1.本發(fā)明涉及電氫區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行方法，具體是一種考慮氫能系統(tǒng)熱回收的電氫能源系統(tǒng)日前優(yōu)化運(yùn)行方法。

背景技術(shù)：

2.隨著氫燃料技術(shù)的發(fā)展，氫能作為一種終端能源應(yīng)用潛力巨大，以電氫為核心的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)也成為最具前景的區(qū)域終端能源系統(tǒng)形態(tài)。利用分布式新能源電解制氫不僅可以就近滿(mǎn)足氫能需求，還有助于分布式新能源的消納，相比于集中式制氫方式，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.現(xiàn)有研究均有效說(shuō)明了氫能系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)低碳運(yùn)行有顯著的提升作用，但并未深入挖掘氫能系統(tǒng)的產(chǎn)熱特性，導(dǎo)致氫能系統(tǒng)存在能源利用率低的問(wèn)題。氫能在產(chǎn)、儲(chǔ)、用過(guò)程中，需經(jīng)過(guò)多次能量形式轉(zhuǎn)換，使得能量利用效率較低，大大限制了氫能的應(yīng)用和發(fā)展。一方面，在制氫側(cè)，傳統(tǒng)商業(yè)堿性和質(zhì)子膜電解水系統(tǒng)電解效率僅為51％～70％，近20％～30％的能量以熱能形式散失；另一方面，在用氫側(cè)，甲烷化能量利用效率為75～80％，氫燃料電池產(chǎn)電效率為60％左右，電轉(zhuǎn)氣轉(zhuǎn)電(power to gas to power,p2g2p)全過(guò)程效率不足40％。為提高氫能利用效率，現(xiàn)有技術(shù)中以?xún)?yōu)化氫能利用為切入點(diǎn)，提出了將電轉(zhuǎn)氣過(guò)程細(xì)化為電制氫、氫氣甲烷化兩階段，優(yōu)先使用氫氣熱電聯(lián)產(chǎn)或者氫燃料電池車(chē)燃料供給，富余的氫氣再進(jìn)行甲烷化，從而減少能量轉(zhuǎn)換，提高能效，但這些技術(shù)未從根本上解決低能效的問(wèn)題。

4.熱回收技術(shù)給上述問(wèn)題帶來(lái)根本性解決方法。不同類(lèi)型電解水、氫燃料電池和甲烷化等氫能設(shè)備運(yùn)行將產(chǎn)生大量高品位余熱，理論上可以進(jìn)行熱回收利用，從而提高系統(tǒng)能源利用率。其中，現(xiàn)有技術(shù)中心建立了堿性電解水和質(zhì)子膜電解水的電轉(zhuǎn)氫、熱模型，并應(yīng)用到電熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行中，但該技術(shù)僅針對(duì)電解水設(shè)備產(chǎn)熱特性分析，并未涉及高溫電解水以及其他氫能設(shè)備。此外，也有針對(duì)甲烷化裝置、氫燃料電池進(jìn)行余熱回收利用以實(shí)現(xiàn)能源的多級(jí)利用的技術(shù)。但總的來(lái)說(shuō)，目前針對(duì)于氫能系統(tǒng)熱回收的優(yōu)化運(yùn)行方法僅停留在單一設(shè)備，尚未系統(tǒng)性地考慮氫能系統(tǒng)熱回收利用對(duì)氫能的產(chǎn)、儲(chǔ)、用過(guò)程的影響，同時(shí)這些方法中的模型對(duì)氫能設(shè)備變效率、多工況等運(yùn)行特性也表達(dá)不足，無(wú)法準(zhǔn)確表征氫能系統(tǒng)與外部電力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)的協(xié)調(diào)互動(dòng)能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

5.本發(fā)明的目的是提供一種考慮氫能系統(tǒng)熱回收的電氫能源系統(tǒng)日前優(yōu)化運(yùn)行方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的模型僅針對(duì)單一設(shè)備，同時(shí)對(duì)氫能設(shè)備變效率、多工況等運(yùn)行特性也表達(dá)不足，無(wú)法準(zhǔn)確表征氫能系統(tǒng)與外部電力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)的協(xié)調(diào)互動(dòng)能力，進(jìn)而無(wú)法最大化的優(yōu)化考慮氫能系統(tǒng)熱回收的電氫能源系統(tǒng)的運(yùn)行的技術(shù)問(wèn)題。

6.本發(fā)明中的考慮氫能系統(tǒng)熱回收的電氫能源系統(tǒng)日前優(yōu)化運(yùn)行方法，電氫能源系統(tǒng)中的設(shè)備包括電解水裝置、氫燃料電池、甲烷化裝置和電熱聯(lián)產(chǎn)裝置；

7.包括以下步驟：

8.s1獲取能源系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)并得到典型日源荷曲線；

9.s2根據(jù)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)建立考慮氫能系統(tǒng)熱回收的設(shè)備運(yùn)行模型；

10.s3根據(jù)能源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立能源系統(tǒng)模型；

11.s4以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，建立考慮氫能系統(tǒng)熱回收的電氫能源系統(tǒng)日前優(yōu)化運(yùn)行模型；

12.s6求解所述的優(yōu)化運(yùn)行模型，以得到電氫區(qū)域綜合能源系統(tǒng)日前運(yùn)行計(jì)劃。

13.進(jìn)一步的，能源系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)包括新能源出力數(shù)據(jù)、電負(fù)荷數(shù)據(jù)、氣負(fù)荷、熱負(fù)荷、和氫負(fù)荷數(shù)據(jù)。

14.進(jìn)一步的，所述考慮氫能系統(tǒng)熱回收的設(shè)備運(yùn)行模型，包括：

15.1)低溫和高溫電解水熱回收運(yùn)行模型，包括

16.對(duì)于單個(gè)電解池，電解所需電壓可表示為：

17.u

cell

(t

ed

,i

cell

)＝u

rev

+u

ohm

+u

act

+u

con

[0018][0019]

式中，u

cell

為電解電壓，與t

ed

和電解電流密度i

cell

相關(guān)，可分為可逆電壓u

rev

、歐姆極化電壓u

ohm

、活化極化電壓u

act

和濃差極化電壓u

con

；u

th

為電解理論所需最小電壓，與溫度相關(guān)，在800℃為1.29v，而在25℃時(shí)為1.48v；ne為氫的摩爾電子數(shù)，f為法拉第常數(shù)；

[0020]

電解水電解能量流模型可表示為：

[0021][0022]

式中，p

ed,el

為高溫電解水電解能耗；p

ed,h

為高溫電解水用于產(chǎn)氫的能耗；n

cell

為電解池?cái)?shù)目；s

cell

為電解池的有效面積；

[0023]

采用集總方程表征低溫電解水在運(yùn)行的熱力學(xué)過(guò)程，具體如下：

[0024][0025]

式中，led代表低溫電解水；c

led

為低溫電解槽的等效熱容；為t時(shí)刻低溫電解槽的熱損；為t時(shí)刻低溫電解槽可回收的熱能；

[0026]

高溫電解水系統(tǒng)熱力學(xué)過(guò)程具體如下：

[0027][0028]

