【《新能源耦合煤化工系统中新能源消纳系统的组成模型分析》9600字】

新能源耦合煤化工系统中新能源消纳系统的组成模型分析目录TOC\o"1-3"\h\u23714新能源耦合煤化工系统中新能源消纳系统的组成模型分析 1127611.1两种新疆新能源消纳系统框架构建 153771.1.1基于氢能应用的新疆综合能源系统框架构建 187831.1.2新疆新能源耦合煤化工系统框架构建 3308511.2新疆新能源消纳的各子系统模型搭建 4215651.1.1风光互补单元模型 5235541.1.2氢能应用单元模型 946211.1.3热电联供单元模型 13279781.1.4煤化工合成单元模型 16近年来，伴随着社会的发展与科技的进步，能源的利用形式不断发生改变，其使用范围逐渐扩大，虽然目前对综合能源系统的概念尚未完成统一，但多能互补、多能协同已成大势所趋。在综合能源系统中，以电力系统、热力系统为代表的综合能源系统通过各子系统在不同类型的供能、储能及能源转换设备之间的耦合互动，实现了能量的梯级利用，有效提高了能源利用率，并降低了系统成本。新疆凭借着强大的新能源优势及化石能源优势，能够在综合能源系统发展过程中为系统提供充沛的能量供应与原料供给，从而实现新能源与化石能源的有效结合，大幅度提高新疆新能源消纳率。同时，为了完成对新疆新能源消纳系统的构建，需要解决综合能源系统这一包含多种能源类型的复合系统内部多种能源之间的供需平衡、用户侧对能源的需求变化、对新能源的利用情况以及各系统间的设备相互干扰等均会给系统的稳定运行带来阻碍的问题。因此，通过对综合能源系统的各项设备在不同条件下的运行状况构建出合理的组织模型，有利于对系统的能量流动及运行特性进行分析与优化，从而实现能源的高效利用，提升系统的能量利用率，增加新疆新能源的消纳情况。本章将对所构建的两种新疆新能源消纳方式进行分析研究并构建组织框架，为后续的研究提供模型基础。1.1两种新疆新能源消纳系统框架构建1.1.1基于氢能应用的新疆综合能源系统框架构建基于氢能应用的新疆综合能源系统耦合了多种类型的能源，通过新能源发电、天然气网络购气以及与外电网的电力输送，再经由系统内部装置进行能量转换，最终实现系统的稳定运行，从而满足不同负荷的需求。本文所构建的基于氢能应用的新疆综合能源系统的能量供给、储存与转换设备主要包括：风光互补发电系统、热电联供系统（CombinedHeatandPowerSystem,CHP）、燃气锅炉、储氢罐、天然气储罐、电解槽与甲烷化装置等设备。在实际应用中，因受到新能源出力的不稳定性、用户侧对能源需求的多样性、环境对系统的干扰性等多种因素的影响，使得综合能源系统的稳定输出受到种种限制，此时需要根据用户侧对能源类型的需求转变当前的能量供应形式，以满足负荷对不同能源的需求。而完成负荷需求的前提是构建出合理的综合能源系统组织框架，并建立适当的数学模型，为系统容量的优化配置及经济性分析提供理论框架及模型支撑。在综合能源系统的发展应用过程中，传统能源所占比例愈发衰弱，而清洁能源所占比例愈发壮大，以电力供应为例，从最初由火力发电供给的电力能源，现在逐渐向以风、光等为代表的新能源发电领域转变。同样的，应用于储能环节的传统化学储能因其本身使用寿命短、环境污染大、能量供应方式单一等问题也已逐渐不能满足当前综合能源系统的需求[31-32]。因此，构建多种形式的清洁能源供给体系将成为综合能源系统的发展方向，而氢储能作为一种新型清洁能源，其凭借着绿色高效、来源广泛、转换能量方式多样等多种优势被认为是最能满足综合能源系统要求的能源方式。图2-1传统综合能源系统框架图图2-2基于氢能应用的新疆综合能源系统框架图由图2-1、图2-2可知，传统的综合能源系统与所构建的基于氢能应用的新疆综合能源系统的区别在于对电能的储存应用方式的不同。