计及层级储氢特性的电氢氨系统分层储氢协同配置的方法

本发明涉及电氢氨系统氢储能配置，具体涉及一种计及层级储氢特性的电氢氨系统分层储氢协同配置的方法。

背景技术：

1、随着风电、光伏等可再生能源在能源系统中接入比例的提高，电解水制氢合成氨系统逐渐由传统稳定供能模式转向可再生能源驱动下的波动运行模式。在该类系统中，电解制氢过程受可再生电力时序波动影响，合成氨过程受化工运行边界和动态调节能力限制，高压用氢环节则通常表现出阶段性供氢需求。上述环节在工艺功能、压力等级和运行时序上存在差异，使系统氢气储存与供给过程呈现出显著的分层耦合特征，并对储氢容量与压缩输氢能力的协调配置提出要求。

2、现有电氢氨系统配置方法多将储氢环节等效为单一储氢单元或总储氢容量变量。该类处理能够降低模型复杂度，但弱化了不同压力等级储氢单元在系统中的功能差异，也难以表征储氢库存由上游压力层级向目标负荷侧转移时受到的压缩能力约束。因此，在同时存在合成氨用氢和高压用氢负荷的系统中，仅以总储氢容量作为配置依据，难以准确反映不同储氢层级对电解制氢侧、合成氨侧和高压用氢负荷侧的差异化支撑作用。

3、在实际运行中，电解制氢侧、合成氨侧和高压用氢负荷侧对储氢系统的需求存在差异：电解制氢侧主要存在因产氢流量波动而产生的缓冲储存需求，合成氨侧主要存在保障时段内的连续供氢需求，高压用氢负荷侧主要存在集中用氢时段内的高压供氢需求。上述需求受各层当前可用氢量、上游可转移氢量和层间压缩输氢能力共同制约，因而需要建立分层储氢缓冲与供氢保障约束，以描述不同运行需求对储氢容量及层间压缩输氢能力的要求。

4、此外，储氢罐与层间压缩设备之间存在明显的匹配关系。若储氢容量较大而层间压缩输氢能力不足，上游压力等级的氢气难以及时输送至目标用氢侧；若层间压缩输氢能力较大而对应储氢库存不足，则会造成压缩设备利用不足和投资冗余。因此，需要对不同压力等级的储氢容量与层间压缩输氢能力进行协同配置。

5、进一步地，分层储氢协同配置还受到经济成本和工程布置条件的共同制约。不同压力等级储氢罐在单台有效储氢量、投资成本和占地面积上存在差异。若仅以经济成本为目标，可能难以控制储氢罐区占地；若仅强调用地紧凑性，则可能导致设备选型受限或单位容量配置成本升高。因此，需要兼顾系统年综合成本和储氢罐区占地面积。

6、综上，有必要提出一种计及层级储氢特性的电氢氨系统分层储氢协同配置的方法，在表征不同压力等级储氢单元差异的基础上，协调储氢容量与层间压缩输氢能力之间的匹配关系，并兼顾系统年综合成本和储氢罐区占地面积，从而形成适应多类用氢需求的储氢与压缩设备配置方案。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中的不足，提供一种计及层级储氢特性的电氢氨系统分层储氢协同配置的方法，以解决现有技术难以表征不同储氢层级差异、难以在多类缓冲与供氢保障约束下协同配置储氢容量和层间压缩输氢能力，以及难以兼顾系统经济性与空间利用效率的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

3、提供一种计及层级储氢特性的电氢氨系统分层储氢协同配置的方法，包括如下步骤：

4、(1)根据电氢氨系统中电解制氢侧、合成氨侧和高压用氢负荷侧在压力等级和运行特性的差异，构建分层储氢结构并确定对应供氢路径；

5、(2)构建计及层级储氢特性的分层储氢与层间压缩输氢耦合模型，表征分层储氢结构中各层的储氢特性并建立各层的储氢能量演变关系；

6、(3)构建分层储氢缓冲与供氢保障模型，用于表征电解制氢侧产氢波动、合成氨装置用氢需求和高压用氢负荷需求对分层储氢容量及层间压缩输氢能力的要求；

7、(4)建立以系统年综合成本和储氢罐区占地面积最小为目标的多目标协同配置模型，采用增强ε-约束法在不同储氢罐区占地面积阈值下求取候选配置方案；

8、(5)对候选配置方案开展帕累托（pareto）非支配筛选，按照成本增幅阈值和占地面积最小原则确定各层储氢罐和层间压缩机的协调配置方案并输出相应结果。

9、作为本发明的优选方案，所述步骤（1）中，分层储氢结构包括：用于缓冲电解槽产氢波动的电解制氢侧低压储氢缓冲层、用于保障合成氨装置连续稳定供氢的合成氨侧中压供氢调节层和用于满足高压用氢负荷集中供氢需求的高压用氢负荷供给层，分别记为l层、m层和h层；储氢层集合表示为：；

