基于氣網(wǎng)-水網(wǎng)協(xié)同的多時(shí)間尺度氫供應(yīng)鏈優(yōu)化

陳笑云，馮忠楠，魏繁榮，翁漢琍，林湘寧

（1.三峽大學(xué) 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；2.華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

0 引言

現(xiàn)階段世界各國正朝著更加可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)發(fā)展，我國出臺(tái)了碳達(dá)峰、碳中和的“雙碳”目標(biāo)，加快推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型，大力發(fā)展清潔能源［1］。根據(jù)氫能源產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展報(bào)告，氫將在未來能源系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用［2］。隨著新能源發(fā)電和電解制氫成本的持續(xù)下降，海上風(fēng)電與制氫耦合成為確保氫氣穩(wěn)定供應(yīng)和降低成本的一種有前景的方法［3］。

盡管“綠氫”的生產(chǎn)成本可以由過剩電能支撐，但上游綠色生產(chǎn)基地與下游需求中心之間有著較大的地理隔閡［4］，導(dǎo)致氫能供應(yīng)的中游儲(chǔ)運(yùn)階段成本居高不下［5］，因此，優(yōu)化具有成本優(yōu)勢的氫供應(yīng)鏈（hydrogen supply chain，HSC）是現(xiàn)階段氫能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，這對(duì)實(shí)現(xiàn)能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型至關(guān)重要［4］。

文獻(xiàn)［5-7］為解決供需時(shí)空分布不平衡的難題，提出將電網(wǎng)納入HSC，以快速、經(jīng)濟(jì)地遠(yuǎn)距離輸送能源。文獻(xiàn)［8］提出一種氫氣路徑基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃方法，用于規(guī)劃一次能源及其生產(chǎn)、儲(chǔ)存和輸送網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)［9］研究基于多目標(biāo)優(yōu)化的法國地區(qū)HSC 設(shè)計(jì)，并解決了多周期的長時(shí)間尺度問題。隨著氫能利用的規(guī)?；烊粴夤艿罁綒漭斔褪潜厝悔厔荩?0］。文獻(xiàn)［11］為解決風(fēng)光發(fā)電過剩問題，研究我國利用天然氣管道輸送可再生氫的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［12］利用現(xiàn)有天然氣管道基礎(chǔ)設(shè)施，通過多目標(biāo)優(yōu)化發(fā)電制氫系統(tǒng)優(yōu)化制氫系統(tǒng)的規(guī)模和運(yùn)行模式。文獻(xiàn)［13］對(duì)德國天然氣管道進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果表明，與新安裝氫管道方式相比，天然氣管道輸氫可降低60 % 以上的傳輸成本。值得注意的是，“綠氫”的生產(chǎn)基地往往位于負(fù)荷密度低、地理位置偏遠(yuǎn)的地區(qū)［2］，而現(xiàn)有研究均不適用于該情景。此外，上述文獻(xiàn)均采用一種有限的氫氣傳輸方式，例如卡車或管道，而未充分考慮各方式的優(yōu)劣，無法兼顧成本競爭力、傳輸靈活性及低碳性。本文結(jié)合多種傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)，采用移動(dòng)式儲(chǔ)氫協(xié)助氣網(wǎng)發(fā)散輸送，形成以天然氣管道為主、移動(dòng)式儲(chǔ)運(yùn)為輔的氫供應(yīng)鏈路。

在天然氣管道輸氫方面，現(xiàn)有研究基于穩(wěn)態(tài)條件，所采用的動(dòng)態(tài)方程僅與管道兩端壓強(qiáng)和流量有關(guān)，未充分計(jì)及輸送混氫天然氣的動(dòng)態(tài)特性因素。需要注意的是，供需側(cè)的波動(dòng)、輸送過程的長延時(shí)、氫氣濃度分布的時(shí)變特性均顯著增加了天然氣管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)不確定性［14］。此外，注氫會(huì)導(dǎo)致天然氣管道內(nèi)氣體空間分布不均勻，特別是在長輸管道內(nèi)，壓強(qiáng)、流量、氫氣濃度的空間分布特征不可忽視。因此，含氫天然氣管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性是值得考慮的因素。

