吉 旭,林 今,聶李紅,周 利,袁紹軍,張 歡,賀 革,戴一陽

(1.四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,四川 成都 610065;2.清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,北京 100084;3.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院,四川 成都 610065;4.中國成達(dá)工程有限公司,四川 成都 610095;5.清云智通(成都)科技有限公司,四川 成都 610065)

0 引 言

在雙碳背景下,風(fēng)光可再生能源發(fā)電是能源發(fā)展的重要方向[1],截至2022年,我國可再生能源新增裝機(jī)1.52億kW,占新增發(fā)電裝機(jī)的76.2%,可再生能源裝機(jī)總量達(dá)12.13億kW,超過火電裝機(jī)量,可再生能源發(fā)電量2.7萬億kWh,占發(fā)電總量31.3%、占新增發(fā)電量81%。但是由于風(fēng)光資源的間歇性、不穩(wěn)定和難以預(yù)測性,風(fēng)光發(fā)電大規(guī)模上網(wǎng)面臨挑戰(zhàn),成為風(fēng)光綠電發(fā)展的瓶頸之一[2]。風(fēng)光發(fā)電制綠氫可以實(shí)現(xiàn)長周期存儲和多種能源形式轉(zhuǎn)化,具有零碳排放特征,是解決風(fēng)光電力消納的重要途徑,有望與電能一同成為未來能源體系的兩大支柱。國家制定了相應(yīng)的氫能發(fā)展戰(zhàn)略[3-5],但是由于風(fēng)光綠電成本、微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電解水工藝能效、材料氫脆等問題,綠氫在制-儲-運(yùn)-用各環(huán)節(jié)均面臨安全性與經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)[6]。在此背景下,綠電制氫制氨的“電制綠氨”路徑被認(rèn)為是解決綠電、綠氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)困局的重要途徑之一。此外,綠電耦合化工在解決綠電消納難題的同時(shí),還是綠色化工發(fā)展的重要方向。以減碳為例,合成氨生產(chǎn)所消耗的煤和天然氣量占全社會化石能源消耗總量約5%,碳排放量在2%[7-8],“電制綠氨”將大幅度降低化肥行業(yè)的碳排放量。

氨由氫氣和氮?dú)馔ㄟ^催化反應(yīng)合成。合成氨“哈-博”工藝是當(dāng)前應(yīng)用最廣的工藝路徑,工藝包、催化劑、合成塔等關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備已成熟[9]。但現(xiàn)有合成氨工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性建立在8 760 h穩(wěn)態(tài)運(yùn)行基礎(chǔ)上,強(qiáng)調(diào)“安穩(wěn)長滿優(yōu)”運(yùn)行模式。顯然,在風(fēng)光資源不確定性特征下,成熟合成氨的穩(wěn)態(tài)工藝技術(shù)已無法滿足“電制綠氨”運(yùn)行需要,有必要開發(fā)適應(yīng)可再生能源特性的“電制綠氨”工藝包、關(guān)鍵設(shè)備和控制技術(shù),以解決“源網(wǎng)氫氨”復(fù)雜技術(shù)特征耦合下的設(shè)計(jì)問題、裝置問題和運(yùn)行問題[10-11]:① 風(fēng)光可再生能源的利用效率與經(jīng)濟(jì)性;② 適應(yīng)可再生能源波動(dòng)特性的合成氨催化劑、工藝與裝備;③ 頻繁變負(fù)荷與低負(fù)荷運(yùn)行的氫氨一體化計(jì)劃、調(diào)度與控制技術(shù)。

對此,學(xué)術(shù)界和工業(yè)界展開大量研究。NAYAK-LUKE等[12-13]對綠氨技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析;拓普索、卡薩利、施耐德等對綠氨工藝路線與控制技術(shù)進(jìn)行研究[14-15],提出了儲能+常穩(wěn)態(tài)工藝和柔性合成氨工藝。

