一种利用可再生能源联产氨电的系统及方法

1.本发明涉及可再生能源利用技术领域，具体涉及一种利用可再生能源联产氨电的系统及方法。


背景技术：

2.由电解水装置产生的绿氢被认为是实现零碳排放的清洁能源，由于氢气易燃且密度较低，其运输及储存尚面临一系列安全性和经济性问题。将氢气与氮气进一步反应生产绿氨，是一种合理的运输及储存氢气的方法，且过程无碳排放，安全环保。但将电解水装置直接与传统的制氨装置耦合有成本高、能耗高的关键技术瓶颈。其在工业中的实施中存在很大的局限性，主要有以下几点：
3.(1)由于不能处理可再生能源的间歇性，能源利用效率低。装置的生产波动导致无法进行水电解的高温操作及应用最新的高效电解槽设备，即固体氧化物电解设备；另外，电解水装置和制氨装置之间不一致的操作不能实现装置之间的热集成，导致较低的能源利用效率和更高的绿氨生产能耗；
4.(2)需要通过大量储存氢气来实现氨合成反应器的连续生产，且氢气储存往往是高压储存；考虑到该工艺的大规模应用推广，大量氢气的存储会造成安全隐患，并提高了生产成本。另外，生产装置各组件因适应可再生能源波动性而频繁启动和关闭也将导致潜在的运营成本和安全风险；
5.(3)该工艺不能支持生产计划和调度以考虑电网及管网侧的实时需求；实际电网侧有着大量的光电和风电弃电，这部分低成本的弃电无法被有效利用，导致能源浪费。同时，将可再生能源100％用于氨生产将会导致大规模的氢气中间储存，导致设备投资成本高，绿氨生产成本远高于传统氨生产成本。
6.为解决上述问题，本发明创新性地提出了一种利用可再生能源联产氨电的系统及方法，耦合液态空气储能系统来有效管理光电、风电以及协助电网的电力调峰，将可再生能源电能可以低成本、连续性的方式输入到绿氨生产系统中。液态空气储能作为一种新兴的大规模储能方法，具有大规模、长时间、低成本、以及高操作安全性等储能优势，近年来受到了国际研究的关注。但目前液态空气储能系统大多只是将其应用于单独的电网调峰及电力储能，尚未有人提出其可以与绿氨生产耦合，来突破以上关键技术瓶颈。


技术实现要素：

7.本发明的目的是一种利用可再生能源联产氨电的系统及方法，具体将液态空气储能系统与可再生能源制绿氨系统相耦合，实现连续、灵活的绿氨生产，同时还支持电网的电负荷调峰，可通过电能套利进一步降低绿氨生产成本。
8.本发明具体采用如下技术方案：
9.一种利用可再生能源联产氨电的系统，其特征在于，包括可再生能源发电系统、液态空气储能系统、空气分离系统以及绿氨生产系统；
10.所述可再生能源发电系统通过电力分配器与液态空气储能系统、绿氨生产系统以及电网连接，可为液态空气储能系统、绿氨生产系统、电网提供电能；
11.所述液态空气储能系统与空气分离系统连接，可为空气分离系统提供原料，并通过电力分配器与绿氨生产系统和电网连接；
12.所述电网电能可调度，在使用低峰时段可将多余的电力提供给绿氨生产系统；
13.所述空气分离系统与绿氨生产系统连接，可为氨合成反应提供氮气。
14.优选的，所述液态空气储能系统包括储能、释能两条连接路线，并通过液态空气储罐连接。
15.优选的，所述液态空气储能系统的释能路线设有允许空气以低温气态形式输出的出口，与空气分离系统连接提供的原料为空气。
16.优选的，所述空气分离系统包括膨胀机(1)、第一换热器(2)、低压塔(3)、高压塔(4)、第二换热器(5)、第一阀门(6)、第二阀门(7)、第三换热器(8)；
17.来自液态空气储能系统的低温空气通过管路依次连通膨胀机(1)和第一换热器(2)的冷侧管路以及高压塔(4)进料管路；高压塔(4)塔顶的气相出口管路连通第二换热器(5)的热侧管路，部分回流至高压塔(4)，部分依次连通第三换热器(8)的热侧出口管路、第一阀门(6)以及低压塔(3)的进料管路；高压塔(4)塔底的液相出口管路依次连通第三换热器(8)的热侧出口管路、第二阀门(7)以及低压塔(3)的进料管路。低压塔(3)塔顶的气相出口管路依次连通第三换热器(8)的冷侧管路、第一换热器(2)的冷侧管路送至绿氨生产系统；低压塔(3)塔底的液相出口管路依次连通第二换热器(5)的热侧管路、第一换热器(2)的冷侧管路送至绿氨生产系统。
