吉 旭，周步祥，賀 革,3，邱一葦，畢可鑫，周 利，戴一陽

(1.四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065；3.四川大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065)

構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系是推動中國能源革命的本質(zhì)要求和經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型發(fā)展的迫切需要。氫能作為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗蔀橹攸c開發(fā)對象。同時，氫氣作為原料，在包括合成氨、甲醇及石油煉化等化工行業(yè)有大量應(yīng)用。截至2020年，全國氫氣消費需求為3 342×104t，其中，66%作為原料用于化工合成，包括氨（37%）、甲醇（19%）等[1]，如圖1所示。但是，大規(guī)模儲氫經(jīng)濟性差，滿足用氫需求仍有較大瓶頸。而傳統(tǒng)制氫主要依靠煤和天然氣等碳基化石能源，產(chǎn)生大量碳排放[2]。因此，受“雙碳目標(biāo)”下化工行業(yè)碳減排需求驅(qū)動，可再生能源電解水制取綠氫作為原料合成氨不僅可實現(xiàn)新能源本地化有效消納，也是化工綠色轉(zhuǎn)型的重要途徑，可顯著降低化工行業(yè)碳排放，規(guī)模化潛力巨大。

圖1 2020年中國氫氣來源與消費結(jié)構(gòu)示意圖[2]Fig. 1 Schematic diagram of domestic hydrogen source and consumption structure in 2020[2]

基于此背景，世界各國將氫能產(chǎn)業(yè)提升至國家能源戰(zhàn)略高度，綠氫布局空前加快，全球即將建設(shè)的綠氫項目總計達數(shù)百吉瓦（GW）。例如：沙特阿拉伯規(guī)劃了“太陽神綠色燃料項目（Helios Green Fuels Project）”，利用陸上風(fēng)能和太陽能制綠氫綠氨，規(guī)劃規(guī)模為120×104t綠氨；澳大利亞規(guī)劃了“太平洋太陽能氫（Pacific Solar Hydrogen）”3.6 GW的太陽能制氫設(shè)施，制氫規(guī)模20×104t/a。國內(nèi)，蘭州新區(qū)“千噸級液態(tài)太陽燃料合成示范項目”研究了綠氫儲運技術(shù)方案；北京京能公司計劃在內(nèi)蒙開發(fā)5 GW的風(fēng)光發(fā)電解水制氫，其生產(chǎn)規(guī)?？蛇_到40×104～50×104t/a。但目前各國利用可再生能源制氫用于制氨/醇的項目均為中小項目或者仍處于啟動階段[3-6]，尚無生產(chǎn)規(guī)模在105t/a以上的大規(guī)模綠氫制氨（綠氨）運營案例。

大規(guī)?？稍偕茉措娊馑茪浜铣砂钡脑O(shè)計與運行依然存在諸多挑戰(zhàn)，需要在合成氨工藝多穩(wěn)態(tài)優(yōu)化與柔性調(diào)控、大規(guī)模電解水制氫平穩(wěn)運行、制氫負荷參與電網(wǎng)調(diào)控和全系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性等方面展開研究。研究綠氫耦合靈活化工技術(shù)，提升水光互補、制氫儲氫和合成氨全流程的柔性調(diào)節(jié)能力，實現(xiàn)季節(jié)性水電、波動性光伏發(fā)電與合成氨生產(chǎn)柔性協(xié)同，具有重要意義：1）將新能源消納方式從電力消納單一途徑，拓展到電、氫、氨多種方式共同消納，實現(xiàn)新能源本地規(guī)模化應(yīng)用和化工零碳發(fā)展；2）化工大范圍多穩(wěn)態(tài)柔性調(diào)節(jié)負荷，實現(xiàn)荷隨源動，使其具有深調(diào)峰能力，有望解決新能源資源富集區(qū)域電力調(diào)頻、電力調(diào)峰資源不足的問題。

1 電解水制氫合成氨系統(tǒng)及其技術(shù)挑戰(zhàn)

