適應(yīng)季節(jié)性氨需求的可再生能源合成氨系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

安廣祿，劉永忠，2，3，康麗霞，2

（1 西安交通大學(xué)化工系，陜西西安710049； 2 陜西省能源化工過(guò)程強(qiáng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049；

3 熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049）

引 言

合成氨工業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有非常重要的地位。氨不僅是生產(chǎn)硫酸銨、硝酸銨、氯化銨和尿素等化學(xué)肥料的主要原料，也是冶金、醫(yī)藥、有機(jī)合成、石油化工等工業(yè)領(lǐng)域中必不可少的重要原料[1-2]。傳統(tǒng)的合成氨是將氫氣和氮?dú)庠诟邷馗邏合峦ㄟ^(guò)催化劑作用直接合成氨[3-4]。該過(guò)程能耗高且碳排放量大，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[5-6]。近年來(lái)，隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的蓬勃發(fā)展，可再生能源消納的問(wèn)題凸顯，氨作為儲(chǔ)能介質(zhì)備受關(guān)注[7-8]?？稍偕茉春铣砂?power to ammonia,PtA)技術(shù)也成為研究熱點(diǎn)[9-10]。PtA技術(shù)是以空氣和水為原料，以清潔且資源量豐富的可再生能源為動(dòng)力進(jìn)行氨的合成。這不僅解決了傳統(tǒng)合成氨工業(yè)高能耗高排放的問(wèn)題，而且也為可再生能源的存儲(chǔ)和消納提供了新途徑[11-13]。

傳統(tǒng)的合成氨主要是以Haber-Bosch(HB)催化法為主。近年來(lái)，大量學(xué)者研究了PtA 技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。Rouwenhorst 等[14]詳細(xì)分析了各種制氮、電解水制氫、合成氨、氨儲(chǔ)存和氨分離等技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，研究表明變壓吸附分離制氮技術(shù)(PSA)和質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)(PEM)耦合的合成氨工藝具有操作溫度和壓力較低的特點(diǎn)[15-16]，對(duì)于高效節(jié)能的氨合成工藝開(kāi)發(fā)具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑSA-PEMHB 耦合的合成氨工藝將成為未來(lái)極具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉春铣砂惫に??；诖斯に?，以僅設(shè)置儲(chǔ)氫罐的孤島操作場(chǎng)景為例，Nayak-Luke 等[17]構(gòu)建了可再生能源合成氨系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，確定了合成氨廠的最優(yōu)規(guī)模，并研究了可再生能源波動(dòng)對(duì)于可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模和經(jīng)濟(jì)性的影響。研究表明：可再生能源電價(jià)、電解槽成本、HB 單元的操作負(fù)荷和可再生能源比率等是制約系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。類似地，Demirhan 等[18]指出原料價(jià)格、電價(jià)和溫室氣體排放限制是影響可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性的主要因素。Sánchez 等[19]通過(guò)對(duì)可再生能源合成氨系統(tǒng)中各生產(chǎn)單元進(jìn)行模擬，構(gòu)建了以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的操作優(yōu)化模型，確定了系統(tǒng)的最優(yōu)操作參數(shù)。對(duì)于安裝面積受限的情況，可采用風(fēng)能為合成氨系統(tǒng)提供能量。以年度化的操作費(fèi)用最小為目標(biāo)，Allman 等[20]構(gòu)建了風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的合成氨系統(tǒng)操作優(yōu)化模型，研究了地理位置和單元尺寸對(duì)可再生能源合成氨系統(tǒng)操作費(fèi)用的影響，獲得了操作費(fèi)用隨系統(tǒng)中各單元尺寸變化的定量關(guān)系，并將其用于研究可再生能源波動(dòng)和市場(chǎng)電價(jià)波動(dòng)對(duì)可再生能源合成氨系統(tǒng)操作的影響[21]。