18.优选的，所述绿氨生产系统包括进料水箱(9)、第四换热器(10)、第五换热器(11)、第六换热器(12)、第七换热器(13)、第八换热器(14)、电加热器(15)、电解器(16)、第九换热器(17)、第一冷却器(18)、第一分离器(19)、四段式压缩机(20)、第二冷却器(21)、第二分离器(22)、第三冷却器(23)、第三分离器(24)、第四分离器(25)、第五分离器(26)、第十换热器(27)、第十一换热器(28)、第十二换热器(29)、第六分离器(30)、第十三换热器(31)、氨合成压缩机(32)、第十四换热器(33)、氨合成反应器一段(34)、第十五换热器(35)、氨合成反应器二段(36)、第十六换热器(37)、氨合成反应器三段(38)、第十七换热器(39)、氨合成反应器四段(40)、第四冷却器(41)、第七分离器(42)、第一阀门(43)、第二阀门(44)、第八分离器(45)、第十八换热器(46)、第九分离器(47)、第十分离器(48)、氨制冷压缩机(49)、第五冷却器(50)、第三阀门(51)，并形成水解制氢路线、氢气氮气压缩路线、氨合成路线、氨制冷路线以及液氨精制路线；
19.水解制氢连接路线为：原料水箱(9)通过管路依次连通第四换热器(10)、第五换热器(11)、第六换热器(12)、第七换热器(13)、第八换热器(14)的冷侧管路、电加热器(15)、电解器(16)的阴极入口，电解器(16)的阴极出口依次连通第八换热器(14)和第一冷却器(18)的热侧管路、第一分离器(19)的入口管路；第一分离器(19)的气相管路的一端经三通阀连通四段式压缩机(20)，第一分离器(19)的液相管路经三通阀连通第四换热器(10)和第五换热器(11)的冷侧管路；电解器(16)的阳极出口管路依次连通第九换热器(17)和第六换热器(12)的热侧管路，并经由三通阀和第九换热器(17)的冷测管路返回至电解器(16)的阳极入口；
20.氢气氮气压缩连接路线为：第一分离器(19)的气相管路另一端依次连通四段式压缩机(20)的第一段、第二冷却器(21)的热侧管路、第二分离器(22)、四段式压缩机(20)的第二段、第三冷却器(23)的热侧管路、第三分离器(24)、四段式压缩机(20)的第三段、第四换热器(10)的热侧管路、第四分离器(25)、四段式压缩机(20)的第四段、第五换热器(11)的热侧管路、第五分离器(26)并经由三通阀连通第八换热器(27)和第十一换热器(28)的热侧管路，所述第二分离器(22)、第三分离器(24)、第四分离器(35)及第五分离器(26)的液相出口管路连通原料水箱(9)，自空气分离系统来的氧气连通第十换热器(28)的冷侧管路，自空气分离系统来的氮气连通第十换热器(27)的冷侧管路；
21.氨合成连接路线为：所述第十一换热器(28)的热侧出口通过第十二换热器(29)的热侧管路连通第六分离器(30)；第六分离器(30)的液相管路连通第二阀门(44)并经三通阀连通第八分离器(45)，第六分离器(19)的气相管路依次连通第十三换热器(31)的冷侧管路、氨合成压缩机(32)、第十四换热器(33)的冷侧管路并经由三通阀的一端依次连通氨合成反应器一段(34)的入口管路、第十五换热器(35)的热侧管路、氨合成反应器二段(36)、第十六换热器(37)的热侧管路、氨合成反应器三段(38)、第十七换热器(39)的热侧管路、氨合成反应器四段(40)以及第七换热器(13)、第十四换热器(33)、第四冷却器(41)的热侧管路；三通阀的另一端依次连通第十七换热器(39)、第十六换热器(37)、第十五换热器(35)的冷侧管路以及氨合成反应器一段(34)的入口管路；所述氨合成反应器一段(34)、第十五换热器(35)、氨合成反应器二段(36)、第十六换热器(37)、氨合成反应器三段(38)、第十七换热器(39)以及氨合成反应器四段(40)为同一氨合成反应系统；
22.液氨精制连接路线为：第四冷却器(41)的热侧管路与第七分离器(42)的入口管路连通，第七分离器(42)的液相出口管路连通第一阀门(43)并经由三通阀连通第八分离器(45)，第七分离器(42)的气相出口管路连通第十三换热器(31)的热侧管路并经三通阀连通第九换热器(27)的热侧管路；第八分离器(45)的气相出口管路连通第十八换热器(46)的热侧管路以及第九分离器(47)的入口管路；第八分离器(45)和第九分离器(47)的液相出口管路连通第十分离器(48)的入口管路；第九分离器(47)与第十分离器(48)气相出口管路为装置尾气，第十分离器(48)的液相出口管路输出液氨产品；