传统的综合能源电力供应主要由风光互补发电、电网外购、热电联产机组发电与蓄电池放电等单元构成，其中蓄电池主要储存不直接被用户侧消纳的风光所发电量，起到电能缓冲作用。但蓄电池也有许多弊端，它的使用会造成环境污染，再加上蓄电池本身具有的充放电次数限制与提供的能源形式只有电力这一单一形式。若处于冬季热能负荷过大的环境下，系统的热负荷供给不足，此时就必须加大对外界天然气的购入，受外界因素影响较大，难以保证对用户侧负荷的满足，影响了系统供能的稳定性。而所构建的基于氢能应用的新疆综合能源系统与传统的综合能源系统电能供应格局类似，主要区别在于蓄电池储能单元替换为氢储能应用单元。相比于蓄电池储能，氢储能环节不仅可以做到大规模消纳不被直接利用的电力，同时可以根据用户侧的需要，对电力负荷与热力负荷进行补充，即在系统的甲烷化装置与燃料电池的作用下，可以将氢气转换为天然气或产生电力，当夏季电负荷过大，新能源发电对电力系统供电量不足，此时可以将燃料电池所发电力供给于用电侧，用于补充电能；当冬季热负荷过大时，系统热电联供机组产生的热能难以完全覆盖用户侧热能需求，此时可以将多余的风光所发电力制取的氢气通过甲烷化制取天然气并供给于燃气锅炉或热电联供机组，用于补充系统所需燃料，加大热能供应量。同时，新能源发电制取的氢气除应用于补充系统负荷需求外，过量的氢气可以外售用于补贴系统支出，缓解经济压力。相比于使用蓄电池作为储能环节的传统综合能源系统，本文所构建的基于氢能应用的新疆综合能源系统供能方式更加多样，对能源的利用与对系统稳定性的增强都要更加的优秀。同时使用氢能为中间转换环节，可以有效地将电能供应网络与天然气管网紧密结合起来，充分实现了两者的协同合作功能，体现了能源互联网的优势。1.1.2新疆新能源耦合煤化工系统框架构建新疆具备强大的新能源优势与化石能源优势，但能源的消纳与转型却成为当前新疆发展的阻碍。所构建的新疆新能源耦合煤化工系统通过新能源系统与煤化工系统相结合的方式，在大幅度消纳新能源的同时，能够为煤化工产业提供充足的化工原料。相比于新发展的新能源耦合煤制甲醇系统与传统的煤制氢耦合煤制甲醇系统，前者拥有着良好的环境优势，但系统成本高昂，具备较高的准入门槛，不利于该模式的推广应用；后者虽然拥有较强的经济优势，但同时会产生大量的环境污染，不符合当前环境保护的要求。综合两者的优势，本文构建出新疆新能源耦合煤化工系统。系统框架如图2-3所示，该系统由风光互补发电系统、电解水制氢系统、煤制氢系统、煤化工制甲醇系统及氢氧分配管理系统等子系统组成。该耦合系统以风、光发电作为能源枢纽，通过电网消纳及煤化工系统的生产应用，在实现能量转换的同时，完成制氢、储氢、用氢的氢能源循环，既能够有效缓解弃风弃光现象，解决可再生能源的浪费问题，还可以加快煤炭利用方式的转型，促进煤炭职能从基础能源原料向化工原料的转变。同时，各系统间的协调配合将有效缓解风光消纳不足，并减少煤化工产业的污染问题[33]，为新能源的消纳与传统煤化工的生产带来双赢。图2-3新疆新能源耦合煤化工系统框架1.2新疆新能源消纳的各子系统模型搭建本文所构建出的基于氢能应用的新疆综合能源系统与新疆新能源耦合煤化工系统两种新能源消纳途径，从能源的消纳结构来看，两种系统存在共通性，也存在差异性：比如两种新能源消纳方式均是以风光互补发电为其动力来源，以氢储能的应用为系统的能量转换枢纽。但两者对氢能的应用方向不同，在前者中氢能主要起消纳新能源以及为热电联供系统提供补充原料，而后者中氢能主要起提供化工原料的作用。考虑到两者在结构上的异同点，根据各子系统的功能特性对其进行分类考虑，构建出合适的系统等效模型。