式中，hed代表高溫電解水；c

hed

為高溫溫電解槽的等效熱容；為t時(shí)刻出料氣體的熱能；k

rec

為出料氣體與進(jìn)料氣體熱交換系數(shù)；為t時(shí)刻高溫電解槽的熱損；為t時(shí)刻高溫電解水預(yù)熱裝置能耗，為t時(shí)刻高溫電解槽加熱能耗，假設(shè)加熱均采用電加熱，即：

[0029]

p

thed,heat

+p

thed,fur

＝η

eb

p

teb

[0030]

式中，為t時(shí)刻電解水電加熱功耗，η

eb

為電加熱工作效率；

[0031]

建立熱穩(wěn)態(tài)模型如下：

[0032][0033][0034]

將電解水熱損功耗表示為：

[0035][0036]

式中，r

ed

為電解槽的等效熱阻，ta為環(huán)境溫度；

[0037]

保持在一定溫度范圍內(nèi)，即：

[0038][0039]

低溫和高溫電解水系統(tǒng)最終回收熱能分別表示為：

[0040][0041]

式中，分別為t時(shí)刻低溫電解水和高溫電解水回收的熱能，η

ed,he

為換熱裝置的換熱效率；

[0042]

2)甲烷化熱回收運(yùn)行模型，包括，

[0043]

反應(yīng)原料和產(chǎn)物需滿(mǎn)足物質(zhì)的量平衡關(guān)系，有：

[0044][0045]

式中，分別為t時(shí)刻反應(yīng)器消耗二氧化碳和氫氣的速率；分別為t時(shí)刻反應(yīng)器產(chǎn)生甲烷的速率和摩爾速率；為反應(yīng)產(chǎn)生甲烷和氫氣的物質(zhì)的量比例；例；分別為二氧化碳、氫氣和甲烷的相對(duì)分子質(zhì)量；

[0046]

甲烷化過(guò)程產(chǎn)熱表示如下：

[0047][0048]

式中，為t時(shí)刻甲烷化產(chǎn)熱功耗；η

mr

為甲烷化反應(yīng)的效率；

△

h為甲烷化產(chǎn)生單位摩爾甲烷而釋放的熱量，為165kj/mol；

[0049]

甲烷化裝置最終回收的熱能表達(dá)如下：

[0050][0051]

式中，為t時(shí)刻甲烷化裝置回收的熱能；η

mr,heat

為甲烷化裝置換熱器效率；

[0052]

3)氫燃料電池?zé)峄厥漳Ｐ?，包括?br />
[0053]

氫燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)物理模型，表征為：

[0054][0055]

其中：

[0056][0057]

式中，為t時(shí)刻氫燃料電池耗氫量，分別為t時(shí)刻氫燃料電池發(fā)電功率、產(chǎn)熱功率，η

fc,e

、η

fc,h

為氫燃料電池發(fā)電效率和產(chǎn)熱效率；

[0058]

4)氫能系統(tǒng)熱回收模型，包括，

[0059]

氫能系統(tǒng)熱回收利用模型，表達(dá)如下：

[0060][0061]

式中，為t時(shí)刻氫能系統(tǒng)熱回收利用的熱能；η

he

為換熱裝置換熱效率。

[0062]

進(jìn)一步的，所述能源系統(tǒng)模型包括：

[0063]

1)配電網(wǎng)潮流模型，具體如下：

[0064][0065][0066][0067][0068][0069]

式中，分別為節(jié)點(diǎn)i、j電壓的平方；p

ij

、q

ij

分別為支路ij的有功、無(wú)功功率；pi、qi分別為節(jié)點(diǎn)i、j的凈流入有功、無(wú)功功率；r

ij

、x

ij

分別為支路ij的電阻和電抗；分別為支路ij的電阻和電抗；分別為節(jié)點(diǎn)電壓最小值、最大值的平方，v0為平衡節(jié)點(diǎn)電壓的平方；s

ij,max

為支路ij的線路最大傳輸容量；

[0070]

2)配熱網(wǎng)潮流模型，包括，

[0071]

各節(jié)點(diǎn)水流平衡表示為：

[0072]adhnwij

＝w

node

[0073]

式中，a

dhn

為熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)支路關(guān)聯(lián)矩陣，w

ij

為支路水流矩陣，w

node

為節(jié)點(diǎn)水流矩陣；

[0074]

節(jié)點(diǎn)水頭表示為：

[0075][0076]

式中，p

w,i

為i節(jié)點(diǎn)的水頭；k為水管等效粗糙程度參數(shù)；l

ij

為節(jié)點(diǎn)i、j水管長(zhǎng)度；為水的密度，d為水管內(nèi)徑；w

ij

為節(jié)點(diǎn)ij水流速度；

[0077]

節(jié)點(diǎn)供水和回水溫度表示為：

[0078][0079]

式中，t

is

、t

ir

分別為節(jié)點(diǎn)i供水和回水溫度；分別為熱源、熱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)供

水和回水溫度；分別為熱源、熱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)水流速度；e(i)為以i節(jié)點(diǎn)為末節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)集合，s(i)為以i節(jié)點(diǎn)為始節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)集合；

[0080]

熱源和熱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的釋放和吸收的熱能表示為：

[0081][0082]

式中，分別為熱源釋放的熱能和熱負(fù)荷吸收的熱能；cw為工質(zhì)的比熱容；

[0083]

3)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行模型，包括，

[0084]

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組模型表示為：

[0085][0086]

式中，p

chp

、q

chp

分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組產(chǎn)電、產(chǎn)熱功率，a

chp

、b

chp

、c

chp

分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行的邊界向量；

[0087]

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組機(jī)組耗氣量表示為：

[0088][0089]

式中，為t時(shí)刻熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耗氣量，η

chp

為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行效率，lhv

gas

為天然氣的低熱值。

[0090]

進(jìn)一步的，所述日前優(yōu)化運(yùn)行模型如下：

[0091][0092][0093][0094][0095][0096][0097]

式中，分別為t時(shí)刻系統(tǒng)購(gòu)能成本、運(yùn)維成本、碳排放成本、棄負(fù)荷懲罰成本、售能收入；為t時(shí)刻系統(tǒng)從上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電的單位價(jià)格，為t時(shí)刻系統(tǒng)與上級(jí)電網(wǎng)的交互功率，當(dāng)時(shí)，表示從上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電，反之則向電網(wǎng)倒送電能。針對(duì)式中的絕對(duì)值非線性項(xiàng)，引入輔助變量并增加約束將其線性化；c

gas,buy

為購(gòu)氣單位價(jià)格，為t時(shí)刻天然氣購(gòu)氣量；n為所有設(shè)備的集合，包括電解水、氫燃料電池、chp等，為第n個(gè)設(shè)備單位運(yùn)維成本，p

t,n

為t時(shí)刻第n個(gè)設(shè)備的功耗；c

em

為單位碳排放成本，λe、λ

gas

分別為用電、用氣的單位碳排放，λh為氫氣工業(yè)生產(chǎn)的單位碳排放，系統(tǒng)可以通過(guò)向氫能市場(chǎng)售氫從而減少工業(yè)制氫產(chǎn)生的碳排；c

e,p

、c

heat,p

、c

gas,p

、c

h,p

分別為棄電、棄熱、棄氣、棄氫單位懲罰價(jià)格，分別為t時(shí)刻系統(tǒng)棄電功率、棄熱功率、棄氣量和棄氫量；c

h,sell

為售氫單位價(jià)格，為t時(shí)刻系統(tǒng)售氫量；

[0098]

