基于煤化工的多能耦合系統(tǒng)全壽命周期經(jīng)濟(jì)評(píng)估數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

馬書紅

摘要：本文以多功能耦合系統(tǒng)為基本對(duì)象，重點(diǎn)圍繞其經(jīng)濟(jì)性評(píng)估問題展開探討，由此提出可行的評(píng)估方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)多能耦合系統(tǒng)全壽命綜合性評(píng)估。共分為三大部分，首先總體概述有關(guān)于多能耦合系統(tǒng)的集成方案;在此基礎(chǔ)上將全壽命周期凈利潤(rùn)作為核心目標(biāo)，提升風(fēng)電的消納能力，總結(jié)了系統(tǒng)約束條件，基于上述內(nèi)容得到了經(jīng)濟(jì)評(píng)估數(shù)學(xué)模型，與此同時(shí)還展開了有關(guān)于多能耦合系統(tǒng)凈利潤(rùn)的分析;最后，引入了實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)與煤化工企業(yè)，基于上述所提出的評(píng)估模型展開了經(jīng)濟(jì)性分析。

關(guān)鍵詞：多能耦合系統(tǒng);數(shù)學(xué)評(píng)估模型;全壽命周期

中圖分類號(hào)：TQ050.4⁺3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）06-0132-04

由于風(fēng)電表現(xiàn)出很強(qiáng)的隨機(jī)性與不可控性，在此影響下我國的風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)比例較高，這點(diǎn)在西部地區(qū)體現(xiàn)得尤為明顯。該地區(qū)擁有大量的煤炭資源，在長(zhǎng)期的發(fā)展中主要都以依靠化石能源的途徑而實(shí)現(xiàn)發(fā)展，并且這一局面在短時(shí)間內(nèi)難以改變。相比之下，風(fēng)氫藕合發(fā)電則更是一種突破性方法，它實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電與煤化工產(chǎn)業(yè)的良好融合，借助于電水制氫氧工藝，可以顯著提升風(fēng)電的消納水平，同時(shí)也能擺脫傳統(tǒng)方式下氫氧提取過程中的高耗能局面。但應(yīng)明確的是，WP-HES&CCMFCS多能量共存與多能量流動(dòng)鏈路均表現(xiàn)出很強(qiáng)的復(fù)雜性，為了推動(dòng)此技術(shù)的深度發(fā)展，有必要圍繞WP-HES&CCMFCS展開經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，由此將現(xiàn)階段所表露出的問題解決好。

1 風(fēng)電-氫儲(chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)

作為一種新型技術(shù)，風(fēng)電-氫儲(chǔ)能與煤化工多能藕合系統(tǒng)可以充分發(fā)揮出所在區(qū)域的資源優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上提出一種更為可行的新型多能系統(tǒng)。關(guān)于其具體運(yùn)行思路有：將氫儲(chǔ)能作為關(guān)鍵媒介，將產(chǎn)業(yè)鏈作為突破口完成對(duì)風(fēng)電與煤化工兩大領(lǐng)域的深度整合，充分的發(fā)揮出風(fēng)資源的優(yōu)勢(shì)，在最大限度上減少原料煤等石化能源的消耗。

以上述思路為指導(dǎo)，充分考慮到當(dāng)前的風(fēng)電發(fā)力行業(yè)現(xiàn)狀以及所具備的技術(shù)水平，由此提出了風(fēng)電-氫儲(chǔ)能與煤化工多能藕合系統(tǒng)這一全新方案。其構(gòu)成較為復(fù)雜，除了最為基礎(chǔ)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)外，還涉及到了混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)系統(tǒng)等要素，并實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的高效連接。