儲能+常穩(wěn)態(tài)工藝通過電化學(xué)儲能和儲氫,在一定程度和時(shí)域范圍內(nèi)解決資源波動(dòng)性難題。但此方案經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)很大,經(jīng)測算每增加10 min電化學(xué)儲能,綠氫成本將增加約0.1元/m3,合成氨成本約200元/t;另外,儲能+常穩(wěn)態(tài)工藝未解決低負(fù)荷低能耗運(yùn)行難題,綜合能耗高。柔性合成氨工藝則將工藝流程分解為多個(gè)柔性制造單元,可在小時(shí)級、甚至更小時(shí)域尺度上實(shí)現(xiàn)對風(fēng)光波動(dòng)的跟隨性,無需儲氫。柔性合成氨工藝優(yōu)化了儲能成本,提升了風(fēng)光資源利用率,但對化工端運(yùn)行要求很高,需在寬負(fù)荷范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)小時(shí)級的負(fù)荷調(diào)整,調(diào)整范圍10%～110%,調(diào)節(jié)速率3%/min,相比現(xiàn)有成熟工藝提升幅度非常大(經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)荷在70%～110%、負(fù)荷調(diào)整速率≤0.5%),對合成氨催化劑、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)調(diào)控、能質(zhì)網(wǎng)絡(luò)平衡性、暫態(tài)安全運(yùn)行控制、壓力容器設(shè)備選型與運(yùn)行模式,甚至設(shè)備材料提出高要求,現(xiàn)有技術(shù)難以滿足。同時(shí),在無儲氫條件下的電制氫運(yùn)行控制效率能否滿足化工側(cè)的柔性響應(yīng)要求也存在挑戰(zhàn),工程實(shí)現(xiàn)難度巨大。

鑒于儲能+常穩(wěn)態(tài)合成氨工藝和柔性合成氨工藝均存在技術(shù)局限,筆者提出了適應(yīng)可再生能源波動(dòng)特性的“電制綠氨”多穩(wěn)態(tài)柔性工藝路徑,開發(fā)了相應(yīng)的工藝包、合成塔、先進(jìn)控制和基于預(yù)測的氫氨協(xié)同調(diào)度平臺等成套技術(shù)方案,以支持“電制綠氨”安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 多穩(wěn)態(tài)柔性“電制綠氨”工藝

適應(yīng)可再生能源波動(dòng)特性的合成氨多穩(wěn)態(tài)柔性工藝如圖1所示(工況A～F為一定風(fēng)光發(fā)電條件下對應(yīng)的優(yōu)化穩(wěn)態(tài)工況)。多穩(wěn)態(tài)柔性工藝基于風(fēng)光出力特性,融合氫制儲用安全邊界與制氨反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制,以“氫-氨”協(xié)同下的安全性、經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo),整定優(yōu)化一定時(shí)域內(nèi)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行負(fù)荷與運(yùn)行周期,達(dá)成“電制綠氨”安全性與經(jīng)濟(jì)性間的平衡,實(shí)現(xiàn)合成氨寬范圍經(jīng)濟(jì)可行運(yùn)行。多穩(wěn)態(tài)柔性工藝不追求零儲氫量,而是在安全和投資優(yōu)化目標(biāo)下,確定最優(yōu)經(jīng)濟(jì)儲量。

圖1 面向可再生能源的合成氨多穩(wěn)態(tài)柔性工藝

多穩(wěn)態(tài)柔性工藝包括多穩(wěn)態(tài)和柔性兩方面技術(shù):

1)多穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)與運(yùn)行。相比傳統(tǒng)合成氨工藝面對滿負(fù)荷條件下的單一穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模式,多穩(wěn)態(tài)工藝針對項(xiàng)目屬地風(fēng)光資源特性,綜合制儲氫容量配置與復(fù)雜工況條件下的合成氨反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制,整定優(yōu)化一定時(shí)域空間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行負(fù)荷[16]。多穩(wěn)態(tài)工藝包括滿足寬負(fù)荷運(yùn)行要求的多個(gè)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化工況,相比柔性工藝顯著降低了負(fù)荷調(diào)整頻率,提升了安全性,也降低了安全保證性投資。多穩(wěn)態(tài)工藝設(shè)計(jì)的技術(shù)核心是最優(yōu)化整定風(fēng)光出力條件下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行負(fù)荷和對應(yīng)的運(yùn)行時(shí)域。

