一种电解水制氢氧耦合富氧燃烧制甲醇系统及其调度方法与流程

本发明属于能源转换、化学品生产以及环境保护领域，具体涉及一种电解水制氢氧耦合富氧燃烧制甲醇系统及其调度方法。

背景技术：

1、随着全球能源需求的增长和环境污染问题的日益严重，寻求清洁、高效的能源转换与利用方法成为当务之急。西部地区作为我国可再生能源技术应用的先进地区，甲醇作为一种重要的化工原料和能源载体，近年来已逐步出现通过可再生能源制取的绿氢生产甲醇的技术，极大改善传统的甲醇生产主要依赖化石燃料的情况。然而在现有的技术应用中，对于副产物o2的利用方式多为提纯后作为工业气体参与生产、售卖或直接排放，成本高，利用效率低。电解水后的o2中含有较多杂质(h2、co、co2、水等)，进一步提纯的成本高，但可以作为良好的助燃物。

2、在现有技术中，尽管已有可再生能源进行电解水制氢、绿氢制甲醇、富氧燃烧的技术，但这些技术往往分散在不同的领域，没有与我国具体的能源情况紧密结合，存在能源转换效率低、成本高、系统集成度不高等问题。同时，在氢氧协同利用控制领域，尚没有可以支持该系统的控制理论及方法。主要包括如下：

3、能源转换效率：提高能源转换效率是甲醇生产和工业燃烧技术面临的主要挑战。需要开发更高效的能源转换过程，以减少能源损失。

4、环境污染控制：控制和减少在甲醇生产和多样化的燃料过程中产生的环境污染是另一个重要挑战。需要有效的污染物捕集和处理技术，以降低对环境的影响。

5、系统集成与优化：如何将电解水制氢、富氧焚烧和甲醇合成等多个过程有效集成，并进行系统优化，以实现最佳的能源和环境效益，是技术上的一大挑战。

6、经济性：现有技术的经济性是限制其广泛应用的关键因素。需要降低生产成本，提高经济效益，以推动技术的商业化。

7、可持续性：在全球可持续发展的背景下，如何实现甲醇生产和富氧利用的可持续性，满足环境保护和资源循环利用的需求，是技术发展的重要方向。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种电解水制氢氧耦合富氧燃烧制甲醇系统及其调度方法，旨在解决上述技术挑战，该系统包括电解水子系统、富氧燃烧子系统和甲醇制备子系统，系统通过数字孪生模型实现各子系统间的数据同步和操作协同，中央控制单元根据综合性能指标进行优化调度，通过集成化的系统设计和创新的调度方法，提高绿电驱动氢氧协同利用率，实现对绿电能源输出的稳态调节，并提升氢氧协同过程的能源效率、环境污染降低、系统集成优化、经济性增强以及可持续性提升。

2、本发明的技术方案是：

3、本发明提供了一种电解水制氢氧耦合富氧燃烧制甲醇系统，包括：电解水子系统、富氧燃烧子系统和甲醇制备子系统；

4、其中，所述电解水子系统配置有可再生能源发电装置、变流器、蓄电器、电解水槽和分离器；所述富氧燃烧子系统配置有储氧罐、鼓风机、燃烧炉、余热锅炉、汽轮机、发电机和烟气净化装置；所述甲醇制备子系统配置有储气罐、压缩机、换热器、甲醇合成塔、气液减温器、闪蒸罐和甲醇精馏塔；各子系统分别通过数字孪生模型进行数据和操作的实时同步，并由中央控制单元根据下游氢氧消耗速度和上游生产速度的负荷预测进行统一调度。

5、进一步地，子系统具体运行如下：

6、可再生能源发电装置收集可再生能源进行发电，所述可再生能源发电包括光伏发电和风力发电；并根据不同可再生能源的设计方式将电能以直流电的形式存储在蓄电器中；所述光伏发电应将产生的直流电直接并入蓄电器；风力发电需要通过变流器将变流器产生的交流电改变为直流电再接入蓄电器

