基于煤化工的多能耦合系統(tǒng)全壽命周期經(jīng)濟評估數(shù)學模型構建

馬書紅

摘要：本文以多功能耦合系統(tǒng)為基本對象，重點圍繞其經(jīng)濟性評估問題展開探討，由此提出可行的評估方案，實現(xiàn)對多能耦合系統(tǒng)全壽命綜合性評估。共分為三大部分，首先總體概述有關于多能耦合系統(tǒng)的集成方案;在此基礎上將全壽命周期凈利潤作為核心目標，提升風電的消納能力，總結了系統(tǒng)約束條件，基于上述內容得到了經(jīng)濟評估數(shù)學模型，與此同時還展開了有關于多能耦合系統(tǒng)凈利潤的分析;最后，引入了實際風電場與煤化工企業(yè)，基于上述所提出的評估模型展開了經(jīng)濟性分析。

關鍵詞：多能耦合系統(tǒng);數(shù)學評估模型;全壽命周期

中圖分類號：TQ050.4⁺3文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）06-0132-04

由于風電表現(xiàn)出很強的隨機性與不可控性，在此影響下我國的風電場棄風比例較高，這點在西部地區(qū)體現(xiàn)得尤為明顯。該地區(qū)擁有大量的煤炭資源，在長期的發(fā)展中主要都以依靠化石能源的途徑而實現(xiàn)發(fā)展，并且這一局面在短時間內難以改變。相比之下，風氫藕合發(fā)電則更是一種突破性方法，它實現(xiàn)了風電與煤化工產(chǎn)業(yè)的良好融合，借助于電水制氫氧工藝，可以顯著提升風電的消納水平，同時也能擺脫傳統(tǒng)方式下氫氧提取過程中的高耗能局面。但應明確的是，WP-HES&CCMFCS多能量共存與多能量流動鏈路均表現(xiàn)出很強的復雜性，為了推動此技術的深度發(fā)展，有必要圍繞WP-HES&CCMFCS展開經(jīng)濟性評估，由此將現(xiàn)階段所表露出的問題解決好。

1 風電-氫儲能與煤化工多能耦合系統(tǒng)

作為一種新型技術，風電-氫儲能與煤化工多能藕合系統(tǒng)可以充分發(fā)揮出所在區(qū)域的資源優(yōu)勢，在此基礎上提出一種更為可行的新型多能系統(tǒng)。關于其具體運行思路有：將氫儲能作為關鍵媒介，將產(chǎn)業(yè)鏈作為突破口完成對風電與煤化工兩大領域的深度整合，充分的發(fā)揮出風資源的優(yōu)勢，在最大限度上減少原料煤等石化能源的消耗。

以上述思路為指導，充分考慮到當前的風電發(fā)力行業(yè)現(xiàn)狀以及所具備的技術水平，由此提出了風電-氫儲能與煤化工多能藕合系統(tǒng)這一全新方案。其構成較為復雜，除了最為基礎的風力發(fā)電系統(tǒng)、氫儲能系統(tǒng)外，還涉及到了混合動力發(fā)動系統(tǒng)等要素，并實現(xiàn)與電網(wǎng)的高效連接。

對系統(tǒng)構成進行分析：對于其中的風力發(fā)電系統(tǒng)而言，具有較高的靈活性，一方面指的是大規(guī)模集中式風電場，另一方面還可以指的是分散式風電場，但相比之下后者對于提升整體系統(tǒng)的靈活性發(fā)揮出重要的作用?；诜稚⑹斤L電的多能藕合系統(tǒng)，它可以服務于多數(shù)煤化工企業(yè)甚至是一些氫氣富集型高耗能企業(yè)，由此實現(xiàn)對此類型企業(yè)的技術升級，這對于技術的發(fā)展發(fā)揮出了重要的意義。電解制氫具有較強的特殊性，它可以與風電系統(tǒng)達到高度相似性，實現(xiàn)與間歇以及波動輸入的良好融合，基于多能藕合系統(tǒng)，在面對電網(wǎng)無法消納的風電時，則會以合適的機制分配給氫儲能系統(tǒng)，由此展開制氫工作，實現(xiàn)電能向氫氣能的轉化。在整個系統(tǒng)構成中，功率分配器是尤為關鍵的設備，它可以實現(xiàn)對變流器的控制，充分考慮到電網(wǎng)以及氫儲能系統(tǒng)的實際運行需求，將其作為引導完成對風力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的調節(jié)，起到優(yōu)化功率分配的效果。

1WP-HES&CCMFCS

本文提出了WP-HES&CCMFCS，關于其具體構架可見下圖1，分析得知其中涉及到了以風力發(fā)電子系統(tǒng)為代表的多個系統(tǒng)。具體來說，關于風力發(fā)電子系統(tǒng)，它主要以兩種形式而存在，其一為集中式風力發(fā)電場，其二則為分散式風力發(fā)電廠，相較而言后者的靈活性更強，具有更強的應用價值。關于電能分配子系統(tǒng)，它主要由AC-DC、AC-AC型變流器等元器件構成。關于風力發(fā)電子系統(tǒng)，在AC-AC變流器的作用下可以滿足本地負荷的需求，當遇到電網(wǎng)消納風電風量不足的情況時，在功率分配控制器的作用下便可以完成將該部分風電功率轉入給氫儲能系統(tǒng)使用，而這一過程則需要借助于AC-DC而完成，最終達到電能轉換為氫能的效果。關于氫儲及分配子系統(tǒng)，它以電解槽為核心，加之電源控制模塊等部分所構成，可以實現(xiàn)對氫能的分配作業(yè)。對壓力存儲設備進行分析，它主要指的是空氣壓縮機以及高壓氫氧儲存設備這兩大類，而在氫儲能分配模塊的作用下，以控制策略要求為指導，可以實現(xiàn)對氫氣、氧氣等流量指標的優(yōu)化。在煤化工生產(chǎn)子系統(tǒng)中，還離不開氣體合成反應器的支持。最后，對甲醇氫氧燃料發(fā)電系統(tǒng)進行分析，它主要指的是燃燒室以及燃氣輪機組等設備。