綜上所述，以上研究工作是將氨作為儲(chǔ)能介質(zhì)消納可再生能源，研究重點(diǎn)在于系統(tǒng)供給側(cè)可再生能源種類和波動(dòng)等因素對(duì)可再生能源合成氨系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)和操作及系統(tǒng)成本的影響，鮮有研究人員從氨的需求側(cè)出發(fā)，考慮氨的需求波動(dòng)對(duì)可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作的影響。需要特別指出的是，與將氨作為儲(chǔ)能介質(zhì)時(shí)的合成氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案不同，本文是從氨的需求側(cè)特性出發(fā)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將主要研究氨的需求波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作的影響。此時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅需要考慮可再生能源模塊的合理設(shè)計(jì)，還需要考慮在系統(tǒng)中增設(shè)電池儲(chǔ)能單元以減少可再生能源廢棄，并保證系統(tǒng)中生產(chǎn)單元的穩(wěn)定運(yùn)行[22]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在考慮可再生能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)的年總成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建了基于PSA-PEM-HB 耦合工藝的可再生能源合成氨系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并通過(guò)案例研究了氨的季節(jié)性需求對(duì)可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的影響特性。

1 問(wèn)題描述

圖1 可再生能源合成氨系統(tǒng)Fig.1 A synthetic ammonia production system powered by renewable energy

圖1 給出了可再生能源合成氨系統(tǒng)的示意圖。由圖可知，該系統(tǒng)由可再生能源發(fā)電單元、化工生產(chǎn)單元、儲(chǔ)能單元和氨需求單元四個(gè)部分組成。其中，可再生能源發(fā)電單元可由光伏和/或風(fēng)機(jī)構(gòu)成；化工生產(chǎn)單元主要用于氨合成，包括PSA單元、PEM單元和HB 反應(yīng)器；儲(chǔ)能單元包含儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能和儲(chǔ)罐儲(chǔ)能兩種方式，主要用于消除可再生能源發(fā)電單元和氨需求單元之間的時(shí)間不匹配性[22]。系統(tǒng)中盈余可再生能源發(fā)電量可以直接儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電池(BESS)中，也可以化學(xué)能形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中。而當(dāng)系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電單元輸出不足時(shí)，可通過(guò)儲(chǔ)能單元輸出以保證系統(tǒng)中化工生產(chǎn)單元的穩(wěn)定運(yùn)行。合成氨系統(tǒng)生產(chǎn)的氨既可以作為儲(chǔ)能介質(zhì)，與儲(chǔ)能電池優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)能量的長(zhǎng)期和高效存儲(chǔ)，也可以作為合成肥料或其他化學(xué)品的原料以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

本文針對(duì)可再生能源合成氨系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題可以描述為：在已知可再生能源發(fā)電單元的容量因子和氨需求的季節(jié)性波動(dòng)條件下，通過(guò)建立以系統(tǒng)年總成本最小為目標(biāo)的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，確定可再生能源合成氨系統(tǒng)的各單元最優(yōu)容量配置及其操作方案，并闡明氨需求的季節(jié)波動(dòng)性對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行特性的影響。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文假設(shè)：（1）系統(tǒng)中所涉及的化工生產(chǎn)過(guò)程均在穩(wěn)定的操作條件下進(jìn)行，且生產(chǎn)效率不受負(fù)荷變化的影響；（2）忽略儲(chǔ)能電池的容量衰退。

2 可再生能源合成氨系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以可再生能源合成氨系統(tǒng)的年總成本最小化為優(yōu)化目標(biāo)，在不考慮系統(tǒng)盈利的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注可再生能源合成氨系統(tǒng)中單位氨的合成成本?？稍偕茉春铣砂毕到y(tǒng)的年總成本可表示為系統(tǒng)年投資費(fèi)用和系統(tǒng)年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用之和，即

式中，ccap表示系統(tǒng)的總投資費(fèi)用；cmai表示系統(tǒng)的年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用；CRF 表示年度化因子，可表示為：

式中，r表示利率；n表示系統(tǒng)壽命。

可再生能源合成氨系統(tǒng)的總投資費(fèi)用可表示為可再生能源發(fā)電單元(風(fēng)機(jī))費(fèi)用、化工生產(chǎn)單元(PSA、PEM 和HB 單元)費(fèi)用以及儲(chǔ)能單元(儲(chǔ)罐和電池)費(fèi)用三部分的加和，即

本文假設(shè)化學(xué)儲(chǔ)罐安裝完成后，運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生額外的操作費(fèi)用，則系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用可表示為[11]：