該模型的約束條件包括：

[0099]

熱網(wǎng)安全運(yùn)行約束

[0100]wij

≤w

ij,max

[0101]

p

w,i,min

≤p

w,i

≤p

w,i,max

[0102][0103]

式中，w

ij,max

為節(jié)點(diǎn)ij最大水流速度；p

w,i,max

、p

w,i,min

分別為節(jié)點(diǎn)i的最大和最小水頭；ts分別為節(jié)點(diǎn)i最大和最小供水水溫；分別為節(jié)點(diǎn)i最大和最小回水水溫；

[0104]

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組爬坡約束：

[0105][0106]

式中，分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組最大爬坡功率；

[0107]

設(shè)備運(yùn)行功耗約束：

[0108][0109]

式中，p

πt

為t時(shí)刻設(shè)備π的功耗；u

πt

為t時(shí)刻設(shè)備π的0-1狀態(tài)變量，為1則為設(shè)備工作；分別為設(shè)備π的最大、最小功耗；

[0110]

氣流量平衡約束：

[0111][0112]

式中，g

t

為t時(shí)刻氣網(wǎng)總氣負(fù)荷，為甲烷密度；

[0113]

氫能平衡約束

[0114][0115]

式中，m

th

為t時(shí)刻系統(tǒng)氫負(fù)荷；

[0116]

進(jìn)一步的，氫燃料電池的氫熱電關(guān)系以如下近似表達(dá)式：

[0117][0118]

式中，p1、p2、q1、q2分別為氫燃料電池電功率和熱功率的線性擬合系數(shù)。

[0119]

本發(fā)明建立的模型不再僅針對(duì)單一設(shè)備，同時(shí)對(duì)氫能設(shè)備變效率、多工況等運(yùn)行特性也進(jìn)行了表達(dá)，能準(zhǔn)確表征氫能系統(tǒng)與外部電力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)的協(xié)調(diào)互動(dòng)能力，進(jìn)而可以最大化的優(yōu)化考慮氫能系統(tǒng)熱回收的電氫能源系統(tǒng)的運(yùn)行的技術(shù)問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

[0120]

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的堿性電解水熱回收原理圖；

[0121]

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的高溫電解水熱回收原理圖；

[0122]

圖3高溫電解水熱回收原理圖；

[0123]

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的低溫和高溫電解水產(chǎn)出特性圖；

[0124]

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的氫燃料電池?zé)峄厥赵韴D

[0125]

圖6氫燃料電池輸入與輸出功率關(guān)系曲線圖。

[0126]

圖7本發(fā)明實(shí)施例中仿真實(shí)驗(yàn)所用的ieee33氫能系統(tǒng)仿真網(wǎng)絡(luò)得示意圖；

[0127]

圖8為本發(fā)明實(shí)施例中仿真實(shí)驗(yàn)所用的日前源荷預(yù)測(cè)曲線示意圖；

[0128]

圖9為本發(fā)明實(shí)施例中仿真實(shí)驗(yàn)得到的電解水優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果示意圖；

[0129]

圖10為本發(fā)明實(shí)施例中仿真實(shí)驗(yàn)得到的為電氫系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

[0130]

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)該理解為本發(fā)明上述主題范圍僅限于下述實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

[0131]

本實(shí)施例中的，包括以下步驟：

[0132]

考慮氫能系統(tǒng)熱回收的電氫能源系統(tǒng)日前優(yōu)化運(yùn)行方法，電氫能源系統(tǒng)中的設(shè)備包括電解水裝置、氫燃料電池、甲烷化裝置和電熱聯(lián)產(chǎn)裝置(chp)。

[0133]

包括以下步驟：

[0134]

s1獲取能源系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)并得到典型日源荷曲線；

[0135]

s2根據(jù)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)建立考慮氫能系統(tǒng)熱回收的設(shè)備運(yùn)行模型；

[0136]

s3根據(jù)能源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立能源系統(tǒng)模型；

[0137]

s4以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，建立考慮氫能系統(tǒng)熱回收的電氫能源系統(tǒng)日前優(yōu)化運(yùn)行模型；

[0138]

s6求解所述的優(yōu)化運(yùn)行模型，以得到電氫區(qū)域綜合能源系統(tǒng)日前運(yùn)行計(jì)劃。

[0139]

能源系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)包括新能源出力、電負(fù)荷、氣負(fù)荷、熱負(fù)荷、氫負(fù)荷。

[0140]

本實(shí)施例中，考慮氫能系統(tǒng)熱回收的設(shè)備運(yùn)行模型如下：

[0141]

1)低溫和高溫電解水熱回收運(yùn)行模型

[0142]

電解水技術(shù)分為兩大類(lèi)，分別是以堿性電解、質(zhì)子交換膜電解為代表的低溫電解水技術(shù)和以高溫固體氧化電解為代表的高溫電解水技術(shù)，兩類(lèi)電解技術(shù)均存在熱回收利用潛力。其中，低溫電解技術(shù)熱回收原理類(lèi)似，以堿性電解水熱回收利用為例。圖1為堿性電解水系統(tǒng)熱回收原理圖。電解液經(jīng)循環(huán)泵進(jìn)入堿性電解槽電解生成氫氣和氧氣，反應(yīng)溫度約為70～90℃，由于反應(yīng)溫度較低，電解電壓除了電解制氫外，還需要克服電解極化反應(yīng)，該部分能量最終以熱量形式散失，使得電解液溫度升高。反應(yīng)完后的高溫電解廢液(60～80℃)可以通過(guò)熱交換裝置回收反應(yīng)余熱，同時(shí)達(dá)到冷卻堿液的作用。冷卻后的低溫電解廢液可以經(jīng)處理后進(jìn)入下一次的電解循環(huán)中，從而提高堿液利用率。由此可知，堿性電解水的熱回收熱源為電解反應(yīng)過(guò)程釋放的熱量，回收介質(zhì)為高溫電解廢液。

[0143]

與低溫電解水系統(tǒng)不同，為保證原料氣體和電解槽反應(yīng)溫度要求，高溫電解水系統(tǒng)除了高溫電解槽外，還包括輔助設(shè)備以提供必要的熱能供應(yīng)，如預(yù)熱裝置、熱交換裝置和電爐。圖2為高溫電解水熱回收原理圖。常溫液態(tài)水h2o(l,ta)通過(guò)預(yù)熱裝置和熱交換裝置1吸熱，形成高溫水蒸氣h2o(g,t

ed

)，經(jīng)高溫電解槽電解生成高溫氫氣、氧氣，高溫產(chǎn)物通過(guò)熱交換裝置1對(duì)進(jìn)料氣體加熱達(dá)到余熱的初步回收利用，氣體溫度降低為t

out

(100～130℃)。該部分氣體通過(guò)熱交換裝置2冷卻至常溫，進(jìn)一步回收余熱至熱網(wǎng)，最終產(chǎn)物經(jīng)處理存儲(chǔ)到儲(chǔ)氫罐、儲(chǔ)氧罐中。

[0144]

低溫電解水和高溫電解水在電解反應(yīng)原理上相同，因此以下變量表述不再區(qū)別低溫和高溫電解水。對(duì)于單個(gè)電解池，電解所需電壓可表示為：

[0145]ucell

(t

ed

,i

cell

)＝u

rev

+u

ohm

+u

act

+u

con

???????????????????