由于管網(wǎng)輸氫規(guī)模有限，暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)大容量遠(yuǎn)距離輸送［10］，因此，在移動(dòng)式儲(chǔ)運(yùn)方面，選擇低碳低成本的運(yùn)輸方式輔助管網(wǎng)輸送至關(guān)重要。我國南方地區(qū)水路資源豐富，運(yùn)量大、運(yùn)費(fèi)低且碳排放少，運(yùn)氫條件優(yōu)越［15-16］。相較于傳統(tǒng)的卡車運(yùn)輸，船舶內(nèi)河運(yùn)輸具有突出優(yōu)勢，但受限于航運(yùn)時(shí)間、河流流速、港口交付等因素，只能滿足小時(shí)級(jí)別的運(yùn)輸調(diào)度，精細(xì)化程度不足。同時(shí)，管網(wǎng)具有動(dòng)態(tài)管儲(chǔ)特性［12］，可滿足分鐘級(jí)別的調(diào)度要求，具有靈活性。因此，本文考慮氣網(wǎng)和水網(wǎng)的不同調(diào)度尺度，提出多時(shí)間尺度滾動(dòng)優(yōu)化，應(yīng)對(duì)不同時(shí)間維度下的負(fù)荷需求。

基于以上分析，本文提出氣網(wǎng)-水網(wǎng)協(xié)同的HSC靈活調(diào)度和路由模型，本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：在天然氣管網(wǎng)輸送方面，建立考慮氣體組分與流量變化關(guān)系的動(dòng)態(tài)管網(wǎng)模型，采用有限單元法求解管道輸送動(dòng)態(tài)模型，并基于所建動(dòng)態(tài)模型分析氫氣輸送的動(dòng)態(tài)特性；在移動(dòng)式儲(chǔ)運(yùn)方面，構(gòu)建儲(chǔ)氫罐水網(wǎng)航運(yùn)模型，即各港口之間的內(nèi)河運(yùn)輸，通過船舶實(shí)現(xiàn)規(guī)?；\(yùn)氫；考慮氣網(wǎng)和水網(wǎng)的不同調(diào)度尺度，提出多時(shí)間尺度滾動(dòng)優(yōu)化策略，能較好地應(yīng)對(duì)不同時(shí)間維度下的負(fù)荷波動(dòng)，并根據(jù)所建氣網(wǎng)-水網(wǎng)模型，對(duì)負(fù)荷需求波動(dòng)進(jìn)行精細(xì)化調(diào)度與平抑，降低波動(dòng)率和運(yùn)行成本。仿真算例驗(yàn)證了所提模型的有效性和合理性。

1 基于氣網(wǎng)-水網(wǎng)協(xié)同的HSC

在“雙碳”目標(biāo)下，海上風(fēng)電制氫是一種具有巨大創(chuàng)新潛力的前瞻性方案，可以在一定程度上解決海上風(fēng)電發(fā)展所面臨的消納難題［17-18］，為電解水制氫提供清潔綠色電能。實(shí)際上，現(xiàn)階段氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要制約因素不在于制氫，而在于儲(chǔ)運(yùn)氫，中游儲(chǔ)運(yùn)的高成本阻礙了整體氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此，高效、低成本的氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模用氫的必要保障［19］。

HSC 結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括海上運(yùn)輸、內(nèi)河運(yùn)輸和管網(wǎng)運(yùn)輸三部分。海上風(fēng)電場設(shè)有海上制氫平臺(tái)，包括儲(chǔ)氫系統(tǒng)，能夠利用風(fēng)電場的富余電能電解制氫和儲(chǔ)氫；調(diào)度中心根據(jù)平臺(tái)氫氣產(chǎn)量情況，完成平臺(tái)與沿海港口之間的調(diào)度運(yùn)輸工作。

圖1 HSC結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of HSC structure

沿海港口作為HSC 的中心樞紐，承擔(dān)著從氫源到注氫節(jié)點(diǎn)（inject node，IN）的運(yùn)輸任務(wù)，即海港和一組陸港之間的船舶運(yùn)輸，每個(gè)陸港都會(huì)單獨(dú)作為一個(gè)管網(wǎng)IN。載有儲(chǔ)氫罐的船舶從海港出發(fā)，依托內(nèi)河水網(wǎng)前往IN進(jìn)行卸載，滿足IN的負(fù)荷和注氫需求，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；\(yùn)氫。

混氫管網(wǎng)中包括負(fù)荷節(jié)點(diǎn)（load node，LN）和IN，IN 在管網(wǎng)內(nèi)擔(dān)任集散中心的角色，即1 個(gè)IN 負(fù)責(zé)多個(gè)LN 的供給。IN 混入比例為10 % 的氫氣，LN為加氫站，從天然氣管網(wǎng)中獲取氫氣，利用變壓吸附（pressure swing adsorption，PSA）系統(tǒng)從天然氣中分離氫氣。對(duì)于加氫站而言，目前PSA 系統(tǒng)供應(yīng)的氫氣是一種更經(jīng)濟(jì)的選擇［20］。