式中，fWT、fPSA、fPEM、fHB和fBESS表示風(fēng)機(jī)、化工生產(chǎn)單元和儲(chǔ)能電池的運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用因子；Pch(t)和Pdis(t)表示儲(chǔ)能電池的充電和放電功率。

2.2 約束條件

2.2.1 系統(tǒng)的總能量平衡 可再生能源發(fā)電單元的電能直接供給化工生產(chǎn)單元，冗余的電能既可以直接儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電池中，也可以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中。在任意時(shí)刻t，可再生能源發(fā)電單元輸出功率和儲(chǔ)能電池放電功率之和等于化工生產(chǎn)單元消耗的功率、儲(chǔ)能電池組充電功率以及棄電功率之和，即

式中，qWT(t) 表示風(fēng)機(jī)的容量因子；mN2(t)、mH2(t)和mNH3(t)分別表示t 時(shí)刻PSA、PEM 和HB 單元的負(fù)荷；eN2、eH2和eNH3分別表示生產(chǎn)1 kmol 氮?dú)狻錃夂桶钡暮碾娏?；Pw(t)表示t時(shí)刻的棄電功率。

為了便于分析儲(chǔ)能電池在系統(tǒng)中的作用，可將式(5)改寫(xiě)為：

式中，PPSA(t)、PPEM(t)和PHB(t)分別表示可再生能源發(fā)電輸出給PSA、PEM 和HB 單元的功率；(t)、(t)和(t)分別表示可再生能源發(fā)電單元輸出給PSA、PEM 和HB 單元功率中分配給儲(chǔ)能電池的功率；(t)、(t)和(t)分別表示儲(chǔ)能電池給PSA、PEM和HB單元放電的功率。

2.2.2 化工生產(chǎn)單元的約束 為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，化工生產(chǎn)單元應(yīng)該避免頻繁的啟停。因此，PSA、PEM 和HB 單元都必須在各自允許的負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行。

式中，QPSA(t) 、QPEM(t) 和QHB(t)分別表示PSA、PEM 和HB 單元的安裝容量；γPSA、γPEM和γHB表示化工生產(chǎn)單元所允許的運(yùn)行負(fù)荷下限因子。

考慮到化工生產(chǎn)單元負(fù)荷的突然增加或者降低，都將對(duì)生產(chǎn)設(shè)備造成危害。本文中允許PEM 的負(fù)荷在0～100%之間快速切換[15,25-30]，而實(shí)際運(yùn)行中PSA、HB 單元在單位時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷變化都不能超過(guò)額定負(fù)荷的10%[11]，即

2.2.3 儲(chǔ)能單元的約束 在可再生能源合成氨系統(tǒng)中，儲(chǔ)能電池由可再生能源發(fā)電單元供電，并向PSA 單元、PEM 單元和HB 單元放電。儲(chǔ)能電池在任意時(shí)刻的電量平衡可以表示為：

式中，EBESS(t)表示t時(shí)刻儲(chǔ)能電池的電量；Δt表示時(shí)間間隔；ηch和ηdis分別表示儲(chǔ)能電池的充放電效率。

在任意時(shí)刻，儲(chǔ)能電池的電量需滿足：

式中，SOCmin和SOCmax分別表示儲(chǔ)能電池的最小和最大荷電狀態(tài)。

儲(chǔ)能電池的充放電功率需保留一定的裕度[31]，即

式中，a表示儲(chǔ)能電池充放電裕度因子。

儲(chǔ)能電池不能同時(shí)處于充電或放電狀態(tài)，即

式中，δch/dis是二元變量，δch= 1 表示電池充電，δdis= 1 表示電池放電；PmaxBESS表示儲(chǔ)能電池的最大充/放電功率。

氮?dú)?、氫氣和氨?chǔ)罐的質(zhì)量平衡約束如下：

式中，MN2(t)、MH2(t)和MNH3(t)分別表示t 時(shí)刻氫氣、氮?dú)夂桶钡膬?chǔ)量；(t)表示t 時(shí)刻可再生能源合成氨系統(tǒng)可以提供的氨量。

儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量需滿足：

式中，QN2、QH2和QNH3分別表示氮?dú)?、氫氣和氨?chǔ)罐的容量；γN2、γH2和γNH3分別表示氮?dú)?、氫氣和氨?chǔ)罐儲(chǔ)量的下限因子。