1.1 電解水制氫合成氨系統(tǒng)工藝

電解水制氫合成氨系統(tǒng)技術(shù)途徑包括間接合成路線和直接合成路線兩大類。直接合成路線受限于反應(yīng)速率低、器件不成熟等技術(shù)障礙，難以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[7]。目前，被普遍認可的間接合成路線的工業(yè)級電解水制氫合成氨系統(tǒng)工藝由電解水制氫工段、壓縮緩沖工段、化工合成氨工段串聯(lián)構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 工業(yè)規(guī)模的電解水制氫合成氨系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig. 2 Industrial scale hydrogen production by water electrolysis-ammonia synthesis process system composition diagram

1）電解水制氫工段

電解水制氫工段是化工與電力系統(tǒng)直接耦合的環(huán)節(jié)。電解水制氫工藝主要有堿性電解（AEL）、質(zhì)子交換膜（PEM）和固體氧化物電解（SOEC）工藝，產(chǎn)氫純度均在99.8%以上，經(jīng)純化處理后完全滿足合成氨原料氫的質(zhì)量要求。其中，堿性電解水制氫是傳統(tǒng)工藝，技術(shù)成熟度高，成本低，使用壽命長，國內(nèi)技術(shù)掌握程度高，已應(yīng)用的單機功率約為5～7 MW（制氫量1 000～1 300 m3/h（標(biāo)準狀況下）），在研單機功率為15 MW（制氫量3 000 m3/h（標(biāo)準狀況下）），已達到工業(yè)化運行要求[8]。PEM電解池已于2015年由英國Proton Onsite公司發(fā)展到兆瓦（MW）級，但PEM成本明顯高于堿性電解技術(shù)，壽命較短，技術(shù)成熟度尚難以滿足規(guī)?；瘧?yīng)用需求[9]。SOEC需在600～800 ℃以上的高溫條件下運行，溫控系統(tǒng)復(fù)雜，陶瓷材料與電極、密封結(jié)構(gòu)等存在熱退化問題，目前仍處于實驗室研究階段，尚無大規(guī)模應(yīng)用[10]。面向工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟要求，堿性電解技術(shù)在中國大規(guī)模可再生能源制氫領(lǐng)域最具優(yōu)勢。

堿性電解水制氫以KOH或NaOH水溶液為電解質(zhì)，電解反應(yīng)在堿性環(huán)境下進行：

借助堿液循環(huán)泵和氣體壓力，電解槽陰、陽極側(cè)的氣液混合物分別被送入分離器內(nèi)，并利用重力作用實現(xiàn)氫氣、氧氣與堿液的分離。將分離的氣體通入洗滌器與冷卻器，純化后供后續(xù)環(huán)節(jié)使用，堿液則循環(huán)至電解槽中。控制器通過調(diào)節(jié)不同閥門的開度，維持溫度、壓力、液位均處于正常范圍。

在消納風(fēng)、光等可再生資源或參與電網(wǎng)平衡調(diào)控時，電解水制氫工段的變負載運行需滿足自身的工藝流程約束，存在調(diào)節(jié)范圍較窄、低負載區(qū)域氫氧雜質(zhì)混合風(fēng)險等技術(shù)挑戰(zhàn)[6]。此外，受單機容量限制，電解水制氫工段需要由多臺制氫機構(gòu)成集群以滿足化工合成的供氫流量需求[11]，負載調(diào)控亦受到后端化工合成環(huán)節(jié)供氫平穩(wěn)性的約束。

2）合成氨工段

傳統(tǒng)以天然氣為原料的合成氨裝置綜合能耗已降低到每噸氨29.3 GJ以下[12]。根據(jù)制氣工藝和凈化工藝的不同組合構(gòu)成各種不同的制氨工藝流程，其代表性的大型合成氨工藝包括凱洛格（Kellogg）、布朗（Brown）、托普索（Tops?e）和卡薩利（Casale）等公司所開發(fā)的工藝流程。

如圖3所示，綠氨與傳統(tǒng)合成氨工藝最大的不同在于綠氨原料直接為電解水產(chǎn)生的綠氫，綠氫與低溫空氣分離所得的氮氣混合、加壓、純化后，通過合成氨反應(yīng)器生成氨。傳統(tǒng)合成反應(yīng)器溫度通常為450～525 ℃，壓力為15～32 MPa；近年來推廣應(yīng)用的低溫低壓合成氨工藝對合成環(huán)境溫度和壓力要求降低，有利于降低能耗，提高合成氨系統(tǒng)的經(jīng)濟性[13]。事實上，對于綠氨工藝而言，需要結(jié)合氨節(jié)能降耗和技術(shù)經(jīng)濟性等角度對反應(yīng)器內(nèi)部的空速流場和催化劑性能進行綜合分析，優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及催化劑相關(guān)的工藝參數(shù)。