2)柔性優(yōu)化。柔性優(yōu)化是在整定穩(wěn)態(tài)負(fù)荷下,合成氨系統(tǒng)可安全承受的負(fù)荷波動(dòng)空間,即柔性空間。負(fù)荷波動(dòng)產(chǎn)生的可能原因是裝置系統(tǒng)本身的運(yùn)行振蕩、風(fēng)光資源短期內(nèi)的小幅功率變化、風(fēng)光資源出力預(yù)測誤差累積等。柔性運(yùn)行空間越大,系統(tǒng)運(yùn)行自適應(yīng)性越好,安全性越好[17]。柔性空間優(yōu)化需通過強(qiáng)化氨合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)軌跡并優(yōu)化氫氨一體化“電-熱-質(zhì)”平衡空間實(shí)現(xiàn)。

2 多穩(wěn)態(tài)柔性工藝關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多穩(wěn)態(tài)柔性“電制綠氨”工藝整體技術(shù)架構(gòu)

“電制綠氨”涉及電-氫-氨多專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜耦合,多尺度、時(shí)滯性、時(shí)變性特點(diǎn)明顯。從“能-質(zhì)”轉(zhuǎn)化科學(xué)基礎(chǔ)出發(fā),研究非平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)下質(zhì)量、熱量、動(dòng)量傳遞及合成反應(yīng)的非線性過程機(jī)制,揭示動(dòng)態(tài)條件下合成塔溫度、壓力、循環(huán)氣、壓縮機(jī)與熱網(wǎng)絡(luò)等因素對運(yùn)行安全、協(xié)同控制和綜合能耗水平的協(xié)同影響機(jī)制[18-21],解決“電制綠氨”關(guān)鍵核心技術(shù)。多穩(wěn)態(tài)柔性合成氨工藝整體技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 多穩(wěn)態(tài)柔性合成氨工藝整體技術(shù)架構(gòu)

“電制綠氨”需解決的技術(shù)包括:

1)復(fù)雜工況條件下的技術(shù)優(yōu)化。① 設(shè)計(jì)優(yōu)化:主要包括電氫氨協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、容量配置優(yōu)化技術(shù)、催化劑及關(guān)鍵設(shè)備、多穩(wěn)態(tài)整定優(yōu)化方法、柔性空間優(yōu)化技術(shù)、低負(fù)荷運(yùn)行能耗優(yōu)化、停機(jī)熱備設(shè)計(jì)優(yōu)化、氫氨一體化的能質(zhì)網(wǎng)絡(luò)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)[22]。② 運(yùn)行控制:主要包括電-氫-氨協(xié)同調(diào)度技術(shù)、暫態(tài)控制策略、設(shè)備可靠性與工藝優(yōu)化、數(shù)字孿生、智能控制技術(shù)。

2)適應(yīng)可再生能源波動(dòng)性的安全技術(shù)體系。① 操作安全性:主要包括安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、早期安全預(yù)警技術(shù)、操作優(yōu)化與安全風(fēng)險(xiǎn)管控一體化技術(shù)、巡視巡檢技術(shù)、設(shè)備預(yù)測性管理技術(shù)、智慧應(yīng)急處置技術(shù)。② 長周期安全:主要包括電氫氨協(xié)同下全生命周期安全性、動(dòng)設(shè)備平均故障周期與預(yù)測性維護(hù)、壓力設(shè)備長疲勞管控、設(shè)備氫脆性能優(yōu)化技術(shù)。

2.2 多穩(wěn)態(tài)運(yùn)行負(fù)荷與運(yùn)行周期的整定優(yōu)化技術(shù)

“電制綠氨”的多穩(wěn)態(tài)整定運(yùn)行負(fù)荷及運(yùn)行周期與風(fēng)光資源特性、儲氫規(guī)模、氨反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制,及暫態(tài)過程調(diào)控安全性相關(guān)[23],提出多穩(wěn)態(tài)運(yùn)行負(fù)荷與運(yùn)行周期整定優(yōu)化模型如下:

(1)

約束條件如下:

1)基于合成氨反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的氫、氨平衡。

(2)

(3)

式(2)為合成塔在負(fù)荷gi穩(wěn)態(tài)運(yùn)行周期內(nèi)的氨產(chǎn)量公式,可以看出氨產(chǎn)量與氫氨分壓剛性相關(guān),式(3)表明合成氨反應(yīng)常數(shù)與整定負(fù)荷的相關(guān)性。

