CN115204546A - 考虑建设与运行成本的电解制氢加氢站制氢及储氢配置方法 - Google Patents

考虑建设与运行成本的电解制氢加氢站制氢及储氢配置方法 Download PDF

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CN115204546A CN202110851584.3A CN202110851584A CN115204546A CN 115204546 A CN115204546 A CN 115204546A CN 202110851584 A CN202110851584 A CN 202110851584A CN 115204546 A CN115204546 A CN 115204546A
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Abstract

本发明提供了考虑建设与运行成本的电解制氢加氢站制氢及储氢配置方法，旨在为加氢站建设提供考虑总成本的制氢储氢装置容量配置方法。该方法主要包括：将氢能需求的估计分解为车流量、进站率和单车加氢量的估计，获得加氢站日内24h氢能需求向量；建立加氢站运行约束模型；利用分段电价降低运行成本，考虑设备投资成本与容量的关系，选择初期投资成本与运行成本共同决定的总成本为优化目标；在保证总成本最低的同时对装置容量配置和运行进行优化。该优化配置方法提出的经济性评估指标考虑建设投资成本和运行成本，对加氢站制氢储氢设备容量配置以及制氢设备运行提供指导，运行过程有利于电网电力的削峰填谷，对加氢站建设和运行过程均存在优化效果。

Description

考虑建设与运行成本的电解制氢加氢站制氢及储氢配置方法
技术领域
本发明涉及加氢站制氢储氢容量优化配置方法，属于加氢站系统配置中考虑成本的优化技术。
背景技术
随着石油等不可再生能源的逐渐枯竭，氢能作为首屈一指的清洁能源受到越来越多的重视，与氢能有关的技术也在不断发展，氢能燃料电池的市场化投放促进了氢能汽车的普及。
近年来，氢能汽车的保有量不断增加，续航里程也逐年攀升。加氢站作为氢能汽车的主要配套设施，即将进入大规模建设时代。加氢站主要分为站内制氢加氢站和站外制氢加氢站。其中，站外制氢需要将氢压缩后运输至加氢站，目前运输氢能的方式主要有三种：管拖车运输，超低温液氢运输，管道运输。前两种方式运输单价成本较高，后一种方式管道建设成本很高，在当前氢能并未大规模普及的情况下经济性差。因此，站内制氢将成为未来加氢站的主要模式。当前加氢站中的氢能主要通过电解水制氢、天然气重整制氢等方式制备的，其中电解水制氢方法越来越成熟，有望成为未来制氢的主流方式。然而，电解水制氢成本一直居高不下，其中电力费用占主要部分，由于部分地区缺少基于成本优化的加氢站初期建设投资方案设计的综合性方法，导致国内的氢能汽车与加氢站发展依然只是局限于少部分地区的试点阶段，高昂的建设费用和制氢费用让多数投资商望而却步。因此，将储能装置配置入电解水制氢站，利用电价低谷期制氢储能，是降低加氢站成本的有效方式。同时，制氢、储氢装置初期的建设投资作为加氢站投入成本的一部分，在优化的过程中需要被考虑。
针对站内制氢加氢站配置问题，以往的研究集中于降低运行成本或减少投资成本中的某一方面，少有同时考虑建设投资成本与运行成本以进行加氢站配置的研究。文献《Hydrogen Filling Station Design for Fuel Cell Vehicles》提出新能源发电厂与加氢站联合运行的模型，采用神经网络对风电场发电量进行估计，同时预估电价以降低成本；文献《Planning Hydrogen Refueling Stations with Coordinated On-SiteElectrolytic Production》模拟了高速公路的车流量，在分段电价的情况下，降低运行成本。二者均没有给出加氢站内部制氢储氢等装置的配置设计，未同时考虑初期建设投资成本与后期运行成本的优化，其提出的降低成本的方式是不完善的，具有局限性。