图2-4新疆新能源消纳系统各子系统组成1.1.1风光互补单元模型风光互补发电系统一般由风力发电机组、光伏阵列、用电设备、整流器、逆变器等多项组成。根据系统是否并网，可将风光互补发电系统分为独立型和并网型。独立型风光互补发电系统与电网脱离，主要适用于小型负荷和电网不能覆盖的地区，一般在满足负荷用电要求的基础上添加柴油发电机等备用发电机组，以保证系统的供电稳定。并网型风光互补发电系统是将生产出的电能供给电网，由电网进行统一分配调度，而这对系统的电能输出质量要求较高。但无论哪一种风光互补发电系统，在天气以及输电波动性影响下系统的稳定性都要比单一风光发电要稳定的多。（1）风力发电单元模型风能是世界上资源储备最为丰富的清洁能源之一，理论上风能储藏量能达到2200万亿/年[10]，而其中，风力发电是目前风能资源利用最为有效的方式之一。风力发电历史悠久，早在19世纪末，丹麦学者就已研制出世界上第一台风电机组，伴随着风力发电技术的不断进步，其成本快速下降，目前已具备和传统化石能源发电成本相接近的竞争力[34]。风力发电也凭借着低廉的价格成本、丰富的资源储备以及绿色无污染的环境特性等诸多优点倍受世界各国青睐，目前已成为继水电、核电之后的第三大清洁能源。风力发电本质上是一种能量转换过程，即把风能转化为机械能，机械能转化为电能，而在此过程中，其所发电力大部分直接用于向外输送，小部分用于保护电路。目前，风力发电机类型根据旋转轴与地面位置的不同分为垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机。垂直轴风力发电机其旋转轴垂直于地面，风轮旋转平面与风向平行，具有全风向对风、噪音低、安全性高、结构简单、发电效率好等优点，但同时也存在着成本相对过高、启动风速大、技术尚未完善等缺点。水平轴风力发电机的旋转轴平行于地面，风轮旋转平面与风向垂直，与垂直轴风力发电机不同，它需要不停转变方向以保持与风向一致。综合来看，水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机优缺点刚好相反，但由于前者技术成熟、成本较低，目前九成以上的大型风力发电机组都以其为主。但无论是哪一种风力发电机组，其发电过程是统一的：图2-5风力发电过程一般情况下，风电场的输出功率在不考虑风机尾流效应与时滞效应的情况下，假设每一台风机都处于相同的环境，受同样的风速影响，此时的输出功率与切入风速、额定风速、切出风速三种典型风速值有关：小于时，风力发电未达到运行条件，此时输出的功率为零；介于与之间时，此时风力发电输出功率随风速的增加而增加；介于与之间时，此时风力发电功率按额定功率输出；大于时，此时风机停止运行。用数学模型表示风电机组的输出功率为[35]： （2-1）（2-2）（2-3）（2-4）式中：为风电机组实际输出功率；为实时风速；为风机切入时的风速；为风机额定风速；为风机切出时的风速；为风电机组额定输出功率。风力发电功率与风速之间的关系：图2-6风力发电机曲线风电机组在风速处于切入与切出机组时工作，此时风速与功率之间的关系可以是线性的，同样也可以表示成非线性的，这主要与选择的风力发电机组的特性有关。（2）光伏发电单元模型为了减少对愈发枯竭的化石能源的消费以及改善当前逐渐恶化的社会环境，世界各国都在寻找能够为社会提供稳定能源供应的绿色能源。太阳能凭借其本身的清洁无污染、高效可再生、分布范围广等优点被世界所青睐。随着太阳能发电技术的进步以及社会的大力支持，中国光伏装机容量目前已接近风电装机容量。由图1-2可知，截止2020年，中国光伏装机容量达到25250万千瓦，而在2011年，中国光伏装机容量仅为293万千瓦，短短十年间增长了约86.2倍，太阳能已成为中国清洁能源重要组成部分。