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)在我國國民經(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^催化劑作用直接合成氨[3-4]。該過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，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題凸顯，氨作為儲能介質(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)高能耗高排放的問題，而且也為可再生能源的存儲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，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]，對于高效節(jié)能的氨合成工藝開發(fā)具有很大的發(fā)展?jié)摿?。PSA-PEMHB 耦合的合成氨工藝將成為未來極具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉春铣砂惫に??；诖斯に嚕詢H設(shè)置儲氫罐的孤島操作場景為例，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對于可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模和經(jīng)濟(jì)性的影響。研究表明：可再生能源電價、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]指出原料價格、電價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)計經(jīng)濟(jì)性的主要因素。Sánchez 等[19]通過對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和市場電價波動對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等因素對可再生能源合成氨系統(tǒng)單元設(shè)計和操作及系統(tǒng)成本的影響，鮮有研究人員從氨的需求側(cè)出發(fā)，考慮氨的需求波動對可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計和操作的影響。需要特別指出的是，與將氨作為儲能介質(zhì)時的合成氨系統(tǒng)設(shè)計方案不同，本文是從氨的需求側(cè)特性出發(fā)的系統(tǒng)設(shè)計，將主要研究氨的需求波動對系統(tǒng)設(shè)計和操作的影響。此時，系統(tǒng)設(shè)計不僅需要考慮可再生能源模塊的合理設(shè)計，還需要考慮在系統(tǒng)中增設(shè)電池儲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]。

針對上述問題，本文在考慮可再生能源系統(tǒng)設(shè)計和電池儲能系統(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)計模型，并通過案例研究了氨的季節(jié)性需求對可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計和運(yùn)行的影響特性。

1 問題描述

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、儲能單元和氨需求單元四個部分組成。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；儲能單元包含儲能電池儲能和儲罐儲能兩種方式，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)電量可以直接儲存在儲能電池(BESS)中，也可以化學(xué)能形式儲存在儲罐中。而當(dāng)系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電單元輸出不足時，可通過儲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)的氨既可以作為儲能介質(zhì)，與儲能電池優(yōu)勢互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)能量的長期和高效存儲，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。

本文針對可再生能源合成氨系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計問題可以描述為：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)性波動條件下，通過建立以系統(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)波動性對于系統(tǒng)設(shè)計和運(yùn)行特性的影響。

為了簡化計算，本文假設(shè)：（1）系統(tǒng)中所涉及的化工生產(chǎn)過程均在穩(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)用以及儲能單元(儲罐和電池)費(fèi)用三部分的加和，即

本文假設(shè)化學(xué)儲罐安裝完成后，運(yùn)行過程中不會產(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)單元和儲能電池的運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用因子；Pch(t)和Pdis(t)表示儲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存在儲能電池中，也可以化學(xué)能的形式儲存在儲罐中。在任意時刻t，可再生能源發(fā)電單元輸出功率和儲能電池放電功率之和等于化工生產(chǎn)單元消耗的功率、儲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時刻的棄電功率。

為了便于分析儲能電池在系統(tǒng)中的作用，可將式(5)改寫為：

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能電池的功率；(t)、(t)和(t)分別表示儲能電池給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 單元在單位時間內(nèi)的負(fù)荷變化都不能超過額定負(fù)荷的10%[11]，即

2.2.3 儲能單元的約束 在可再生能源合成氨系統(tǒng)中，儲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。儲能電池在任意時刻的電量平衡可以表示為：

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

在任意時刻，儲能電池的電量需滿足：

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

儲能電池的充放電功率需保留一定的裕度[31]，即

式中，a表示儲能電池充放電裕度因子。

儲能電池不能同時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表示儲能電池的最大充/放電功率。

氮?dú)狻錃夂桶眱薜馁|(zhì)量平衡約束如下：

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

儲罐的儲量需滿足：

式中，QN2、QH2和QNH3分別表示氮?dú)?、氫氣和氨儲罐的容量；γN2、γH2和γNH3分別表示氮?dú)?、氫氣和氨儲罐儲量的下限因子?/p>

2.2.4 氨需求約束 氨的需求量是隨時間變化的，但在任意時刻，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)計方法和系統(tǒng)運(yùn)行特性的差異，本節(jié)將針對以下兩個典型場景進(jìn)行分析和討論。

