基于煤化工的多能耦合系统全寿命周期经济评估数学模型构建
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作者:马书红
摘要：本文以多功能耦合系统为基本对象，重点围绕其经济性评估问題展开探讨，由此提出可行的评估方案，实现对多能耦合系统全寿命综合性评估。共分为三大部分，首先总体概述有关于多能耦合系统的集成方案;在此基础上将全寿命周期净利润作为核心目标，提升风电的消纳能力，总结了系统约束条件，基于上述內容得到了经济评估数学模型，与此同时还展开了有关于多能耦合系统净利润的分析;最后，引入了实际风电场与煤化工企业，基于上述所提出的评估模型展开了经济性分析。
关键词：多能耦合系统;数学评估模型;全寿命周期
中图分类号：TQ050.4+3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）06-0132-04
由于风电表现出很强的随机性与不可控性，在此影響下我国的风电场弃风比例较高，这点在西部地区体现得尤为明显。该地区拥有大量的煤炭资源，在长期的发展中主要都以依靠化石能源的途径而实现发展，并且这一局面在短时间内难以改变。相比之下，风氢藕合发电则更是一种突破性方法，它实现了风电与煤化工产业的良好融合，借助于电水制氢氧工艺，可以显著提升风电的消纳水平，同时也能摆脱传统方式下氢氧提取过程中的高耗能局面。但应明确的是，WP-HES&CCMFCS多能量共存与多能量流动链路均表现出很强的复杂性，为了推动此技术的深度发展，有必要围绕WP-HES&CCMFCS展开经济性评估，由此将现阶段所表露出的问题解决好。
1 风电-氢储能与煤化工多能耦合系统
作为一种新型技术，风电-氢储能与煤化工多能藕合系统可以充分发挥出所在区域的资源优势，在此基础上提出一种更为可行的新型多能系统。关于其具体运行思路有：将氢储能作为关键媒介，将产业链作为突破口完成对风电与煤化工两大领域的深度整合，充分的发挥出风资源的优势，在最大限度上减少原料煤等石化能源的消耗。
以上述思路为指导，充分考虑到当前的风电发力行业现状以及所具备的技术水平，由此提出了风电-氢储能与煤化工多能藕合系统这一全新方案。其构成较为复杂，除了最为基础的风力发电系统、氢储能系统外，还涉及到了混合动力发动系统等要素，并实现与电网的高效连接。
对系统构成进行分析：对于其中的风力发电系统而言，具有较高的灵活性，一方面指的是大规模集中式风电场，另一方面还可以指的是分散式风电场，但相比之下后者对于提升整体系统的灵活性发挥出重要的作用。基于分散式风电的多能藕合系统，它可以服务于多数煤化工企业甚至是一些氢气富集型高耗能企业，由此实现对此类型企业的技术升级，这对于技术的发展发挥出了重要的意义。电解制氢具有较强的特殊性，它可以与风电系统达到高度相似性，实现与间歇以及波动输入的良好融合，基于多能藕合系统，在面对电网无法消纳的风电时，则会以合适的机制分配给氢储能系统，由此展开制氢工作，实现电能向氢气能的转化。在整个系统构成中，功率分配器是尤为关键的设备，它可以实现对变流器的控制，充分考虑到电网以及氢储能系统的实际运行需求，将其作为引导完成对风力发电系统输出功率的调节，起到优化功率分配的效果。
1WP-HES&CCMFCS
本文提出了WP-HES&CCMFCS，关于其具体构架可见下图1，分析得知其中涉及到了以风力发电子系统为代表的多个系统。具体来说，关于风力发电子系统，它主要以两种形式而存在，其一为集中式风力发电场，其二则为分散式风力发电厂，相较而言后者的灵活性更强，具有更强的应用价值。关于电能分配子系统，它主要由AC-DC、AC-AC型变流器等元器件构成。关于风力发电子系统，在AC-AC变流器的作用下可以满足本地负荷的需求，当遇到电网消纳风电风量不足的情况时，在功率分配控制器的作用下便可以完成将该部分风电功率转入给氢储能系统使用，而这一过程则需要借助于AC-DC而完成，最终达到电能转换为氢能的效果。关于氢储及分配子系统，它以电解槽为核心，加之电源控制模块等部分所构成，可以实现对氢能的分配作业。对压力存储设备进行分析，它主要指的是空气压缩机以及高压氢氧储存设备这两大类，而在氢储能分配模块的作用下，以控制策略要求为指导，可以实现对氢气、氧气等流量指标的优化。在煤化工生产子系统中，还离不开气体合成反应器的支持。最后，对甲醇氢氧燃料发电系统进行分析，它主要指的是燃烧室以及燃气轮机组等设备。