IN 和LN 作為管網(wǎng)中的供需側(cè)，存在一定的波動(dòng)性，而且管網(wǎng)的大慣性、長延遲以及氫氣濃度分布參數(shù)特性均顯著增加了天然氣管網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的不確定性，因此，本文建立考慮氣體成分隨流量變化的動(dòng)態(tài)管網(wǎng)模型，并采用單元法對(duì)模型進(jìn)行求解。

基于可靈活輸儲(chǔ)調(diào)度的HSC 優(yōu)化策略如圖2 所示。調(diào)度中心考慮IN 與LN 氫負(fù)荷需求的變化，調(diào)整沿海港口的調(diào)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)供需平衡，并根據(jù)短時(shí)間尺度內(nèi)LN的負(fù)荷波動(dòng)，利用天然氣管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)管儲(chǔ)特性對(duì)其進(jìn)行平抑。

圖2 HSC優(yōu)化策略Fig.2 Optimization strategy of HSC

1.1 混氫天然氣動(dòng)態(tài)輸送模型

本文在天然氣系統(tǒng)管道輸送模型的基礎(chǔ)上，建立混氫天然氣的動(dòng)態(tài)輸送模型。需要對(duì)管道內(nèi)的氫氣濃度在不同位置和時(shí)間上進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，當(dāng)氣體組分發(fā)生變化時(shí)，受質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和實(shí)際氣體定律的約束［21］，如式（1）—（3）所示。

連續(xù)性方程為：

動(dòng)量方程為：

實(shí)際氣體狀態(tài)方程為：

式中：ρ為混合氣體的密度；t為調(diào)度時(shí)刻；v為氣體流速；x為單位長度；P為壓強(qiáng)；f為氣體摩擦因子；D為管道內(nèi)徑；θ為管道傾斜角度；g為重力加速度；z為混合氣體的壓縮因子；R為混合氣體的氣體常數(shù)；T為環(huán)境溫度。

由式（1）—（3）可知，描述管道氣體流動(dòng)的方程相當(dāng)復(fù)雜，只能采用數(shù)值方法進(jìn)行求解［22］。此外，天然氣管網(wǎng)可能包含數(shù)百條管道以及節(jié)點(diǎn)和其他組件，這些無法全部在方程中考慮。因此，在保持一定精度的同時(shí)，需要忽略一些細(xì)節(jié)來簡化方程。本文假設(shè)溫度變化對(duì)氣體流動(dòng)的影響忽略不計(jì)，即保持為環(huán)境溫度，且管道總是保持水平狀態(tài)，即θ=0°。

單元管道示意圖如圖3 所示。圖中：Δx為單元長度；將管道分割為有限等長度的單元管道，并且在每個(gè)小管道內(nèi)假設(shè)氫氣組分、氣體密度、壓強(qiáng)等與單元內(nèi)空間分布無關(guān)，Pi為第i個(gè)單元管道的壓強(qiáng)，qin、qout分別為單元管道的入口流量和出口流量。可列寫偏微分表達(dá)式，即：

圖3 單元管道示意圖Fig.3 Schematic diagram of unit pipeline

式中：q為質(zhì)量流量。

聯(lián)立方程式（4）—（6），可以得到每個(gè)單元內(nèi)氣體動(dòng)態(tài)方程的偏微分方程，如式（7）、（8）所示。

式中：Δq為各單元的進(jìn)出口流量差；Δp為相鄰單元的壓強(qiáng)差；s為單元的橫截面積。此外，混合氣體的壓縮因子、摩擦因子f的值會(huì)隨著混合氣體的組分變化而實(shí)時(shí)更新。文獻(xiàn)［23］提出一種快速準(zhǔn)確計(jì)算混合氣體壓縮因子的方法，計(jì)算公式如式（9）所示。

式中：pc、Tc分別為氣體的臨界壓強(qiáng)和臨界溫度。

在湍流條件下，氣體摩擦因子f通常由經(jīng)驗(yàn)方程估計(jì)，即Coolebrook-White方程［24］，如式（10）所示。

由于f在式（10）中是隱式的，只能通過迭代求解［24］，因此，本文采用一種適用于管道湍流流動(dòng)的顯式近似法來簡化計(jì)算，即：

式中：雷諾數(shù)Re為慣性力和摩擦力的比值；r為管道粗糙度；η為流體的動(dòng)態(tài)黏度；ρH、ρg分別為氫氣和天然氣的密度；ε為氫氣的體積分?jǐn)?shù)?；鞖涮烊粴獾拿芏劝凑绽硐牖旌线^程進(jìn)行計(jì)算。