《Cooperative Operation for Wind Turbines and Hydrogen Fueling Station WithOn-Site Hydrogen Production》利用纳什博弈理论解决了风能发电厂和加氢站合作运行如何分利以及分担风险的问题，对于电价不确定性提出了风险解决措施，验证了电价波动对加氢站运行成本具有较大影响，但是没有提及加氢站的制氢储氢配置问题。《新能源制氢配置及经济性研究》对将风电场与加氢站联合建设进行了研究，对制氢成本进行了计算，但并未考虑电解制氢并网的问题，无法安全有效满足氢能需求，同时未对加氢站配置进行降低成本的优化设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，补充现有技术中的缺漏，提供同时考虑建设成本和运行成本的加氢站制氢储氢装置优化配置方法，提供站内制氢加氢站总成本最低时的制氢储氢容量配置关系，用于解决加氢站规划过程中，如何最优地配置制氢和储氢装置容量问题，同时规划相应的制氢设备日内运行规律。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
考虑建设与运行成本的电解制氢加氢站制氢及储氢配置方法，其特征在于：
所述方法采用费米估算法估算加氢站日内氢能需求；
所述方法对电解制氢加氢站的制氢容量和储氢容量配置与运行过程进行联合优化，同时考虑制氢系统的最大制氢容量、储氢系统最大储氢容量，配合所述的氢能需求，建立同时考虑建设成本、运行成本的目标函数，完成总成本最低的优化目标。
利用费米估算法费米估算法估算加氢站日内氢能需求采用以下方法：
(1)以车流量、进站率和单车加氢量为需氢量三要素，根据加氢站每小时需氢量拆解为：车流量×进站率×单车加氢量；
(2)按照氢能汽车加氢习惯的不同，将氢能汽车分类为：私家车，出租车以及氢能公交车；其中，私家车在工作日工作时间、工作日白天的非工作时间与工作日夜晚具有不同的车流量估计，出租车在工作时间与非工作时间具有不同的车流量估计，公交车在工作时间与非工作时间具有不同的车流量估计；私家车与出租车的进站率估计运用平均值法，其中，h为车辆充一次氢可以安全运行的时长，单位为小时；公交车在每天工作时间结束后一小时进行集中充氢；三类车的单车加氢量也不同；三类车辆的车流量估计的基础是获知加氢站运行时限内所预期服务的车辆数，分别为N1，N2，N3；
三类车的车流量、进站率和单车需氢量三要素如下表所示
Figure BDA0003182738420000031
其中
Figure BDA0003182738420000032
分别表示白天时段、夜晚时段、工作时间与非工作时间的相应车流量，7:00-22:00为白天时段，车流量表示为
Figure BDA0003182738420000033
私家车存在早高峰与晚高峰，高峰期车流量为白天其他时段的3倍，除高峰期外其他时段为均匀车流量，夜晚的车流
Figure BDA0003182738420000041
在[0,N1/50]间整数随机。
出租车高峰小时出行占总交通量的35％以上，高峰段车流量为白天其他时段的2倍，7:00-22:00为白天，车流量为
Figure BDA0003182738420000042
夜晚的车流量
Figure BDA0003182738420000043
在[0,N2/10]间整数随机。
对于出租车与私家车来说，hi与Qi由车辆最大运行里程(km)、车辆安全运行最低剩余氢量(％)、车辆平均运行速度(km/h)与每百公里耗氢量(kg)决定，分别使用变量：
Figure BDA0003182738420000044
ζmin、vi与
Figure BDA0003182738420000045
表示，根据以下公式可计算出hi与Qi。
Figure BDA0003182738420000046
Figure BDA0003182738420000047
对于公交车来说，其每天在工作时间开始前三小时或工作时间后三小时充氢，这两个时间区间分别用T1,T2表示，则：N3[t]＝N3/6,ε3[t]＝100％,t∈T1,T2；设公交车一天运行时长为trun(h)，车辆平均运行速度(km/h)为v3与每百公里耗氢量(kg)为
Figure BDA0003182738420000048
则
Figure BDA0003182738420000049
