大规模可再生能源电解水制氢合成氨关键技术与应用研究进展

新能源的快速发展为电力和化工行业带来了机遇和挑战，一方面，由于可再生能源电力消纳问题导致大量的弃水、弃光等能源浪费，另一方面，以绿氢为原料替代碳基化石能源合成氨，可以极大地减少化工行业的碳排放。因此，利用水力、光伏等可再生能源电解水制氢，为合成氨提供绿色原料，可显著提升可再生能源消纳能力，降低能耗与碳排放，服务国家“碳达峰、碳中和”目标。然而，可再生能源电力电量的波动性难以适配传统合成氨生产过程的平稳性要求，大规模可再生能源电解水制氢合成氨的设计与运行依然存在诸多挑战，亟需开展系统性研究突破适应可再生能源波动特性的大规模电解水制氢合成氨系统的集成与调控关键技术。对此，本文首先对可再生能源电解水制氢合成氨的工艺组成及过程进行介绍，包括电解水制氢工段、压缩缓冲工段、化工合成氨工段，进而提出该系统建设的关键技术体系，包括可再生能源波动条件下的合成氨工艺流程优化和柔性调控技术、考虑“电-热-质”耦合的大规模电解水制氢系统的模块化集成和集群动态控制技术、计及可再生能源波动性与化工多稳态特性的“源-网-氢-氨”的全系统协同控制技术、计及电、氢、氨等要素的全方位安全防护与市场运营机制。针对适用于柔性生产的合成氨工艺优化及多工段协同调控技术，在考虑氢储供量与催化剂性能下，综合合成塔、压缩机、气体分离、换热网络等子系统开发了合成氨高保真代理模型；研究了可再生能源供给和市场需求波动下，充分考虑操作安全性和过程经济性的电解水制氢合成氨各子系统的适配方案与协同控制技术。针对大规模电制水制氢系统模块化集成和集群动态控制技术，基于奇异摄动和代理模型技术研究了集群系统多时间尺度时域仿真方法，建立了电解集群系统多物理耦合状态空间模型；综合考虑了模块启停组合调度、模块间功率分配调度及模块自身灵活调节，计及安全运行区间及电热气接口特性约束，以提高氢产量、提升能量利用效率、改善水光电源消纳和跟踪电网调峰调频指令为目标，构建了集群系统多目标分层调度与控制模型。针对氢能参与电网的全系统协同控制技术，研究了水光互补发电、电制氢、储氢、合成氨、储氨多工段间稳态运行特性的多工段间灵活运行方法，以及电制氢合成氨系统柔性动态协同控制方法；综合采用了静态等值和参数聚合等方法降维和等值电制氢合成氨系统仿真模型，研究了源网氢氨协同提升系统安全稳定性的优化控制方法和技术指标；结合电网调频和调峰特性，研究了电制氢合成氨系统参与电力辅助服务的策略。建设大规模可再生能源电解水制氢合成氨系统，提高可再生能源本地消纳率和并网调度友好性，降低化工碳排放，具有显著社会效益和战略意义。     

不同阶梯式碳交易机制的含电制氢综合能源系统规划

针对含电制氢综合能源系统规划问题，为了充分考虑综合能源系统的低碳性，提出了一种计及碳超额率的阶梯式碳交易的含电制氢综合能源系统规划方法。首先，建立了计及碳超额率的阶梯式碳交易模型。然后，以年运行成本最小和碳排放量最低为目标函数，建立了基于计及碳超额率的阶梯式碳交易的含电制氢综合能源系统规划模型，对含电制氢综合能源系统进行最优配置。最后，通过仿真验证了计及碳超额率的阶梯式碳交易机制的低碳性、适用性和经济性，并讨论了碳交易参数与系统规划之间的相互耦合影响。     

Cement industry control system based on multi agent

Cement production is characterized by its great capacity, long-time delay, multi variables, difficult measurement and multi disturbances. According to the distributed intelligent control strategy based on the multi agent, the multi agent control system of cement production is built, which includes integrated optimal control and diagnosis control. The distributed and multiple level structure of multi agent system for the cement control is studied. The optimal agent is in the distributed state, which aims at the partial process of the cement production, and forms the optimal layer. The diagnosis agent located on the diagnosis layer is the diagnosis unit which aims at the whole process of the cement production, and the central management unit of the system. The system cooperation is realized by the communication among optimal agents and diagnosis agent. The architecture of the optimal agent and the diagnosis agent are designed. The detailed functions of the optimal agent and the diagnosis agent are analyzed.At last the realization methods of the agents are given, and the application of the multi agent control system is presented. The multi agent system has been successfully applied to the off-line control of one cement plant with capacity of 5000 t/d. The results show that the average yield of the clinker increases 9.3% and the coal consumption decreases 7.5 kg/t.     

