化工系统消纳可再生能源的电-氢协调储能系统优化设计

针对可再生能源发电间歇性和波动性与化工过程系统氢气需求波动性协调匹配的问题,本文以电-氢储能系统总费用最小为目标,建立了可再生能源发电与化工生产中加氢系统耦合的电-氢协调储能系统优化设计模型,以确定电-氢协调储能系统的最优容量配置和功率调度方案。采用典型案例研究了可再生能源渗透率和电-氢储能系统构成对电-氢储能优化设计和运行特性的影响。研究表明：当化工系统的氢气需求全部由可再生能源发电制氢提供时,在系统中同时采用电池和氢气储罐储能可有效地降低系统的总费用;在该系统中,电池可用于平抑短期内发电侧和负荷侧的波动,氢气储罐可平衡发电侧和负荷侧长期的不匹配;随着可再生能源渗透率的增加,系统的总费用显著增大;为了维持外购氢气流率的稳定,系统中需要增加电解槽和储能系统的容量以解决发电侧和负荷侧的波动和不匹配问题。     

甲醇储罐设计技术及注意事项

根据甲醇的性质和储存中的注意事项,对甲醇储罐设计中的必要因素进行了分析总结,结合目前国内外压力容器的设计技术进展,阐明了甲醇储罐的结构形式等优化设计的方向,总结了合理选择设计类型、必要的防范措施和控制措施,总结了甲醇储罐区内需要重点注意的事项,归纳了今后甲醇储罐的发展趋势。     

甲醇储存系统耦合连通改造分析与应用实践

陕西渭河煤化工集团有限责任公司二期200 kt/a甲醇装置、三期400 kt/a甲醇装置精馏系统均采用天津大学三塔双效精馏工艺,系统操作弹性40%～130%。依托历史生产数据,在充分分析与探讨3套甲醇储存系统耦合连通(陕西渭化2套甲醇装置的粗甲醇储罐与陕西渭河化工科技有限责任公司100 kt/a二甲醚装置的630产品罐有效耦合连通)运行必要性的基础上,于2023年5月实施了3套甲醇储存系统的耦合连通改造。技改后,为陕西渭化生产经营开辟了多种运行模式——当二期甲醇装置长时间低负荷运行时,可以停运二期甲醇精馏系统,通过三期甲醇精馏系统加负荷将二期粗甲醇一并精馏,或当二期甲醇装置负荷过高时输送一部分粗甲醇至三期甲醇精馏系统精馏,从而有效降低生产成本、提升精甲醇产品质量、助力环保工作;三期粗甲醇储罐甲醇可送往630产品罐或191甲醇产品罐区或二期粗甲醇储罐,进一步拓宽2套甲醇装置负荷提升的空间。     

基于分时电价的区域管网系统储能应用研究

区域供冷系统主要分为源、网、用户三部分，其中管网不仅可以作为能量输送环节，还可以实现能量的储存，因此可以利用管网的储能效应实现制冷站与电网的互动。以广东惠州某园区制冷站为例，基于Modelica语言在Dymola平台上搭建了区域供冷系统。基于分时电价，应用管网的储热与延迟特性，提出三种控制策略以探讨热网在电力响应中的应用。仿真结果显示，在案例中管网储热维持室温的效果为0.31 h，利用管网储热能够使供冷系统节省6.4%的电耗和6.7%的电费，可见管网的虚拟储能效应是制冷站参与电网需求响应的重要资源。     

基于太阳能蓄热过程的甲烷二氧化碳重整研究进展

热化学储能技术因为其储能密度高、热损小、能长距离运输等优点而成为保证太阳能长久稳定供应的关键技术。本文对基于甲烷二氧化碳重整反应的太阳能热化学储热系统研究现状进行了回顾,重点讨论了甲烷重整催化剂、重整反应器以及储能系统整体的传热特性等3个方向的研究进展。指出新型高效催化剂以及反应器开发和性能测试是目前该领域的主要研究方向。发现辐射热损失、非均匀温度分布特性、辐射热流的时变波动特性,以及由此造成的能量与化学反应的不匹配限制了热化学系统能量储存效率的进一步提高,并提出催化剂的催化特性与物性/结构参数依变关系,反应器辐射吸收特性、传热传质特性和反应特性之间的相互作用机制,以及系统时变动态特性与反应物流/辐射能流的匹配关系是建立甲烷重整热化学储能系统优化设计理论亟待解决的关键问题。     