根据三种车型的车流量、进站率与单车加氢量，获得加氢站日内24h氢能需求向量：
Figure BDA00031827384200000410
进一步地，本发明的联合优化方法，建立站内电解水制氢加氢站的制氢储氢容量配置的约束模型，包括加氢站电解制氢过程、氢能从制氢设备到氢能汽车的流动过程的动态模型，以及制氢设备的制氢速率的约束范围、储氢系统氢气流动速率和储氢状态的约束范围。建立该约束模型将加氢站每时运行状态与设备自身约束相联系，用于求解考虑建设成本与运行成本的最优总成本对应的最优制氢储氢容量配置。
约束条件如下：
(1)建立制氢系统的制氢速率的约束，制氢速率le处于最小制氢速率lemin和最大制氢速率lemax之间，其中，后者决定了制氢设备的建设投资成本：lemin≤le≤lemax；
(2)建立储氢系统的容量约束，储氢量位于最小容量Lmin与最大容量Lmax之间；建立最大氢气流入速率linmax、最大氢气流出速率loutmax的约束，其中，最大容量约束决定了储氢设备的建设投资成本：
0≤lin≤linmax
0≤lout≤loutmax
Lmin≤Lt≤Lmax
(3)电解制氢速率与制氢系统耗电量的关系，制氢设备耗电量与制氢效率的乘积除以低电平时氢能的热值，得到制氢速率，该速率等于储氢设备氢气流入速率：
Figure BDA0003182738420000051
其中，制氢系统耗电量决定了加氢系统的日均运行成本，Pe是电解槽的功耗，ηe是电解槽制氢效率，LHV是低电平时氢气的热值，。
(4)建立储氢装置有关的实时约束，储氢装置氢气流入速率与流出速率之差决定了装置内部上一时段与下一时段储氢状态的差异：
Figure BDA0003182738420000052
采用氢气质量表示，则为：
Figure BDA0003182738420000053
其中储氢装置氢气流出速率等于同时段的氢能需求，即氢能汽车需氢量lneed。
Us和Ts分别为储氢罐的体积和温度，R是气体常数，储氢罐体是压力贮存罐，气压默认为35MPa，Pt为t时段的储氢罐压强，Lt为储氢罐中储氢的质量，单位为kg；lin和lout分别为氢气的流入速率和流出速率。
加氢站制氢与储氢配置中，最基本的要求是满足每时刻的需氢量要求。由于电解水制氢站中，电解水所耗费的电能成本占据超过70％的制氢站总成本，因此，利用电价分段的性质，在电价低峰时电解制氢并存储下来，在电价高峰时，用储氢罐中的氢能与制氢产生的氢能共同提供当时的需氢量，可以有效降低加氢站的电价成本。在采用低峰电价制氢的优化措施时，还需要考虑建设投资。加氢站中电解水制氢设备的投资占据建设投资的40％左右，而该装置的制氢速率与其投资费用由调研结果给出，同时，储氢装置的投资成本与其储氢容量近正比例关系，并在计算运行成本时考虑了压缩机的耗电量成本，建立同时考虑投资成本与运行成本的利用电价峰谷差的方式，最小化总成本的优化模型。
同时考虑建设投资成本与运行成本，以最优化加氢站日均总成本为目标函数，挖掘制氢设备容量与储氢设备容量对建设成本和运行成本的影响，在降低总成本的过程中实现对制氢和储氢容量配置的优化，同时提出相应的制氢设备日内运行规划。
建设与运行成本包括以下方面：
(1)建设投资成本：同时考虑了制氢设备和储氢设备，制氢设备容量与成本的关系为：
Cp＝Cp(lemax)；储氢设备容量与成本的关系为：Cq＝k*Lmax，
其中，lemax为产氢设备最大配置容量；Lmax为储氢设备最大配置容量；前者单位为kWh；后者单位为kg；Cp和Cq分别为制氢设备与储氢设备投资成本。
建设投入成本的年化成本：
Figure BDA0003182738420000061
(2)日运行成本
一天中电解制氢所耗费电量总价为：Ce1＝∫PeSedt
加压设备对氢加压耗电量总价为：
Figure BDA0003182738420000062
指压缩一单位氢所耗费的电量。
综上，加氢站运行过程中利用峰谷电价差值可优化的日运行成本为：Ce＝Ce1+Ce2
其中，Se为电价，考虑峰谷电价的影响，σ为压缩一单位氢所耗费的电量。
所述目标函数为：fcost＝min364*Ce+Cy，
其为加氢站制氢储氢配置年均总成本子目标函数，在最小化年均总成本的过程中实现制氢储氢装置的优化容量配置以及制氢设备运行规律的优化。