7、由蓄电器供电，通过电解水槽进行电解水制氢和氧；制取的h2和o2通过分离器进行分离，o2存储至储氧罐，绿氢存储在储氢罐中。

8、进一步地，富氧燃烧子系统具体运行如下：

9、储氧罐中的o2按一定比例经鼓风机输送至燃烧炉，将燃料在燃烧炉中进行富氧燃烧，增加灰渣熔融；所述燃料燃烧可以是工业燃料、燃煤、垃圾焚烧等任意一种；

10、焚烧后的高温烟气输送至余热锅炉回收，并可控选择性连接汽轮机和发电机进行余热发电，生成电能输送至蓄电器，所述蓄电器连接电解水装置用于电解水子系统中电力调峰，多余电量输送至电网；在这里，可控选择性并可控选择性连接汽轮机和发电机进行余热发电可根据市场电价而定；

11、所述余热锅炉连接烟气净化装置，捕集烟气中的co2存入储气罐中，烟气中存留的水蒸汽可通过降温、加压、蒸馏等手段排出至储水池；在这里燃烧炉和余热锅炉可根据实际燃料用途情况合并为燃烧锅炉。

12、进一步地，甲醇制备子系统具体运行如下：

13、储气罐和h2罐分别输气并经压缩机加压后，通过换热器进入甲醇合成塔中，在合成塔中进行甲醇制备；

14、在甲醇合成塔中反应后产生的甲醇和未反应气体的气液混合物依次经过换热器和气液减温器降温，降温后的气液混合物利用闪蒸罐进行气液分离，分离出的液体甲醇经过甲醇精馏塔提纯后送至甲醇罐中，分离出的气体循环返送至压缩机继续进行甲醇合成流程。

15、进一步地，分别通过数字孪生模型进行数据和操作的实时同步，包括如下：

16、基于各子系统物联网传感器收集各子系统的实时运行数据，并将收集到的数据进行整合统一格式化；

17、所述实时运行数据包括且不限于能源消耗、产出、环境参数、设备运行参数；

18、利用处理后的数据结合系统机理建立各子系统的数字孪生模型；

19、利用数字孪生模型对相应子系统运行情况进行模拟和预测。

20、特别地，数字孪生模型分别如下：

21、(1)所述电解水子系统的数字孪生模型如下：

22、定义系统参数：光伏发电效率、风力发电效率、电解效率；

23、ein＝esolar+ewind

24、eout＝estorage+ehydrogen+eoxygen

25、其中ein是能源输入，esolar和ewind分别是太阳能和风能的能量，eout是能源输出，estorage是存储的能量，ehydrogen和eoxygen分别是通过电解水产生的h2和o2的能量；

26、目标函数：max(ehydrogen+eoxygen)；

27、约束条件：estorage≥emin；ehydrogen,eoxygen≥0；

28、模拟电解水过程，预测h2和o2产量。

29、(2)所述富氧燃烧子系统的数字孪生模型如下：

30、定义系统参数：燃烧温度、o2流量、燃料燃烧速率；

31、建立燃烧反应模型，包括热量释放和污染物生成：

32、cxhy+zo2→xco2+2yh2o+heat

33、目标函数：max(heat-ewaste)；

34、约束条件：tcombustion≥tmin；flowoxygen≤flowmax；

35、其中，cxhy是垃圾的化学式，z是所需o2的摩尔数，ewaste是烟气处理消耗的电量；

36、模拟余热回收过程，预测发电量；

37、(3)甲醇制备子系统的数字孪生模型：

38、定义系统参数：co2和h2的流量、压力、温度；

39、建立甲醇合成反应模型，包括反应动力学和产物分离：

40、co2+3h2→ch3oh+h2o

41、目标函数：max(puritymethanol)；

42、约束条件：

43、temperaturereaction∈[pmin,pmax],[tmin,tmax]；

44、模拟甲醇提纯过程，预测甲醇产量和质量。

45、进一步地，制单元设计如下：

46、系统集成设计：设计kubernetes集成框架，用于整合各个子系统的数据和数字孪生模型；并定义通用的数据交换格式和通信协议，用于各子系统之间数据传输；

47、多层次建模：基于所述集成框架设置多层架构，并基于docket容器和多个并行和串行通信协议依次将电解水子系统的数字孪生模型、富氧燃烧子系统的数字孪生模型和甲醇制备子系统的数字孪生模型作为运行模块安装在多层架构中，满足所述模块在低层次上独立运行，在高层次上相互协作，形成一个全局的调控模型；