(1)

[0146][0147]

式中，u

cell

為電解電壓，與t

ed

和電解電流密度i

cell

相關(guān)，可分為可逆電壓u

rev

、歐姆極化電壓u

ohm

、活化極化電壓u

act

和濃差極化電壓u

con

；u

th

為電解理論所需最小電壓，與溫度相關(guān)，在800℃為1.29v，而在25℃時(shí)為1.48v；ne為氫的摩爾電子數(shù)，f為法拉第常數(shù)。對(duì)于低溫電解水，電解電壓u

cell

大于u

th

，因此在低溫條件下，電解反應(yīng)為放熱反應(yīng)；而對(duì)于高溫電解，u

cell

的情況復(fù)雜許多。當(dāng)u

cell

》u

th

時(shí)，電解過(guò)程對(duì)外表現(xiàn)為放熱，當(dāng)u

cell

《u

th

時(shí)，高溫電解水系統(tǒng)表現(xiàn)為吸熱。根據(jù)，電解水電解能量流模型可表示為：

[0148][0149]

式中，p

ed,el

為高溫電解水電解能耗；p

ed,h

為高溫電解水用于產(chǎn)氫的能耗；n

cell

為電解池?cái)?shù)目；s

cell

為電解池的有效面積。消除式中i

cell

，可得p

ed,el

、p

ed,h

和t

ed

三者之間關(guān)系函數(shù)，具體如下：

[0150][0151]

根據(jù)低溫、高溫電解水經(jīng)驗(yàn)方程，可得出不同類(lèi)型電解水p

ed,el

、p

ed,h

和t

ed

函數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖3。

[0152]

fig 3the output characteristics oflow-temperture and high-temperature electrolysis systems

[0153]

低溫電解水在運(yùn)行中，可以采用集總方程對(duì)其熱力學(xué)過(guò)程表征，具體如下：

[0154][0155]

式中，led代表低溫電解水；c

led

為低溫電解槽的等效熱容；為t時(shí)刻低溫電解槽的熱損；為t時(shí)刻低溫電解槽可回收的熱能。對(duì)于高溫電解水系統(tǒng)，由于具有輔助裝置供熱和內(nèi)部熱循環(huán)系統(tǒng)，其熱力學(xué)過(guò)程與低溫電解水不同，具體如下：

[0156][0157]

式中，hed代表高溫電解水；c

hed

為高溫溫電解槽的等效熱容；為t時(shí)刻出料氣體的熱能；k

rec

為出料氣體與進(jìn)料氣體熱交換系數(shù)；為t時(shí)刻高溫電解槽的熱損；為t時(shí)刻高溫電解水預(yù)熱裝置能耗，為t時(shí)刻高溫電解槽加熱能耗，本實(shí)施例假設(shè)加熱均采用電加熱，即：

[0158]

p

thed,heat

+p

thed,fur

＝η

eb

p

teb

???????????????????????

(7)

[0159]

式中，為t時(shí)刻電解水電加熱功耗，η

eb

為電加熱工作效率?？紤]到電解槽熱時(shí)間常數(shù)通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)度時(shí)間尺度，可給出熱穩(wěn)態(tài)模型如下：

[0160][0161]

[0162]

可以看出，電解槽有明顯的儲(chǔ)熱特征，儲(chǔ)熱容量取決于等效熱容。對(duì)于低溫電解水和高溫電解水，電解水熱損功耗可表示為：

[0163][0164]

式中，r

ed

為電解槽的等效熱阻，ta為環(huán)境溫度。對(duì)于電解槽正常工作，需在一定溫度范圍內(nèi)，即：

[0165][0166]

考慮到換熱器和水泵工作效率，低溫和高溫電解水系統(tǒng)最終回收熱能可分別表示為：

[0167][0168]

式中，分別為t時(shí)刻低溫電解水和高溫電解水回收的熱能，η

ed,he

為換熱裝置的換熱效率。

[0169]

2)甲烷化熱回收運(yùn)行模型

[0170]

甲烷化反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，由于劇烈的反應(yīng)熱會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)效率降低甚至催化劑燒結(jié)，因此對(duì)反應(yīng)器溫度控制十分重要。甲烷化裝置一般由多個(gè)反應(yīng)器級(jí)聯(lián)運(yùn)行，反應(yīng)器之間采用冷卻、循環(huán)裝置進(jìn)行溫度控制。圖4為一種常用的甲烷化制作工藝圖，由兩個(gè)甲烷化反應(yīng)器和一個(gè)補(bǔ)充甲烷化反應(yīng)器組成，原料氣經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)和預(yù)熱裝置進(jìn)入兩個(gè)甲烷化反應(yīng)器，反應(yīng)后的氣體經(jīng)過(guò)熱交換裝置冷卻后進(jìn)入下一個(gè)反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)，最終的反應(yīng)氣體經(jīng)過(guò)氣液分離器分離甲烷和水蒸汽，形成最后的產(chǎn)品氣。在不同反應(yīng)器之間存在熱交換裝置，用于反應(yīng)氣體降溫，同時(shí)達(dá)到熱回收的目的。

[0171]

根據(jù)甲烷化反應(yīng)原理，反應(yīng)原料和產(chǎn)物需滿(mǎn)足物質(zhì)的量平衡關(guān)系，即：

[0172][0173]

式中，分別為t時(shí)刻反應(yīng)器消耗二氧化碳和氫氣的速率；分別為t時(shí)刻反應(yīng)器產(chǎn)生甲烷的速率和摩爾速率；n

ch4-h

為反應(yīng)產(chǎn)生甲烷和氫氣的物質(zhì)的量比例；例；分別為二氧化碳、氫氣和甲烷的相對(duì)分子質(zhì)量。

[0174]

因此甲烷化過(guò)程產(chǎn)熱如下：

[0175][0176]

式中，為t時(shí)刻甲烷化產(chǎn)熱功耗；η

mr

為甲烷化反應(yīng)的效率；

△

h為甲烷化產(chǎn)生單位摩爾甲烷而釋放的熱量，為165kj/mol。

[0177]

甲烷化裝置最終回收的熱能可表示為：

[0178][0179]

式中，為t時(shí)刻甲烷化裝置回收的熱能；η

mr,heat

為甲烷化裝置換熱器效率。

[0180]

3)氫燃料電池?zé)峄厥漳Ｐ?br />
[0181]