2)風(fēng)光可再生能源發(fā)電制綠氫:

(4)

3)氫氣制儲用平衡:

(5)

(6)

tD=f(Dresoure,Isecurity,Aoperation,gi),

(7)

(8)

gi=f(Dresoure,Isecurity,Aoperation)
(i=1,2,…,n),

(9)

式中,Dresoure、Isecurity、Aoperation分別為屬地風(fēng)光資源屬性、安全保證性投資、操作運(yùn)行能力,操作運(yùn)行能力包括計(jì)劃調(diào)度、智能控制、安全與應(yīng)急等;f(i)為最優(yōu)化函數(shù)。

上述模型包括風(fēng)光出力預(yù)測、氫制儲、合成氨負(fù)荷與穩(wěn)態(tài)周期、催化劑性能、熱平衡、過程安全性等關(guān)鍵因素。采用高維模型表征、非線性整數(shù)規(guī)劃、高保真代理模型等技術(shù)[24-25],開發(fā)了多時(shí)域尺度下的能質(zhì)平衡整定方法與時(shí)滯校正技術(shù),構(gòu)成后續(xù)計(jì)劃調(diào)度和控制優(yōu)化的模型基礎(chǔ)。

2.3 催化劑結(jié)構(gòu)性能與合成塔設(shè)計(jì)優(yōu)化

氨合成催化劑的載體結(jié)構(gòu)對于金屬活性位性能和宏觀動(dòng)力學(xué)性能具有非常重要的影響。針對多穩(wěn)態(tài)柔性運(yùn)行的變工況要求,研究了催化劑種類、表觀性質(zhì)、堆積方式和流場條件下的宏觀性能與失活規(guī)律,精確描述了催化劑在多穩(wěn)態(tài)工況下的活性可操作區(qū)間。

目前廣泛使用的合成氨催化劑是鐵系催化劑,可在420～460 ℃、12～14 MPa低溫低壓下完成氨合成反應(yīng),穩(wěn)態(tài)運(yùn)行非常成熟。釕基催化劑也已實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的反應(yīng)溫度和壓力(410～420 ℃、10.5～11.5 MPa),2019年在江蘇宿遷禾友化工成功應(yīng)用。研究了鐵系、釕系催化劑在非穩(wěn)態(tài)工況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與活性性能,并且通過摻雜稀土元素優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)性能以優(yōu)化柔性復(fù)雜工況下的氨合成反應(yīng)效率。摻雜稀土元素提升催化劑適應(yīng)變負(fù)荷操作的結(jié)構(gòu)性能如圖3所示。結(jié)果表明,MgO上負(fù)載Ru增加時(shí)有利于提升低負(fù)荷下的催化反應(yīng)效率,摻雜稀土氧化物(Sm、La)可以有效提升催化劑復(fù)雜工況下的活性性能。

圖3 摻雜稀土元素提升催化劑適應(yīng)變負(fù)荷操作的結(jié)構(gòu)性能

融合催化劑宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制,搭建氨合成塔仿真模型,如圖4所示。

圖4 氨合成塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真模型

采用二次多項(xiàng)式代理模型擬合反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作條件和出口轉(zhuǎn)化率的變化關(guān)系。多項(xiàng)式方程為

(10)

其中,y為輸出變量,包括反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率、出口溫度等,記為集合M;m為集合M中相應(yīng)的輸出變量,m∈M;x為輸入變量,包括反應(yīng)器入口H2、N2、NH3流量,反應(yīng)器入口溫度,反應(yīng)壓力等,記為集合N;n為集合N中相應(yīng)的輸入變量,n∈N;am,0為輸出變量ym所對應(yīng)的常數(shù)項(xiàng)參數(shù);bm,n為輸出變量ym所對應(yīng)的第n個(gè)輸入變量的一次項(xiàng)參數(shù)值;cm,n,n′為第m個(gè)輸出變量所對應(yīng)的二次項(xiàng)系數(shù)。此外,為了研究合成塔流場分布對于反應(yīng)進(jìn)程的影響,xn還包括合成塔結(jié)構(gòu)參數(shù),如合成塔內(nèi)側(cè)壁面、反應(yīng)床層外伴熱層、內(nèi)伴熱層以及內(nèi)外伴熱層協(xié)同運(yùn)行關(guān)聯(lián)性等。