大型储罐罐顶优化设计

根据国家规范,建立大型储罐罐顶优化设计模型,通过具体工程实例给出10000m~3甲醇储罐罐顶优化设计结果。通过工程对比可知,优化模型能够在安全与经济之间找到最佳平衡点,不仅保证了工程设计的安全性,而且产生了可观的经济效益。     

化学储热技术的研究现状及进展

化学储热技术通过可逆的化学反应来存储和释放热能,其储热密度远高于显热储存和相变热储存,不仅可以对热能进行长期储存几乎无热损失,而且可以实现冷热的复合储存,因而在余热/废热回收及太阳能的利用等方面都具有广阔的应用前景。本文将化学储热分为浓度差热储存、化学吸附热储存和化学反应热储存3类,并针对上述分类的特点及其应用,对化学储热技术进行了系统的归纳。其中主要概括了目前广为关注、有前景的储热材料,总结了化学储热技术当前的研究现状以及最新进展,并且回顾了将化学储热技术应用于储热研究的试验系统。同时,基于研究现状的分析,指出了此项技术需要进一步研究和解决的相关问题,以期为化学储热技术的发展和走向实际应用提供有价值的借鉴和参考。     

大型氨储存系统潜在不足及改进措施

大型合成氨厂一般都设计配备有氨储罐,用于氨的储存和外送。随着企业安全生产意识增强,氨罐区安全及运行管理逐步被重视,系统改造优化比例持续增大。以某企业合成氨装置的氨储存系统为例,通过梳理近几年氨罐区的改造,总结氨储罐运行中存在的不足和改进措施。     

考虑间接换热额外换热温差的间歇过程储热集成

间歇过程流股间换热有直接换热和间接换热两种方式,通过储热介质进行间接换热会产生额外的换热温差。现有的夹点分析方法考虑间接换热额外换热温差后,难以得到经济且可行的储热集成方案。本文在夹点分析的基础上,提出了一种考虑间接换热额外换热温差的间歇过程储热集成方法。该方法首先使用不同的直接换热和间接换热温差进行热级联分析,确定储热集成后的最小冷、热公用工程用量,识别储热位置和储热量,并依据热级联分析结果,建立时间段温焓图确定储热介质温度,得到储热方案。然后,将储热流股转化为放热时间段的冷流股和需热时间段的热流股,进行换热网络综合与优化,得到符合实际应用的储热集成方案。最后,通过经典实例证明了所提方法的可行性和有效性。     

基于多点耦合的低温多股流换热过程动态模拟

多股流换热器是气体液化低温系统的核心部件,其工作性能对低温系统的降温特性和热力效率的影响显著。基于气液两相的容积节点原理建立多节点耦合的混合工质低温换热器动态模型及计算方法,对多股流换热器动态降温特性进行研究,重点分析换热器的漏热率和（屯液）液位波动对系统降温特性的影响。研究结果表明漏热对启动过程降温特性影响不大,而在降温至低温区时较为显著。换热器液位波动对系统动态降温特性会有显著影响,低温多股流换热器通道内液位波动会引起循环工质组分、有效制冷量、降温速度的波动,从而造成系统降温速度显著偏离优化工作状态,效率降低。这表明在混合工质低温多股流换热器的设计和操作过程中应尽量采取措施,以避免通道内积液波动现象出现。     