2WP-HES&CCMFCS成本計算模型

2.1WP-HES&CCMFCS運營模式

基于WP-HES&CCMFCS，加之電解水制氫氧工藝的作用，可以顯著提升風電并網(wǎng)容量，同時也能擺脫傳統(tǒng)方式下氫氧提取過程中的高耗能局面。在實際應用過程中，WP-HES&CCMFCS可以以多種組合模式而實現(xiàn)，但出于成本考慮，有必要圍繞WP-HES&CCMFCS展開經(jīng)濟性評估，關于其運營模式可見上圖2。盡管系統(tǒng)中涉及到的內容較多，但受篇幅限制，本文則重點圍繞電能與氫能分配自系統(tǒng)控制策略這一部分展開探討。

2.2WP-HES&CCMFCS全壽命周期成本計算模型

基于上述的分析，可以總結出WP-HES&CCMF-CS運營過程中的成本需求：①有關于系統(tǒng)初始設備的投入資金;②系統(tǒng)在提升風電消納水平以及改善污染問題時所花費的成本。

3 WP-HES&CCMFCS總經(jīng)濟效益計算模型

同樣，基于上述的分析，可以總結出WP-HES&CCMFCS的收入類型，風力發(fā)電并網(wǎng)電力售賣所獲得的收益，風電場并網(wǎng)電量碳排放指標交易收益，除此之外還涉及到煤化工因節(jié)約碳排放而帶來的收益等。

4WP-I-IES&CCMFCS凈經(jīng)濟效益計算模型

以WP-HES&CCMFCS既定運營模式為基準，要想提升風電并網(wǎng)容量，并擺脫傳統(tǒng)方式下氫氧提取過程中的高耗能局面，最為基礎的便是要滿足子系統(tǒng)設備技術指標要求，同時各個子系統(tǒng)之間的能量流動轉換也需要得到充分的保障。故此，滿足系統(tǒng)各約束條件是最為基本的前提。

4.1WP-HES&CCMFCS全壽命周期凈利潤計算模型約束條件

在上述分析的基礎上做進一步探討，WP-HES&CCMFCS凈利潤計算模型約束條件涉及到的內容較為豐富，諸如風力發(fā)電機組穩(wěn)定運行約束、氫氧存儲設備約束等都是需要重點考慮的內容。

4.2WP-HES&CCMFCS全壽命周期凈利潤計算函數(shù)

確保各子系統(tǒng)的穩(wěn)定運行約束得到充分的滿足，由此可以進一步展開全壽命周期凈利潤的分析，它指的是全壽命周期總收益與系統(tǒng)總成本的差值，此處有必要對總收益做進一步的說明，它指的是各類型設備全壽命周期過程中的殘值折算，關于具體的計算公式如下：

注：上述中的Fs與Lt分別為WP-HES&CCMFCS全壽命周期凈利潤與設備在第t年的殘值，其單位用萬元表示;關于殘值折算，此處依然采用的是直線折舊法，即需要以固定資產(chǎn)的5%為基準;此外，r₁指的是折現(xiàn)率，相比之下它占到了固定資產(chǎn)的10%。

4.3WP-HES&CCMFCS全壽命周期經(jīng)濟效益評估計算流程

（1）引入等效函數(shù)思想，由此圍繞系統(tǒng)穩(wěn)定運行等相關約束條件展開分析，達到定容與定量的效果。

（2）關于風電輸入容量，此處暫不考慮風電間歇性因素的影響，以所在區(qū)域的固定風資源為背景，由此展開風電場裝機容量的規(guī)劃工作。

（3）在展開WP-HES&CCMFCS經(jīng)濟效益評估工作時，應當充分考慮到風電場容量這一要求，同時需要滿足壽命周期內凈利潤不低于零的基本前提，分別計算出系統(tǒng)資金回收期以及全壽命周期所對應的凈利潤總和。

（4）之所以展開經(jīng)濟效益評估工作，最為根本的便是對系統(tǒng)整體經(jīng)濟效益進行評估，此處暫不考慮內部子系統(tǒng)使用年限這一影響因素，在本文的分析中將其設為20年。

5 結論

文章重點圍繞風電-氫儲能與煤化工多能藕合系統(tǒng)展開探討，圍繞氫儲能系統(tǒng)而展開，將產(chǎn)業(yè)鏈作為突破口，能夠滿足對高耗能型煤化工產(chǎn)業(yè)的供電需求，從而充分發(fā)揮出可再生風能源的優(yōu)勢。與此同時，系統(tǒng)還可以實現(xiàn)風電向氫氣的轉換，由此緩解了間歇等不良風電特性，增強了電網(wǎng)運行穩(wěn)定性，煤化工企業(yè)還可以獲得二次能源系統(tǒng)的支持，進一步減少了原料煤等能源的消耗。除此之外，還建立了相對應的全壽命周期經(jīng)濟效益評估模型，展開了效益性評估。