氫燃料電池通過(guò)氫氣與氧氣在氫燃料電池堆的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能，經(jīng)變流器將生成的電能送至電網(wǎng)。同時(shí)，通過(guò)熱交換裝置可以回收電堆的余熱，并與區(qū)域熱網(wǎng)相連，

達(dá)到熱電聯(lián)產(chǎn)的作用，總效率可達(dá)80～90％。氫燃料電池?zé)峄厥赵硪?jiàn)圖5。

[0182]

本實(shí)施例選擇高溫固體氧化物氫燃料電池為研究對(duì)象，氫燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)物理模型可按如下經(jīng)驗(yàn)方程表征為：

[0183][0184]

其中：

[0185][0186]

式中，為t時(shí)刻氫燃料電池耗氫量，分別為t時(shí)刻氫燃料電池發(fā)電功率、產(chǎn)熱功率，η

fc,e

、η

fc,h

為氫燃料電池發(fā)電效率和產(chǎn)熱效率。氫燃料電池的氫熱電關(guān)系如圖6所示，對(duì)其進(jìn)行線性擬合，可得如下近似表達(dá)式：

[0187][0188]

式中，p1、p2、q1、q2分別為氫燃料電池電功率和熱功率的線性擬合系數(shù)。

[0189]

4)氫能系統(tǒng)熱回收模型

[0190]

氫能系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有熱能管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)控制電解水、氫燃料電池、甲烷化設(shè)備的冷卻質(zhì)流速和溫度，從而控制設(shè)備運(yùn)行溫度和回收的熱能。氫能系統(tǒng)與外界熱網(wǎng)通過(guò)熱交換裝置和熱泵相連，實(shí)現(xiàn)與外部供熱系統(tǒng)耦合。本實(shí)施例基于能量守恒定律，建立了氫能系統(tǒng)熱回收利用模型，具體如下：

[0191][0192]

式中，為t時(shí)刻氫能系統(tǒng)熱回收利用的熱能；η

he

為換熱裝置換熱效率。

[0193]

本實(shí)施例中的能源系統(tǒng)模型如下：

[0194]

1)配電網(wǎng)潮流模型

[0195]

lindistflow潮流模型廣泛應(yīng)用在輻射狀配網(wǎng)潮流計(jì)算建模中，具體如下：

[0196][0197][0198][0199][0200][0201]

式中，分別為節(jié)點(diǎn)i、j電壓的平方；p

ij

、q

ij

分別為支路ij的有功、無(wú)功功率；pi、qi分別為節(jié)點(diǎn)i、j的凈流入有功、無(wú)功功率；r

ij

、x

ij

分別為支路ij的電阻和電抗；分別為支路ij的電阻和電抗；分別為節(jié)點(diǎn)電壓最小值、最大值的平方，v0為平衡節(jié)點(diǎn)電壓的平方；s

ij,max

為支路ij的線路最大傳輸容量。

[0202]

2)配熱網(wǎng)潮流模型

[0203]

對(duì)于配熱網(wǎng)，各節(jié)點(diǎn)水流平衡可表示為：

[0204]adhnwij

＝w

node (25)

[0205]

式中，a

dhn

為熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)支路關(guān)聯(lián)矩陣，w

ij

為支路水流矩陣，w

node

為節(jié)點(diǎn)水流矩陣。節(jié)點(diǎn)水頭可表示為：

[0206][0207]

式中，p

w,i

為i節(jié)點(diǎn)的水頭；k為水管等效粗糙程度參數(shù)；l

ij

為節(jié)點(diǎn)i、j水管長(zhǎng)度；為水的密度，d為水管內(nèi)徑；w

ij

為節(jié)點(diǎn)ij水流速度。

[0208]

配熱網(wǎng)一般配熱距離較短，可以忽略熱網(wǎng)傳輸熱損，因此對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)供水和回水溫度可表示為：

[0209][0210]

式中，分別為節(jié)點(diǎn)i供水和回水溫度；分別為熱源、熱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)供水和回水溫度；分別為熱源、熱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)水流速度；e(i)為以i節(jié)點(diǎn)為末節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)集合，s(i)為以i節(jié)點(diǎn)為始節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)集合。

[0211]

對(duì)每個(gè)熱源和熱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，釋放和吸收的熱能可表示為：

[0212][0213]

式中，分別為熱源釋放的熱能和熱負(fù)荷吸收的熱能；cw為工質(zhì)的比熱容。

[0214]

3)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行模型

[0215]

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組通過(guò)燃燒天然氣產(chǎn)生電能和熱能，其數(shù)學(xué)模型可表示為：

[0216][0217]

式中，p

chp

、q

chp

分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組產(chǎn)電、產(chǎn)熱功率，a

chp

、b

chp

、c

chp

分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行的邊界向量。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組機(jī)組耗氣量可表示為：

[0218][0219]

式中，為t時(shí)刻熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耗氣量，η

chp

為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行效率，lhv

gas

為天然氣的低熱值。

[0220]

本實(shí)施例中建立的日前優(yōu)化運(yùn)行模型如下：

[0221]

(1)本實(shí)施例所提優(yōu)化模型的目標(biāo)是區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行成本c最小，運(yùn)行成本包括購(gòu)能成本、運(yùn)維成本、碳排放成本、棄負(fù)荷懲罰成本和售能收入，具體如下：

[0222][0223]

[0224][0225][0226][0227][0228]

式中，分別為t時(shí)刻系統(tǒng)購(gòu)能成本、運(yùn)維成本、碳排放成本、棄負(fù)荷懲罰成本、售能收入；為t時(shí)刻系統(tǒng)從上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電的單位價(jià)格，為t時(shí)刻系統(tǒng)與上級(jí)電網(wǎng)的交互功率，當(dāng)時(shí)，表示從上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電，反之則向電網(wǎng)倒送電能。針對(duì)式中的絕對(duì)值非線性項(xiàng)，引入輔助變量并增加約束將其線性化；c

gas,buy

為購(gòu)氣單位價(jià)格，為t時(shí)刻天然氣購(gòu)氣量；n為所有設(shè)備的集合，包括電解水、氫燃料電池、chp等，為第n個(gè)設(shè)備單位運(yùn)維成本，p

t,n

為t時(shí)刻第n個(gè)設(shè)備的功耗；c

em

為單位碳排放成本，λe、λ

gas

分別為用電、用氣的單位碳排放，λh為氫氣工業(yè)生產(chǎn)的單位碳排放，系統(tǒng)可以通過(guò)向氫能市場(chǎng)售氫從而減少工業(yè)制氫產(chǎn)生的碳排；c

e,p

、c

heat,p

、c

gas,p

、c

h,p

分別為棄電、棄熱、棄氣、棄氫單位懲罰價(jià)格，分別為t時(shí)刻系統(tǒng)棄電功率、棄熱功率、棄氣量和棄氫量；c

h,sell

為售氫單位價(jià)格，為t時(shí)刻系統(tǒng)售氫量。

[0229]

(2)約束條件

[0230]

熱網(wǎng)安全運(yùn)行約束

[0231]

為保障熱網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需滿(mǎn)足如下約束：

[0232]wij

≤w

ij,max

?????????????????????????????