2.2.4 氨需求約束 氨的需求量是隨時(shí)間變化的，但在任意時(shí)刻，系統(tǒng)都必須滿足氨的需求，即

3 案例研究

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了闡明從氨的需求側(cè)特性出發(fā)進(jìn)行可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)與目前從供給側(cè)可再生能源發(fā)電特性出發(fā)進(jìn)行可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)運(yùn)行特性的差異，本節(jié)將針對(duì)以下兩個(gè)典型場(chǎng)景進(jìn)行分析和討論。

場(chǎng)景1(Case 1)：氨作為儲(chǔ)能介質(zhì)向外界提供穩(wěn)定的能量輸出，氨需求量固定；

場(chǎng)景2 (Case 2)：氨作為氮肥原料向外界輸出，氨需求量根據(jù)農(nóng)時(shí)變化而隨季節(jié)變化。

圖2給出了以上兩種場(chǎng)景下氨的需求曲線。由圖可知，與場(chǎng)景1下氨需求固定的情況不同，在場(chǎng)景2 中，當(dāng)氨作為合成氮肥原料時(shí)，氨的需求曲線呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化，在春秋兩季時(shí)需要為作物施基肥，氨的需求量較大；而在夏冬兩季主要進(jìn)行追肥，氨的需求量較小。需要注意的是兩種場(chǎng)景下氨的年產(chǎn)量是相同的。圖中還給出了該地區(qū)全年的風(fēng)機(jī)容量因子，風(fēng)機(jī)容量因子越大，表明風(fēng)力資源越豐富，風(fēng)力發(fā)電的可能冗余電量越大。

表1給出可再生能源合成氨系統(tǒng)中各單元的投資費(fèi)用或費(fèi)用的計(jì)算公式。本文假設(shè)可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命為20 年，年利率為7%。系統(tǒng)年運(yùn)行時(shí)間為8760 h，每間隔4 h 取一個(gè)計(jì)算點(diǎn)。PSA 單元、PEM 單元和HB 單元的單位電耗分別為0.03 kW·h·(kmol N2)-1、25 kW·h·(kmol H2)-1和0.18 kW·h·(kmol NH3)-1[11]。

本文在計(jì)算區(qū)間內(nèi)采用線性方程來(lái)近似計(jì)算PSA和HB單元的投資成本，即

圖2 風(fēng)力發(fā)電容量因子及兩種場(chǎng)景下氨的需求特性Fig.2 The capacity factor of wind turbine and the characteristics of ammonia demand in the two cases

式(1)～式(26)構(gòu)成了本文的可再生能源合成氨系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。該模型是一個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)模型，可采用GAMS 24.1.3 中的CPLEX求解器進(jìn)行求解，求解過(guò)程的相對(duì)誤差設(shè)為0.1%。

3.2 季節(jié)性的氨需求對(duì)可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

表2給出兩種場(chǎng)景下可再生能源合成氨系統(tǒng)最優(yōu)容量配置的設(shè)計(jì)方案。由表2 可知，在兩種場(chǎng)景下，系統(tǒng)中PEM 單元和電池單元所需的容量較大，風(fēng)機(jī)、PSA、HB 以及氮?dú)鈨?chǔ)罐所需的容量較小，而氫氣儲(chǔ)罐和氨儲(chǔ)罐所需的容量居中，而且在兩種場(chǎng)景下所對(duì)應(yīng)的PSA 和PEM 單元的安裝容量均大于以HB 單元容量作為基礎(chǔ)按合成氨反應(yīng)化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算得到的容量。這意味著在風(fēng)能資源比較豐富時(shí)，部分盈余的可再生能源以氮?dú)夂蜌錃獾男问絻?chǔ)存在儲(chǔ)罐中來(lái)補(bǔ)充風(fēng)能匱乏時(shí)HB 單元對(duì)原料的需求。除氫氣儲(chǔ)罐外，場(chǎng)景2 下各單元所需的容量相較場(chǎng)景1 下各單元的容量均顯著增大。這表明，與將氨作為儲(chǔ)能介質(zhì)的場(chǎng)景相比，在考慮氨的季節(jié)性需求時(shí)，所需的可再生能源合成氨系統(tǒng)規(guī)模更大。其中，氨儲(chǔ)罐的容量增長(zhǎng)幅度最大，約是場(chǎng)景1下容量的15倍。其主要原因在于：一方面合成氨系統(tǒng)需滿足施肥旺季對(duì)氨的需求，另一方面是合成氨系統(tǒng)需保證HB 單元的最低負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行。類似地，場(chǎng)景2 下所需的氮?dú)鈨?chǔ)罐容量增長(zhǎng)為場(chǎng)景1 下的10倍，也是系統(tǒng)為了在滿足HB 單元在施肥旺季對(duì)合成氨原料需求的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)需要保證PSA 單元在最低負(fù)荷下的連續(xù)運(yùn)行。此外，兩種場(chǎng)景下設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)年總成本分別為6.9×106USD·a-1和8.3×106USD·a-1，對(duì)應(yīng)的合成氨的單位成本分別是49.3 USD·kmol-1和59.5 USD·kmol-1，增大約21%。也就是說(shuō)，在考慮氨的季節(jié)性需求時(shí)，可再生能源合成氨系統(tǒng)中合成氨的單位成本升高。