23.氨制冷循环连接路线为：第十八换热器(46)的冷侧管路依次连通第十二换热器(29)的冷侧管路、氨制冷压缩机(49)、第五冷却器(50)的热侧管路、第三阀门(51)并返回至第十八换热器(46)的冷侧管路。
24.优选的，所述电解器(16)为固态氧化物电解槽，所述固态氧化物电解槽为高温反应条件下的碱性电解槽或者质子交换膜电解槽。
25.优选的，所述电解器(16)的阴极产生氢气，阳极产生氧气。
26.一种利用可再生能源联产氨电的方法，使用上述一种利用可再生能源联产氨电的系统，包括以下步骤：
27.(1)可再生能源发电系统运行产生电能，将电能输送给电力分配器，此时，如果可再生能源发电系统产生的电能大于氨合成所需电能时，除了输送给绿氨生产系统外，多余电能将存储至液态空气储能系统，在用电高峰时段也可通过电力分配器直接输送给电网；相反，如果产生的电能小于氨合成所需电能，为保证氨合成的连续性以及恒电能负荷操作，可再生能源发电系统产生的所有电能将输送至绿氨生产系统，同时不足的电能将由液态空
气储能系统提供；如果液态空气储能系统尚无存储电能，则由电网提供；
28.(2)当有电能输入液态空气储能系统时，液态空气储能系统通过使用电能驱动将空气液化进行储能；当需要电能时，液态空气储能系统通过释放液化空气产生电能，从而形成释能过程；膨胀后的空气释放至环境，或者成为空气分离系统的原料；
29.液态空气储能系统根据实时储存液态空气的量以及可再生能源发电系统产生的电能来合理分配输出能量，输送至绿氨生产系统和/或电网；在保证氨合成的恒负荷运行下，将多余储存能量在高峰时段输送至电网，以平衡电网用电负荷；
30.(3)空气分离系统分离氧气和氮气，来自液态空气储能系统的低温高压空气通过膨胀降压后，进一步降温进入高低压双塔耦合的精馏系统，通过液态氧气和液态氮气沸点的不同，进行氧气和氮气的分离，氧气作为副产品，氮气作为原料送往绿氨合成系统；
31.(4)在绿氨合成系统中，通过水解制氢连接路线生产氢气和氧气，氧气与空气分离系统产生的氧气混合，可作为副产品；氢气通过氢气氮气压缩连接路线进行压缩，并分离气体中的水分，来自空气分离系统的氮气进入氢气氮气压缩路线与氢气混合压缩进入氨合成连接路线；混合后的氢气、氮气经过换热进入氨合成反应器生成气态氨；气态氨通过氨制冷循环连接路线提供的冷量冷却液化，并经过液氨精制连接路线分离后得到液氨产品。
32.优选的，所述可再生能源发电系统是利用风能和/或光能产生风电和/或光电。
33.优选的，计算所产生的电能以实现合理分配，具体计算流程及方法为：
34.s1.预测可再生能源发电系统(光电和风电)的发电量随时间的变化，并通过式(1)计算用于绿氨生产系统的电能负荷，即p
l
：
[0035][0036]
其中，pw(t)和ps(t)是风电和光电的发电量随时间的变化，fw和fs是风电和光电的比例，p
l
是绿氨生产的电能负荷，n是年总操作时间，γ是可再生能源年总发电量与绿氨生产年总电力负荷的比例，其值大于1；
[0037]
s2.通过式(2)计算可再生能源电能与绿氨生产电能负荷的差值,即p
mis
(t)：
[0038]
p
mis
(t)＝pw(t)fw ps(t)f
s-p
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0039]
其中，p
mis
(t)＞0表示为可再生能源电力有富余，p
mis
(t)《0表示为可再生能源电力不足以支持绿氨生产；
[0040]
s3.通过式(3)计算液态空气储能系统内的液态空气储存量，即l(t)：
[0041][0042]
其中，l
cap
表示为液态空气储能的储能容量，a1、a2、和b1分别表示为液态空气储能系统的储能的比能量消耗，单位为kw/kg/h空气；液态空气储能系统的释能的比能量输出，单位为kw/kg/h空气；和比能量空气消耗用于空气分离系统，单位为kg/h空气/kw；
[0043]
s4.通过式(4)计算液态空气储能的充能与释能速率，即p
laes
(t)：
[0044][0045]
其中，p
laes