(37)

[0233]

p

w,i,min

≤p

w,i

≤p

w,i,max

?????????????????????????

(38)

[0234][0235]

式中，w

ij,max

為節(jié)點(diǎn)ij最大水流速度；p

w,i,max

、p

w,i,min

分別為節(jié)點(diǎn)i的最大和最小水頭；頭；分別為節(jié)點(diǎn)i最大和最小供水水溫；分別為節(jié)點(diǎn)i最大和最小回水水溫。

[0236]

1)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組爬坡約束

[0237][0238]

式中，分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組最大爬坡功率。

[0239]

2)設(shè)備運(yùn)行功耗約束

[0240]

為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)行功耗需滿(mǎn)足：

[0241][0242]

式中，p

πt

為t時(shí)刻設(shè)備π的功耗，包括電解水、氫燃料電池、甲烷化裝置等；u

πt

為t時(shí)刻設(shè)備π的0-1狀態(tài)變量，為1則為設(shè)備工作；分別為設(shè)備π的最大、最小功耗。

[0243]

3)氣流量平衡約束

[0244]

式中，g

t

為t時(shí)刻氣網(wǎng)總氣負(fù)荷，為甲烷密度。

[0245]

4)氫能平衡約束

[0246]

電解水產(chǎn)生的氫氣用于氫負(fù)荷、售賣(mài)給氫能市場(chǎng)、甲烷化或者氫燃料電池反應(yīng)，具體如下：

[0247][0248]

式中，為t時(shí)刻系統(tǒng)氫負(fù)荷。

[0249]

本實(shí)施例還對(duì)本發(fā)明中的發(fā)放進(jìn)行了算例仿真，用于仿真的中的ieee33氫能系統(tǒng)仿真網(wǎng)絡(luò)如圖7所示。其中，氫能系統(tǒng)接入電網(wǎng)n10節(jié)點(diǎn)、熱網(wǎng)h3節(jié)點(diǎn)、氣網(wǎng)g1節(jié)點(diǎn)。光伏、風(fēng)電機(jī)組分別接入電網(wǎng)n22、n25、n33節(jié)點(diǎn)。chp機(jī)組接入電網(wǎng)n18、熱網(wǎng)h7和氣網(wǎng)g6節(jié)點(diǎn)。從上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電電價(jià)采用分時(shí)電價(jià)。系統(tǒng)、設(shè)備相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。低溫、高溫溫電解水相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表。

[0250]

圖8為用于仿真的地區(qū)日前源荷預(yù)測(cè)曲線，包括新能源出力、電負(fù)荷、氣負(fù)荷、熱負(fù)荷、氫負(fù)荷。

[0251]

仿真中，采用商業(yè)軟件求解優(yōu)化運(yùn)行模型，并得到電氫區(qū)域綜合能源系統(tǒng)日前運(yùn)行計(jì)劃。

[0252]

為研究氫能系統(tǒng)熱回收對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的影響，本實(shí)施例設(shè)置如下場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析。

[0253]

場(chǎng)景1：電解水裝置采用低溫電解水，不考慮氫能系統(tǒng)熱回收；

[0254]

場(chǎng)景2：電解水裝置采用低溫電解水，同時(shí)考慮氫能系統(tǒng)熱回收用；

[0255]

場(chǎng)景3：電解水裝置采用高溫電解水，不考慮氫能系統(tǒng)熱回收；

[0256]

場(chǎng)景4：電解水裝置采用高溫電解水，同時(shí)考慮氫能系統(tǒng)熱回收利用。

[0257]

圖9為場(chǎng)景2、4中低溫和高溫電解水電解槽溫度和熱回收運(yùn)行結(jié)果。由圖可知，考慮熱回收后，低溫電解水和高溫電解水運(yùn)行結(jié)果有顯著差異，主要體現(xiàn)在熱回收能力qed和運(yùn)行溫度ted。在熱回收qed方面，低溫電解水最大熱回收功耗約為700kw，高溫電解水最大熱回收功耗為500kw，相同容量的低溫電解水熱回收能力高于高溫電解水，主要原因在于高溫電解水產(chǎn)生的熱量一部分用于內(nèi)部熱循環(huán)，輸出熱能較少。

[0258]

在運(yùn)行溫度ted方面，低溫電解水約在0:00～6:00點(diǎn)、11:00～16:00升溫，7:00～11:00、16:00～23:00降溫，高溫電解水僅在11:00～15:00升溫，19:00～24:00降溫。由此可知，低溫電解水和高溫電解水均在19:00～23:00時(shí)間段降溫，主要原因在于此時(shí)段氫能需求較低，且熱能需求較高，為滿(mǎn)足晚間熱需求，電解水將降低電解槽反應(yīng)溫度，提高產(chǎn)熱效率的同時(shí)，釋放電解水存儲(chǔ)的熱能。然而，低溫電解水和高溫電解水的運(yùn)行溫度在0:00～8:00點(diǎn)差別較大，主要原因在于該時(shí)段熱負(fù)荷較大，高溫電解槽運(yùn)行在低溫可以獲得較大的熱能輸出，而低溫電解水為滿(mǎn)足8:00～9:00的氫負(fù)荷早高峰需求，需要提高反應(yīng)溫度從而獲得較大的氫能輸出。由此可知，電解水系統(tǒng)具備一定的電熱靈活調(diào)節(jié)和儲(chǔ)熱能力，可以根據(jù)外界能量需求控制熱回收和運(yùn)行溫度，實(shí)現(xiàn)電、熱、氫多能協(xié)調(diào)運(yùn)行。

[0259]

為說(shuō)明氫能系統(tǒng)熱回收對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行的影響，以場(chǎng)景3、4運(yùn)行結(jié)果為例進(jìn)行對(duì)比分析。圖10為場(chǎng)景3、4中電解水用電、chp發(fā)電和棄風(fēng)光結(jié)果。由圖可知，場(chǎng)景3棄風(fēng)光主要發(fā)生在夜間3:00～5:00點(diǎn)，原因在于chp以“以熱定電”模式運(yùn)行，為滿(mǎn)足該時(shí)段高熱負(fù)荷需求，其電能功率調(diào)節(jié)范圍受到限制，而此時(shí)段風(fēng)電出力較大，大量風(fēng)電難以消納，因此產(chǎn)生了棄風(fēng)。在場(chǎng)景4中，系統(tǒng)夜間棄風(fēng)量為0，主要原因在于氫能系統(tǒng)熱能回收利用降低了chp機(jī)組的熱能輸出壓力，增大了其電能功率的調(diào)節(jié)范圍，進(jìn)一步減少了棄風(fēng)。由此可知，氫能

系統(tǒng)熱回收可以有效促進(jìn)系統(tǒng)電、熱協(xié)同運(yùn)行，緩解chp機(jī)組電、熱耦合運(yùn)行特征，促進(jìn)風(fēng)電消納。

[0260]

表1不同場(chǎng)景系統(tǒng)運(yùn)行成本和棄風(fēng)光率結(jié)果

[0261][0262]

*單位：萬(wàn)元

[0263]