太阳能发电实质是光伏电池利用了半导体的光伏效应，将光能转变为电能，它的构成主要包含太阳能电池板、控制器和逆变器三部分。光伏发电的能量来源为光照，半导体在接受阳光照射后，其内部的PN结产生空穴-电子对，电子与空穴在电场力作用下分别从P极流向N极与从N极流向P极，造成了半导体两端大量电荷的聚集，从而形成电势差。若通过外电路闭合形成回路，则会在回路当中产生电流。因此，虽然风能、太阳能极受环境影响，但两者良好的时间、空间上的互补特性，能够有效平衡系统出力，减少系统功率波动。此外，若在能源系统构建初期对其进行容量的优化配置，能够在获得稳定的供能基础上减少系统投资费用，同时获得良好的经济收益与环境收益。图2-7光伏电池发电原理光伏发电主要受光照强度与环境温度的控制。但光照强度具有较大的随机性，此时可以采用贝塔（）分布函数近似的等效光照强度的概率模型，贝塔函数的概率密度可用下式表示：（2-5）（2-6）（2-7）式中：为伽马函数；、分别为贝塔分布的形状函数；为时间内的太阳辐射强度函数；为最大光照强度；光伏发电输出功率如下所示：（2-8）式中：为时刻时光照强度；表示标准光照强度，取；为标准环境下的温度，取25℃；为在标准光照以及标准环境温度下光伏发电最大输出功率；为温度系数，设为0.35%/℃。为光伏电池板时刻的实际温度，具体计算公式为：（2-9）式中：为当前环境温度，为当前风速。1.1.2氢能应用单元模型（1）电解槽目前，世界范围内氢气来源主要从传统的化石能源重整中取得[36]，虽然化石能源制氢技术发展成熟、成本低廉、能够大规模制取，但从环境保护与资源利用的角度看，它并非最佳选择。电解水制氢凭借其绿色环保、工艺成熟、生产灵活等优势逐渐被人们所重视。但从总成本看，电解水制氢并不经济，其成本是天然气重整制氢、煤制氢等化石能源制氢成本的3~4倍，而其中，电力成本是电解水制氢的主要支出部分，电费占总成本的70%~80%，昂贵的电力支出严重阻碍了电解水技术的发展[37]。伴随着我国新能源装机容量的快速攀升，由此带来了严重的弃风弃光问题，但对于电解水制氢来说，它又是一项机遇，通过弃风弃光所发电力，能够大幅度降低电解水成本，提高其市场竞争力。电解水制氢是一种成熟的制氢工艺，是通过电化学过程将电解槽中的水分子在电极上电解出氢气和氧气。目前，根据电解质的不同，将其分为三类，分别为：碱性水电解（alkalinewaterelectrolysis，AWE）、质子交换膜电解（protonexchangemembranes，PEM）、固体氧化物电解（solidoxideelectrolyticcells，SOEC）[38]。三种电解方式中AWE发展最为成熟，投资成本低，适宜大规模推广应用，但也存在着腐蚀性高、碱液易流失、能耗高等缺点；PEM是未来大规模发展电解水技术的关键，它相比于AWE技术电解具有效率更大、氢气纯度更高、动态响应更快等优点，但同时也存在着投资成本高、质子交换膜与催化剂等多项关键技术尚未被掌握等弊端；SOEC工作温度高，可以达到600~1000℃，使得制氢过程效率更高，同时因电极采用非金属结构，也避免了腐蚀现象，但高温工作条件限制了对材料的选择，导致SOEC技术暂时仍处于试验阶段，目前没有大规模投入运行的条件。表2-1碱性水电解制氢和PEM水电解制氢技术对比[39]技术经济指标碱性水电解（AWE）质子交换膜水电解（PEM）当前状态未来目标当前状态未来目标电流密度/（）0.2~0.4<0.81~21.5~3系统效率/62~8267~8774~8782~93产氢电耗/()4.5~6.54.3~5.74.5~5.54.1~4.8电堆寿命/9000090000<50000<60000系统寿命/20~303010~2020~30动态响应速度/<60—数秒—氢气纯度/99.90—99.9—投资金额/()6000~12000—11000~16800—采用电解水制氢时，由于单个电解槽的工作电压较低，一般采用多个单体电解槽串联的方式形成电堆，为电解水系统提供稳定的电力支持。