基于氫源與交通網(wǎng)絡(luò)的加氫站規(guī)劃布局方法

高丹慧 李汶穎 廖 勇 王紹榮

1. 清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 四川 成都 610200; 2. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 3. 中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院, 江蘇 徐州 221116

0 前言

氫能具有來源廣、熱值高、可再生、零污染等優(yōu)點(diǎn),被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉础＝陙?隨著氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,燃料電池汽車備受關(guān)注,得到了國內(nèi)外各級政府的高度重視和大力支持。加氫站是給燃料電池車輛及其他氫能利用裝置提供氫氣源的重要基礎(chǔ)設(shè)施,也是當(dāng)前大規(guī)模推廣氫能及燃料電池汽車的“瓶頸”之一。為了推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)及燃料電池汽車的規(guī)?；l(fā)展,迫切需要建立由若干個(gè)加氫站組成的網(wǎng)絡(luò)來提供加氫服務(wù)。

建設(shè)加氫站網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要原則是要保證其經(jīng)濟(jì)性。加氫站同時(shí)具備兩方面屬性,既可以作為一種交通服務(wù)設(shè)施,為燃料電池汽車提供加氫服務(wù),同時(shí)也是一種用氫設(shè)施,需要通過制氫站為其補(bǔ)充氫氣。因此,在加氫站網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)時(shí),要綜合考慮加氫站到用戶車輛環(huán)節(jié)(包括交通流量、用氫需求、加氫站利用率等方面內(nèi)容)以及氫源到加氫站環(huán)節(jié)(包括氫氣來源、氫氣儲(chǔ)運(yùn)以及加氫站建設(shè)運(yùn)營等方面內(nèi)容[1-3])。如何針對這兩個(gè)環(huán)節(jié)來提高加氫站網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性是加氫站網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃布局的一個(gè)重要問題。

目前國內(nèi)外有關(guān)加氫站網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃布局的研究較少。He Chaoming、Sun Haoran等人[4-5]基于氫能供應(yīng)鏈的生命周期成本,通過最小化加氫站網(wǎng)絡(luò)的用氫成本,實(shí)現(xiàn)了加氫站的規(guī)劃布局。Miralinaghi M等人[6-7]通過降低加氫站網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本與車輛用于加氫的時(shí)間成本,對加氫站進(jìn)行優(yōu)化選址。Kuby M、Li Yushan等人[8-9]利用加氫站的優(yōu)化選址,在滿足車輛用氫需求的條件下,最大化加氫站的車輛捕獲量,為盡可能多的用戶提供加氫服務(wù)。可以看到，上述文獻(xiàn)中有關(guān)加氫站規(guī)劃建設(shè)的研究都集中在某一個(gè)環(huán)節(jié),缺乏對整體產(chǎn)業(yè)鏈的考慮,此外,在加氫站個(gè)數(shù)、規(guī)模與用戶氫氣需求量的匹配方面還有待進(jìn)一步的探討。

基于上述研究現(xiàn)狀,本文綜合考慮加氫站網(wǎng)絡(luò)的上下游環(huán)節(jié),分別建立了加氫站網(wǎng)絡(luò)用氫成本以及流量捕獲模型,在建模過程中,引入了氫源選擇模型以及加氫站規(guī)模需求模型,有效解決了規(guī)劃過程中面臨的氫源選擇、加氫站規(guī)模設(shè)計(jì)等問題。然后結(jié)合快速非支配遺傳算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ)與理想解評價(jià)法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,TOPSIS),最小化加氫站網(wǎng)絡(luò)用氫成本、最大化捕獲交通流量,得到加氫站最優(yōu)布局方案。最后將以一個(gè)27節(jié)點(diǎn)氫源、25節(jié)點(diǎn)交通網(wǎng)絡(luò)為例,在不同氫源價(jià)格與運(yùn)輸距離情況下,進(jìn)行分析說明。

1 加氫站網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型搭建

1.1 加氫站網(wǎng)絡(luò)用氫成本模型搭建

整個(gè)加氫站網(wǎng)絡(luò)的用氫成本由網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)站點(diǎn)的用氫成本構(gòu)成[10],具體表達(dá)式如下:

(1)

ck=c+c+ch

(2)