表1為4個(gè)場(chǎng)景下系統(tǒng)運(yùn)行成本和棄風(fēng)光率結(jié)果。場(chǎng)景1、2運(yùn)行總成本分別為9.36萬(wàn)元、7.03萬(wàn)元，場(chǎng)景3、4運(yùn)行總成本分別為8.53萬(wàn)元、6.95萬(wàn)元，考慮氫能系統(tǒng)熱回收后，總成本分別降低24.9％、18.6％。在棄風(fēng)光率上，各個(gè)場(chǎng)景分別為10.25％、0.22％、8.8％、0.09％。由此可知，氫能系統(tǒng)熱回收對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行效益有顯著提升作用，主要原因在于氫能系統(tǒng)熱回收降低了chp機(jī)組的供熱需求和棄風(fēng)量，從而減少了購(gòu)氣成本和購(gòu)電成本。由此可知，氫能系統(tǒng)熱回收可有效降低系統(tǒng)運(yùn)行成本和棄風(fēng)光，進(jìn)一步體現(xiàn)氫能系統(tǒng)熱回收的優(yōu)越性。

[0264]

表2熱回收對(duì)氫能設(shè)備能效的影響

[0265][0266]

表2為熱回收對(duì)氫能設(shè)備能效的影響結(jié)果。由表可知，熱回收可以顯著提升氫能設(shè)備能效，低溫電解水、高溫電解水、氫燃料電池和甲烷化能效絕對(duì)增量分別為23.8％、14.1％、33.3％、12.6％。技術(shù)特征：

1.考慮氫能系統(tǒng)熱回收的電氫能源系統(tǒng)日前優(yōu)化運(yùn)行方法，其特征在于，電氫能源系統(tǒng)中的設(shè)備包括電解水裝置、氫燃料電池、甲烷化裝置和電熱聯(lián)產(chǎn)裝置；包括以下步驟：s1獲取能源系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)并得到典型日源荷曲線；s2根據(jù)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)建立考慮氫能系統(tǒng)熱回收的設(shè)備運(yùn)行模型；s3根據(jù)能源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立能源系統(tǒng)模型；s4以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，建立考慮氫能系統(tǒng)熱回收的電氫能源系統(tǒng)日前優(yōu)化運(yùn)行模型；s6求解所述的優(yōu)化運(yùn)行模型，以得到電氫區(qū)域綜合能源系統(tǒng)日前運(yùn)行計(jì)劃。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，能源系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)包括新能源出力數(shù)據(jù)、電負(fù)荷數(shù)據(jù)、氣負(fù)荷、熱負(fù)荷、和氫負(fù)荷數(shù)據(jù)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述考慮氫能系統(tǒng)熱回收的設(shè)備運(yùn)行模型，包括：1)低溫和高溫電解水熱回收運(yùn)行模型，包括對(duì)于單個(gè)電解池，電解所需電壓可表示為：u

cell

(t

ed

,i

cell

)＝u

rev

+u

ohm

+u

act

+u

con

式中，u

cell

為電解電壓，與t

ed

和電解電流密度i

cell

相關(guān)，可分為可逆電壓u

rev

、歐姆極化電壓u

ohm

、活化極化電壓u

act

和濃差極化電壓u

con

；u

th

為電解理論所需最小電壓，與溫度相關(guān)，在800℃為1.29v，而在25℃時(shí)為1.48v；n

e

為氫的摩爾電子數(shù)，f為法拉第常數(shù)；電解水電解能量流模型可表示為：式中，p

ed,el

為高溫電解水電解能耗；p

ed,h

為高溫電解水用于產(chǎn)氫的能耗；n

cell

為電解池?cái)?shù)目；s

cell

為電解池的有效面積；采用集總方程表征低溫電解水在運(yùn)行的熱力學(xué)過(guò)程，具體如下：式中，led代表低溫電解水；c

led

為低溫電解槽的等效熱容；為t時(shí)刻低溫電解槽的熱損；為t時(shí)刻低溫電解槽可回收的熱能；高溫電解水系統(tǒng)熱力學(xué)過(guò)程具體如下：式中，hed代表高溫電解水；c

hed

為高溫溫電解槽的等效熱容；為t時(shí)刻出料氣體的熱能；k

rec

為出料氣體與進(jìn)料氣體熱交換系數(shù)；為t時(shí)刻高溫電解槽的熱損；為t時(shí)刻高溫電解水預(yù)熱裝置能耗，為t時(shí)刻高溫電解槽加熱能耗，假設(shè)加熱均采用電加熱，即：p

thed,heat

+p

thed,fur

＝η

eb

p

teb

式中，為t時(shí)刻電解水電加熱功耗，η

eb

為電加熱工作效率；建立熱穩(wěn)態(tài)模型如下：建立熱穩(wěn)態(tài)模型如下：將電解水熱損功耗表示為：式中，r

ed

為電解槽的等效熱阻，t

a

為環(huán)境溫度；保持在一定溫度范圍內(nèi)，即：低溫和高溫電解水系統(tǒng)最終回收熱能分別表示為：式中，分別為t時(shí)刻低溫電解水和高溫電解水回收的熱能，η

ed,he

為換熱裝置的換熱效率；2)甲烷化熱回收運(yùn)行模型，包括，反應(yīng)原料和產(chǎn)物需滿(mǎn)足物質(zhì)的量平衡關(guān)系，有：式中，分別為t時(shí)刻反應(yīng)器消耗二氧化碳和氫氣的速率；分別為t時(shí)刻反應(yīng)器產(chǎn)生甲烷的速率和摩爾速率；為反應(yīng)產(chǎn)生甲烷和氫氣的物質(zhì)的量比例；為反應(yīng)產(chǎn)生甲烷和氫氣的物質(zhì)的量比例；分別為二氧化碳、氫氣和甲烷的相對(duì)分子質(zhì)量；甲烷化過(guò)程產(chǎn)熱表示如下：式中，為t時(shí)刻甲烷化產(chǎn)熱功耗；η

mr

為甲烷化反應(yīng)的效率；

△

h為甲烷化產(chǎn)生單位摩爾甲烷而釋放的熱量，為165kj/mol；甲烷化裝置最終回收的熱能表達(dá)如下：q

tmr

＝η

mr,he

p

tmr,heat

式中，為t時(shí)刻甲烷化裝置回收的熱能；η

mr,heat

為甲烷化裝置換熱器效率；3)氫燃料電池?zé)峄厥漳Ｐ?，包括，氫燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)物理模型，表征為：其中：