假設(shè)在單條管道的入口輸入氫氣，供氣管道的出口為收集氫氣的加氫站，第1 個(gè)小單元管道考慮理想混合狀態(tài)。從第1 個(gè)單元向后依次進(jìn)行計(jì)算，在最后一個(gè)單元的質(zhì)量流量計(jì)算完成后，通過支流流量計(jì)算將參數(shù)傳遞給下一個(gè)管道的第1 個(gè)單元。由此，可計(jì)算出式（7）、（8）中第n個(gè)單元管道在單位時(shí)間內(nèi)的參數(shù)。因此，對(duì)于整條管道，每個(gè)小單元管道的參數(shù)不同。本文采用ODE45 算法求解流量和壓強(qiáng)，流程圖如圖4 所示。圖中：Pt、qt分別為t時(shí)刻的壓強(qiáng)和質(zhì)量流量；qi為第i個(gè)單元的質(zhì)量流量。

圖4 流量和壓強(qiáng)求解流程圖Fig.4 Solving flowchart of flow and pressure

1.2 管道動(dòng)態(tài)儲(chǔ)氫模型

通常，氣體是可以被壓縮的，因此，瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)相當(dāng)緩慢［25］。若每個(gè)節(jié)點(diǎn)的流入和流出速率不隨時(shí)間而變化，則管道內(nèi)的氣體會(huì)在一定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到恒壓狀態(tài)，且管道內(nèi)氣體的存量保持不變。但在實(shí)際中各節(jié)點(diǎn)的氣體負(fù)荷具有波動(dòng)性，每個(gè)時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)流入和流出速率總是在變化的，這就導(dǎo)致管道系統(tǒng)始終處于非穩(wěn)定狀態(tài)。此外，與電能的傳輸不同，混氫天然氣無法被立即從管道入口處輸送至管道出口處，需要管儲(chǔ)的幫助，以滿足節(jié)點(diǎn)氣體平衡條件。本文運(yùn)用單元分割的思想來近似表達(dá)管道內(nèi)氣體的質(zhì)量，將每個(gè)單元管道看作是一個(gè)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)氣罐，因此，管道的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)氫模型可以描述為：

式中：mn，t、ρn，t分別為t時(shí)刻第n個(gè)單元管道的氫氣質(zhì)量和密度，根據(jù)mn，t可以求出ρn，t；qn，t為t時(shí)刻第n個(gè)單元管道的質(zhì)量流量；N為單元管道總數(shù)；mmaxpip、m分別為管道最大、最小儲(chǔ)氫量。

1.3 水網(wǎng)航運(yùn)模型

本節(jié)構(gòu)建儲(chǔ)氫罐的水網(wǎng)航運(yùn)模型，將管網(wǎng)INj看作陸港，滿載儲(chǔ)氫罐的船舶從海港出發(fā)，前往一組陸港碼頭進(jìn)行卸載，目標(biāo)是通過船舶實(shí)現(xiàn)規(guī)模運(yùn)氫，并盡可能滿足管網(wǎng)IN 的氫氣需求，所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型如式（17）—（25）所示。

式中：J為港口集合；xij為布爾變量，若船舶從港口i航行至港口j，則其值為1；pj、dj分別為船舶在港口j的裝載、卸載需求；Wc為儲(chǔ)氫罐c的容量；Zcj、fcs為布爾變量，若儲(chǔ)氫罐c的目的地／始發(fā)地為碼頭j，則Zcj=1，若儲(chǔ)氫罐c由船舶裝載，則fcs= 1；yij、zij分別為船舶從港口i運(yùn)至港口j的進(jìn)、出口氫氣量；dij為港口i和港口j間的距離；C為儲(chǔ)氫罐集合；Δt為單位時(shí)間；L為儲(chǔ)氫罐在港口裝卸所需時(shí)間；M為足夠大的常數(shù)；τij為港口i至港口j的航行時(shí)間；psail為航行功率；h為功率損耗系數(shù)；Vship為船舶航行速度；tj為船舶從港口i裝／卸儲(chǔ)氫罐至港口j的總時(shí)長；ti為船舶在出發(fā)港口i的時(shí)間。式（17）表示船舶的交通流守恒；通過式（18）—（21）滿足港口對(duì)儲(chǔ)氫罐的需求，式（21）用于約束船舶在港口j裝卸氫氣的流量平衡；式（23）為港口i與港口j的航行時(shí)間，會(huì)受河流流速Vw，ij的影響；式（25）為航行功率與速度的關(guān)系［26］。