本发明利用matlab中线性约束条件下求解最优值的算法，建立的加氢站运行约束条件下，对经济性综合评估指标进行优化求解，获得在服务氢能汽车范围确定的情况下加氢站最优制氢储氢容量配置。
与现有技术相比，本发明的优点有：
(1)利用费米估算的思想，估算了加氢站每小时需氢量，考虑不同氢能汽车类型，根据不同氢能汽车的行驶习惯分别对汽车车流量和进站率进行分析估计，进一步提高了估算精度。
(2)该加氢站制储配置方法综合考虑了初期建设投资成本以及运行成本，并对加氢站进行运行方式规划，使之充分利用电价峰谷差红利，最小化运行成本，同时在目标函数中考虑投资成本，实现了加氢站储氢装置和制氢装置的容量优化配置，提出了相应的制氢设备日内运行规划。
(3)该优化配置方法在加氢站运行层面考虑了制氢装置和储氢装置的主要变量。通过调研得到制氢装置容量、储氢装置容量与其建设投资成本的关系；在加氢站运行约束模型中挖掘了装置容量与需氢量的关系；因此，该方法提出的经济性评估指标得以同时考虑建设投资成本和运行成本，在加氢站初期投资建设成本较高的当下，具有总重要的实际意义。
(4)提出的加氢站优化配置方法，考虑了加氢站的实时氢能需求，在满足氢能汽车用氢量需求的基础上提出优化成本的方法。在投资方角度上，能对未来收益有所预估；在氢能汽车车主角度上，用氢需求得到了保障；符合加氢站建立的初衷。
(5)该方法作为考虑分段电价的优化配置方法，在电价低谷时进行电能消纳，对电网电力的削峰填谷有正面影响，同时也为加氢站与新能源发电装置合作提供了一定的技术支持。
综上，使用本发明提出的氢能需求估计方法为加氢站成本估计提供了前提，提出的考虑建设成本和运行成本的加氢站制氢储氢装置优化配置方法，可以有效预估实时氢能需求，评估不同配置下的加氢站总成本，并提出加氢站储氢制氢最优配置，有效降低加氢站成本。
附图说明
图1给定场景下加氢站日内车流量估计曲线；
图2给定场景下加氢站日内需氢量估计曲线；
图3给定场景下加氢站日内制氢设备运行规划。
具体实施方式
参数确定：
1.三种车型性能确定:
选定的加氢站的服务对象为100辆私家车，30辆出租车与30辆公交车，即：N1＝100，N2＝30，N3＝30。私家车以长安CS75氢燃料车型为标准，最大运行里程
Figure BDA0003182738420000081
为450公里，百公里耗氢
Figure BDA0003182738420000082
为1kg，平均时速v1为60km/h，当私家车的氢能剩余量小于最大储氢量的
Figure BDA0003182738420000083
(15％)时，达到充氢要求。出租车最大运行里程
Figure BDA0003182738420000084
为400公里，每百公里耗氢
Figure BDA0003182738420000085
为1.5kg，平均时速v2为58km/h，且
Figure BDA0003182738420000086
根据权利要求2中的公式
Figure BDA0003182738420000087
通过计算得
Figure BDA0003182738420000088
公交车加一次氢气可行驶750公里，公交车时速55公里，将等待时间与启停时间计入，时速v3为45公里。百公里耗氢量
Figure BDA0003182738420000089
为3.4kg，氢能公交车存在两种充氢时间段：在发车前充满氢或者下班后进行充氢。这两个时间段T1,T2分别设为：6:00-9:00；19:00-22:00。三十辆公交车均匀分布在这两个时间段进行充氢，共运行13小时，即trun＝13。每次注氢根据公式：
Figure BDA0003182738420000091
计算得Q3＝19.89kg。
2.不同时段车流量预估：
私家车存在早高峰与晚高峰，7:00-9:00；17:00:19:00为高峰期，9:00-17:00为白天其他时段。车流量为白天其他时段的3倍，7:00-22:00为白天时段，车流量表示为
Figure BDA0003182738420000092
除高峰期外其他时段为均匀车流量，夜晚的车流
Figure BDA0003182738420000093