在工作过程中，电解槽输出电压会受到电解槽温度、输入的电流等因素影响，因此，将电解槽的伏安特性表示为下列关系式[40]：（2-10）（2-11）（2-12）式中：为电堆电压；为单个电解槽电压；为电解槽个数；、分别表示电解槽的温度（）与输入电流（）；、表示关于电解槽电解液的内阻参数；与都表示电解槽的电极过电压系数（）；为电解槽面积；为可逆电压；为吉布斯自由能变值（）；为每次反应转移的电子数量；为法拉第常数()。根据Faraday定律，电堆的产氢速率与电解槽的电流相关[41-42]：（2-13）式中：表示为法拉第效率相对系数（)；为电流密度（),数值为。电堆消耗的电功率可表示为：（2-14）（2）氢的储运氢气的储存与运输是氢能应用单元的重要组成部分。储存氢气与储存其他燃气不同，单位质量的氢的能量密度更大，但单位体积的能量密度却要低得多（约为汽油的1/3000）[43]，因此，合理利用氢能系统的前提条件之一就是保证在较高体积能量密度下能够更多的储存氢气。常温状态下氢气以气态形式存在，在制氢基地制取氢气后，需要经过压缩、液化等措施，经由管道、槽车、拖车等途径运输到加氢站内。目前氢气的储存可分为高压气态储存、低温液态储存、有机液体储存、固态储存等方式，根据不同的储氢方式，选择的氢气运输途径也不尽相同。受制于技术的成熟度与对所构建的氢气消纳环境的选择，本文选择使用高压气态的储氢方式，在基于氢能应用的新疆综合能源系统中选用管道运输，在新疆新能源耦合煤化工系统中选择长管拖车运输。而在电解槽产生氢气并经压缩机输入到高压储氢罐中的过程中，储氢的主要能耗集中于压缩机做工时，其能耗功率表达式为：（2-15）式中：为氢气的比热容，为14.233；为压缩机入口的温度；为压缩机的工作效率；为比热容，取1.4；、为压缩机的入口及出口压强；为压缩机出口处的气体流速，单位为。（3）氢燃料电池氢燃料电池的原理是通过氢气的燃烧，驱动氢能通过化学反应产生电能或转换成其他形式的能[44]，在形式上，它更类似于电解槽电解水制氢的逆过程。燃料电池由燃料电池堆、供水系统、供气系统与电能转换系统等共同组成，只要反应产物供给充足，就能够不断向外提供电力。且与传统电池不一样，燃料电池反应过程中不产生污染物，更加清洁环保。图2-8燃料电池工作原理燃料电池电堆电压方程为[45]：（2-16）其中（2-17）式中：、、、、分别为燃料电池电堆电压、热力学电动势、活化过电压、欧姆过电压与浓差过电压；为PEMFC串联电池个数；与分别为吉布斯能变值与熵变值；、分别为PEMFC的温度与参考温度；、分别为H2与O2在反应界面的分压；、分别为法拉第常数与气体常数；为经验常数（）；、分别为阴极气液面的氧气浓度与PEMFC电感电流；、、、分别为质子交换膜的膜厚度、电阻率、质子交换膜的面积与质子交换膜阻抗；为PEMFC最大电流密度；为PEMFC方程常数。FC耗氢摩尔流速方程表达式为[46]：（2-18）式中:为FC耗氢摩尔速度。FC消耗功方程表达式：（2-19）1.1.3热电联供单元模型热电联供，即通过对能量的梯级应用，以实现从单一形式的能量输入，转换为多种形式的能量输出，从而满足用户的不同形式的能量需要。相比于常规火力发电较低的供电效率，使用包含燃气轮机的联合循环供电系统的供电效率可达到前者的1.4~1.9倍[47]。因此，选择构建包含热电联产单元的综合能源系统，不仅可以降低碳排放量，同时可以提高能源的利用效率，改善系统的经济性。