圖3 天然氣合成氨與綠氨的工藝及溫度變化范圍對比[14]Fig. 3 Comparison of natural gas ammonia synthesis and green ammonia synthesis in process and temperature range[14]

由于催化劑活性溫度、壓力存在一定適應(yīng)范圍，化工合成工段的負載水平（產(chǎn)率）可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)[15]。但由圖3的工藝流程可知，化工合成工段除反應(yīng)器外，還包含壓縮、換熱、分離等單元過程。這些化工單元過程在“電-熱-質(zhì)”多物理意義上相互耦合，與合成反應(yīng)過程的靈活性共同決定化工合成工段的負載靈活性，其對原料氣供應(yīng)的平穩(wěn)性要求反映至電解水制氫工段，最終反映為電網(wǎng)側(cè)功率調(diào)控的靈活性約束。

與傳統(tǒng)化工合成的過程控制主要關(guān)注平穩(wěn)性[16]不同，變負載運行方式下，化工合成工段受非平穩(wěn)“電-熱-質(zhì)”多物理過程約束，經(jīng)典模型難以滿足系統(tǒng)級靈活調(diào)控的需求。

3）壓縮緩沖工段

合成氨過程對原料氣壓力要求通常超過10 MPa，電解水制氫工段所產(chǎn)氫氣的壓力通常不超過3 MPa，二者之間不能直接耦合。此外，電解水制氫工段的負載調(diào)控速度較快（秒級、分鐘級），化工合成工段的負載調(diào)控速度通常較慢（小時級、日級），二者之間需配置緩沖環(huán)節(jié)以滿足化工合成供氫平穩(wěn)性的要求。

1.2 電解水制氫合成氨系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題

電解水制氫合成氨系統(tǒng)本質(zhì)上需要揭示適應(yīng)可再生能源波動特性的電解水制氫合成氨系統(tǒng)的能量與物質(zhì)間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，包括以下關(guān)鍵技術(shù)問題：

1）可再生能源波動條件下的合成氨工藝流程優(yōu)化和柔性調(diào)控技術(shù)

與傳統(tǒng)合成氨相比，綠氨工藝受可再生能源不穩(wěn)定特性的影響很大，需在滿足安全性與經(jīng)濟性要求的條件下，解決氫儲供、催化活性、生產(chǎn)負荷波動等因素耦合下的多工段協(xié)同的多穩(wěn)態(tài)柔性調(diào)控的關(guān)鍵技術(shù)問題。面對可再生能源波動下的多穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)要求，基于合成氨系統(tǒng)柔性工藝的反應(yīng)動力學(xué)機制與能量效率規(guī)律，解決工藝安全邊界與運行優(yōu)化邊界是工藝拓撲設(shè)計與優(yōu)化控制的首要目標(biāo)，進而解決兼顧系統(tǒng)熱平衡及反應(yīng)速率的氨合成柔性調(diào)控技術(shù)問題。

2）考慮“電-熱-質(zhì)”耦合的大規(guī)模電解水制氫系統(tǒng)的模塊化集成和集群動態(tài)控制技術(shù)

電解水制氫涉及“電流、熱流、物質(zhì)轉(zhuǎn)化”等多個時間和空間尺度的動態(tài)特性，氣液分離、循環(huán)冷卻等輔機系統(tǒng)增強了系統(tǒng)的非線性耦合，多個電解槽的電氣串并連接和輔機并用使得集群系統(tǒng)與單機系統(tǒng)呈現(xiàn)不同的動態(tài)特性和約束條件。如何布局性能優(yōu)化的系統(tǒng)工藝流程和模塊化集群網(wǎng)絡(luò)，在滿足安全約束的前提下，實現(xiàn)集群系統(tǒng)在不同時間尺度的分層調(diào)度與控制，是其中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

3）計及可再生能源波動性與化工多穩(wěn)態(tài)特性的“源—網(wǎng)—氫—氨”的全系統(tǒng)協(xié)同控制技術(shù)

