氢气梯级分配管网结构、中间等级及其确定方法

摘要

氢气梯级分配管网结构、中间等级及其确定方法，供氢装置和用氢装置仅分别与中间压力等级和氢气纯度中间等级相连接构成氢气梯级分配的网络系统。中间等级包括中间压力等级和氢气纯度中间等级，根据用氢装置的压力需求设置中间压力等级，在每一中间压力等级中根据用氢装置对氢气纯度的需求设置中间纯度等级。这种结构供氢装置与用氢装置之间不直接相连，不仅简化了氢气分配网络的结构，提高了氢气分配网络的可拓展性，而且使得氢气分配网络供氢的控制相对容易，可以使得该氢气梯级分配和输送网络可以在较经济的模式下运行。

主权项

1.氢气梯级分配管网结构及其中间等级的确定方法，其特征在于：1)供氢装置和用氢装置相关数据的提取针对氢气分配系统中的供氢装置提取氢气流股的流量、压力、氢气纯度和杂质浓度数据；对于用氢装置提取所需氢气流股的流量、压力、氢气纯度和杂质浓度数据；2)初始梯级分配网络的构造和初始中间等级的确定在任一压力等级IPR中设置q个氢气纯度中间等级IPU，任一供氢装置与任一中间压力等级和任一氢气纯度等级相连，同样，任一用氢装置也与任一中间压力等级和任一氢气纯度等级相连，但是供氢装置不与用氢装置直接相连，中间压力等级数p的最大值为用氢装置的数量n，氢气纯度中间等级数q的最大值也同为用氢装置的数量n；3)初始梯级网络的调整a)压力等级的合并：在初始氢气分配网络中，对于具有相同氢气压力需求的中间压力等级进行合并，以减少中间压力等级的数量；b)纯度等级的合并：在初始氢气分配网络的同一压力等级中，对于具有相同氢气纯度需求的氢气纯度等级进行合并，以减少同一中间压力等级中氢气纯度等级设置的数量；c)根据合并后的中间压力等级和氢气纯度等级，调整氢气分配网络的结构设置：建立中间等级中压力和纯度等级的组合，其中中间压力等级按氢气压力由高到低排列；在同一压力等级内，氢气纯度由高到低排列；建立供氢装置与所有中间压力等级的连接，对于任一压力等级，若供氢装置提供氢气的纯度低于用氢装置所需氢气的纯度，则去掉该连接；建立用氢装置与所有中间压力等级的连接，对于任一压力等级，若用氢装置所需氢气的纯度高于氢气纯度中间等级所提供氢气的纯度，则去掉该连接，根据上述要求调整初始氢气梯级分配网络得到初步调整后的氢气梯级分配网络；4)针对初步调整后的梯级网络再进一步调整，调整时需满足以下限制条件：①中间压力等级内的流股流量、氢气和杂质的平衡各个供氢装置流股混合后压缩到各中间压力等级，需满足流股流量平衡，即供氢装置含氢流股i排入中间压力等级k的第r个纯度等级的流量总和不小于中间压力等级k的第r个纯度等级排入用氢装置j的流量总和$\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{F}_{i,k,r}\ge \underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{F}_{k,r,j}---\left(1\right)$式中F表示氢气流股的流量；m为供氢装置的数量；对于流股中的氢气，供氢装置各流股排入中间压力等级k的纯氢量不小于中间压力等级k排入各个用氢装置的纯氢量，各中间压力等级的氢气浓度y_k，r和杂质浓度y_k，r，CS分别用式(2)和式(3)计算确定：$y_{k,r}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{F}_{i,k,r}{y}_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{F}_{i,k,r}}---\left(2\right)$$y_{k,r,\mathrm{cs}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{F}_{i,k,r}{y}_{i,\mathrm{cs}}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{F}_{i,k,r}}---\left(3\right)$式中y为氢气或杂质的浓度，下标cs表示杂质；m为供氢装置的数量；②压力当供氢装置的压力高于与之相连接的中间压力等级时，通过设置的压力调节阀节流使供氢装置排放氢气的压力同中间压力等级压力相等；当供氢装置的压力低于与之相连接的中间压力等级时，通过设置的氢气压缩机使供氢装置排放氢气的压力同中间压力等级压力相等；由中间压力等级向用氢装置输送氢气时，要求中间压力等级的压力P_k，r，j大于等于用氢装置需求的压力P_j，即$\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}\underset{r=1}{\overset{q}{\Sigma }}{Y}_{k,r,j}{P}_{k,r,j}\ge P_j---\left(4\right)$式中P为流股的压力，Y为判断中间压力等级k的第r个纯度等级与用氢装置j是否连接的0，1变量，若有连接，则为1，若无连接则为0；③供氢装置对于供氢装置供给所有中间压力等级的氢气总量不大于供氢装置的最大供应量F_i，即$\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}\underset{r=1}{\overset{q}{\Sigma }}{F}_{i,k,r}\le F_i---\left(5\right)$④用氢装置每个用氢装置的氢气需求仅由一个中间压力等级中的某一纯度等级氢气提供，用氢装置入口氢气必须满足以下两个条件：对于流股的流量$\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}\underset{r=1}{\overset{q}{\Sigma }}{F}_{k,r,j}\ge F_j---\left(6\right)$式中F_j为用氢装置j实际需要的氢气流股流量；对于氢气的纯度$\frac{\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}\underset{r=1}{\overset{q}{\Sigma }}{F}_{k,r,j}{y}_{k,r}}{\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}\underset{r=1}{\overset{q}{\Sigma }}{F}_{k,r,j}}\ge y_j---\left(7\right)$式中y_j为用氢装置j实际需要的氢气浓度；⑤流股中的杂质需要限制相应流股的匹配，即$\frac{\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{q}{\Sigma }}{F}_{k,r,j}{y}_{k,r,\mathrm{cs}}}{\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}\underset{r=1}{\overset{q}{\Sigma }}{F}_{k,r,j}}\le y_{j,\mathrm{cs}}---\left(8\right)$式中y_j，cs为用氢装置j限制的杂质浓度；⑥用氢装置匹配为了避免中间压力等级和纯度等级中流股的直接混合，不应存在不同中间压力等级和纯度等级之间的直接混合来满足用氢装置的需求，需要限制每个用氢装置仅由一个中间压力等级的氢气流股来满足其需求，即$\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}\underset{r=1}{\overset{q}{\Sigma }}{Y}_{k,r,j}\le 1---\left(9\right)$⑦供氢装置流股升压的限制如果供氢装置中压力为P_i的氢气流股排入某个中间压力等级，并且此股氢气的压力不小于该中间压力等级的压力，则该氢气流股不需升压；反之，则需要对该氢气流股进行升压操作，即式中h_i，k，r为判断供氢装置含氢流股i到中间压力等级k和纯度等级r是否需要升压的0，1变量，h_i，k，r为1表示需要升压操作，即需要增加氢气压缩机增压，0表示不需要增压操作；5)最终梯级分配网络的获得根据步骤1)所提供的供氢装置和用氢装置数据，计算满足步骤4)中所列出的限制条件下的氢气梯级分配网络的效用函数，效用函数选取最高氢气压力和最高氢气纯度供氢装置提供的氢气流量，或整个分配网络的费用，费用中包括供氢费用、提升压力的能耗费用、压缩机的投资费用：$\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}\underset{r=1}{\overset{q}{\Sigma }}{F}_{i,k,r}{C}_{H,i}+C_{c,e}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}\underset{r=1}{\overset{q}{\Sigma }}{P}_{i,k,r}+\underset{i=1}{\overset{l}{\Sigma }}{N}_{c,i}{C}_{c,i}---\left(11\right)$式中C_H，i为氢气费用；C_c，e为压缩氢气的电费；P_i，k，r为供氢装置氢气流股i压缩到中间压力等级k和中间纯度等级r的压缩功耗；N_c，i第i种压缩机的台数，C_c，i为第i种氢气压缩机的单价；取供氢装置提供的氢气流量或整个分配网络的费用最小的方案，确定中间压力等级以及中间压力等级中的中间纯度等级。