對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行分析：對(duì)于其中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，具有較高的靈活性，一方面指的是大規(guī)模集中式風(fēng)電場(chǎng)，另一方面還可以指的是分散式風(fēng)電場(chǎng)，但相比之下后者對(duì)于提升整體系統(tǒng)的靈活性發(fā)揮出重要的作用。基于分散式風(fēng)電的多能藕合系統(tǒng)，它可以服務(wù)于多數(shù)煤化工企業(yè)甚至是一些氫氣富集型高耗能企業(yè)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)此類型企業(yè)的技術(shù)升級(jí)，這對(duì)于技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮出了重要的意義。電解制氫具有較強(qiáng)的特殊性，它可以與風(fēng)電系統(tǒng)達(dá)到高度相似性，實(shí)現(xiàn)與間歇以及波動(dòng)輸入的良好融合，基于多能藕合系統(tǒng)，在面對(duì)電網(wǎng)無法消納的風(fēng)電時(shí)，則會(huì)以合適的機(jī)制分配給氫儲(chǔ)能系統(tǒng)，由此展開制氫工作，實(shí)現(xiàn)電能向氫氣能的轉(zhuǎn)化。在整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成中，功率分配器是尤為關(guān)鍵的設(shè)備，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變流器的控制，充分考慮到電網(wǎng)以及氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行需求，將其作為引導(dǎo)完成對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的調(diào)節(jié)，起到優(yōu)化功率分配的效果。

1WP-HES&CCMFCS

本文提出了WP-HES&CCMFCS，關(guān)于其具體構(gòu)架可見下圖1，分析得知其中涉及到了以風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)為代表的多個(gè)系統(tǒng)。具體來說，關(guān)于風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)，它主要以兩種形式而存在，其一為集中式風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，其二則為分散式風(fēng)力發(fā)電廠，相較而言后者的靈活性更強(qiáng)，具有更強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)于電能分配子系統(tǒng)，它主要由AC-DC、AC-AC型變流器等元器件構(gòu)成。關(guān)于風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)，在AC-AC變流器的作用下可以滿足本地負(fù)荷的需求，當(dāng)遇到電網(wǎng)消納風(fēng)電風(fēng)量不足的情況時(shí)，在功率分配控制器的作用下便可以完成將該部分風(fēng)電功率轉(zhuǎn)入給氫儲(chǔ)能系統(tǒng)使用，而這一過程則需要借助于AC-DC而完成，最終達(dá)到電能轉(zhuǎn)換為氫能的效果。關(guān)于氫儲(chǔ)及分配子系統(tǒng)，它以電解槽為核心，加之電源控制模塊等部分所構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氫能的分配作業(yè)。對(duì)壓力存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行分析，它主要指的是空氣壓縮機(jī)以及高壓氫氧儲(chǔ)存設(shè)備這兩大類，而在氫儲(chǔ)能分配模塊的作用下，以控制策略要求為指導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣、氧氣等流量指標(biāo)的優(yōu)化。在煤化工生產(chǎn)子系統(tǒng)中，還離不開氣體合成反應(yīng)器的支持。最后，對(duì)甲醇?xì)溲跞剂习l(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分析，它主要指的是燃燒室以及燃?xì)廨啓C(jī)組等設(shè)備。

2WP-HES&CCMFCS成本計(jì)算模型

2.1WP-HES&CCMFCS運(yùn)營(yíng)模式

基于WP-HES&CCMFCS，加之電解水制氫氧工藝的作用，可以顯著提升風(fēng)電并網(wǎng)容量，同時(shí)也能擺脫傳統(tǒng)方式下氫氧提取過程中的高耗能局面。在實(shí)際應(yīng)用過程中，WP-HES&CCMFCS可以以多種組合模式而實(shí)現(xiàn)，但出于成本考慮，有必要圍繞WP-HES&CCMFCS展開經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，關(guān)于其運(yùn)營(yíng)模式可見上圖2。盡管系統(tǒng)中涉及到的內(nèi)容較多，但受篇幅限制，本文則重點(diǎn)圍繞電能與氫能分配自系統(tǒng)控制策略這一部分展開探討。

2.2WP-HES&CCMFCS全壽命周期成本計(jì)算模型

基于上述的分析，可以總結(jié)出WP-HES&CCMF-CS運(yùn)營(yíng)過程中的成本需求：①有關(guān)于系統(tǒng)初始設(shè)備的投入資金;②系統(tǒng)在提升風(fēng)電消納水平以及改善污染問題時(shí)所花費(fèi)的成本。