針對“源—網(wǎng)—氫—氨”系統(tǒng)協(xié)同控制的需求，需突破電解水制氫合成氨系統(tǒng)多工段和多穩(wěn)態(tài)靈活控制技術(shù)、“源—網(wǎng)—氫—氨”多工段協(xié)同控制技術(shù)、系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行技術(shù)、平衡源側(cè)發(fā)電功率波動儲能技術(shù)，以及調(diào)頻、調(diào)峰和事故響應(yīng)等電力輔助服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)等；通過將制氫合成氨系統(tǒng)接入電網(wǎng)和參與電力輔助服務(wù)，以助力電網(wǎng)安全和穩(wěn)定運行，并拓寬綠氨系統(tǒng)經(jīng)濟收益渠道。

4）計及電、氫、氨等要素的全方位安全防護與市場運營機制

針對大規(guī)模可再生能源電解水制氫合成氨系統(tǒng)安全與經(jīng)濟運行需求，綜合考慮水光互補發(fā)電技術(shù)、規(guī)?；娊馑茪浼夹g(shù)、柔性合成氨技術(shù)、控制策略間的相互影響及響應(yīng)規(guī)律，需要有效識別“源—網(wǎng)—氫—氨”全流程的安全風(fēng)險，開發(fā)生產(chǎn)運營故障診斷技術(shù)，以及電解水制氫合成氨工程的安全聯(lián)動防護技術(shù)；進而，建立在安全約束下生產(chǎn)效益最優(yōu)的“電-氫-氨”系統(tǒng)決策模型，探索電、氫、化工、碳等多市場價格聯(lián)動的運營決策機制和可持續(xù)發(fā)展商業(yè)模式，解決兼顧安全生產(chǎn)及經(jīng)濟運行的工程化及商業(yè)化難題。

綜上，大規(guī)模可再生能源電解水制氫合成氨的設(shè)計、控制與運營涉及電氣工程、化學(xué)工程、能源動力等學(xué)科之間的交叉，雖然目前仍存在一些理論及技術(shù)瓶頸亟待攻克，但化工大規(guī)模消納可再生能源，并提供電力平衡調(diào)控服務(wù)已展示出巨大的潛力。

2 大規(guī)模電解水制氫合成氨關(guān)鍵技術(shù)研究進展

2.1 適用于柔性生產(chǎn)的合成氨工藝協(xié)同優(yōu)化

近年來，由于合成氨顯示出大規(guī)模消納可再生能源的巨大潛力，學(xué)者們對合成氨在不穩(wěn)定能源供給下的適應(yīng)性開展了研究。目前，普遍認為合成氨過程具備變負載運行能力，負載下限可到20%[17]，能夠輔助提供電力調(diào)節(jié)服務(wù)以消納可再生能源。但是，可再生能源制氫合成氨是一個動態(tài)、連續(xù)非線性的工程系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)和化工系統(tǒng)深度耦合，涉及可再生能源發(fā)電、制氫及合成氨多系統(tǒng)安全、魯棒并協(xié)同的復(fù)雜調(diào)控要求，尤其是適應(yīng)可再生能源波動特性的多穩(wěn)態(tài)柔性生產(chǎn)工藝。對此，劍橋大學(xué)、明尼蘇達大學(xué)、空氣產(chǎn)品公司等機構(gòu)對可再生能源制綠氫、綠氨生產(chǎn)工藝及其經(jīng)濟運行模式等關(guān)鍵工程技術(shù)問題開展了研究，取得一定進展進展[3,18]。如：Nayak-Luke等[4]考慮合成氨廠的最佳生產(chǎn)規(guī)模、可再生能源供應(yīng)及氫緩沖區(qū)運行的氨平準化成本，開發(fā)了數(shù)學(xué)模型，以定量分析影響平準化成本的關(guān)鍵變量，變量包括平準化電力成本、電解槽資本支出、最低生產(chǎn)負載、負載最大斜坡率和再供電組合。