(t)＞0表示为液态空气储能的充能状态，p
laes
(t)《0表示为液态空气储能的释能状态；e
laes
表示液态空气储能系统的年总释能量，为p
laes
(t)在t∈n上满足p
mis
(t)《0的值之和；
[0046]
s5.通过式(5)计算绿氨生产所需电网电能，即pd(t)：
[0047][0048]
s6.通过式(6)和式(7)计算年总电网电能需求，即ed，和可再生能源发电系统产生的电能用于绿氨生产的比例，即f
re
：
[0049][0050]fre
＝1-(ed/np
l
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0051]
s7.为了实现100％的可再生能源利用，多于液态空气储能容量的电能被假设存储于虚拟的第二个液态空气储能系统中，多于首个液态空气储能容量的电能，即pc(t)，可由式(8)计算：
[0052][0053]
s8.假设虚拟的液态空气储能能够存储所有的多余电能，并且电网的峰值电能需求时间每天为8小时，从中午12点至下午8点(t∈[24a 12,24a 20],a＝0,1,2,
…
,364)，可由式(9)和式(10)计算虚拟液态空气储能系统内的液态空气储存量，l
′
(t)：
[0054][0055][0056]
其中，peak(t)＝1和peak(t)＝0分别表示为电网高峰和非高峰电能需求的时间窗口，假设虚拟的液态空气储能系统具有相同的充能与释能功率，虚拟的液态空气储能系统的充能与释能功率可由max(pc(t)(1-peak(t)))确定；
[0057]
s9.通过式(11)计算虚拟的液态空气储能的充能与释能速率，即p
′
laes
(t)，
[0058][0059]
其中，p
′
laes
(t)＞0代表虚拟液态空气储能系统的充能状态，p
′
laes
(t)《0代表虚拟液态空气储能的释能状态；
[0060]
s10.通过式(12)和式(13)分别计算输出到电网的电能，即p
grid
(t)，和年总电能输
出至电网之和，即e
grid
：
[0061][0062][0063]
虚拟液态空气储能系统的年总释能量，即e
′
laes
，为-p
′
laes
(t)在t∈n上满足p
′
laes
(t)《0的值之和；
[0064]
s11.在实际设计时，液态空气储能须合并为一个系统，通过式(14)计算合并后液态空气储能的充能速率，即p
laes-ch
(t)：
[0065][0066]
合并后液态空气储能系统的额定充能功率，即p
rate-ch
，为p
laes-ch
(t)的最大值；
[0067]
s12.通过式(15)计算合并后液态空气储能的释能速率，p
laes-dch
(t)：
[0068][0069]
合并后液态空气储能系统的额定释能功率，p
rate-dch
，为p
laes-dch
(t)的最大值；
[0070]
s13.通过式(16)计算合并后液态空气储能液态空气存储量，即l
laes
(t)：
[0071]
l
laes
(t)＝l(t) l
′
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0072]
液态空气储能系统的额定储存量，即l
rate
，为l
laes
(t)的最大值；
[0073]
s14.通过式(17)计算液态空气储能系统年电能输出，即e
out
：
[0074]eout
＝e
laes
e
′
aes
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)。
[0075]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0076]
(1)本发明将液态空气储能系统与可再生能源发电系统相耦合，避免了可再生能源发电系统的波动性及间歇性，可以为绿氨生产系统提供稳定且持续的电力，使空气分离、水解制氢及氨合成反应可持续平稳运行，并同时实现了整个系统的热集成，提高了能源利用效率，本发明的可再生能源制绿氨系统的电能转换效率可达到82％；
[0077]
(2)本发明将液态空气储能系统与可再生能源发电系统相耦合实现连续运行，无需大型氢气存储设施来储存氢气，可将氢气直接通入氨合成系统，所储存的液态空气以低温状态输入空气分离系统，节约了空气分离的能量，同时以液态空气代替氢气进行电力存储提升了安全性；