式中，為t時(shí)刻氫燃料電池耗氫量，分別為t時(shí)刻氫燃料電池發(fā)電功率、產(chǎn)熱功率，η

fc,e

、η

fc,h

為氫燃料電池發(fā)電效率和產(chǎn)熱效率；4)氫能系統(tǒng)熱回收模型，包括，氫能系統(tǒng)熱回收利用模型，表達(dá)如下：式中，為t時(shí)刻氫能系統(tǒng)熱回收利用的熱能；η

he

為換熱裝置換熱效率。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述能源系統(tǒng)模型包括：1)配電網(wǎng)潮流模型，具體如下：1)配電網(wǎng)潮流模型，具體如下：1)配電網(wǎng)潮流模型，具體如下：1)配電網(wǎng)潮流模型，具體如下：1)配電網(wǎng)潮流模型，具體如下：式中，分別為節(jié)點(diǎn)i、j電壓的平方；p

ij

、q

ij

分別為支路ij的有功、無(wú)功功率；p

i

、q

i

分別為節(jié)點(diǎn)i、j的凈流入有功、無(wú)功功率；r

ij

、x

ij

分別為支路ij的電阻和電抗；分別為支路ij的電阻和電抗；分別為節(jié)點(diǎn)電壓最小值、最大值的平方，v0為平衡節(jié)點(diǎn)電壓的平方；s

ij,max

為支路ij的線路最大傳輸容量；2)配熱網(wǎng)潮流模型，包括，各節(jié)點(diǎn)水流平衡表示為：a

dhn

w

ij

＝w

node

式中，a

dhn

為熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)支路關(guān)聯(lián)矩陣，w

ij

為支路水流矩陣，w

node

為節(jié)點(diǎn)水流矩陣；節(jié)點(diǎn)水頭表示為：式中，p

w,i

為i節(jié)點(diǎn)的水頭；k為水管等效粗糙程度參數(shù)；l

ij

為節(jié)點(diǎn)i、j水管長(zhǎng)度；為水的密度，d為水管內(nèi)徑；w

ij

為節(jié)點(diǎn)ij水流速度；節(jié)點(diǎn)供水和回水溫度表示為：式中，分別為節(jié)點(diǎn)i供水和回水溫度；分別為熱源、熱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)供水和

回水溫度；分別為熱源、熱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)水流速度；e(i)為以i節(jié)點(diǎn)為末節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)集合，s(i)為以i節(jié)點(diǎn)為始節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)集合；熱源和熱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的釋放和吸收的熱能表示為：式中，分別為熱源釋放的熱能和熱負(fù)荷吸收的熱能；c

w

為工質(zhì)的比熱容；3)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行模型，包括，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組模型表示為：式中，p

chp

、q

chp

分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組產(chǎn)電、產(chǎn)熱功率，a

chp

、b

chp

、c

chp

分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行的邊界向量；熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組機(jī)組耗氣量表示為：式中，為t時(shí)刻熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耗氣量，η

chp

為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行效率，lhv

gas

為天然氣的低熱值。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述日前優(yōu)化運(yùn)行模型如下：5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述日前優(yōu)化運(yùn)行模型如下：5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述日前優(yōu)化運(yùn)行模型如下：5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述日前優(yōu)化運(yùn)行模型如下：5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述日前優(yōu)化運(yùn)行模型如下：5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述日前優(yōu)化運(yùn)行模型如下：式中，分別為t時(shí)刻系統(tǒng)購(gòu)能成本、運(yùn)維成本、碳排放成本、棄負(fù)荷懲罰成本、售能收入；為t時(shí)刻系統(tǒng)從上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電的單位價(jià)格，為t時(shí)刻系統(tǒng)與上級(jí)電網(wǎng)的交互功率，當(dāng)時(shí)，表示從上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電，反之則向電網(wǎng)倒送電能。針對(duì)式中的絕對(duì)值非線性項(xiàng)，引入輔助變量并增加約束將其線性化；c

gas,buy

為購(gòu)氣單位價(jià)格，為t時(shí)刻天然氣購(gòu)氣量；n為所有設(shè)備的集合，包括電解水、氫燃料電池、chp等，為第n個(gè)設(shè)備單位運(yùn)維成本，p

t,n

為t時(shí)刻第n個(gè)設(shè)備的功耗；c

em

為單位碳排放成本，λ

e

、λ

gas

分別為用電、用氣的單位碳排放，λ

h

為氫氣工業(yè)生產(chǎn)的單位碳排放，系統(tǒng)可以通過(guò)向氫能市場(chǎng)售氫從而減少工業(yè)制氫產(chǎn)生的碳排；c

e,p

、c

heat,p

、c

gas,p

、c

h,p

分別為棄電、棄熱、棄氣、棄氫單位懲罰價(jià)格，分別為t時(shí)刻系統(tǒng)棄電功率、棄熱功率、棄氣量和棄氫量；c

h,sell

為售氫單位價(jià)格，為t時(shí)刻系統(tǒng)售氫量；

該模型的約束條件包括：熱網(wǎng)安全運(yùn)行約束w

ij

≤w

ij,max

p

w,i,min

≤p

w,i

≤p

w,i,max

式中，w

ij,max

為節(jié)點(diǎn)ij最大水流速度；p

w,i,max

、p

w,i,min

分別為節(jié)點(diǎn)i的最大和最小水頭；分別為節(jié)點(diǎn)i的最大和最小水頭；分別為節(jié)點(diǎn)i最大和最小供水水溫；分別為節(jié)點(diǎn)i最大和最小回水水溫；熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組爬坡約束：式中，分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組最大爬坡功率；設(shè)備運(yùn)行功耗約束：式中，p

πt

為t時(shí)刻設(shè)備π的功耗；u

πt

為t時(shí)刻設(shè)備π的0-1狀態(tài)變量，為1則為設(shè)備工作；分別為設(shè)備π的最大、最小功耗；氣流量平衡約束：式中，g

t

為t時(shí)刻氣網(wǎng)總氣負(fù)荷，為甲烷密度；氫能平衡約束式中，為t時(shí)刻系統(tǒng)氫負(fù)荷；6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述氫燃料電池?zé)峄厥漳Ｐ椭?，氫燃料電池的氫熱電關(guān)系以如下近似表達(dá)式表達(dá)：式中，p1、p2、q1、q2分別為氫燃料電池電功率和熱功率的線性擬合系數(shù)。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及電氫區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行方法，具體是一種考慮氫能系統(tǒng)熱回收的電氫能源系統(tǒng)日前優(yōu)化運(yùn)行方法，包括獲取能源系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)并得到典型日源荷曲線；根據(jù)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)建立考慮氫能系統(tǒng)熱回收的設(shè)備運(yùn)行模型；根據(jù)能源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立能源系統(tǒng)模型；以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，建立考慮氫能系統(tǒng)熱回收的電氫能源系統(tǒng)日前優(yōu)化運(yùn)行模型；求解所述的優(yōu)化運(yùn)行模型以得到電氫區(qū)域綜合能源系統(tǒng)日前運(yùn)行計(jì)劃。解決了現(xiàn)有技術(shù)中的模型僅針對(duì)單一設(shè)備，同時(shí)對(duì)氫能設(shè)備變效率、多工況等運(yùn)行特性也表達(dá)不足，進(jìn)而無(wú)法最大化的優(yōu)化考慮氫能系統(tǒng)熱回收的電氫能源系統(tǒng)的運(yùn)行的技術(shù)問(wèn)題。問(wèn)題。問(wèn)題。

技術(shù)研發(fā)人員：任洲洋 羅瀟

受保護(hù)的技術(shù)使用者：重慶大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2023.01.17

技術(shù)公布日：2023/5/16