然而，因合成氨生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，特別是高維非線性、多變量耦合、多參數(shù)大時滯、時變性等特點[19]，其負載調(diào)節(jié)時間為小時級，無法像電解水制氫一樣進行秒級快速功率調(diào)節(jié)，考慮到化工生產(chǎn)“安穩(wěn)長滿優(yōu)”的需要，與化工負荷實時參與可再生能源消納、提供電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)服務(wù)之間的均衡性，需要重點解決“源—網(wǎng)—氫—氨”各環(huán)節(jié)復(fù)雜時空域耦合條件下的穩(wěn)態(tài)協(xié)同與優(yōu)化問題。本質(zhì)上，這是一個綠氫供量波動導(dǎo)致的生產(chǎn)負荷不確定條件下的生產(chǎn)穩(wěn)定性、安全性與經(jīng)濟性多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)控問題。目前，利用流程模擬、數(shù)學(xué)建模技術(shù)開展面向化工過程的穩(wěn)定性與柔性調(diào)控的研究已取得一定的進展[20-22]，但是復(fù)雜大型化工過程的應(yīng)用案例很少[23]。針對風(fēng)光互補電解水制氫合成氨的復(fù)雜過程，四川大學(xué)吉旭教授團隊[19,24-27]從系統(tǒng)工程的角度研究解決了合成氨多穩(wěn)態(tài)柔性工況下的過程安全性、能質(zhì)網(wǎng)絡(luò)綜合、多穩(wěn)態(tài)魯棒控制等關(guān)鍵技術(shù)問題，研究了變工況條件下的催化劑宏觀性能模型，優(yōu)化催化劑在多穩(wěn)態(tài)條件下的活性可操作區(qū)間；考慮氫儲供量與催化劑性能，綜合合成塔、壓縮機、氣體分離、換熱網(wǎng)絡(luò)等子系統(tǒng)開發(fā)了合成氨高保真模型系統(tǒng)；提出可再生能源供給和市場需求波動下，充分考慮操作安全性和過程經(jīng)濟性的電解水制氫合成氨工藝中的氨合成塔、壓縮機、氣體分離系統(tǒng)、換熱網(wǎng)絡(luò)等子系統(tǒng)的適配方案與協(xié)同控制技術(shù)，解決了氫儲供量和合成氨多穩(wěn)態(tài)柔性可操作區(qū)間耦合下的工藝拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。進而，開發(fā)了適應(yīng)多穩(wěn)態(tài)柔性生產(chǎn)模式的合成氨工藝優(yōu)化模式和調(diào)控技術(shù)，如圖4所示。

圖4 合成氨柔性生產(chǎn)建模優(yōu)化及調(diào)控技術(shù)路線圖Fig. 4 Flexible production of synthetic ammonia modeling, optimization and regulation technical roadmap

2.2 大規(guī)模電解水制氫建模調(diào)控與集群動態(tài)控制

堿性電解水制氫雖然達到工業(yè)化運行要求，受限于單機功率上限，工業(yè)規(guī)模的電解水制氫需要由數(shù)臺至數(shù)十臺制氫機組成集群，形成模塊化多機集群系統(tǒng)。其關(guān)鍵技術(shù)包括電解槽內(nèi)絕緣與氣液隔斷、多電解槽串并聯(lián)電氣拓撲網(wǎng)絡(luò)、整流/氣液分離/純化/循環(huán)冷卻等電氣熱輔機的共用拓撲網(wǎng)絡(luò)、集群系統(tǒng)狀態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)。建設(shè)多機集群電解水制氫系統(tǒng)需要提升單機裝置運行的安全性和控制靈活性，進一步以模塊化集成控制技術(shù)提高集群系統(tǒng)的動態(tài)協(xié)同性與經(jīng)濟性能，以實現(xiàn)大規(guī)模電解水制氫集群系統(tǒng)的寬功率范圍靈活調(diào)節(jié)。