由于加氫站網(wǎng)絡(luò)周邊可能存在多種氫源及運(yùn)氫模式,故在規(guī)劃過程中需要對氫源及運(yùn)輸方式進(jìn)行選擇,本文以成本最優(yōu)為原則,通過比較加氫站在不同氫源、運(yùn)氫條件下的用氫成本,進(jìn)一步得到最小用氫成本下對應(yīng)的氫源組合,具體表達(dá)式如下:

ck=Min(c+c+ch)

(3)

用氫成本模型中相關(guān)制氫、氫氣儲(chǔ)運(yùn)以及加氫站單位成本模型分析詳見1.2節(jié),由于制氫、氫氣儲(chǔ)運(yùn)以及加氫站單位成本計(jì)算模型較為成熟,故本文不再詳細(xì)介紹其建模過程,僅基于這三方面單位成本模型,進(jìn)行典型情景成本的計(jì)算,并將相應(yīng)成本結(jié)果應(yīng)用于優(yōu)化算例仿真。

1.2 制氫、氫氣儲(chǔ)運(yùn)、加氫站單位成本分析

1.2.1 制氫單位成本分析

圖1 制氫成本比較圖Fig.1 Cost comparison of hydrogen production

1.2.2 氫氣儲(chǔ)運(yùn)單位成本分析

氫氣儲(chǔ)運(yùn)單位成本主要包括車輛成本以及壓縮/液化成本,不同運(yùn)輸規(guī)模及運(yùn)輸方式對應(yīng)的運(yùn)輸單位成本ct_s(s代表運(yùn)輸方式,包括氣氫拖車、液氫槽車兩種)見圖2。測算邊界條件如下:采用魚雷車作為載具,車速為50 km/h,單車每天工作16 h,油價(jià)7元/kg,員工費(fèi)用8萬元/a[12-13]。

圖2 氫氣儲(chǔ)運(yùn)成本比較圖Fig.2 Cost comparison of hydrogen storage and transportation

1.2.3 加氫站單位成本分析

加氫站單位成本主要包括人工、水電、設(shè)備折舊及維護(hù)等費(fèi)用。本文為統(tǒng)一計(jì)算,將站內(nèi)制氫部分的成本歸到了制氫環(huán)節(jié),加氫站單位成本ch具體結(jié)果見圖3。相關(guān)設(shè)備成本以及運(yùn)營成本等邊界條件數(shù)據(jù)可通過加氫站分析模型(Hydrogen Refueling Station Analysis Model,HRSAM)獲得[14]。

1.3 流量捕獲模型搭建

圖3 加氫站成本比較圖Fig.3 Cost comparison of hydrogen refueling station

流量捕獲模型(Flow Capturing Location Model,FCLM)[15]是由Hodgson M J等人基于交通網(wǎng)絡(luò)概念提出的優(yōu)化模型,旨在最大化站點(diǎn)(如充電樁、加油站、加氫站等)捕獲到的交通流量,從而提升站點(diǎn)的利用率。交通網(wǎng)絡(luò)代表著城市簡化的道路交通狀況,由交通節(jié)點(diǎn)以及路徑組成。要構(gòu)建加氫站流量捕獲模型,需要引入以下變量及假設(shè)。

根據(jù)上述變量及假設(shè),可構(gòu)建交通流量捕獲模型[17]:

(4)

(5)

(6)

1.4 加氫站需求規(guī)模設(shè)計(jì)

1)單個(gè)加氫站規(guī)模應(yīng)為基準(zhǔn)規(guī)模100 kg/d的整數(shù)倍。

2)加氫站規(guī)模要滿足用戶需求(捕獲到交通流量的平均耗氫量)。

3)盡可能地提高加氫站的氫氣利用率。

從長遠(yuǎn)運(yùn)營來看,車輛的耗氫量可以近似等于用戶的加氫需求,結(jié)合規(guī)模設(shè)計(jì)原則,加氫站規(guī)模wk具體表達(dá)式如下:

(7)

各個(gè)加氫站點(diǎn)耗氫量與站點(diǎn)捕獲到的交通流量以及交通流量的平均耗氫量相關(guān):假設(shè)路徑q捕獲的交通流量按照站點(diǎn)的權(quán)重比例分配給各個(gè)加氫站,同時(shí)車主在接受加氫服務(wù)時(shí),會(huì)將消耗的氫氣全部充滿,對應(yīng)耗氫量的表達(dá)式如下:

(8)

2 加氫站網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法

2.1 目標(biāo)函數(shù)、決策變量及約束條件確定

本文旨在最大化捕獲交通流量的同時(shí)最小化加氫站網(wǎng)絡(luò)的用氫成本,對應(yīng)目標(biāo)函數(shù)如下:

(9)

加氫站的選址會(huì)顯著影響加氫站的用氫成本以及交通流量的捕捉能力。以變量xk(k=1…n)代表是否在第k個(gè)交通節(jié)點(diǎn)上建設(shè)加氫站，當(dāng)xk=1時(shí),代表第k個(gè)交通節(jié)點(diǎn)上建設(shè)加氫站,反之xk=0時(shí),代表第k個(gè)交通節(jié)點(diǎn)上不建設(shè)加氫站。決策變量x如下:

(10)

加氫站在建設(shè)過程中,規(guī)模過小會(huì)造成其單位成本過高,過大則會(huì)影響加氫站的利用率,依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)及相關(guān)政策,增加對單個(gè)加氫站規(guī)模范圍的約束如下:

300≤wk≤1 000

(11)

在地理位置上,相鄰加氫站之間的距離不宜太近,因而增加加氫站之間路徑的距離約束,具體約束如下:

15

(12)

2.2 優(yōu)化方法求解

捕獲的交通流量反映了加氫站網(wǎng)絡(luò)提供加氫服務(wù)的能力,代表了用戶方的利益,氫燃料電池汽車用戶都希望有足夠多的加氫站來提供加氫服務(wù),但過多的加氫站會(huì)帶來額外的建設(shè)投資成本以及氫氣成本,從而增大加氫站網(wǎng)絡(luò)的用氫成本,這種情況使得捕獲的交通流量F與加氫站網(wǎng)絡(luò)的用氫成本C成為兩個(gè)相互沖突的指標(biāo),難以找到一個(gè)全局最優(yōu)解使得所有的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)。

為了解決上述問題,本節(jié)將NSGA-Ⅱ算法與TOPSIS算法[19-20]結(jié)合起來:首先通過NSGA-Ⅱ算法找到一個(gè)解集,該解集已經(jīng)無法在改進(jìn)一個(gè)目標(biāo)的同時(shí)而不削弱另一個(gè)目標(biāo),這些解稱為非支配解集或者最優(yōu)Pareto解集;在此基礎(chǔ)上采用TOPSIS算法,通過計(jì)算每個(gè)解相對于理想解與非理想解的歐式幾何距離作為評價(jià)最優(yōu)選址方案的依據(jù),進(jìn)而獲得最優(yōu)的選址方案。

具體優(yōu)化方法算法流程見圖4。

圖4 優(yōu)化方法流程圖Fig.4 Optimizing algorithm process

2.3 算例分析

以一個(gè)27節(jié)點(diǎn)氫源、25節(jié)點(diǎn)交通網(wǎng)絡(luò)[9]為例,來說明本文加氫站網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃布局方法的有效性。交通網(wǎng)絡(luò)模型,在一定程度上能夠反應(yīng)城市交通網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征,對優(yōu)化交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),指導(dǎo)相關(guān)站點(diǎn)規(guī)劃布局,合理分配交通流等具有很好的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。本文采用的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型見圖5,其中1～25節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),代表了一些重要的交通樞紐(如化工園區(qū)等),加氫站可選擇相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建設(shè),此外,重要交通節(jié)點(diǎn)一般而言也是電力系統(tǒng)的重要負(fù)荷節(jié)點(diǎn),故相關(guān)節(jié)點(diǎn)同時(shí)也可作為站內(nèi)電解水制氫氫源的候選節(jié)點(diǎn)。26、27節(jié)點(diǎn)則代表兩個(gè)大型外供氫能源節(jié)點(diǎn),其中26節(jié)點(diǎn)為煤制氫,27節(jié)點(diǎn)為天然氣制氫。節(jié)點(diǎn)的權(quán)重見圖中紅色數(shù)字，節(jié)點(diǎn)之間的距離(單位為km)見圖中藍(lán)色數(shù)字。

圖5 氫源及交通節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5 Hydrogen source and transport node network