10、所述供氢路径与分层储氢结构相匹配，具体包括：电解槽至l层的供氢路径、l层至m层的层间压缩输氢路径、m层至合成氨装置的供氢路径、m层至h层的层间压缩输氢路径以及h层至高压用氢负荷单元的供氢路径；电解槽产生的氢气先进入l层，经l层至m层的层间压缩输氢后，一路供给合成氨装置，另一路经m层至h层的层间压缩输氢后供给高压用氢负荷单元。

11、作为本发明的优选方案，所述步骤（2）中，基于各供氢路径的氢气流量和方向，建立分层储氢结构中各层的储氢能量演变关系，具体如下：

12、l层接收电解槽产生的氢气，并通过层间压缩设备向m层输送氢气；m层接收l层输送的氢气，同时向合成氨装置和h层供氢；h层接收m层输送的氢气，并向高压用氢负荷单元供氢；

13、基于各层容量边界、当前可用氢量、储氢罐区占地面积、年化配置成本和层间压缩输氢能力，表征分层储氢结构中各储氢层的储氢特性；各层储氢能量满足对应的上下限约束。

14、作为本发明的优选方案，所述步骤（3）中，基于各储氢层当前可用氢量、上游可转移氢量、层间压缩输氢能力及各层储氢特性，构建面向电解制氢侧、合成氨侧和高压用氢负荷侧的分层储氢缓冲与供氢保障模型；该模型包括各储氢层可用氢量计算、电解制氢侧缓冲容量约束、合成氨装置供氢保障约束和高压用氢负荷供氢保障约束。

15、作为本发明的优选方案，所述各储氢层可用氢量记为，用于表征对应储氢层在设定供氢时段开始前能够参与供氢或层间转移的氢气量，具体按下式进行计算：

16、

17、式中，为时刻t-1第k层的储氢能量，即当前供氢时段开始时的储氢能量；为第k层储氢能量下限；为氢气低位热值。

18、作为本发明的优选方案，所述电解制氢侧缓冲容量约束，用于表征在缓冲校核时段内电解制氢侧产氢波动对l层储氢容量及l-m层间压缩输氢能力的要求，具体表示为：

19、

20、式中，为电解制氢侧缓冲校核时段，表示电解制氢侧缓冲校核时段的终止时段；表示时段i的电解槽产氢流量；表示时段i的层至层的氢气转移流量；表示时段i弃氢流量；为时间步长；为l层储氢能量上限；表示时刻t-1第l层的储氢能量；为氢气低位热值；为l层缓冲容量缺额松弛变量。

21、作为本发明的优选方案，根据层当前可用氢量、层经-层间压缩路径的可转移氢量以及合成氨装置用氢需求确定所述合成氨装置供氢保障约束；当层当前可用氢量与层可转移氢量之和不足以满足合成氨装置用氢需求时，引入供氢缺额松弛变量表征该路径下的供氢缺额；具体如下所示：

22、

23、式中，为合成氨装置供氢保障时段；表示合成氨装置供氢保障时段的终止时段；为时段的产氨速率；为单位氢气对应的产氨速率系数；为时间步长；

24、所述可转移氢量受l层可供转移的氢量，以及l-m层间压缩输氢路径在合成氨装置供氢保障时段内的最大氢气转移量共同约束，并取二者中较小值。

25、作为本发明的优选方案，根据层当前可用氢量、层经-层间压缩路径的可转移氢量以及高压用氢负荷侧用氢需求确定所述高压用氢负荷供氢保障约束；当层当前可用氢量与m层可转移氢量之和不足以满足高压用氢负荷需求时，引入供氢缺额松弛变量表征该路径下的供氢缺额；具体如下所示：

26、

27、式中，为高压用氢负荷供氢保障时段；表示高压用氢负荷供氢保障时段的终止时段；为时段i的高压用氢需求流量；为时间步长；

28、所述可转移氢量受考虑可能缺额后层满足合成氨装置用氢需求后的剩余可用氢量，以及-层间压缩路径在高压用氢负荷侧保障时段内的最大转移量共同约束，并取二者中较小值。