采用两种中间介质的工业园区厂际余热集成

发挥园区集群效应，借助中间介质回路将工业园区中各单厂内的余热于厂际间进一步回收利用，能够显著提高园区整体能源效率。其中，中间介质回路的设置与介质的选择将关系到整个余热回收系统的最优设计与节能效果。因此，不同于目前研究仅采用一种中间介质的集成策略，同时选用热水和导热油为介质开展厂际余热集成研究。提出耦合介质与厂内流股换热及介质流股在厂际间分配的换热器网络超结构，以年度总费用最小为目标建立MINLP热集成数学模型，优化获得包含介质回路结构与厂内换热器网络结构等内容的园区余热集成结果。最后，在一个包含3个厂的厂际余热集成案例中，分别研究了单种介质单回路、单种介质双回路及双种介质双回路3种情况，通过对比验证了所提方法的有效性。     

Heat-integrated reactor concepts for catalytic reforming and automotive exhaust purification

Optimal solutions in environmental catalysis require a well-coordinated development of catalysts and of process design. This contribution is devoted to energy integrated design concepts for fuel reforming and for automotive exhaust purification. The examples presented demonstrate the importance of an innovative process design for optimal utilization of existing catalysts and show the potential of future developments.

New concepts for steam reforming through the efficient coupling of the endothermic reforming reaction with an exothermic combustion reaction are discussed in the first part. These concepts have been implemented for methanol steam reforming in a counter-current reactor with distributed side feed of burner gas and for methane steam reforming in a modular reactor with a co-current reaction section for the endothermic and the combustion reaction and attached counter-current heat exchangers. Both applications employ the so-called folded sheet reactor design, which ensures an excellent heat transfer between the reforming and combustion channels and efficient heat recovery.

A similar design solution is introduced for the apparently different case of automotive exhaust purification. The proposed concept aims at decoupling exhaust after-treatment from engine control. Its main component is a counter-current heat exchanger with integrated purification stages for HC-oxidation, NO_X storage and reduction and soot filtering. A small catalytic burner at the hot end of the heat exchanger provides both heat and oxidizing or reducing agents on demand. A new soot filter design allows for safe soot filter regeneration.     

Optimum heat storage design for solar‐driven absorption refrigerators integrated with heat exchanger networks

A methodology is presented for optimizing hybrid renewable energy‐fossil fuel systems with short‐term heat storage. The considered system is an absorption‐refrigeration (AR) cycle integrated with a heat exchanger network (HEN) requiring cooling below ambient temperature. The AR cycle can be driven by multiple energy sources including excess energy from hot process streams, renewable energy sources (solar and biofuels), and fossil fuels. A two‐step approach based on mixed integer nonlinear programming methods is used for the optimization. First, the problem of optimal energy integration in the hybrid energy system without heat storage is solved on a monthly basis by minimizing simultaneously the total annual cost and the overall greenhouse gas emissions. In the second step, the multi‐tank thermal energy storage (TES) design problem is solved. The design involves the identification of the optimal number of storage tanks, their sizes, configuration and operation policies. The TES optimization is carried out on an hourly basis while incorporating the design targets determined by the first step. © 2013 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 60: 909–930, 2014     

液化天然气深冷-膜蒸馏海水淡化系统集成与分析

提出了一种PRICO天然气液化-膜蒸馏（MD）海水淡化系统集成方法,利用PRICO过程压缩机出口的余热驱动MD海水淡化。采用Aspen Plus和GAMS建立了集成系统的数学模型,综合考虑系统的结构、物流物性、设备规模、操作参数等系统设计问题,分析不同设计下系统的投资、能耗、运行费用以及MD单位产水成本。模型应用于一个处理量为1 kmol/s的PRICO天然气液化系统与MD集成的案例研究。计算结果表明,单位产水成本最小时,系统产水成本为1.98 USD/m³,淡水产量为5.78 m³/h,与反渗透等海水淡化技术相比,MD在经济性方面具有较强的竞争力。     

Optimization of the heat plant of district energy systems

This paper presents a scheme to achieve structural and operational optimization for the heat plant in a district energy system. A district energy system consists of energy suppliers and consumers, district heating pipelines and heat storage facilities in a region. Production and consumption of energy and transport of energy as well as storage of heat are taken into account in the model. The problem is formulated as a mixed integer linear programming (MILP) problem where the objective is to minimize the overall cost of the district energy system. Evaluation of the energy production cost is based on the daily operation for every season at the plant located at Suseo in Seoul, Korea. From the results of numerical simulations we can see that the district energy system is well approximated by the proposed model, and that the energy efficiency is improved by the application of the optimal operation conditions provided by the proposed model.     