2 多時(shí)間尺度HSC優(yōu)化模型

為降低因氫能的供給與負(fù)荷預(yù)測值在日前與日內(nèi)偏差引起的負(fù)荷波動(dòng)，建立日前調(diào)度和日內(nèi)滾動(dòng)兩階段優(yōu)化模型。

本文所建多時(shí)間尺度調(diào)度框架如圖5 所示，主要包含日前最優(yōu)調(diào)度、日內(nèi)長時(shí)間優(yōu)化調(diào)度和日內(nèi)短時(shí)間優(yōu)化調(diào)度3 個(gè)層面。整個(gè)多時(shí)間尺度調(diào)度策略的實(shí)施過程如下：日前調(diào)度以1 h 為時(shí)間尺度，以購能成本、輸送成本以及風(fēng)電棄風(fēng)懲罰成本之和最小為目標(biāo)函數(shù)，得到海上船舶參與的日前購氫路由計(jì)劃，執(zhí)行周期為24 h；日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度遵從日前計(jì)劃，考慮氫能傳輸在時(shí)間尺度上的差異，通過多時(shí)間尺度的滾動(dòng)優(yōu)化降低氫負(fù)荷波動(dòng)的影響。日前調(diào)度與日內(nèi)調(diào)度模型及各模型的耦合關(guān)系如附錄A所示。

圖5 日前-日內(nèi)兩階段調(diào)度示意圖Fig.5 Schematic diagram of day-ahead-intraday two stage dispatch

3 算例分析

3.1 天然氣管道輸送氫氣的動(dòng)態(tài)特性分析

基于所建立的混氫天然氣動(dòng)態(tài)模型，分別對(duì)天然氣管網(wǎng)中的單管和管網(wǎng)系統(tǒng)的輸氫過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。管道基礎(chǔ)參數(shù)及混氫天然氣管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)圖分別如附錄B 表B1 和圖B1 所示。為了更好地適配PSA分離設(shè)備，設(shè)置管道初始出口壓強(qiáng)為1 MPa［27］。

在進(jìn)口壓強(qiáng)和流量不變的情況下，突然增加進(jìn)口管道的混氫比例，觀察各單元管道混氫比例隨單位時(shí)間的變化趨勢，結(jié)果如圖6 所示。管道出口混氫比例的變化速率隨著與進(jìn)出口之間距離的增加而變慢，20 km的管道氫氣濃度的響應(yīng)速度比較緩慢。

圖6 單管管道混氫比例變化圖Fig.6 Variation diagram of hydrogen ratio for single pipeline

圖7 為單管管道注氫后的氫氣空間分布情況。分別觀察t時(shí)刻的混氫比例變化情況，在總長為20 km的單管管道內(nèi)，混氫比例穩(wěn)定時(shí)間約為1 000 s，氫氣濃度變化速率在管道中的傳輸速度遠(yuǎn)低于氫氣的傳輸速率。

圖7 單管管道氫分布圖Fig.7 Distribution diagram of hydrogen in single pipeline

為了結(jié)合實(shí)際調(diào)度過程中供需波動(dòng)的情景，分別在進(jìn)口流量和出口流量急劇增加的情況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。

圖8 為管道進(jìn)口流量突然增大的情況。由圖可知，當(dāng)進(jìn)口流量急劇增大時(shí)，出口壓強(qiáng)和出口混氫比例也相應(yīng)增大，原因在于：進(jìn)口流量急劇增大，進(jìn)口壓強(qiáng)也隨之增大，這導(dǎo)致管道進(jìn)、出口的壓強(qiáng)梯度突然變大，考慮到出口處氣體負(fù)荷無波動(dòng)，因此，出口處的流量也無波動(dòng)，管道內(nèi)氣體朝著縮小進(jìn)、出口壓強(qiáng)梯度的方向變化，出口壓強(qiáng)在上升后達(dá)到穩(wěn)定值；在進(jìn)口混氫比例一定的情況下，進(jìn)口流量的增大導(dǎo)致管道內(nèi)含氫量的增加，并且在壓強(qiáng)急劇增加時(shí)，混氫比例的總體響應(yīng)趨勢與進(jìn)口流量的響應(yīng)趨勢相同，但明顯慢于進(jìn)口流量的變化趨勢。