對于工業(yè)級電解水制氫單機系統(tǒng)，其調(diào)控靈活性受到電化學(xué)反應(yīng)、溫度動態(tài)[28]、氫氧雜質(zhì)混合動態(tài)[29]等過程的約束，嚴格遵循著復(fù)雜的“三傳一反”過程機理。為準確評估電解水制氫工段的調(diào)控靈活性，構(gòu)建包括電解槽在內(nèi)的完整電解水制氫系統(tǒng)的動態(tài)模型非常有必要。電解槽模型包括流場模型和代理模型等。流場模型模擬電解槽內(nèi)部反應(yīng)速率、濃度、溫度、壓力的空間分布，用于電解槽結(jié)構(gòu)的分析和優(yōu)化設(shè)計[30]。不過，流場模型依賴計算流體力學(xué)（CFD）嚴格機理計算，模型非常復(fù)雜，耗時極長，難以滿足工業(yè)化分析及控制要求。代理模型則通過物理原理[31-32]或經(jīng)驗數(shù)據(jù)擬合[33-34]建立質(zhì)能轉(zhuǎn)換的映射關(guān)系，使得模型復(fù)雜度較低，求解效率高，準確度能夠得到一定程度的保證，可用于在線評估或控制器設(shè)計[35]。進一步地，在描述電解水制氫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行[36]及動態(tài)變負載運行[37]工況的基礎(chǔ)上，學(xué)者們提出計及溫度[38]、壓力[39]、雜質(zhì)濃度[37]等動態(tài)過程約束的制氫機變負載控制方法，拓展負荷功率調(diào)控的深度、速度。如：有學(xué)者針對寬范圍變負載運行方式下電解水制氫系統(tǒng)的建模與控制問題，提出電解槽的詳細3維建模[40]、集總代理模型[35]和動態(tài)性能退化過程的建模與辨識方法[10]，進而提出電解水制氫機全系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的在線辨識方法[41]，并以此提出計及動態(tài)工藝過程約束以拓展負載靈活性的優(yōu)化控制方法[37]和集群控制方法[42]。

目前，基于多機集群電解水制氫系統(tǒng)的調(diào)控主要集中在通過基于規(guī)則的控制策略[43]或混合整數(shù)線性規(guī)劃[44-45]確定制氫機機組組合，未全面考慮制氫機的各項工藝流程約束，難以兼顧寬范圍變負載運行方式下的安全性與調(diào)節(jié)性能。同時，現(xiàn)有電解水制氫變負載控制方面的研究很少考慮到后端化工合成供氫的平穩(wěn)性約束[46-47]。因此，針對大規(guī)模電解水制氫集群系統(tǒng)的多模塊集成和寬范圍功率動態(tài)調(diào)節(jié)中的“電-熱-質(zhì)”耦合難題，四川大學(xué)邱一葦團隊考慮槽氣液比、氣液分離、溫度/壓力升降、氫氧雜質(zhì)混合過程的不同時間常數(shù)，基于奇異攝動和代理模型技術(shù)研究了集群系統(tǒng)多時間尺度時域仿真方法，建立了電解集群系統(tǒng)多物理耦合狀態(tài)空間模型；綜合考慮了模塊啟停組合調(diào)度、模塊間功率分配調(diào)度及模塊自身靈活調(diào)節(jié)，計及安全運行區(qū)間及電熱氣接口特性約束，以提高氫產(chǎn)量、提升能量利用效率、改善水光電源消納和跟蹤電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻指令為目標(biāo)，構(gòu)建了集群系統(tǒng)多目標(biāo)分層調(diào)度與控制模型，開展了百兆瓦級電解水制氫系統(tǒng)的模塊化集成和動態(tài)調(diào)控技術(shù)的研究，實現(xiàn)電解功率快速寬范圍變工況運行。其技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 大規(guī)模電解水制氫建模調(diào)控與集群動態(tài)控制技術(shù)路線圖Fig. 5 Large-scale electrolytic hydrogen production modeling, regulation and cluster dynamic control technical roadmap

2.3 氫能負荷側(cè)靈活資源參與電網(wǎng)互動控制

電解水制氫合成氨整體作為電力負荷，接入電力系統(tǒng)的研究主要集中在的資源配置與容量規(guī)劃方面[48]，包括電解水制氫廠站選址定容以滿足現(xiàn)有合成氨用氫需求、制氫與合成氨工段之間緩沖氫儲罐的容量規(guī)劃[49]、計及電解槽選型/原料來源/儲罐容量等工藝環(huán)節(jié)的技術(shù)經(jīng)濟分析[50]等。此外，從能量管理角度，為電解水制氫合成氨[51]或甲醇參與電力側(cè)儲能、電力市場服務(wù)[17]，以及綜合市場供需變化優(yōu)化調(diào)度計劃等方面也有最新的研究成果[52-53]。通常，這一類研究的時間分辨率較低，以穩(wěn)態(tài)/準穩(wěn)態(tài)為主，模型精度要求不高，采用固定的效率系數(shù)描述電、氫、氨、甲醇之間的變換關(guān)系，不能刻畫動態(tài)工藝過程約束對調(diào)控特性的影響[54]。