[0078]
(3)由于系统的稳定操作，且整个系统可实现热集成，本发明在水解制氢时可采用高温电解技术(如固态氧化物电解槽)，以降低制氢生产能耗；
[0079]
(4)联产绿氨与绿电，不再是单一的能源转换方式，可提高可再生能源利用效率，同时实现短期电力与长期绿氨的长短期混合式能量存储；
[0080]
(5)本发明所提供的一种利用可再生能源联产氨电的方法，考虑了电网电力负荷需求以及电网电力价格波动情况，平衡能源供需，进一步降低绿氨生产成本，且还支持电网电力调峰及平稳运行，同时，还可根据生产调度计划及电力负荷需求，合理调控液态空气储
能系统释放的能量输出配比，即用于绿氨生产和电网输入电量的配比。
附图说明
[0081]
为了清楚地说明本发明的技术方案，下面将对使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0082]
图1本发明的利用可再生能源联产氨电系统的整体示意图；
[0083]
图2是本发明的空气分离系统的示意图；
[0084]
图3是本发明的绿氨生产系统的示意图；
[0085]
图4是本发明的利用可再生能源联产氨电系统的电能供应关系图；
[0086]
图5是本发明的液态空气储能系统电力调配示意图。
具体实施方式
[0087]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域的技术人员来说，附图中的某些公知结构及其说明可能省略。
[0088]
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者暗示地包括至少一个该特征。
[0089]
还应理解，在本技术中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0090]
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个
……”
限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0091]
下面将对附图做详细描述。
[0092]
如图1所示，一种利用可再生能源联产氨电的系统，包括可再生能源发电系统、液态空气储能系统、空气分离系统以及绿氨生产系统。可再生能源发电系统通过电力分配器与液态空气储能系统、绿氨生产系统以及电网连接，并为液态空气储能系统、绿氨生产系统、电网提供电能；
[0093]
可再生能源发电系统运行产生电能，将电能输送给电力分配器，此时，如果可再生能源发电系统产生的电能大于氨合成所需电能，多余电能将存储至液态空气储能系统，在用电高峰时段，也可以通过电力分配器直接输送给电网；相反，如果产生的电能小于氨合成所需电能，为保证氨合成的连续性以及恒电能负荷操作，所有电能将输送至绿氨生产系统，同时不足的电能将由液态空气储能系统提供；如果液态空气储能系统尚无存储电能，则由电网提供；电网电能可调度，可将电能提供给绿氨生产系统。一般情况下，在电能使用低峰时段，电网电能可将多余电能调度给绿氨生产系统。
[0094]
可再生能源发电系统连接液态空气储能系统。所述液态空气储能系统采用的是已知现有技术中的任何一种都可以，包括储能、释能两条连接路线，并通过液态空气储罐连接。液态空气储能系统通过电力分配器与电网和绿氨生产系统连接，当有电能输入液态空气储能系统时，液态空气储能系统通过使用电能驱动将空气液化进行储能；当需要电能时，液态空气储能系统通过释放液化空气产生电能，从而形成释能过程。液态空气储能系统的释能路线设有允许空气以低温气态形式输出的出口，膨胀后的空气释放至环境，或者成为空气分离系统的原料。
[0095]
液态空气储能系统根据实时储存液态空气的量以及可再生能源发电系统产生的电能来合理分配输出能量，送至绿氨生产系统和电网；在保证氨合成的恒负荷运行下，将多余储存能量在高峰时段输送至电网，以平衡电网用电负荷。
[0096]
因此，绿氨生产系统所需的电能均可由可再生能源发电系统、液态空气储能系统以及电网提供。
[0097]