29、作为本发明的优选方案，所述步骤（4）中，以各层储氢容量和层间压缩输氢能力作为协同配置对象，并将电池储能容量作为辅助配置变量，建立所述多目标协同配置模型；该模型以系统年综合成本函数为主目标，将分层储氢罐区占地面积作为约束目标；引入归一化面积松弛项构造储氢罐区面积阈值下的混合整数配置子问题，通过采用增强-约束法求解所述多目标协同配置模型获得候选方案。

30、所述混合整数配置子问题的目标函数具体表示为：

31、

32、式中，为第个储氢罐区面积阈值；为储氢罐区面积下界；为面积松弛变量，其取值与分层储氢罐区占地面积之和等于所述面积阈值，并介于0和所述面积阈值与面积下界之差之间；为用于增强非支配解搜索的正权重系数。

33、作为本发明的优选方案，所述系统年综合成本包括设备投资成本、设备维护成本、设备置换成本、用水成本、弃风弃光惩罚成本、弃氢惩罚成本、合成氨装置状态切换成本及缓冲与供氢缺额惩罚成本；其中，缓冲与供氢缺额惩罚项用于对电解制氢侧缓冲容量缺额、合成氨装置供氢缺额、高压用氢负荷供氢缺额及m层剩余可用氢量缺额进行惩罚；

34、所述各层储氢容量和层间压缩输氢能力由储氢罐配置台数、压缩机配置台数及对应单元设备规格共同确定；其中，各层储氢容量由储氢罐配置台数和单台储氢罐有效储氢量确定，层间压缩输氢能力由压缩机配置台数和单台额定输氢能力确定。

35、作为本发明的优选方案，所述步骤（5）中，对不同储氢罐区面积阈值下得到的候选配置方案进行pareto非支配筛选，形成非支配配置解集；然后按照成本增幅阈值和占地面积最小原则确定兼顾经济性与用地紧凑性的协调配置方案，输出结果中至少包括：各层储氢罐配置台数、层间压缩机配置台数、电池储能辅助配置结果、系统年综合成本和储氢罐区占地面积；

36、根据下述方式进行pareto非支配筛选：对于不同储氢罐区面积阈值下得到的任意两个配置方案和，若同时满足系统年综合成本、分层储氢罐区占地面积，且至少存在一个严格不等式，则判定配置方案支配配置方案；删除被支配方案后形成pareto非支配配置解集，并从中确定协调配置方案。

37、作为本发明的优选方案，根据所述非支配配置解集确定协调配置方案时，先筛选系统年综合成本相对最低成本的增幅不超过给定阈值的方案，再从中选取储氢罐区占地面积最小的方案，具体表示为：

38、

39、式中，为协调配置方案；为pareto非支配配置解集；为中任一配置方案；为配置方案对应的分层储氢罐区占地面积；为中的最低系统年综合成本；为系统年综合成本允许相对增幅阈值。

40、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

41、1、本发明将储氢系统划分为电解制氢侧储氢缓冲层、合成氨侧供氢调节层和高压用氢负荷供给层，分别用于缓冲电解槽产氢流量波动、保障合成氨装置连续稳定供氢以及满足高压用氢负荷的集中用氢需求，从而表征不同压力等级储氢单元在功能定位和服务对象方面的差异。

42、2、本发明基于各层当前可用氢量、上游可转移氢量、层间压缩输氢能力及各层储氢特性，构建分层储氢缓冲与供氢保障模型，能够表征电解制氢侧产氢波动、合成氨装置连续用氢和高压用氢负荷集中用氢对储氢容量及层间压缩输氢能力的要求。

43、3、本发明将各层储氢容量和层间压缩输氢能力作为协同配置对象，并将电池储能容量作为辅助配置变量，能够协调不同压力等级储氢单元与层间压缩设备之间的匹配关系，减少单独扩大储氢容量或单独提高压缩能力造成的设备冗余。

44、4、本发明建立以系统年综合成本和储氢罐区占地面积最小为目标的多目标协同配置模型，并采用增强ε-约束法和pareto非支配筛选确定协调配置方案，能够在兼顾系统经济性和工程用地紧凑性的基础上输出设备配置结果，提高配置方案的工程可实施性。