复杂化工过程系统的能值计算方法

针对复杂过程系统的生态化设计,研究系统内部及输出流股能值的计算策略和方法。基于系统能量或质量流程图,确定系统内外的能流、物流的分布和能量分配系数,通过建立复杂系统能值计算的循迹法,确定系统各种输入能值在系统内的分配,解决复杂系统内部联结各单元的流股能值准确计算问题。基于该方法,对玉米燃料乙醇生产过程系统进行了能值分析和评价。     

适应多负载电池储能系统的拓扑结构优化重构方法

可重构技术应用于电池储能系统是退役电池回收再利用的有效方法之一。然而,由于储能系统供给侧和需求侧的多样性、退役电池包的拆解成本高且易引发环境和安全问题等问题,退役电池重组再利用构成储能系统非常困难。为了解决这一问题,本文采用电池重构对电压不一致的电池包进行重组再利用,以满足多负载需求为目标,在保证能源效率和系统安全的前提下,提出了一种面向多负载需求的低拓扑复杂交换度的退役电池组拓扑重构优化设计方法。通过构建多目标优化模型,并采用改进的二进制纵横交叉算法求解模型,获得了满足多负载需求的最优拓扑结构,并通过案例分析验证了本文所提方法的有效性。研究表明,通过调整多目标间的权重,可提高可重构电池储能系统拓扑结构的设计弹性。     

基于热流逸效应的串联式气体分离系统设计

利用热流逸效应分离气体是一种在机理和应用模式上与传统分离方法完全不同的新颖方法。本文提出了一种由模块化热流逸式气体分离单元串联而成的气体分离系统,建立了描述其气体分离过程及关于其优化设计的数学模型,并开发了相应算法。以此为基础设计了热流逸式焦炉煤气分离制氢系统并解析其系统结构、部件和运行工况参数;该系统通过6级气体分离单元串联即可分离出纯度达99%以上的氢气,且其部件的制造及装配均可基于现有技术实现。在满足分离纯度要求的前提下,该系统能耗约为45.41kJ/m³,其优势在于可直接利用低品位热能驱动,符合能量梯级利用原则,从用能角度看也具有一定竞争力。基于热流逸效应的气体分离新技术具有鲜明特点,值得深入研究并在实践中尝试。     

Heat exchanger network area targeting considering stream allocation to shell or tubes

An optimal heat recovery network requires optimum values of area and energy targets. Current heat exchanger network targeting methods do not consider the optimal allocation of each stream to shell or tube side of the exchanger during the network cost estimation. Some researchers pre-set the allocation of the streams ahead of targeting [Polley, G. T., & Panjeh Shahi, M. H. (1991). Interfacing heat exchanger network synthesis and detailed heat exchanger design. Transactions of the Institute of Chemical Engineers, 69(Part A), 445–457]. In real design case however, some practical considerations such as fouling and corrosion constrain the allocation of streams. Apart from those, other streams are allowed to be allocated to either tubes or shell. Appropriate allocation of these streams can considerably affect the network cost estimation. This paper introduces a new area-targeting procedure which utilizes the optimal allocation of streams in all enthalpy intervals. The procedure evaluates two possible options for each stream split passing through each exchanger in the spaghetti network. Thus, two different exchanger area requirements can be estimated and the one with less area requirement will be selected. During this evaluation process, the optimal distribution of each stream pressure drop within enthalpy intervals is fully utilized. The proposed targeting procedure is applied on a case study and comparison of the results with previous method (Polley & Panjeh Shahi, 1991) shows reduction of around 18% in the network area. In another case study, the area–energy trade offs using the new procedure shows a reduction of 12.4% in minimum network area requirement and 14.5% in total annual cost. Therefore, the new procedure can considerably alter the area–energy trade offs.