湿法磷酸生产饲料级磷酸氢钙工艺的改进

传统的湿法磷酸生产饲料级磷酸氢钙,P-2O_5回收率低,生产连续性差,难以形成规模经营。改进以后,形成洗矿、粗磷酸净化(脱硫、脱氟)同步进行的新工艺,不副产肥料级磷酸氢钙,可提高P_2O_5的回收率,放宽原料矿粉的适用范围。经工业生产实践证明,经济效益良好。     

Fundamental study of novel mid-and low-temperature solar thermochemical energy conversion

A new approach to application of mid-and low-temperature solar thermochemical technology was in-troduced and investigated.Concentrated solar thermal energy in the range of 150―300℃ can be effi-ciently converted into high-grade solar fuel by integrating this technique with the endothermic reaction of hydrocarbons.The conversion mechanism of upgrading the low-grade solar thermal energy to high-grade chemical energy was examined based on the energy level.The new mechanism was used to integrate two novel solar ...     

天然气压力能利用与空气分离的集成工艺研究

为了有效回收天然气压力能,降低空气分离过程的能耗。利用Douglas系统分割理论获得高压天然气压力能,利用与空气分离的集成原理构建了新型氮膨胀制冷的空气分离流程,将高压天然气压差制冷取代原始流程的氮气外循环制冷。采用了Aspen Hysys软件及分析方法对新旧流程进行模拟计算,结果表明:相同工况下集成工艺可降低约58%的单位液态产品能耗,且效率由35.6%提高至52.5%。将高压天然气压力能回收用于空气分离,可有效降低空气分离产品的生产成本,提高有效能的利用率,具有良好的节能效益。     

基于CVaR的高比例光伏区域综合能源系统优化调度

在“双碳”目标的驱动下，以光伏为代表的分布式能源正大规模接入配电系统与配气系统，二者间的耦合也更加紧密，为低碳可持续能源系统的构建带来了新的机遇，然而，由于分布式能源的随机性，其也不可避免的造成了两个系统间潜在的运行风险。基于此，本文提出了一种高比例光伏渗透率下区域综合能源系统多时间尺度优化调度模型。首先，在高光伏渗透率的前提下，建立了考虑储能设备的电-气区域综合能源系统日前调度模型，利用二阶锥松弛将模型线性化。其次，基于CVaR风险评估模型的理论基础，建立并简化了损失函数。接着，在实时调度过程中考虑CVaR风险评估模型，建立了考虑CVaR风险评估的区域综合能源系统实时调度模型，以平衡不同风险态度下新能源不确定性导致的风险成本。最后，将前述两个模型合并，建立了区域综合能源系统日前-实时多时间尺度调度模型，分析区域电力系统与区域天然气系统之间的相互作用与能量流动。在算例分析中设计了不同的负荷强度方案对模型进行验证，分析了不同方案下系统购电量与不同设备运行参数的变化。结果表明，所提模型可以有效缓解因新能源随机波动带来的运行风险，同时考虑耦合设备的运行调控能够促进区域综合能源系统的耦合运行并取得良好经济效益。     

High Purity Hydrogen Production by Metal Hydride System:A Parametric Study Based on the Lumped Parameter Model

The simulation of hydrogen purification in a mixture gas of hydrogen/carbon dioxide (H2/CO2) by metal hydride system was reported.The lumped parameter model was developed and validated.The validated model was implemented on the software Matlab/Simulink to simulate the present investigation.The simulation results demonstrate that the purification efficiency depends on the external pressure and the venting time.An increase in the external pressure and enough venting time makes it possible to effectively remove the impurities from the tank during the venting process and allows to desorb pure hydrogen.The impurities are partially removed from the tank for low external pressure and venting time during the venting process and the desorbed hydrogen is contaminated.Other parameters such as the overall heat transfer coefficient,solid material mass,supply pressure,and the ambient temperature influence the purification system in terms of the hydrogen recovery rate.An increase in the overall heat transfer coefficient,solid material mass,and supply pressure improves the hydrogen recovery rate while a decrease in the ambient temperature enhances the recovery rate.     

