/

10、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-罐容计算策略中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.3.3-罐容计算策略:下游操作区间产生的罐容:下游负荷调节速度产生的罐容:中间氢储罐容积包括调节频率及调节幅度?,?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？操作区间如何变化？中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN02000040000600008000000

11、 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97上游供氢量下游氢气消耗02000040000600008000000746569737781上游供氢量下游氢气消耗1.3.3-罐容计算策略02000040000600008000000 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73

12、77 81 85 89 93 97 101上游供氢量下游氢气消耗方案1.上下游完全同步，?0方案2.上下游一定负荷区间内同步，?43万方案3.上下游一定负荷区间内不同步，?62万方案4.下游负荷恒定，?106万02000040000600008000000 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101上游供氢量下游氢气消耗中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.3.3-罐容计算策略序号运行特点详细情况计算罐容序号运行特点详细情况计算罐容方

13、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

14、，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。中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.3.3-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020000400006000080000007414549

15、5357685899397101上游供氢量下游氢气消耗下游上限下游下限下游上限下游下限30000025000020000005000005000002000002500002933374656973778185899397由之前方案计算可知，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，就能计算多个罐容值；在实际项目中（下游负荷区间为20100%），我们将上游8760个产氢数据分别作为下游最大负荷，计算8760个对

16、应缓冲罐容积（实际计算中我们进行了算法优化），得到左下图下游最大负荷罐容曲线，进而确定出使最小时的，即确定了最佳下游负荷区间罐容虚拟氢储罐容积随下游合成氨装置负荷变化曲线罐容下游最大负荷罐容下游最大负荷中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.3.3-罐容计算策略在确定了最佳的变量后，我们继续加入变量，由于变量已经确定，此时罐容函数可以简化为?，此时的罐容受到下游负荷调节速度的制约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下游负荷调节频率和每小时负荷变化极限值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020000400006000080000014

17、0000015913 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101上游供氢量下游氢气消耗:下游负荷调节速度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下游上限下游下限下游上限下游下限下游负荷变动无法跟上上游产氢速率中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN1.3.3-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

18、值消峰，得到指定罐容的下游排产计划1.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?,?函数中我们设定一个?，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?的,，以下游排产计划表体现。削峰填谷0002000000200000400000600000800000159 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 9760000400002000002000040000600008

19、0000159 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97?,?给定?中国五环工程有限公司PART2合成氨柔性控制研究进展中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN2.1 合成氨柔性控制研究问题光伏发电的波动性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式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绿氢制氨的技术挑战中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN2.1 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

20、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自控技术方案中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN2.2-合成氨柔性控制方案合成氨装置动态模型中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN35040045050055060000.050.10.150.20.25t/yNH3平衡温度最佳温度BED1#操作温度BED2#操作温度BED3#操作温度350

21、40045050055060000.050.10.150.20.25t/yNH3平衡温度最佳温度BED1#操作温度BED2#操作温度BED3#操作温度35040045050055060000.050.10.150.20.25t/yNH3平衡温度最佳温度BED1#操作温度BED2#操作温度BED3#操作温度35040045050055060000.050.10.150.20.25t/yNH3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1负荷2负荷3负荷42.2-合成氨柔性控制方案不同负荷下合成反应曲线中国五环工程有限公司中国五环WUHU

22、AN 100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%负荷工况下的物热平衡多工况下的设备核算关键工艺指标的控制方案2.2-合成氨柔性控制方案结论：非疲劳技术解决方案与疲劳方案比较，合成氨装置设备投资可降低20%中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN2.2-合成氨柔性控制方案合成氨压缩机配置及负荷调节中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN2.2-合成氨柔性控制方案合成氨压缩机配置及负荷调节出于原料气波动和节能，共设置两台合成气压缩机，单台能力为最大合成气量的一半。总原料气40%以下时关停一台，全年总耗电量2.384亿千瓦时；若不考虑关一台压缩机，则为2.667亿千瓦时。两

23、者相差10%的功耗(电耗)。中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN2.2-合成氨柔性控制方案压缩机选型：基于15万吨/年合成氨，压缩机组全部采用变频电驱，无油压缩机组，机型初步建议如下（最终需根据产用氢数据确定）：氢气压缩机：(1）2开+1备往复机组，或(2)1开+1备往复机组，具体方案需根据储罐放氢数据来选择。合成气压缩机：1开+1备往复机组，1开机组可考虑无级调节技术节能。制冷(氨)压缩机:1开+1备往复机组，1开机组可考虑无级调节技术节能。中国五环工程有限公司PART3网源荷储+绿氢合成氨全流程模拟中国五环工程有限公司中国五环WUHUAN3-源网荷储+绿氢合成氨全流程模拟中国五环工程有限公司创建精品工程成就客户事业中国五环工程有限公司

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