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

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

圖2給出了以上兩種場景下氨的需求曲線。由圖可知，與場景1下氨需求固定的情況不同，在場景2 中，當(dāng)氨作為合成氮肥原料時，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)用的計算公式。本文假設(shè)可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計壽命為20 年，年利率為7%。系統(tǒng)年運(yùn)行時間為8760 h，每間隔4 h 取一個計算點(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]。

本文在計算區(qū)間內(nèi)采用線性方程來近似計算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)計模型。該模型是一個混合整數(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，求解過程的相對誤差設(shè)為0.1%。

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

表2給出兩種場景下可再生能源合成氨系統(tǒng)最優(yōu)容量配置的設(shè)計方案。由表2 可知，在兩種場景下，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匏璧娜萘枯^小，而氫氣儲罐和氨儲罐所需的容量居中，而且在兩種場景下所對應(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)計量關(guān)系計算得到的容量。這意味著在風(fēng)能資源比較豐富時，部分盈余的可再生能源以氮?dú)夂蜌錃獾男问絻Υ嬖趦拗衼硌a(bǔ)充風(fēng)能匱乏時HB 單元對原料的需求。除氫氣儲罐外，場景2 下各單元所需的容量相較場景1 下各單元的容量均顯著增大。這表明，與將氨作為儲能介質(zhì)的場景相比，在考慮氨的季節(jié)性需求時，所需的可再生能源合成氨系統(tǒng)規(guī)模更大。其中，氨儲罐的容量增長幅度最大，約是場景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，場景2 下所需的氮?dú)鈨奕萘吭鲩L為場景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，兩種場景下設(shè)計方案的系統(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，在考慮氨的季節(jié)性需求時，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，由于場景1 下對應(yīng)氨的需求是固定不變的，因而其下游HB 單元的操作相對穩(wěn)定，而上游的PSA 單元負(fù)荷處于不斷波動的狀態(tài)。這說明在場景1下PSA 單元的負(fù)荷變化主要是由可再生能源發(fā)電單元的波動引起的。而在場景2 下，PSA 單元的負(fù)荷不僅處于不斷波動的狀態(tài)，而且呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性趨勢，這說明在考慮氨的需求變化的場景下，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，PEM 單元以較高負(fù)荷運(yùn)行，系統(tǒng)盡可能多地生產(chǎn)氫氣并儲存在儲罐中；反之，在風(fēng)力資源匱乏時，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)計量系數(shù)決定的，這同時也使得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)荷在場景1 和場景2 下都處于不斷的波動中，且場景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，而場景1下HB單元的負(fù)荷沒有出現(xiàn)這種趨勢。這主要是因?yàn)閳鼍? 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)能資源較為豐富時以較高的負(fù)荷運(yùn)行，在風(fēng)能資源不足時以較低的負(fù)荷運(yùn)行。而在考慮氨的季節(jié)性需求時，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，在場景2中，HB 單元負(fù)荷在[2000 h, 4344 h]時間區(qū)間內(nèi)是保持不變的，這主要是因?yàn)樵摃r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，相比于將氨作為儲能介質(zhì)時的系統(tǒng)設(shè)計方案(Case 1)，將氨作為氮肥原料并考慮其季節(jié)性需求時(Case 2)，PSA 單元和HB 單元的負(fù)荷變化都會呈現(xiàn)出明顯的淡季和旺季。這是因?yàn)閳鼍?下這兩個單元的操作僅受其上游可再生能源波動的影響，而在場景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 儲能單元運(yùn)行特性 圖4給出兩種場景下可再生能源合成氨系統(tǒng)中氮?dú)?、氫氣和氨儲罐以及儲能電池的運(yùn)行特性。

圖3 兩種場景下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，系統(tǒng)中氮?dú)鈨薜膬α孔兓容^大，頻率較低。這是因?yàn)?，氮?dú)鈨薜闹饕饔檬谴鎯ι嫌蜳SA 單元產(chǎn)生的氮?dú)獠⒈ＷC下游HB 單元穩(wěn)定的原料供應(yīng)，其儲量受PSA 單元和HB 單元共同影響。對比圖3(a)、(b)和圖3(e)、(f)也可看出，相較于場景1，場景2 中PSA 單元和HB 單元的負(fù)荷波動幅度更大，頻率更低。

由圖4(c)、(d)可知，不同于氮?dú)鈨?，無論是否考慮氨的季節(jié)性需求，氫氣儲罐的儲量均呈現(xiàn)無規(guī)律波動。這是因?yàn)?，盡管上游的PEM 單元和下游的HB 單元都會對氫氣儲罐的儲量產(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)荷在這兩種場景下也呈現(xiàn)無規(guī)律的波動。