贫杂氧化铅锌矿制备铅锌精矿的新工艺

提出了贫杂氧化铅锌矿碱浸一沉淀法制备锌精矿和铅精矿的新工艺,确定了硫化钠铅锌的工艺参数,并进行小型综合实验验证该工艺的工业化可行性．沉淀铅的最佳参数为：硫化钠沉淀剂的加入量为铅质量的1．8倍、温度为70℃、反应时间为30min．沉锌的工艺条件为：硫化钠沉淀剂的加入量为需沉淀锌质量的2．4倍、温度为90℃、反应时间为3h．实验表明：铅和锌的回收率均达到80％以上,得到的锌精矿锌含量52％,铅精矿铅含量78％,均达到行业标准．     

Industrialization prospects for hydrogen production by coal gasification in supercritical water and novel thermodynamic cycle power generation system with no pollution emission

Energy conversion and utilization, particularly carbon-based fuel burning in air phase, have caused great environmental pollution and serious problems to society. The reactions in water phase may have the potential to realize clean and efficient energy conversion and utilization. Coal gasification in supercritical water is a typical carbon-based fuel conversion process in water phase, and it takes the advantages of the unique chemical and physical properties of supercritical water to convert organic matter in coal to H2 and CO2. N, S, P, Hg and other elements are deposited as inorganic salts to avoid pollution emission. The State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering has obtained extensive experimental and theoretical results based on coal gasification in supercritical water. Supercritical water fluidized bed reactor was developed for coal gasification and seven kinds of typical feedstock were selected. The hydrogen yield covers from 0.67 to 1.74 Nm3/kg and the carbon gasification efficiency is no less than 97%. This technology has a bright future in industrialization not only in electricity generation but also in hydrogen production and high value-added chemicals. Given the gas yield obtained in laboratory-scale unit, the hydrogen production cost is U.S.$ 0.111 Nm3 when the throughput capacity is 2000 t/d. A novel thermodynamic cycle power generation system based on coal gasification in supercritical water was proposed with the obvious advantages of high coal-electricity conversion efficiency and zero pollutant emission. The cost of U.S.$ 3.69 billion for desulfuration, denitration and dust removal in China in 2013 would have been saved with this technology. Five kinds of heat supply methods are analyzed and the rates of return of investment are roughly estimated. An integrated cooperative innovation center called a new type of high-efficient coal gasification technology and its large-scale utilization was founded to enhance the industrialization of the technology vigorously.     

基于iSIGHT的薄壁方管抗撞性尺寸优化

针对薄壁方管的抗撞性尺寸优化问题,利用多学科设计优化软件iSIGHT集成HyperMesh和ANSYS／LSYNA,建立优化设计仿真流程及平台,运用拉丁方方法进行DOE分析与优化设计研究．在此基础上,建立Kriging近似模型,以比吸能最优为优化目标,采用多岛遗传算法对建立的近似模型进行优化,并在优化的过程中生成新的设计点更新近似模型,提高模型精度．优化计算过程表明,上述方法提高了优化设计的效率,最终优化结果不仅满足结构吸能的要求,也满足轻量化的要求．     

考虑协变量的设备退化和生产批量整合模型

运用随机系数回归模型对设备的退化过程进行建模，基于加速失效时间模型在退化过程分析中加入协变量的影响，并在模型中考虑产品质量问题. 运用更新回报定理建立状态监测维修和经济生产批量的整合费用模型.优化分析整合费用模型，可以得到决策变量的最优值. 通过数值案例分析，得到设备运行状态最优的预防性维修阈值、最优经济生产批量. 结果表明，随着协变量的逐渐增加，最优生产批量逐渐减小，最优预防性维修阈值没有变化. 通过敏感性分析进一步说明模型相关参数对最优解的影响.     