表1 各單元的投資成本和操作成本Table 1 The capital cost and operational cost of units

表2 可再生能源合成氨系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案Table 2 The optimal design of synthetic ammonia production system powered by renewable energy

3.3 季節(jié)性的氨需求對(duì)可再生能源合成氨系統(tǒng)運(yùn)行的影響

3.3.1 合成氨生產(chǎn)單元的運(yùn)行特性 圖3給出兩種場(chǎng)景下可再生能源合成氨系統(tǒng)中PSA、PEM 和HB單元的負(fù)荷變化曲線。

由圖3(a)、(b)可知，在場(chǎng)景1下，PSA 單元的運(yùn)行負(fù)荷變化較平穩(wěn)，且始終保持在較低的負(fù)荷水平，而場(chǎng)景2下PSA 單元的負(fù)荷隨氨的需求變化呈現(xiàn)出明顯的淡季和旺季。例如，在[2000 h, 4344 h]時(shí)間區(qū)間，氨的需求為淡季，PSA 單元負(fù)荷較低；而在[4344 h,6000 h]時(shí)間區(qū)間，氨的需求為旺季，PSA 單元負(fù)荷較高。值得注意的是，由于場(chǎng)景1 下對(duì)應(yīng)氨的需求是固定不變的，因而其下游HB 單元的操作相對(duì)穩(wěn)定，而上游的PSA 單元負(fù)荷處于不斷波動(dòng)的狀態(tài)。這說(shuō)明在場(chǎng)景1下PSA 單元的負(fù)荷變化主要是由可再生能源發(fā)電單元的波動(dòng)引起的。而在場(chǎng)景2 下，PSA 單元的負(fù)荷不僅處于不斷波動(dòng)的狀態(tài)，而且呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性趨勢(shì)，這說(shuō)明在考慮氨的需求變化的場(chǎng)景下，PSA 單元的負(fù)荷變化是其上游可再生能源發(fā)電單元和下游HB 單元共同影響的結(jié)果。

由圖3(c)、(d)可知，與PSA 單元的運(yùn)行特性不同，無(wú)論是否考慮氨的季節(jié)性需求，PEM 單元的負(fù)荷全年都在頻繁變化。這是因?yàn)镻EM 單元主要受到可再生能源發(fā)電單元輸出的影響。當(dāng)風(fēng)力資源豐富時(shí)，PEM 單元以較高負(fù)荷運(yùn)行，系統(tǒng)盡可能多地生產(chǎn)氫氣并儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中；反之，在風(fēng)力資源匱乏時(shí)，PEM 單元以較低負(fù)荷工作或者停止工作。這也是表2 中氫氣儲(chǔ)罐容量較大的主要原因。另外，PEM 單元的平均負(fù)荷約是PSA 單元平均負(fù)荷的3倍，這是由合成氨反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)決定的，這同時(shí)也使得PEM 單元的負(fù)荷相比PSA 單元的負(fù)荷變化得更頻繁。