如图2所示，液态空气储能系统与空气分离系统连接，并为空气分离系统提供原料空气。所述空气分离系统包括膨胀机(1)、第一换热器(2)、低压塔(3)、高压塔(4)、第二换热器(5)、第一阀门(6)、第二阀门(7)、第三换热器(8)；
[0098]
来自液态空气储能系统的低温空气通过管路依次连通膨胀机(1)和第一换热器(2)的冷侧管路以及高压塔(4)进料管路；高压塔(4)塔顶的气相出口管路连通第二换热器(5)的热侧管路，部分回流至高压塔(4)，部分依次连通第三换热器(8)的热侧出口管路、第一阀门(6)以及低压塔(3)的进料管路；高压塔(4)塔底的液相出口管路依次连通第三换热器(8)的热侧出口管路、第二阀门(7)以及低压塔(3)的进料管路。低压塔(3)塔顶的气相出口管路依次连通第三换热器(8)的冷侧管路、第一换热器(2)的冷侧管路送至绿氨生产系统；低压塔(3)塔底的液相出口管路依次连通第二换热器(5)的热侧管路、第一换热器(2)的冷侧管路送至绿氨生产系统。
[0099]
空气分离系统分离氧气和氮气，来自液态空气储能系统的低温高压空气通过膨胀降压后，进一步降温进入高低压双塔耦合的精馏系统，通过液态氧气和液态氮气沸点的不同，进行氧气和氮气的分离，氧气作为副产品，氮气作为原料送往绿氨生产系统，为氨合成提供氮气。
[0100]
如图3所示，所述绿氨生产系统包括进料水箱(9)、第四换热器(10)、第五换热器(11)、第六换热器(12)、第七换热器(13)、第八换热器(14)、电加热器(15)、电解器(16)、第九换热器(17)、第一冷却器(18)、第一分离器(19)、四段式压缩机(20)、第二冷却器(21)、第二分离器(22)、第三冷却器(23)、第三分离器(24)、第四分离器(25)、第五分离器(26)、第十换热器(27)、第十一换热器(28)、第十二换热器(29)、第六分离器(30)、第十三换热器(31)、氨合成压缩机(32)、第十四换热器(33)、氨合成反应器一段(34)、第十五换热器(35)、氨合成反应器二段(36)、第十六换热器(37)、氨合成反应器三段(38)、第十七换热器(39)、氨合成反应器四段(40)、第四冷却器(41)、第七分离器(42)、第一阀门(43)、第二阀门(44)、第八分离器(45)、第十八换热器(46)、第九分离器(47)、第十分离器(48)、氨制冷压缩机(49)、第五冷却器(50)、第三阀门(51)，并形成水解制氢路线、氢气氮气压缩路线、氨合成路线、氨制冷路线以及液氨精制路线；
[0101]
水解制氢连接路线为：原料水箱(9)通过管路依次连通第四换热器(10)、第五换热
器(11)、第六换热器(12)、第七换热器(13)、第八换热器(14)的冷侧管路、电加热器(15)、电解器(16)的阴极入口，电解器(16)的阴极出口依次连通第八换热器(14)和第一冷却器(18)的热侧管路、第一分离器(19)的入口管路；第一分离器(19)的气相管路的一端经三通阀连通四段式压缩机(20)，第一分离器(19)的液相管路经三通阀连通第四换热器(10)和第五换热器(11)的冷侧管路；电解器(16)的阳极出口管路依次连通第九换热器(17)和第六换热器(12)的热侧管路，并经由三通阀和第九换热器(17)的冷测管路返回至电解器(16)的阳极入口；
[0102]
氢气氮气压缩连接路线为：第一分离器(19)的气相管路另一端依次连通四段式压缩机(20)的第一段、第二冷却器(21)的热侧管路、第二分离器(22)、四段式压缩机(20)的第二段、第三冷却器(23)的热侧管路、第三分离器(24)、四段式压缩机(20)的第三段、第四换热器(10)的热侧管路、第四分离器(25)、四段式压缩机(20)的第四段、第五换热器(11)的热侧管路、第五分离器(26)并经由三通阀连通第八换热器(27)和第十一换热器(28)的热侧管路，所述第二分离器(22)、第三分离器(24)、第四分离器(35)及第五分离器(26)的液相出口管路连通原料水箱(9)，自空气分离系统来的氧气连通第十换热器(28)的冷侧管路，自空气分离系统来的氮气连通第十换热器(27)的冷侧管路；
[0103]