本算例為簡化計(jì)算,直接引用2.1節(jié)典型情景計(jì)算模型:相關(guān)煤價(jià)、天然氣價(jià)、電價(jià)均參考四川省價(jià)格設(shè)置為定值,其中煤價(jià)為600元/t,天然氣價(jià)為1.9元/m3,電價(jià)為0.28元/kWh(谷電電價(jià))。

為了使算例中交通網(wǎng)絡(luò)的交通流量更加貼合當(dāng)前氫能發(fā)展情況,設(shè)置相關(guān)交通流量模型fq參數(shù)M為1.5,b為1,同時(shí)將相關(guān)節(jié)點(diǎn)權(quán)重統(tǒng)一乘以基數(shù)250,使得交通節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)總流量達(dá)到 1 465 輛/d。在這種規(guī)模條件下,根據(jù)2.1節(jié)運(yùn)輸成本分析內(nèi)容可知,采用液氫運(yùn)輸不具備任何經(jīng)濟(jì)可行性,故本算例中統(tǒng)一采用長管拖車氣氫運(yùn)輸模式。

基于上述條件,首先通過NSGA-Ⅱ算法獲得Pareto解集,具體見表1。

表1 對應(yīng)Pareto解集加氫站的規(guī)劃布局方案表

每個(gè)Pareto解代表一種加氫站規(guī)劃布局方式,其中建設(shè)節(jié)點(diǎn)集合即加氫站的建設(shè)位置。

在獲得Pareto解后,以加氫網(wǎng)絡(luò)的用氫成本以及捕獲的交通流量作為評價(jià)指標(biāo),采用TOPSIS算法獲得最優(yōu)規(guī)劃布局方案。Pareto解無量綱化后的曲線見圖6,其中A點(diǎn)即非理想點(diǎn),B點(diǎn)即理想點(diǎn),C點(diǎn)對應(yīng)的Pareto解即最優(yōu)規(guī)劃布局方案(表1中第6個(gè)Pareto解),對應(yīng)加氫站網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)規(guī)劃布局方案見圖7。

圖6 Pareto解集無量綱化及最優(yōu)解選取圖Fig.6 Dimensionless Pareto solutions andoptimal solutions selection

圖7 加氫站網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)規(guī)劃布局方案圖Fig.7 Optimal planning scheme ofhydrogen refueling station network

圖7中綠色節(jié)點(diǎn)代表了加氫站的建設(shè)節(jié)點(diǎn),藍(lán)色數(shù)字代表了節(jié)點(diǎn)之間的距離(單位為km)，節(jié)點(diǎn)旁邊的集合代表了的加氫站的氫源類型及規(guī)模大小。圖中集合的第一個(gè)元素代表了加氫站的氫源類型(1代表煤制氫；2代表天然氣制氫)，第二個(gè)元素代表了加氫站的規(guī)模大小。通過優(yōu)化方法得到加氫站網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃布局對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)用氫成本低至27.07元/kg,而捕獲的交通流量達(dá)到了總交通流量的70%(即可以為交通網(wǎng)絡(luò)中70%的車流量提供加氫服務(wù)),這體現(xiàn)了本文規(guī)劃布局方法的可行性與優(yōu)越性。

3 結(jié)論

1)本文綜合考慮了加氫站網(wǎng)絡(luò)的上下游環(huán)節(jié),建立了加氫站網(wǎng)絡(luò)用氫成本模型及流量捕獲模型?；诮⒑玫亩嗄繕?biāo)優(yōu)化模型,以最小化加氫站網(wǎng)絡(luò)的用氫成本,最大化網(wǎng)絡(luò)捕獲的交通流量為目標(biāo),在加氫站規(guī)模與地理?xiàng)l件的約束下,通過快速非支配遺傳算法與理想解評價(jià)法,得到了加氫站網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)布局方案(站點(diǎn)個(gè)數(shù)、規(guī)模、位置以及氫源選擇)。

2)本文以一個(gè)27節(jié)點(diǎn)氫源、交通網(wǎng)絡(luò)為例,進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,最終規(guī)劃布局方案下,加氫站網(wǎng)絡(luò)用氫成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于當(dāng)前國內(nèi)加氫站用氫成本(約70元/kg),而捕獲的交通流量也達(dá)到了總交通流量的70%。結(jié)果表明了本文所提出的加氫站規(guī)劃布局方法的可行性,對中國的加氫站網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。