由圖3(e)、(f)可知，與PSA 單元類似，HB 單元的負(fù)荷在場(chǎng)景1 和場(chǎng)景2 下都處于不斷的波動(dòng)中，且場(chǎng)景2 下HB 單元的負(fù)荷隨著氨的季節(jié)性需求而出現(xiàn)明顯的淡季和旺季，而場(chǎng)景1下HB單元的負(fù)荷沒(méi)有出現(xiàn)這種趨勢(shì)。這主要是因?yàn)閳?chǎng)景1 下HB 單元的操作主要受可再生能源發(fā)電單元影響，在風(fēng)能資源較為豐富時(shí)以較高的負(fù)荷運(yùn)行，在風(fēng)能資源不足時(shí)以較低的負(fù)荷運(yùn)行。而在考慮氨的季節(jié)性需求時(shí)，HB 單元的操作將由可再生能源發(fā)電單元和氨的需求單元共同決定。需要注意的是，在場(chǎng)景2中，HB 單元負(fù)荷在[2000 h, 4344 h]時(shí)間區(qū)間內(nèi)是保持不變的，這主要是因?yàn)樵摃r(shí)間區(qū)間內(nèi)，氨的需求低于HB 單元的負(fù)荷下限，使得HB 單元在該區(qū)間內(nèi)始終以其最低負(fù)荷運(yùn)行。

綜上所述，相比于將氨作為儲(chǔ)能介質(zhì)時(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案(Case 1)，將氨作為氮肥原料并考慮其季節(jié)性需求時(shí)(Case 2)，PSA 單元和HB 單元的負(fù)荷變化都會(huì)呈現(xiàn)出明顯的淡季和旺季。這是因?yàn)閳?chǎng)景1下這兩個(gè)單元的操作僅受其上游可再生能源波動(dòng)的影響，而在場(chǎng)景2 下的操作將由其上游單元和下游單元共同決定。另外，無(wú)論是否考慮氨的季節(jié)性需求，PEM 單元的負(fù)荷變化都主要由其上游的可再生能源發(fā)電單元決定，使得兩種情況下均呈現(xiàn)出相似的變化特性。

3.3.2 儲(chǔ)能單元運(yùn)行特性 圖4給出兩種場(chǎng)景下可再生能源合成氨系統(tǒng)中氮?dú)?、氫氣和氨?chǔ)罐以及儲(chǔ)能電池的運(yùn)行特性。

圖3 兩種場(chǎng)景下PSA/PEM/HB單元的負(fù)荷變化曲線Fig.3 The load curves of PSA/PEM/HB unit in the two cases

由圖4(a)、(b)可知，在考慮氨的季節(jié)性需求時(shí)，系統(tǒng)中氮?dú)鈨?chǔ)罐的儲(chǔ)量變化幅度較大，頻率較低。這是因?yàn)?，氮?dú)鈨?chǔ)罐的主要作用是存儲(chǔ)上游PSA 單元產(chǎn)生的氮?dú)獠⒈ＷC下游HB 單元穩(wěn)定的原料供應(yīng)，其儲(chǔ)量受PSA 單元和HB 單元共同影響。對(duì)比圖3(a)、(b)和圖3(e)、(f)也可看出，相較于場(chǎng)景1，場(chǎng)景2 中PSA 單元和HB 單元的負(fù)荷波動(dòng)幅度更大，頻率更低。

由圖4(c)、(d)可知，不同于氮?dú)鈨?chǔ)罐，無(wú)論是否考慮氨的季節(jié)性需求，氫氣儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量均呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律波動(dòng)。這是因?yàn)?，盡管上游的PEM 單元和下游的HB 單元都會(huì)對(duì)氫氣儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量產(chǎn)生影響，但由于PEM 單元的負(fù)荷水平遠(yuǎn)高于HB 單元，使得其儲(chǔ)量變化將主要由PEM單元的負(fù)荷決定，而圖3(c)、(d)中PEM 單元的負(fù)荷在這兩種場(chǎng)景下也呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律的波動(dòng)。

圖4 氮?dú)?、氫氣和氨?chǔ)罐以及儲(chǔ)能電池的運(yùn)行特性Fig.4 The operating characteristics of nitrogen tank,hydrogen tank,ammonia tank and battery energy storage unit