基于式(10)計(jì)算結(jié)果表明,強(qiáng)化一段反應(yīng)床層入口新鮮進(jìn)料與各床層出口物流之間的換熱,優(yōu)化各反應(yīng)床層尺寸和內(nèi)部流道調(diào)控,可以更好地適應(yīng)多穩(wěn)態(tài)負(fù)荷下的綠氨生產(chǎn),整體上提高了原料轉(zhuǎn)化率。

2.4 “電制綠氨”動(dòng)態(tài)運(yùn)行計(jì)劃調(diào)度與智能控制技術(shù)

(11)

一方面,電氫氨運(yùn)行調(diào)度時(shí)域和時(shí)效存在差異,一般而言,風(fēng)電出力預(yù)報(bào)周期為5 min,光伏的預(yù)報(bào)周期為4～8 h,電解水制氫單機(jī)冷啟時(shí)間為10 min,熱啟動(dòng)時(shí)間為30 s,控制響應(yīng)時(shí)間10 s,合成氨冷啟時(shí)間24～48 h,熱啟動(dòng)1～2 h,負(fù)荷調(diào)整平穩(wěn)時(shí)間1～4 h。對此,基于風(fēng)光屬性、制儲氫和化工的安全技術(shù)特性,研究了基于預(yù)測的多時(shí)域協(xié)同計(jì)劃與控制技術(shù)[26],以解決電氫氨協(xié)同下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)和暫態(tài)優(yōu)化控制問題,如圖5所示。

圖5 基于預(yù)測的多時(shí)域協(xié)同計(jì)劃與控制技術(shù)

F=maxδ,

(12)

s.t.:

gj(d,z,x,θ)≤0}≤0,

(13)

T(δ)={θ|θN-δΔθ-≤θ≤θN+δΔθ+},

(14)

式中,F為目標(biāo)函數(shù);δ為系統(tǒng)柔性指數(shù);d為系統(tǒng)設(shè)計(jì)變量;z為控制變量;x為狀態(tài)變量;θ為不確定參數(shù);hj為系統(tǒng)等式約束,屬于集合I,i為其在集合I中的序號;gj為系統(tǒng)不等式約束,屬于集合J,j為其在集合J中的序號;T為不確定參數(shù)波動(dòng)范圍;θN為不確定參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況值;Δθ+、Δθ-分別為不確定參數(shù)可能的上下波動(dòng)值。

圖6 合成塔多模態(tài)內(nèi)場控制模型與柔性運(yùn)行空間

相比常穩(wěn)態(tài)工藝,暫態(tài)調(diào)控過程的安全性與效率是“電制綠氨”設(shè)計(jì)與運(yùn)行關(guān)鍵。針對氫氨運(yùn)行控制的精準(zhǔn)性、魯棒性與穩(wěn)定性要求,提出多操作單元集群的智能控制策略(圖7),將安全評價(jià)與先進(jìn)控制一體化,自動(dòng)生成暫穩(wěn)態(tài)優(yōu)化調(diào)控曲線以提升暫態(tài)控制效率。

2.5 高保真數(shù)字孿生與智能工廠

數(shù)字化技術(shù)是可再生能源發(fā)展重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一[29-30]。仿真模型在氫能規(guī)劃、電解水工藝優(yōu)化與集群控制等方面具有重要作用[31-36]。而“電制綠氨”工藝設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)方法更復(fù)雜,設(shè)計(jì)時(shí)需對全生命周期內(nèi)的復(fù)雜運(yùn)行場景和可能的安全態(tài)勢進(jìn)行預(yù)判,并提出針對性解決方案。為了達(dá)成這一目標(biāo),考慮電力約束、資源波動(dòng)、氫氨需求、系統(tǒng)運(yùn)行效率和可靠性等因素,面向全場景、全流程、全生命周期開發(fā)了基于數(shù)字技術(shù)的仿真模擬系統(tǒng),為規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和運(yùn)營等全周期提供一體化解決方案,并且成為“電制綠氨”一體化智能工廠的數(shù)字模型基礎(chǔ),如圖8所示。