2WP-HES&CCMFCS成本计算模型
2.1WP-HES&CCMFCS运营模式
基于WP-HES&CCMFCS，加之电解水制氢氧工艺的作用，可以显著提升风电并网容量，同时也能摆脱传统方式下氢氧提取过程中的高耗能局面。在实际应用过程中，WP-HES&CCMFCS可以以多种组合模式而实现，但出于成本考虑，有必要围绕WP-HES&CCMFCS展开经济性评估，关于其运营模式可见上图2。尽管系统中涉及到的内容较多，但受篇幅限制，本文则重点围绕电能与氢能分配自系统控制策略这一部分展开探讨。
2.2WP-HES&CCMFCS全寿命周期成本计算模型
基于上述的分析，可以总结出WP-HES&CCMF-CS运营过程中的成本需求：①有关于系统初始设备的投入资金;②系统在提升风电消纳水平以及改善污染问题时所花费的成本。
3 WP-HES&CCMFCS总经济效益计算模型
同样，基于上述的分析，可以总结出WP-HES&CCMFCS的收入类型，风力发电并网电力售卖所获得的收益，风电场并网电量碳排放指标交易收益，除此之外还涉及到煤化工因节约碳排放而带来的收益等。
4WP-I-IES&CCMFCS净经济效益计算模型
以WP-HES&CCMFCS既定运营模式为基准，要想提升风电并网容量，并摆脱传统方式下氢氧提取过程中的高耗能局面，最为基础的便是要满足子系统设备技术指标要求，同时各个子系统之间的能量流动转换也需要得到充分的保障。故此，满足系统各约束条件是最为基本的前提。 4.1WP-HES&CCMFCS全寿命周期净利润计算模型约束条件
在上述分析的基础上做进一步探讨，WP-HES&CCMFCS净利润计算模型约束条件涉及到的内容较为丰富，诸如风力发电机组稳定运行约束、氢氧存储设备约束等都是需要重点考虑的内容。
4.2WP-HES&CCMFCS全寿命周期净利润计算函数
确保各子系统的稳定运行约束得到充分的满足，由此可以进一步展开全寿命周期净利润的分析，它指的是全寿命周期总收益与系统总成本的差值，此处有必要对总收益做进一步的说明，它指的是各类型设备全寿命周期过程中的残值折算，关于具体的计算公式如下：
注：上述中的Fs与Lt分别为WP-HES&CCMFCS全寿命周期净利润与设备在第t年的残值，其单位用万元表示;关于残值折算，此处依然采用的是直线折旧法，即需要以固定资产的5%为基准;此外，r1指的是折现率，相比之下它占到了固定资产的10%。
4.3WP-HES&CCMFCS全寿命周期经济效益评估计算流程
（1）引入等效函数思想，由此围绕系统稳定运行等相关约束条件展开分析，达到定容与定量的效果。
（2）关于风电输入容量，此处暂不考虑风电间歇性因素的影响，以所在区域的固定风资源为背景，由此展开风电场装机容量的规划工作。
（3）在展开WP-HES&CCMFCS经济效益评估工作时，应当充分考虑到风电场容量这一要求，同时需要满足寿命周期内净利润不低于零的基本前提，分别计算出系统资金回收期以及全寿命周期所对应的净利润总和。
（4）之所以展开经济效益评估工作，最为根本的便是对系统整体经济效益进行评估，此处暂不考虑内部子系统使用年限这一影响因素，在本文的分析中将其设为20年。
5 结论
文章重点围绕风电-氢储能与煤化工多能藕合系统展开探讨，围绕氢储能系统而展开，将产业链作为突破口，能够满足对高耗能型煤化工产业的供电需求，从而充分发挥出可再生风能源的优势。与此同時，系统还可以实现风电向氢气的转换，由此缓解了间歇等不良风电特性，增强了电网运行稳定性，煤化工企业还可以获得二次能源系统的支持，进一步减少了原料煤等能源的消耗。除此之外，还建立了相对应的全寿命周期经济效益评估模型，展开了效益性评估。
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