圖4 氮?dú)?、氫氣和氨儲罐以及儲能電池的運(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，場景1 下氨儲罐的儲量低，負(fù)荷變化平穩(wěn)，而場景2下氨儲罐的儲量變化幅度大，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]時間區(qū)間為氨的需求淡季，氨儲罐的儲量持續(xù)增長，在4344 h 時達(dá)到儲量峰值，隨后在[4344 h, 6000 h]時間區(qū)間為氨的需求旺季，氨儲罐的儲量不斷下降。這是因?yàn)?，氨儲罐的儲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，使得氨儲罐的儲量呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢。而相反地，在氨的需求旺季，氨的需求量遠(yuǎn)超過HB 單元的額定負(fù)荷，HB 單元生產(chǎn)的氨無法完全滿足需求而需要由儲罐中的氨進(jìn)行補(bǔ)充，致使氨儲罐的儲量持續(xù)下降。此外，從圖中也可以看出，場景1下氨儲罐的儲量在多個時刻均達(dá)到了儲罐的額定容量，整體利用率較高，而場景2 下氨儲罐的儲量在大部分時間都低于其額定容量的50%，氨儲罐的利用率較低。

由圖4(g)、(h)可知，與場景1 下電池相對平穩(wěn)充放電情況相比，在場景2 下儲能電池的充放電時刻也呈現(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δ茈姵貑卧牟僮髦饕芑どa(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，在兩種場景下，儲能電池都主要為HB單元供電，只有在氨的需求旺季時才會向PSA單元和PEM 單元放電。這是因?yàn)镠B 單元在運(yùn)行的過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，儲能電池均是在可再生能源發(fā)電輸出不足時對外放電，這說明儲能電池主要用于平抑可再生發(fā)電單元輸出的波動，從而彌補(bǔ)HB 單元和PSA 單元在可再生能源不足時的能量需求，以保證其持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。除此之外，通過分析儲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，儲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)行時所需的電量。因此，儲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，在氨需求固定的場景下，氮?dú)鈨藓桶眱薜牟僮髦饕怯善渖嫌螁卧獩Q定的，儲罐的儲量低，負(fù)荷變化平穩(wěn)；而在考慮氨的季節(jié)性需求變化時，氮?dú)鈨藓桶眱薜牟僮鲗⒂善渖嫌螁卧拖掠螁卧餐瑳Q定，儲罐的儲量在波動的同時會呈現(xiàn)出明顯的淡季和旺季。而無論是否考慮氨的需求變化，氫氣儲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，且儲能電池單元的主要作用在于平抑可再生能源波動以保證化工生產(chǎn)單元在可再生能源不足時的持續(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)高能耗高排放的問題，而且也為可再生能源的存儲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)計的數(shù)學(xué)模型，在氨作為儲能介質(zhì)和作為氮肥原料兩種典型應(yīng)用場景下，分析了氨的季節(jié)性需求對于可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計和運(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）與將氨作為儲能介質(zhì)的場景相比，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)，氨儲罐和氮?dú)鈨薜娜萘啃柙龃?0倍以上。

（2）在氨作為儲能介質(zhì)的場景下，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)且無明顯規(guī)律；而在氨作為合成氮肥的原料時，PEM 單元保持類似的無規(guī)律波動，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）在氨作為儲能介質(zhì)的場景下，系統(tǒng)中氮?dú)狻錃夂桶眱薜膬α績H受其上游生產(chǎn)單元的影響，其儲量低，變化平穩(wěn)。而在氨作為合成氮肥的原料時，由于氫氣儲罐的儲量主要由PEM 單元決定，因而保持了類似的無規(guī)律波動，而氮?dú)鈨藓桶眱薜膬α繉㈦S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)用場景下，系統(tǒng)中電池儲能單元的操作主要受下游的化工生產(chǎn)單元影響，且儲能電池單元的主要作用在于平抑可再生能源波動以保證化工生產(chǎn)單元在可再生能源不足時的持續(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 說 明

a——儲能電池的裕度因子

CRF——年度化因子

c——成本，USD

E——儲能電池電量，kW·h

e——單位電耗，kW·h·kmol-1

f——年運(yùn)行維護(hù)因子

M——儲罐的儲量，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