热电联产系统内部能量流转关系如下：电负荷由风光互补发电与热电联产机组和外电网共同提供，多余的风光出力用于电解水制氢并储存在储氢罐中。当风光供电不足时，热电联产机组与燃料电池系统开始供电；当风光供电过量时，电解水制氢也已充足时，启动甲烷化装置，将氢气合成甲烷并添加至天然气网络。热负荷主要由热电联产机组提供，燃气锅炉起补充作用。热电联产机组示意图如下：图2-9热电联产机组示意图（1）燃气轮机微型燃气轮机（Micro-Turbines，MT）单机功率输出并不高，但以其为核心的热电联产系统的能量利用率却要远高于大型火力供电机组。燃气轮机的燃料通常为天然气，它通过甲烷燃烧生成水和二氧化碳等排放物，不会对环境造成大量污染。微型燃气轮机输出的电功率经整流、逆变、滤波等过程后选择提供给用电侧或直接并入大电网，而另一部分产生的能量通过余热锅炉及换热器等装置用以供给用户热负荷。微型燃气轮机的发电量与自身消耗的天然气量和发电效率密切相关，其输出功率模型为：（2-20）（2-21）式中：为微型燃气轮机的电功率输出；为微型燃气轮机排出的余热量；为微型燃气轮机的发电效率；为微型燃气轮机的散热损失系数；为额定发电功率。微型燃气轮机发电量与消耗天然气之间的关系如下：（2-22）式中：为微型燃气轮机在时刻用于发电所消耗的天然气量；为天然气低位热值，取。（2）燃气锅炉燃气锅炉是将天然气作为能源的制热设备，在热电联供系统中作为备用的供热设施，一般只在系统热负荷供应不足时启动。区别于传统的燃煤锅炉，燃气锅炉在产热期间排放有害气体与废弃物更少，且制热效率更高。燃气锅炉的出力大小只和自身的制热效率与消耗的天然气量有关，具体公式如下所示：（2-23）式中：为时刻锅炉产热所消耗的天然气体积（）；为时刻锅炉产生的热功率（）；为燃气锅炉的热效率。（3）甲烷化装置单元模型能源是一个国家前进的基本动力，但我国富煤少气的资源禀赋导致了天然气的稀缺。甲烷化装置能够将电解槽电解出的氢气通过化学反应转化为天然气（CH4），通常将这个过程称之为电转气（PowertoGas,P2G）。P2G技术可大幅度提高新能源的消纳能力，同时实现电网络与天然气网络之间的能量流动，增加两者之间的耦合性[48]。在H2与CO2制取天然气时，会产生大量的放热现象，该反应为强放热的可逆反应，其能量转换效率约75%-80%，若考虑到电解水制氢效率处在75%-85%之间，则从电能转换为天然气的整个过程的效率只有45%-60%[49]。甲烷化反应方程式如下：（2-24）甲烷化装置生产天然气的反应方程式：（2-25）式中：为甲烷化装置时刻输出的天然气量（）；为甲烷化效率，取80%；为氢气甲烷化系数，取值为2；为H2输入量。（4）运行模式热电联供系统一般有以电定热（FollowingtheElectricLoad,FEL）与以热定电（FollowingtheThermalLoad,FTL）两种运行模式[50]。两种模式的区别在于优先满足的负荷对象不同，用以电定热模式为例，FEL是热电联供系统以用户电负荷需求为优先满足对象，热负荷需求可能满足，也可能不满足。而以热定电模式与其刚好相反，是以用户热负荷为优先满足条件，电负荷需求可能满足也可能不满足。考虑到综合能源系统供能的稳定性与新能源的消纳情况，本文在保证新能源优先出力的前提下，结合原有的两种热电联供运行模式，提出一种新的基于新能源出力的运行模式，具体方式如下：1.在风光输出电功率小于电负荷输入功率时，热电联供系统选择FEL运行模式，计算公式如下：（2-26）（2-27）1.当风光输出电功率大于电负荷输入功率时，热电联供系统选择FTL运行模式，计算公式如下：（2-28）（2-29）式中：、分别为时刻CHP系统实际的电出力与热出力；、分