圖8 進(jìn)口流量突然增大的情況Fig.8 Condition of sudden increase of inlet flow

圖9 為出口處負(fù)荷量增加的情況，即管道出口流量急劇增大的情況。由圖可知：當(dāng)出口流量急劇增大時(shí)，進(jìn)口流量隨之增大，出口壓強(qiáng)相應(yīng)降低，這是由于流量的大小決定了進(jìn)口和出口的壓降，流量增加越多，壓降越大；出口混氫比例隨著出口流量的增大而減小，且恢復(fù)速度快于圖8（b），這說明氫氣濃度在管道中的傳遞速度較慢。

圖9 出口流量突然增大的情況Fig.9 Condition of sudden increase of outlet flow

綜上所述，對(duì)于單管管道，進(jìn)口流量和壓強(qiáng)突然增加會(huì)導(dǎo)致出口混氫比例增加，因此，在天然氣管網(wǎng)加氫時(shí)，要警惕流量和壓強(qiáng)的波動(dòng)，避免出現(xiàn)因混氫比例極高而導(dǎo)致管道材料失效、斷裂等危險(xiǎn)情況。氫氣濃度在管道中的傳遞速度遠(yuǎn)低于壓強(qiáng)和流量。

圖10 為注氫后天然氣管網(wǎng)管道氫氣分布隨時(shí)間的變化情況。由圖可知，在天然氣管網(wǎng)的3 個(gè)核心節(jié)點(diǎn)注入氫氣后，系統(tǒng)中大部分管道的氫氣傳輸達(dá)到穩(wěn)定需0.3 h 左右，而位于管網(wǎng)右上角的管道長度更長，氫氣傳輸達(dá)到穩(wěn)定需0.5 h 左右，這是由于空間中氫氣濃度梯度減小，氫氣傳輸速度緩慢下降。

圖10 注氫后管網(wǎng)變化情況Fig.10 Change condition of pipeline network after hydrogen injection

本文通過分析氫氣傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)特性以及時(shí)延性得出供需波動(dòng)情景下的調(diào)度策略，為HSC 多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度提供了重要依據(jù)。

3.2 HSC調(diào)度結(jié)果分析

基于圖1 所示的HSC 結(jié)構(gòu)，海上制氫平臺(tái)的日前產(chǎn)能情況如圖11 所示。假定日內(nèi)滾動(dòng)階段預(yù)測時(shí)域與控制時(shí)域相同，1 h 長時(shí)間尺度控制時(shí)域取4 h，5 min 短時(shí)間尺度控制時(shí)域取1 h。本文多時(shí)間尺度模型為混合整數(shù)線性模型，可通過MATLAB 2020b平臺(tái)調(diào)用Gurobi求解器進(jìn)行快速求解。

圖11 海上運(yùn)輸調(diào)度結(jié)果圖Fig.11 Chart of maritime transportation dispatch results

為分析本文所提HSC 策略的高效性和經(jīng)濟(jì)性，在日前階段設(shè)立4種方案進(jìn)行對(duì)比分析：方案1的模型為本文所提模型；方案2 的輸送策略與方案1 相同，但不考慮動(dòng)態(tài)特性［9］；方案3 通過傳統(tǒng)的卡車將氫氣運(yùn)輸至加氫站［25］；方案4新建氫氣管道至IN，并通過天然氣管道發(fā)散式輸送氫氣［9］。4 種方案均包含海上運(yùn)輸部分，不同方案對(duì)比說明如表1所示。

表1 不同方案對(duì)比說明Table 1 Comparative explanation of different schemes

3.2.1 日前調(diào)度結(jié)果分析

4 種方案分別在氫氣產(chǎn)量相同的情況下進(jìn)行求解分析，得到不同場景下的總經(jīng)濟(jì)成本。由圖11 可知，海上制氫平臺(tái)的主要工作時(shí)段為22 h 之后的夜間，這是由于發(fā)電功率與負(fù)荷呈逆向分布，夜間風(fēng)能資源充裕，而負(fù)荷功率水平較低，有大量的富余功率為“綠氫”提供電能，白天則反之。周期內(nèi)船舶出航5次，共計(jì)運(yùn)輸氫氣約20.7 t。