氨合成连接路线为：所述第十一换热器(28)的热侧出口通过第十二换热器(29)的热侧管路连通第六分离器(30)；第六分离器(30)的液相管路连通第二阀门(44)并经三通阀连通第八分离器(45)，第六分离器(19)的气相管路依次连通第十三换热器(31)的冷侧管路、氨合成压缩机(32)、第十四换热器(33)的冷侧管路并经由三通阀的一端依次连通氨合成反应器一段(34)的入口管路、第十五换热器(35)的热侧管路、氨合成反应器二段(36)、第十六换热器(37)的热侧管路、氨合成反应器三段(38)、第十七换热器(39)的热侧管路、氨合成反应器四段(40)以及第七换热器(13)、第十四换热器(33)、第四冷却器(41)的热侧管路；三通阀的另一端依次连通第十七换热器(39)、第十六换热器(37)、第十五换热器(35)的冷侧管路以及氨合成反应器一段(34)的入口管路；所述氨合成反应器一段(34)、第十五换热器(35)、氨合成反应器二段(36)、第十六换热器(37)、氨合成反应器三段(38)、第十七换热器(39)以及氨合成反应器四段(40)为同一氨合成反应系统；
[0104]
氨制冷循环连接路线为：第十八换热器(46)的冷侧管路依次连通第十二换热器(29)的冷侧管路、氨制冷压缩机(49)、第五冷却器(50)的热侧管路、第三阀门(51)并返回至第十八换热器(46)的冷侧管路。
[0105]
液氨精制连接路线为：第四冷却器(41)的热侧管路与第七分离器(42)的入口管路连通，第七分离器(42)的液相出口管路连通第一阀门(43)并经由三通阀连通第八分离器(45)，第七分离器(42)的气相出口管路连通第十三换热器(31)的热侧管路并经三通阀连通第九换热器(27)的热侧管路；第八分离器(45)的气相出口管路连通第十八换热器(46)的热侧管路以及第九分离器(47)的入口管路；第八分离器(45)和第九分离器(47)的液相出口管路连通第十分离器(48)的入口管路；第九分离器(47)与第十分离器(48)气相出口管路为装置尾气，第十分离器(48)的液相出口管路输出液氨产品；
[0106]
在水解制氢路线中电解器(16)为固态氧化物电解槽，所述固态氧化物电解槽为高温反应条件下的碱性电解槽或者质子交换膜电解槽，阴极产生氢气，阳极产生氧气。
[0107]
整个绿氨生产系统的流程为：
[0108]
通过水解制氢连接路线生产氢气和氧气，氧气与空气分离系统产生的氧气混合，可作为副产品；
[0109]
氢气通过氢气氮气压缩连接路线进行压缩，并分离气体中的水分；来自空气分离系统的氮气进入氢气氮气压缩路线与氢气混合压缩进入氨合成连接路线；
[0110]
混合后的氢气、氮气经过换热进入氨合成反应器生成气态氨；
[0111]
气态氨通过氨制冷循环连接路线提供的冷量冷却液化，并经过液氨精制连接路线分离后得到液氨产品。
[0112]
所述可再生能源发电系统是利用风能和/或光能产生风电和/或光电。
[0113]
为了合理分配可再生能源发电系统产生的电能、清楚知道液态空气储能系统可以储能、释能多少、电网高峰、低峰需要的电能或能调度的电能，需要对产生的电能清楚计算。如图4所示，计算流程及方法为：
[0114]
s1.预测可再生能源发电系统(光电和风电)的发电量随时间的变化，并通过式(1)计算用于绿氨生产系统的电能负荷，即p
l
：
[0115][0116]
其中，pw(t)和ps(t)是风电和光电的发电量随时间的变化，fw和fs是风电和光电的比例，p
l
是绿氨生产的电能负荷，n是年总操作时间，γ是可再生能源年总发电量与绿氨生产年总电力负荷的比例，其值大于1；
[0117]
s2.通过式(2)计算可再生能源电能与绿氨生产电能负荷的差值，即p
mis
(t)：
[0118]
p
mis
(t)＝pw(t)fw ps(t)f
s-p
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0119]
其中，p
mis
(t)＞0表示为可再生能源电力有富余，p
mis
(t)《0表示为可再生能源电力不足以支持绿氨生产；
[0120]
s3.通过式(3)计算液态空气储能系统内的液态空气储存量，即l(t)：
[0121][0122]
其中，l
cap
表示为液态空气储能的储能容量，a1、a2、和b1分别表示为液态空气储能系统的储能的比能量消耗，单位为kw/kg/h空气；液态空气储能系统的释能的比能量输出，单位为kw/kg/h空气；和比能量空气消耗用于空气分离系统，单位为kg/h空气/kw；