随机出现。在[0,N1/50]间整数随机。
出租车高峰小时出行占总交通量的35％以上，高峰段车流量为白天其他时段的2倍，7:00-22:00为白天，车流量为
Figure BDA0003182738420000094
夜晚的车流量
Figure BDA0003182738420000095
在[0,N2/10]间整数随机。
车流量估计结果如图1所示，根据计算得到的Qi，εi，由公式
Figure BDA0003182738420000096
得到24h需氢量估计结果如图2所示。
4.电价Se设定：
Figure BDA0003182738420000097
5.需氢量估计结果即为加氢站储氢设备输出量结果，即：lout＝lneed，约束条件代入参数数值：ηe＝60％，LHV＝39.72kWh/kg，得到lin＝0.015Pe；制氢设备的氢气输出速率与储氢罐氢气存储量的下限取0，储氢罐氢气输入与输出速率上限根据储氢罐性能取值，在此取0.1倍氢气存储容量，得到实例中的约束条件如下：
0≤0.015Pe≤lemax，0≤0.015Pe≤0.1Lmax
0≤lneed≤0.1Lmax，
Figure BDA0003182738420000098
Figure BDA0003182738420000099
此约束方程中共有26个独立变量，分别为制氢设备24h制氢功率与制氢、储氢设备容量值，且约束均为线性约束，其中lneed为估计得到的24h需氢量。
5.根据权利要求3中的优化目标函数，根据调研结果，加氢站运行年限一般为10年，金融年利率设为5％，储氢容量与储氢装置投资成本的关系函数中，k近似为常数，为246元/kg。制氢设备投资成本满足：Cp(lemax)＝2996.4*lemax元；储氢投资成本与最大制氢速率的关系函数为：Cq(Lmax)＝246Lmax元。获得与制氢、储氢设备容量有关的投资年化成本
Figure BDA0003182738420000101
同时将电价向量的转置与24h制氢电功率向量相乘，获得与加氢站运行有关的日运行成本
Figure BDA0003182738420000102
最后可表示出优化目标函数：
Figure BDA0003182738420000103
6.通过以上步骤，该配置方法求解问题即为26个变量的线性约束优化问题，可采用matlab内置函数求解该优化问题，获得优化结果。同时，为了证明该配置方法对降低总成本的有效性，将配置结果与无优化配置方案进行了对比，根据以上加氢站约束、优化目标以及需氢量估计，模型求解结果与对比结果如下：
Figure BDA0003182738420000104
由上表可知，采用本发明提出的优化配置方案能够明显降低加氢站年均总花费，对提高加氢站的经济效益很有意义，图3为优化结果中的制氢设备运行规划，即为优化结果中的其余24个变量值Pe，该运行规划配合制氢设备与储氢设备容量配置方案能够实现总成本最优的优化效果。

Claims (5)

1.考虑建设与运行成本的电解制氢加氢站制氢及储氢配置方法，其特征在于：
所述方法采用费米估算法估算加氢站日内氢能需求；
所述方法对电解制氢加氢站的制氢容量和储氢容量配置与运行过程进行联合优化，同时考虑制氢系统的最大制氢容量、储氢系统最大储氢容量，配合所述的氢能需求，建立同时考虑建设成本、运行成本的目标函数，完成总成本最低的优化目标。
2.如权利要求1所述的考虑建设与运行成本的电解制氢加氢站制氢及储氢配置方法，其特征在于利用费米估算法费米估算法估算加氢站日内氢能需求采用以下方法：
(1)以车流量、进站率和单车加氢量为需氢量三要素，根据加氢站每小时需氢量拆解为：车流量×进站率×单车加氢量；
(2)按照氢能汽车加氢习惯的不同，将氢能汽车分类为：私家车，出租车以及氢能公交车；其中，私家车在工作日工作时间、工作日白天的非工作时间与工作日夜晚具有不同的车流量估计，出租车在工作时间与非工作时间具有不同的车流量估计，公交车在工作时间与非工作时间具有不同的车流量估计；私家车与出租车的进站率估计运用平均值法，其中，h为车辆充一次氢可以安全运行的时长，单位为小时；公交车在每天工作时间结束后一小时进行集中充氢；三类车的单车加氢量也不同；三类车辆的车流量估计的基础是获知加氢站运行时限内所预期服务的车辆数，分别为N1，N2，N3；