3 WP-HES&CCMFCS總經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算模型

同樣，基于上述的分析，可以總結(jié)出WP-HES&CCMFCS的收入類型，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)電力售賣所獲得的收益，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)電量碳排放指標(biāo)交易收益，除此之外還涉及到煤化工因節(jié)約碳排放而帶來的收益等。

4WP-I-IES&CCMFCS凈經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算模型

以WP-HES&CCMFCS既定運(yùn)營(yíng)模式為基準(zhǔn)，要想提升風(fēng)電并網(wǎng)容量，并擺脫傳統(tǒng)方式下氫氧提取過程中的高耗能局面，最為基礎(chǔ)的便是要滿足子系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)要求，同時(shí)各個(gè)子系統(tǒng)之間的能量流動(dòng)轉(zhuǎn)換也需要得到充分的保障。故此，滿足系統(tǒng)各約束條件是最為基本的前提。

4.1WP-HES&CCMFCS全壽命周期凈利潤(rùn)計(jì)算模型約束條件

在上述分析的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步探討，WP-HES&CCMFCS凈利潤(rùn)計(jì)算模型約束條件涉及到的內(nèi)容較為豐富，諸如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行約束、氫氧存儲(chǔ)設(shè)備約束等都是需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

4.2WP-HES&CCMFCS全壽命周期凈利潤(rùn)計(jì)算函數(shù)

確保各子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行約束得到充分的滿足，由此可以進(jìn)一步展開全壽命周期凈利潤(rùn)的分析，它指的是全壽命周期總收益與系統(tǒng)總成本的差值，此處有必要對(duì)總收益做進(jìn)一步的說明，它指的是各類型設(shè)備全壽命周期過程中的殘值折算，關(guān)于具體的計(jì)算公式如下：

注：上述中的Fs與Lt分別為WP-HES&CCMFCS全壽命周期凈利潤(rùn)與設(shè)備在第t年的殘值，其單位用萬元表示;關(guān)于殘值折算，此處依然采用的是直線折舊法，即需要以固定資產(chǎn)的5%為基準(zhǔn);此外，r₁指的是折現(xiàn)率，相比之下它占到了固定資產(chǎn)的10%。

4.3WP-HES&CCMFCS全壽命周期經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估計(jì)算流程

（1）引入等效函數(shù)思想，由此圍繞系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行等相關(guān)約束條件展開分析，達(dá)到定容與定量的效果。

（2）關(guān)于風(fēng)電輸入容量，此處暫不考慮風(fēng)電間歇性因素的影響，以所在區(qū)域的固定風(fēng)資源為背景，由此展開風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的規(guī)劃工作。

（3）在展開WP-HES&CCMFCS經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮到風(fēng)電場(chǎng)容量這一要求，同時(shí)需要滿足壽命周期內(nèi)凈利潤(rùn)不低于零的基本前提，分別計(jì)算出系統(tǒng)資金回收期以及全壽命周期所對(duì)應(yīng)的凈利潤(rùn)總和。

（4）之所以展開經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估工作，最為根本的便是對(duì)系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)估，此處暫不考慮內(nèi)部子系統(tǒng)使用年限這一影響因素，在本文的分析中將其設(shè)為20年。

5 結(jié)論

文章重點(diǎn)圍繞風(fēng)電-氫儲(chǔ)能與煤化工多能藕合系統(tǒng)展開探討，圍繞氫儲(chǔ)能系統(tǒng)而展開，將產(chǎn)業(yè)鏈作為突破口，能夠滿足對(duì)高耗能型煤化工產(chǎn)業(yè)的供電需求，從而充分發(fā)揮出可再生風(fēng)能源的優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電向氫氣的轉(zhuǎn)換，由此緩解了間歇等不良風(fēng)電特性，增強(qiáng)了電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性，煤化工企業(yè)還可以獲得二次能源系統(tǒng)的支持，進(jìn)一步減少了原料煤等能源的消耗。除此之外，還建立了相對(duì)應(yīng)的全壽命周期經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估模型，展開了效益性評(píng)估。