[0123]
s4.通过式(4)计算液态空气储能的充能与释能速率，即p
laes
(t)：
[0124][0125]
其中，p
laes
(t)＞0表示为液态空气储能的充能状态，p
laes
(t)《0表示为液态空气储能的释能状态；e
laes
表示液态空气储能系统的年总释能量，为p
laes
(t)在t∈n上满足p
mis
(t)《
0的值之和；
[0126]
s5.通过式(5)计算绿氨生产所需电网电能，即pd(t)：
[0127][0128]
s6.通过式(6)和式(7)计算年总电网电能需求，即ed，和可再生能源发电系统产生的电能用于绿氨生产的比例，即f
re
：
[0129][0130]fre
＝1-(ed/np
l
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0131]
s7.为了实现100％的可再生能源利用，多于液态空气储能容量的电能被假设存储于虚拟的第二个液态空气储能系统中，多于首个液态空气储能容量的电能，即pc(t)，可由式(8)计算：
[0132][0133]
s8.假设虚拟的液态空气储能能够存储所有的多余电能，并且电网的峰值电能需求时间每天为8小时，从中午12点至下午8点(t∈[24a 12,24a 20],a＝0,1,2,
…
,364)，可由式(9)和式(10)计算虚拟液态空气储能系统内的液态空气储存量，l
′
(t)：
[0134][0135][0136]
其中，peak(t)＝1和peak(t)＝0分别表示为电网高峰和非高峰电能需求的时间窗口，假设虚拟的液态空气储能系统具有相同的充能与释能功率，虚拟的液态空气储能系统的充能与释能功率可由max(pc(t)(1-peak(t)))确定；
[0137]
s9.通过式(11)计算虚拟的液态空气储能的充能与释能速率，即p
′
laes
(t)，
[0138][0139]
其中，p
′
laes
(t)＞0代表虚拟液态空气储能系统的充能状态，p
′
laes
(t)《0代表虚拟液态空气储能的释能状态；
[0140]
s10.通过式(12)和式(13)分别计算输出到电网的电能，即p
grid
(t)，和年总电能输出至电网之和，即e
grid
：
[0141][0142][0143]
虚拟液态空气储能系统的年总释能量，即e
′
l
aes
，为-p
′
laes
(t)在t∈n上满足p
′
laes
(t)《0的值之和；
[0144]
s11.如图5所示，在实际设计时，液态空气储能须合并为一个系统，通过式(14)计
算合并后液态空气储能的充能速率，即p
laes-ch
(t)：
[0145][0146]
合并后液态空气储能系统的额定充能功率，即p
rate-ch
，为p
laes-ch
(t)的最大值；
[0147]
s12.通过式(15)计算合并后液态空气储能的释能速率，p
laes-dch
(t)：
[0148][0149]
合并后液态空气储能系统的额定释能功率，p
rate-dch
，为p
laes-dch
(t)的最大值；
[0150]
s13.通过式(16)计算合并后液态空气储能液态空气存储量，即l
laes
(t)：
[0151]
l
laes
(t)＝l(t) l
′
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0152]
液态空气储能系统的额定储存量，即l
rate
，为l
laes
(t)的最大值；
[0153]
s14.通过式(17)计算液态空气储能系统年电能输出，即e
out
：
[0154]eout
＝e
laes
e
′
laes
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)。
[0155]
需要说明的是，本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
[0156]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体。
[0157]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。