由圖4(e)、(f)可知，場(chǎng)景1 下氨儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量低，負(fù)荷變化平穩(wěn)，而場(chǎng)景2下氨儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量變化幅度大，且隨氨的需求變化呈現(xiàn)出明顯的淡季和旺季。例如，[2000 h,4344 h]時(shí)間區(qū)間為氨的需求淡季，氨儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量持續(xù)增長(zhǎng)，在4344 h 時(shí)達(dá)到儲(chǔ)量峰值，隨后在[4344 h, 6000 h]時(shí)間區(qū)間為氨的需求旺季，氨儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量不斷下降。這是因?yàn)?，氨?chǔ)罐的儲(chǔ)量變化是由其上游的HB 單元和下游的氨需求單元共同決定的。在氨的需求淡季，氨的需求量低于HB 單元的最低運(yùn)行負(fù)荷，HB 單元產(chǎn)出的氨大于氨的需求量，使得氨儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。而相反地，在氨的需求旺季，氨的需求量遠(yuǎn)超過(guò)HB 單元的額定負(fù)荷，HB 單元生產(chǎn)的氨無(wú)法完全滿足需求而需要由儲(chǔ)罐中的氨進(jìn)行補(bǔ)充，致使氨儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量持續(xù)下降。此外，從圖中也可以看出，場(chǎng)景1下氨儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量在多個(gè)時(shí)刻均達(dá)到了儲(chǔ)罐的額定容量，整體利用率較高，而場(chǎng)景2 下氨儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量在大部分時(shí)間都低于其額定容量的50%，氨儲(chǔ)罐的利用率較低。

由圖4(g)、(h)可知，與場(chǎng)景1 下電池相對(duì)平穩(wěn)充放電情況相比，在場(chǎng)景2 下儲(chǔ)能電池的充放電時(shí)刻也呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化。在氨的需求旺季，電池充放電頻率較高，功率較大，淡季剛好相反。這是因?yàn)閮?chǔ)能電池單元的操作主要受化工生產(chǎn)單元的影響，從而表現(xiàn)出與化工生產(chǎn)單元類似的季節(jié)性變化特征。另外，在兩種場(chǎng)景下，儲(chǔ)能電池都主要為HB單元供電，只有在氨的需求旺季時(shí)才會(huì)向PSA單元和PEM 單元放電。這是因?yàn)镠B 單元在運(yùn)行的過(guò)程中所需的電量較多，且HB 單元所允許的負(fù)荷下限相較PSA 和PEM 單元更高。另外，儲(chǔ)能電池均是在可再生能源發(fā)電輸出不足時(shí)對(duì)外放電，這說(shuō)明儲(chǔ)能電池主要用于平抑可再生發(fā)電單元輸出的波動(dòng)，從而彌補(bǔ)HB 單元和PSA 單元在可再生能源不足時(shí)的能量需求，以保證其持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。除此之外，通過(guò)分析儲(chǔ)能電池單元向化工生產(chǎn)單元的充電功率可知，在可再生能源輸出不足時(shí)，儲(chǔ)能電池單元向各單元供電的放電功率恰好可以滿足各單元在最低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)所需的電量。因此，儲(chǔ)能電池單元還可用于維持化工生產(chǎn)單元的低負(fù)荷運(yùn)行。

綜上所述，在氨需求固定的場(chǎng)景下，氮?dú)鈨?chǔ)罐和氨儲(chǔ)罐的操作主要是由其上游單元決定的，儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量低，負(fù)荷變化平穩(wěn)；而在考慮氨的季節(jié)性需求變化時(shí)，氮?dú)鈨?chǔ)罐和氨儲(chǔ)罐的操作將由其上游單元和下游單元共同決定，儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量在波動(dòng)的同時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出明顯的淡季和旺季。而無(wú)論是否考慮氨的需求變化，氫氣儲(chǔ)罐的操作都主要由上游PEM 單元決定，電池單元的操作也主要由下游的化工生產(chǎn)單元決定，且儲(chǔ)能電池單元的主要作用在于平抑可再生能源波動(dòng)以保證化工生產(chǎn)單元在可再生能源不足時(shí)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行以及維持化工生產(chǎn)單元的低負(fù)荷運(yùn)行。