化工過程作為靈活負荷參與電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)時，功率波動通過制氫環(huán)節(jié)反映至化工側(cè)。一方面，由于電力平衡調(diào)節(jié)的時間尺度為秒級（調(diào)頻）至分鐘級（調(diào)峰），而化工過程的慣性較大，調(diào)節(jié)時間在分鐘至小時級，二者之間存在跨時間尺度的物質(zhì)（物料組分）和能量（電能、溫度、壓力）平衡匹配的問題。另一方面，可再生能源波動隨機過程與電解水制氫、化工工藝過程的時序平穩(wěn)性約束也為全系統(tǒng)負荷均衡調(diào)控提出技術(shù)挑戰(zhàn)，迫切需要研究“源—網(wǎng)—氫—氨”系統(tǒng)協(xié)同控制方法，研發(fā)氫-氨系統(tǒng)接入大電網(wǎng)后的調(diào)度控制關(guān)鍵技術(shù)，挖掘參與調(diào)頻調(diào)峰及事故響應(yīng)等電力輔助服務(wù)的潛力。本研究前期開展了制氫負荷接入電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運行[11]、高比例可再生能源電力平衡調(diào)控的隨機過程建模[55]與控制[56-57]的研究工作，分析了電-氫-氨不同工藝環(huán)節(jié)間控制接口方式、參數(shù)等耦合關(guān)系，研究了水光互補發(fā)電、制氫、儲氫、合成氨、儲氨多工段間穩(wěn)態(tài)運行特性的靈活運行方法，以及制氫合成氨系統(tǒng)柔性動態(tài)協(xié)同控制方法；綜合采用了靜態(tài)等值和參數(shù)聚合等方法降維和等值制氫合成氨系統(tǒng)仿真模型，研究了“源—網(wǎng)—氫—氨”協(xié)同提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的優(yōu)化控制方法和技術(shù)指標(biāo)；結(jié)合制氫合成氨系統(tǒng)在發(fā)電波動電網(wǎng)中的調(diào)頻和調(diào)峰特性，研究了制氫合成氨系統(tǒng)參與電力輔助服務(wù)的策略。其技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 氫能負荷側(cè)靈活資源參與電網(wǎng)互動控制技術(shù)路線圖Fig. 6 Hydrogen load side resources flexibly participating in grid interactive control technical roadmap

3 結(jié)論與展望

發(fā)展綠氨技術(shù)，氨作為儲氫載體，可為氫氣長距離安全運輸提供路徑；合成氨生產(chǎn)過程的綠色化也有助于化工過程的深度脫碳。因此，發(fā)展可再生能源制氫合成氨對化工領(lǐng)域“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要意義。同時，化工負荷具備大規(guī)模接入電力系統(tǒng)、參與消納高比例可再生發(fā)電、提供電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)服務(wù)的潛力。大規(guī)模可再生能源電解水制氫合成氨負荷的調(diào)控策略和動態(tài)控制技術(shù)是當(dāng)前正全力突破的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，具體包括：揭示可再生能源波動下的電解水制氫合成氨系統(tǒng)的能量與物質(zhì)間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，建立“源—網(wǎng)—氫—氨”耦合下的系統(tǒng)柔性動態(tài)調(diào)控模型，提出兼顧安全與高效目標(biāo)的系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)則；突破滿足多穩(wěn)態(tài)運行工況需求的合成氨工藝流程優(yōu)化和系統(tǒng)柔性調(diào)控的核心技術(shù)，“電-熱-質(zhì)”協(xié)同的大規(guī)模電解水制氫系統(tǒng)的模塊化集成和集群動態(tài)控制的關(guān)鍵技術(shù)，突破計及可再生能源波動性與化工多穩(wěn)態(tài)柔性協(xié)同的全系統(tǒng)優(yōu)化控制技術(shù)?？傊?，建立可再生能源電解水制氫合成氨的完整技術(shù)鏈，解決可再生能源本地消納及化工生產(chǎn)使用波動綠氫原料，對于實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有十分重要的現(xiàn)實意義。