海上運(yùn)輸船舶部分經(jīng)濟(jì)成本參數(shù)如附錄B 表B2所示。

3.2.2 方案1日前階段調(diào)度結(jié)果

對(duì)圖12 所示的水網(wǎng)與管網(wǎng)交匯情況進(jìn)行分析。2條內(nèi)河各由1艘船舶參與儲(chǔ)氫罐的調(diào)度分配；管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)包括3個(gè)IN和8個(gè)LN，其中LN的所有負(fù)荷均由IN 支撐。圖13 為日前階段方案1 的氫負(fù)荷及內(nèi)河航運(yùn)調(diào)度情況，結(jié)合圖12 可知，由于IN3承擔(dān)了LN1— LN4的負(fù)荷供給，其負(fù)荷最大。

圖12 方案1的HSC內(nèi)陸部分示意圖Fig.12 Schematic diagram of HSC inland part for Scheme 1

圖13 方案1日前調(diào)度結(jié)果Fig.13 Day-ahead dispatch results of Scheme 1

3.2.3 不同方案優(yōu)化結(jié)果經(jīng)濟(jì)性分析

本節(jié)分析各方案年運(yùn)行成本。方案1 的天然氣管道摻氫運(yùn)輸成本采用文獻(xiàn)［28］的96 元／（km?t），船舶運(yùn)輸成本采用文獻(xiàn)［29］的0.5 元／（km?t），PSA分離成本設(shè)為0.37元／m3［15］；為彌補(bǔ)氫負(fù)荷波動(dòng)，方案2在方案1的基礎(chǔ)上采用少量長管拖車運(yùn)輸，運(yùn)輸成本為56 元／（km?t）；方案3 的成本計(jì)算參考文獻(xiàn)［30］，采用3 輛槽車運(yùn)輸，每輛可運(yùn)輸4 000 kg，運(yùn)輸價(jià)格為135.7元／（km?t）；在方案4中，若建設(shè)純氫管道至各加氫站，則會(huì)形成縱橫交錯(cuò)的氫氣管網(wǎng)，建設(shè)成本高昂，因此，采取氫管道和天然氣管網(wǎng)相結(jié)合的方式，純氫管道成本折算為150元／（km?t）［30］。不同方案的年運(yùn)行成本對(duì)比如表2所示。

表2 不同方案的年運(yùn)行成本對(duì)比Table 2 Comparison of annual operationcost among different schemes

由表2可知：方案1在年運(yùn)行成本上比其他方案有較大提升；方案2 由于沒有考慮動(dòng)態(tài)特性模型，在負(fù)荷相對(duì)較高時(shí)段的管道供給能力有限，需采用長管拖車彌補(bǔ)氫氣供給不足的情況，相較于方案1，方案2 需額外運(yùn)輸130 km；方案3 僅采用卡車運(yùn)輸，不但成本高昂而且碳排放量巨大；方案4 的純氫管道輸送能耗小，可實(shí)現(xiàn)氫能連續(xù)性、規(guī)?；?、長距離輸送，這是未來氫能大規(guī)模發(fā)展的必然趨勢，但現(xiàn)階段的一次性投資成本高，難以實(shí)現(xiàn)。綜上，方案1考慮氣體動(dòng)態(tài)模型的氫能輸送過程充分發(fā)揮了高效性與靈活性，與方案2相比，其年運(yùn)行成本降低了7.1 %。

3.3 日內(nèi)多時(shí)間尺度調(diào)度結(jié)果分析

以3.1 節(jié)方案1 得到的調(diào)度結(jié)果作為日前計(jì)劃，日內(nèi)長時(shí)間尺度調(diào)度階段與日前計(jì)劃的對(duì)比如圖14 所示。結(jié)合日內(nèi)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果可知，3 個(gè)IN 在08:00 — 18:00 時(shí)段都有不同程度的誤差，其中IN3的誤差最大，這是由于IN3承擔(dān)了LN1— LN4的負(fù)荷供給，負(fù)荷大的同時(shí)誤差也會(huì)更大。

圖14 日內(nèi)長時(shí)間尺度調(diào)度結(jié)果Fig.14 Intraday long time scale dispatch results

在日內(nèi)長時(shí)間尺度調(diào)度階段，載有儲(chǔ)氫罐的船舶通過在各IN 靈活置換即可平抑負(fù)荷波動(dòng)，因此無須額外采用卡車運(yùn)輸，降低了日內(nèi)調(diào)度成本。