三类车的车流量、进站率和单车需氢量三要素如下表所示
Figure FDA0003182738410000011
Figure FDA0003182738410000021
其中
Figure FDA0003182738410000022
分别表示白天时段、夜晚时段、工作时间与非工作时间的相应车流量，7:00-22:00为白天时段，车流量表示为
Figure FDA0003182738410000023
私家车存在早高峰与晚高峰，高峰期车流量为白天其他时段的3倍，除高峰期外其他时段为均匀车流量，夜晚的车流
Figure FDA0003182738410000024
在[0,N1/50]间整数随机。
出租车高峰小时出行占总交通量的35％以上，高峰段车流量为白天其他时段的2倍，7:00-22:00为白天，车流量为
Figure FDA0003182738410000025
夜晚的车流量
Figure FDA0003182738410000026
在[0,N2/10]间整数随机。
对于出租车与私家车来说，hi与Qi由车辆最大运行里程(km)、车辆安全运行最低剩余氢量(％)、车辆平均运行速度(km/h)与每百公里耗氢量(kg)决定，分别使用变量：
Figure FDA0003182738410000027
ζmin、vi与
Figure FDA0003182738410000028
表示，根据以下公式可计算出hi与Qi。
Figure FDA0003182738410000029
Figure FDA00031827384100000210
对于公交车来说，其每天在工作时间开始前三小时或工作时间后三小时充氢，这两个时间区间分别用T1,T2表示，则：N3[t]＝N3/6,ε3[t]＝100％,t∈T1,T2；设公交车一天运行时长为trun(h)，车辆平均运行速度(km/h)为v3，每百公里耗氢量(kg)为
Figure FDA0003182738410000031
则
Figure FDA0003182738410000032
3.如权利要求1所述的考虑建设与运行成本的电解制氢加氢站制氢及储氢配置方法，其特征在于所述制氢容量和储氢容量配置与运行过程的联合优化的方法，通过获得的制氢设备投资成本与制氢容量的关系；利用分段电价降低运行成本，在选择优化目标时选择建设投资成本与运行成本共同决定的总成本为优化目标，并在计算运行成本时考虑了压缩机的耗电量成本；建立以年均总成本最低为目标的优化模型；
同时考虑建设投资成本与运行成本，以最优化加氢站日均总成本为目标函数，在降低总成本的过程中实现对制氢和储氢容量配置的优化，配合优化的制氢和储氢容量配置，实现总成本最低。
4.如权利要求1所述的考虑建设与运行成本的电解制氢加氢站制氢及储氢配置方法，其特征在于建设与运行成本包括以下方面：
(1)建设投资成本：同时考虑了制氢设备和储氢设备，制氢设备容量与成本的关系为：
Cp＝Cp(lemax)；储氢设备容量与成本的关系为：Cq＝k*Lmax，
其中，lemax为制氢设备最大配置容量；Lmax为储氢设备最大配置容量；前者单位为kWh；后者单位为kg。
建设投入成本的年化成本：
Figure FDA0003182738410000033
(2)日运行成本
一天中电解制氢所耗费电量总价为：Ce1＝∫PeSedt
加压设备对氢加压耗电量总价为：
Figure FDA0003182738410000034
σ指压缩一单位氢所耗费的电量；
加氢站运行过程中利用峰谷电价差值可优化的日运行成本为：Ce＝Ce1+Ce2其中，Se为电价，考虑峰谷电价的影响；。
5.如权利要求1所述的考虑建设与运行成本的电解制氢加氢站制氢及储氢配置方法，其特征在于所述目标函数为：fcost＝min364*Ce+Cy，
fcost为加氢站制氢储氢配置年均总成本子目标函数，在最小化年均总成本的过程中实现制氢储氢装置的优化容量配置以及制氢设备运行规律的优化。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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