4 結(jié) 論

可再生能源合成氨系統(tǒng)以清潔且資源量豐富的可再生能源為動(dòng)力進(jìn)行氨的合成，不僅解決了傳統(tǒng)合成氨工業(yè)高能耗高排放的問(wèn)題，而且也為可再生能源的存儲(chǔ)和消納提供了新途徑。為了闡明從氨的需求側(cè)特性出發(fā)進(jìn)行可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)與目前從供給側(cè)可再生能源發(fā)電特性出發(fā)進(jìn)行可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)運(yùn)行特性的差異，本文建立了以系統(tǒng)年總成本最小為優(yōu)化目標(biāo)的可再生能源合成氨系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，在氨作為儲(chǔ)能介質(zhì)和作為氮肥原料兩種典型應(yīng)用場(chǎng)景下，分析了氨的季節(jié)性需求對(duì)于可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行特性的影響，得到了系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置方案和運(yùn)行特性，結(jié)論如下。

（1）與將氨作為儲(chǔ)能介質(zhì)的場(chǎng)景相比，當(dāng)氨作為合成氮肥的原料并考慮氨的季節(jié)性需求，可再生能源合成氨系統(tǒng)的規(guī)模顯著增大，單位合成氨的成本增加約21%。為了滿足氨的旺季需求并保證其上游單元的連續(xù)生產(chǎn)，氨儲(chǔ)罐和氮?dú)鈨?chǔ)罐的容量需增大10倍以上。

（2）在氨作為儲(chǔ)能介質(zhì)的場(chǎng)景下，系統(tǒng)中化工生產(chǎn)單元的操作僅由上游可再生能源發(fā)電單元決定，其運(yùn)行負(fù)荷變化平穩(wěn)且無(wú)明顯規(guī)律；而在氨作為合成氮肥的原料時(shí)，PEM 單元保持類似的無(wú)規(guī)律波動(dòng)，而PSA 單元和HB 單元的負(fù)荷將隨著氨的季節(jié)性需求變化呈現(xiàn)出明顯的淡季和旺季特性。

（3）在氨作為儲(chǔ)能介質(zhì)的場(chǎng)景下，系統(tǒng)中氮?dú)?、氫氣和氨?chǔ)罐的儲(chǔ)量?jī)H受其上游生產(chǎn)單元的影響，其儲(chǔ)量低，變化平穩(wěn)。而在氨作為合成氮肥的原料時(shí)，由于氫氣儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量主要由PEM 單元決定，因而保持了類似的無(wú)規(guī)律波動(dòng)，而氮?dú)鈨?chǔ)罐和氨儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量將隨著氨的季節(jié)性需求變化呈現(xiàn)出明顯的淡季和旺季特性。

（4）在兩種應(yīng)用場(chǎng)景下，系統(tǒng)中電池儲(chǔ)能單元的操作主要受下游的化工生產(chǎn)單元影響，且儲(chǔ)能電池單元的主要作用在于平抑可再生能源波動(dòng)以保證化工生產(chǎn)單元在可再生能源不足時(shí)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行和維持化工生產(chǎn)單元的低負(fù)荷運(yùn)行。

符 號(hào) 說(shuō) 明

a——儲(chǔ)能電池的裕度因子

CRF——年度化因子

c——成本，USD

E——儲(chǔ)能電池電量，kW·h

e——單位電耗，kW·h·kmol-1

f——年運(yùn)行維護(hù)因子

M——儲(chǔ)罐的儲(chǔ)量，kmol

m——化工生產(chǎn)單元負(fù)荷，kmol·h-1

n——系統(tǒng)壽命，a

P——功率，kW

Q——單元的安裝容量，kmol·h-1或kmol

q——風(fēng)機(jī)容量因子

r——利率

SOC——電池荷電狀態(tài)

TAC——年總成本，USD

t——時(shí)間，h

W——風(fēng)機(jī)容量，MW

γ——負(fù)荷下限因子

δ——二元變量

ζ——負(fù)荷變化因子

η——效率

上角標(biāo)

cap——投資成本

ch——充電

Dem——氨需求

dis——放電

mai——運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用

max——最大值

min——最小值

rated——額定值

+——上升

-——下降

下角標(biāo)

BESS——電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

H2——?dú)錃?/p>

HB——Haber-Bosch催化單元

N2——氮?dú)?/p>

NH3——氨

PEM——變壓吸附制氫單元

PSA——質(zhì)子交換膜電解水制氫單元

WT——風(fēng)機(jī)

w——棄電