圖8 “電制綠氨”智能工廠模型

3 案例分析

以吉林省某氫氨一體化實(shí)際項(xiàng)目為例,設(shè)計(jì)多穩(wěn)態(tài)柔性合成氨工藝方案。20萬t合成氨,風(fēng)光資源容量配比為10∶1,8 760 h風(fēng)光持續(xù)出力分布統(tǒng)計(jì)如圖9所示。

圖9 8 760 h風(fēng)光持續(xù)出力分布統(tǒng)計(jì)

圖10 儲氫規(guī)模敏感性分析

對標(biāo)GB 21344—2015《合成氨單位產(chǎn)品能源消耗限額》標(biāo)桿值,以綜合能耗為目標(biāo),優(yōu)化典型工況下的工藝組態(tài),綜合整定柔性工藝拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提升可控性,實(shí)現(xiàn)30%～110%負(fù)荷運(yùn)行下噸氨綜合能耗最優(yōu)(表1)(電制氫能耗按5.5 kWh/m3(以H2計(jì))計(jì)算),工藝拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖11所示。

表1 多穩(wěn)態(tài)柔性合成氨各工況下能耗值

圖11 適應(yīng)風(fēng)光資源特性的多穩(wěn)態(tài)柔性合成氨工藝結(jié)構(gòu)

關(guān)鍵參數(shù)為:① 合成氨經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)荷為30%～110%,最低運(yùn)行負(fù)荷10%;合成塔寬負(fù)荷范圍運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)操作壓力波動(dòng)<2.5 MPa,溫度波動(dòng)<25 ℃。② 負(fù)荷調(diào)節(jié)速率0.5～1.0%/min,負(fù)荷調(diào)度周期8 h,支持班內(nèi)負(fù)荷調(diào)節(jié)控制。③ 氨合成塔零負(fù)荷熱備待機(jī)時(shí)長168 h,待機(jī)期間能耗<320 kW/h,溫度、壓力高于催化劑反應(yīng)起活溫度,熱啟開車時(shí)間小于2 h。④ 氨產(chǎn)能利用率>76.8%,棄電率<6.7%,壓力設(shè)備疲勞操作次數(shù)<14次/a,裝置壽命>20 a。

相比常穩(wěn)態(tài)+儲能及柔性運(yùn)行模式,疲勞操作次數(shù)降低90%,資本金收益率提升21%,優(yōu)勢顯著。

4 結(jié) 論

1)雙碳背景下,面向風(fēng)光可再生能源的間歇性、不穩(wěn)定和難預(yù)測屬性,基于合成氨“哈-博”工藝,對比分析了“常穩(wěn)態(tài)+儲能”及“柔性工藝”的優(yōu)劣,開發(fā)了“多穩(wěn)態(tài)柔性”合成氨工藝路線。

2)面對“電制綠氨”動(dòng)態(tài)特性,構(gòu)建了催化反應(yīng)進(jìn)程與合成塔溫度、循環(huán)氣體流量與組分、壓縮機(jī)與換熱網(wǎng)絡(luò)等對合成反應(yīng)的協(xié)同機(jī)制,開發(fā)了新型合成塔裝備結(jié)構(gòu)與內(nèi)部構(gòu)件。

3)面對可再生能源電解水制氫合成氨生產(chǎn)對催化劑在復(fù)雜多變工藝條件下的性能要求,結(jié)合試驗(yàn)與計(jì)算模擬研究方法,兼顧催化劑低溫區(qū)活性、催化反應(yīng)速率與全系統(tǒng)熱平衡和能量效率,強(qiáng)化了催化劑結(jié)構(gòu)性能,優(yōu)化了全負(fù)荷范圍內(nèi)催化劑高性能可操作性區(qū)間。

4)針對“電制綠氨”各工段動(dòng)態(tài)特性差異大、約束多、匹配難等問題,開發(fā)了“氫氨”一體化“電制綠氨”全流程仿真系統(tǒng),開發(fā)了電制氫合成氨全系統(tǒng)柔性動(dòng)態(tài)協(xié)同控制方法,提出了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)、暫態(tài)工況條件下的安全準(zhǔn)則,以及氫氨系統(tǒng)分層分級協(xié)同控制策略與技術(shù)。