48、其中，利用docket容器将各个数字孪生模型进行封装，并利用uart串口协议作为总的通信传输协议，在各模型之间利用并行通信，使各模块在低层次上独立运行，在高层次上相互协作，形成一个全局的调控模型；

49、优化调度：建立优化调度模块，用于整合各个子系统数字孪生模型形成整个系统的调控调度模型，并根据调控调度模型的目标和约束条件，利用粒子群优化算法计算最优系统运行策略，对各子系统的运行参数进行实时调整。

50、特别地，调度模块还包括增设反馈监测机制，通过监测各子系统实际运行情况和相应数字孪生模型预测结果的偏差，不断调整模型参数，以提高预测的准确性和系统的响应速度。

51、进一步地，各个子系统数字孪生模型形成整个系统的调控调度模型，具体如下：

52、将电解水子系统、富氧燃烧子系统、甲醇制备子系统的数字孪生模型统一化，并形成整个系统的调控调度模型，这种集成化的方法有助于提高系统的运行效率，优化资源分配，并增强系统的可靠性和稳定性。

53、整体系统状态方程：

54、x(t)＝f(x(t),u(t),p(t))

55、y(t)＝g(x(t),u(t),p(t))

56、其中，x(t)是整体系统的状态向量，u(t)是输入向量，p(t)是系统参数向量，y(t)是输出向量。函数f和g分别代表系统的动态和输出方程。

57、子系统间的耦合关系：

58、xtotal(t)＝[xgreen(t)t,xcombustion(t)t,xmethanol(t)t]t

59、utotal(t)＝[ugreen(t)t,ucombustion(t)t,umethanol(t)t]t

60、其中，xgreen(t),xcombustion(t),xmethanol(t)分别代表电解水子系统、富氧燃烧子系统、甲醇制备子系统的状态向量，ugreen(t),ucombustion(t),umethanol(t)分别代表对应子系统的输入向量；

61、优化目标：

62、整体系统的多目标优化：

63、

64、subject to:x(t)＝f(x(t),(x(t),u(t),p(t)),x(t0)＝x0,

65、h(x(t),u(t),p(t)＝0,g((x(t),u(t),p(t))≤0

66、其中，j是整体性能指标，(j1,j2,…,jn)是不同的性能指标，l是代价函数，t0和tf分别是优化起始和结束时间，x0是初始状态，h是等式约束，g是不等式约束；

67、约束条件：

68、子系统间的能量和物质流动平衡、环境和操作限制、安全和环保标准；

69、耦合子系统的协调控制：

70、z(t)＝h(xtotal(t),utotal(t),ptotal(t))

71、z(t)是协调变量，由中央控制单元计算出来的，用于指导各个子系统的操作；h是协调函数，根据整体系统状态、输入和参数来计算协调变量。

72、进一步地，绿电驱动氢氧联产的综合转换方法，包括以下步骤：

73、(1)收集各子系统的实时运行数据；

74、(2)通过各子系统的数字孪生模型进行数据整合和分析和运行状态模拟；

75、(3)使用中央控制单元协调各子系统的运行，包括如下：

76、利用粒子群优化算法计算最优系统运行策略；

77、实施调度决策并进行系统性能监控；

78、根据实际运行数据与模型预测数据的比较，调整模型参数并更新最优系统运行策略；

79、基于更新后的最优系统运行策略实时调整各个子系统运行状态。

80、本专利达到的有益效果：

81、1.提高能源利用效率：通过氢氧协同调度系统，实现能源的高效转换和利用，减少能源浪费。

82、2.减少环境污染：利用电解水产生的o2进行富氧焚烧，提高焚烧效率，减少有害气体排放。

83、3.优化资源回收：余热回收技术的应用，使得垃圾焚烧过程中产生的热能得到有效利用。

84、4.实现系统协同调度：通过数字孪生模型和中央控制单元，实现各子系统之间的协同工作和优化调度，提高整个系统的运行效率和经济效益。

85、5.环境友好的生产方式：整合氢能和co2资源，实现甲醇的绿色生产，符合可持续发展的要求。

86、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。