日內(nèi)短時(shí)間尺度調(diào)度階段的供給需要盡可能地跟蹤長時(shí)間尺度的調(diào)度計(jì)劃，選取波動(dòng)相對(duì)較大的08:00 — 17:00 時(shí)段分析管網(wǎng)的注入與供給，如圖15所示。以IN3為例，跟蹤效果見圖16?？煽闯觯紤]管儲(chǔ)模型有效減小了日內(nèi)短時(shí)間尺度的負(fù)荷快速波動(dòng)。

圖15 管儲(chǔ)運(yùn)行結(jié)果Fig.15 Operation results of management and storage

圖16 短時(shí)間尺度供應(yīng)跟蹤效果Fig.16 Tracking effect of short time scale supply

若不考慮管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性，如圖16 中方案2 所示，則PSA分離氫氣的速率恒定，此時(shí)分離所得氫氣具有與電能類似的即發(fā)即用性質(zhì)，供給能力有限，短時(shí)間內(nèi)無法滿足負(fù)荷波動(dòng)要求，因此，需要額外購置儲(chǔ)氫設(shè)備和運(yùn)輸卡車來平抑負(fù)荷波動(dòng)。

為進(jìn)一步體現(xiàn)本文所提日內(nèi)滾動(dòng)修正策略在多時(shí)間尺度下的優(yōu)勢，將本文策略與日內(nèi)修正（dayahead programming，DA-P）策略進(jìn)行對(duì)比。DA-P 策略是指基于日前調(diào)度計(jì)劃，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，日前與日內(nèi)的預(yù)測誤差所造成的功率波動(dòng)僅由外部電網(wǎng)或氣網(wǎng)進(jìn)行平抑［31］，即不考慮日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化，該策略被應(yīng)用于諸多綜合能源系統(tǒng)的多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度中。在DA-P 策略下，氫負(fù)荷波動(dòng)由外購氫平抑，氫氣價(jià)格采用文獻(xiàn)［32］的65 元／kg。2 種策略的對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 2種策略的對(duì)比結(jié)果Table 3 Comparative results of two strategies

由表3 可知：本文策略下的管道利用率不足100 %，這是由于要盡可能保持管網(wǎng)中10 % 摻氫的動(dòng)態(tài)平衡，就需要一部分氫氣來維持；在DA-P 策略下，雖然管儲(chǔ)可以平抑一部分負(fù)荷波動(dòng)，但仍有一些時(shí)段的負(fù)荷波動(dòng)較大，管儲(chǔ)流量有限，無法完全平抑該波動(dòng)，需要額外購氫進(jìn)行平抑，從而產(chǎn)生了高額的購氣成本，導(dǎo)致運(yùn)行成本增加；本文策略考慮了氫負(fù)荷的波動(dòng)特性，長時(shí)間尺度通過船載儲(chǔ)氫罐平抑負(fù)荷波動(dòng)，短時(shí)間尺度通過引入具有動(dòng)態(tài)特性的管網(wǎng)模型進(jìn)一步降低負(fù)荷波動(dòng)，更多的設(shè)備由于時(shí)間尺度逐層細(xì)?；瘏⑴c負(fù)荷波動(dòng)的平抑中，避免了高額的額外運(yùn)行成本；相較于DA-P 策略，本文策略下系統(tǒng)的管道利用率提高了5.46 個(gè)百分點(diǎn)，購氫波動(dòng)率降低了10.76個(gè)百分點(diǎn)，日內(nèi)運(yùn)行成本降低了4.8 %。

4 結(jié)論

本文提出一種基于氣網(wǎng)-水網(wǎng)協(xié)同的多時(shí)間尺度HSC 滾動(dòng)優(yōu)化策略，通過理論和仿真分析得出以下結(jié)論：

1）本文所建立的混氫天然氣動(dòng)態(tài)特性模型，可以有效地反映混氫天然氣輸送的動(dòng)態(tài)特性，即壓強(qiáng)、流量、氫氣濃度的空間分布特征；

2）基于所構(gòu)建的考慮內(nèi)河水流速度的儲(chǔ)氫罐航運(yùn)模型實(shí)現(xiàn)了氫氣水網(wǎng)的規(guī)?；\(yùn)輸，滿足了IN 的注氫及負(fù)荷需求；

3）本文所提多時(shí)間尺度滾動(dòng)優(yōu)化策略能夠較好地應(yīng)對(duì)不同時(shí)間維度下的負(fù)荷波動(dòng)，并根據(jù)所構(gòu)建的氣網(wǎng)-水網(wǎng)模型對(duì)需求波動(dòng)進(jìn)行精細(xì)化調(diào)度與平抑，有效降低了負(fù)荷波動(dòng)率和運(yùn)行成本。

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