风力发电产氢注入天然气管网仿真计算

收稿日期:２０１９－０４－２１作者简介:张晓光(１９８６－)ꎬ男ꎬ山西原平人ꎬ高级工程师ꎬ工学博士ꎬ主要从事能源与动力工程的研究工作ꎮ风力发电产氢注入天然气管网仿真计算张晓光１叶茂２雷马平２１.西安航天动力研究所ꎬ陕西西安７１０１００ꎻ２.中国兵器工业导航与控制技术研究所ꎬ北京１０００８９摘要:为评估利用风力发电的富裕电力制氢并注入天然气管网存储的可行性ꎬ建立了耦合风力发电、电解水制氢以及天然气管网计算的仿真模型ꎬ对管网储氢进行了静态与动态仿真分析ꎮ在保证用户节点能量需求的前提下ꎬ提出了定压力变流量和变压力定流量的天然气管网输运策略ꎮ静态仿真结果表明ꎬ两种策略下天然气管网均可实现氢气存储ꎬ且各用户节点的天然气消耗量均有降低ꎮ由于变压力定流量策略下管网天然气消耗量降低较显著ꎬ基于该输运策略提出了储配气站压力动态调整方法ꎻ动态仿真结果表明ꎬ该动态调整方法在节省管网储配气站天然气输入的同时ꎬ基本可以满足用户节点的能量需求ꎮ通过分析可知ꎬ变压力定流量策略可兼顾用户节点的能量需求和管网天然气耗量降低ꎬ缓解“弃风限电”问题ꎬ可供类似电厂参考借鉴ꎮ关键词:风力发电ꎻ天然气管网ꎻ储氢ꎻ弃风限电ＤＯＩ:１０ｓｔｒａｔｅｇｙｃｏｕｌｄｎｏｔｏｎｌｙｍｅｅｔｔｈｅｅｎｅｒｇｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｕｓｅｒｎｏｄｅｓꎬｂｕｔａｌｓｏｈｅｌｐｔｏｄｅｃｒｅａｓｅｔｈｅｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｎａｔｕｒａｌｇａｓｉｎｎｅｔｗｏｒｋｓꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｍｏｔｅｓｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｆｒｏｍｗｉｎｄｃｕｒｔａｉｌｍｅｎｔａｎｄｈｙｄｒｏｇｅｎｅｎｅｒｇｙｉｎｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｓꎬａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｓｉｍｉｌａｒｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＷｉｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎꎻＮａｔｕｒａｌｇａｓｎｅｔｗｏｒｋｓꎻＨｙｄｒｏｇｅｎｓｔｏｒａｇｅꎻＷｉｎｄｃｕｒｔａｉｌｍｅｎｔ０前言近年来ꎬ我国风力发电延续平稳快速增长势头ꎬ装机容量和发电量不断攀升ꎮ随着我国对清洁能源需求的持续增加ꎬ风力发电具有更加广阔的发展前景ꎮ但风力发电也有受天气影响的明显缺点ꎬ风力发电量的不稳定性对电力系统调峰能力构成了严重挑战ꎮ因此ꎬ很多时候我国不得已采用“弃风限电”策略ꎬ造成了风电的较大浪费[１－３]ꎮ如何解决“弃风限电”难题对风力发电行业至关重要ꎮ针对上述问题ꎬ将风力发电产氢注入天然气管网存储具有解决风力发电较大波动性的可能ꎬ即基于天然气管网ꎬ利用富裕风电电解水产氢ꎬ并将之注入到管网中储存ꎬ实现部分替代天然气的作用ꎬ进而实现富裕风电的能量转换和存储ꎮＨａｅｓｅｌｄｏｎｃｋｘＤ等人分析了天然气管网储氢的可行性及市场经济性[４－５]ꎮＴａｂｋｈｉＦ等人仿真分析了储氢对天然气管网相关特性的影响ꎬ指出储氢会造成管网能量特性降低[６]ꎮＭｅｌａｉｎａＭＷ等人详细说明了天然气管网储氢所面临的兼容性、安全性、泄漏量及分离提取技术等关键问题[７－９]ꎮ黄明、吴嫦等人通过计算指出提高输送压力可保证储氢管道输出功率不变[１０－１１]ꎮＧｕａｎｄａｌｉｎｉＧ等人基于电解水产氢和单根管路模型ꎬ对天然气管网储氢技术可行性进行了分析[１２－１４]ꎮ以上研究主要对天然气管网储氢能力进行宏观分析ꎬ缺少对实际复杂管网情况的考虑ꎮ本文基于实际天气数据、风力发电模型、电解水制氢模型及实际复杂天然气管网模型ꎬ完成了富裕风电产氢注入天然气管网的建模仿真ꎬ考察了产氢注入对用户节点的气体组分、压力、流量、输运功率的影响ꎻ在保证用户节点能量需求的前提下ꎬ将储氢工况下管网整体的天然气节省量作为可行性指标ꎬ从能量转化角度评估天然气管网储存富裕风电产氢的可行性ꎮ１仿真模型与计算方法１１２仿真结果与分析２１７