抗生素生产过程计算机集成控制

开展抗生素生产过程综合自动化的研究是集生产过程信息、市场信息、管理信息和实验室分析数据等为一体,由计算机进行信息处理,建立有关模型进行优化调控．文章论述了计算机集成控制中的一些关键问题,如数据条理、数据挖掘、优化操作与控制以及生产过程优化管理等,从而提高抗生素和其它生物发酵的生产技术水平和经济效益．     

氨纶生产的整体优化与自动控制系统开发

为解决我国氨纶的需求量高、产量低问题,对聚合反应的时序、流程图进行了分析和改造,同时利用计算机互联网的方法和改进硬件设备的方法,实现了生产线的最佳改造。采用DCS（Distributed Control Sys-tem）控制方法对多条生产线的综合优化进行了研究,并针对辽源得亨公司的生产现状,开发了基于现代集成制造系统、综合自动化技术和最优工艺调度技术的氨纶计算机综合控制系统。该系统最大限度地减少生产成本,增加企业效益的目的。     

多模型集成的高炉炼铁智能控制专家系统

为达到高炉冶炼过程的最优控制，提出了高炉冶炼过程的多模型集成的专家系统. 阐述了专家系统的各个组成部分: 工艺计算机理模型、炉况诊断推理模型、系统优化参数模型、混合动力学机理和炉温控制方程.在保证炉况平稳运行的基础上，专家系统对几个主要运行参数进行了优化.同时通过对高炉冶炼过程混合动力学机理的分析，揭示了高炉炉温波动所隐含的非线性能耗规律，得到在不同生产目标状态下的最优操作区间.对复杂的生产状况做出准确的预测并给出了对应的控制措施，在实际应用中取得了增加产量和降低能耗的实际效果.     

叉车负载势能回收的研究

为了回收叉车负载下降的势能,构建出其新的液压系统.首先阐述了新液压系统的理论基础并分析了其工作过程,与现行液压系统进行比较后得出,新系统因采用了二次调节元件-液压变压器而减少了节流损失.随后建立新系统中2个主要元件液压变压器与液压蓄能器的数学模型,并仿真得出蓄能器的参数有效容积AV、充放效率η与液压变压器配流盘控制角θ间的特性关系.接着对比了新液压系统与现行液压系统回收势能方式的不同,并在叉车空载、半载、满载的工况下仿真得出了蓄能器回收负载势能的多少,结果表明新系统进一步提高了负载势能的回收能力,回收效果随着压力比λ的增加更加明显.     

包含多投资主体的综合能源系统容量配置

包含风电、光伏等新能源的综合能源系统以实现电、热、冷等多能互补供能而备受关注.当多个投资者作为独立主体参与综合能源系统运营时，如何对各设备进行合理的容量配置，以更好地消纳新能源和实现各投资主体的利益最大化，是值得关注的问题.本文基于博弈论的纳什均衡原理，针对由风电设备、光伏设备以及冷热电联供设备3个投资者组成的综合能源系统，构建容量配置博弈模型，并采用粒子群算法（PSO）进行求解.在非博弈、非合作博弈以及合作博弈3种不同场景下的对比分析结果表明，在合作博弈场景下，各方投资者收益相对最大、容量配置相对最小，系统具有最大的整体收益，各参与者有明显的合作可能性.研究结果为多方参与供能市场提供了解决思路.     

天然气制乙炔与燃料电池的集成系统

基于天然气部分氧化法制乙炔的产物中含有约54%的H2,提出了一个天然气制乙炔与燃料电池的集成系统。新系统采用天然气生产乙炔副产合成气,合成气经水气转化提高H2含量,H2经燃料电池高效转化,以及余热锅炉系统回收燃料电池的余热和排气。利用Aspen Plus模拟结果表明:基于584.3 kg.h-1进料的天然气,在POC反应温度1 773 K,吸收压力1.013 MPa,解析压力0.103 MPa的条件下,系统生产乙炔1.9 MW,向外输出电1.7 MW,系统净发电效率为26.8%,火用效率为43.4%。研究表明,新系统提高了乙炔生产的能量转换率。     

采用膜法淡化苦咸水流程和设备的集成化

为了解决缺水地区水资源问题 ,通过对微滤、超滤和反渗透 3种膜过程作用的分析 ,提出一种集成化膜法水处理工艺方案 ,并设计、制造出一套集成化设备。应用该设备对 3种不同含盐量的苦咸水进行脱盐实验。讨论了集成化膜法水处理装置设计的关键问题 ;测定了系统运行过程中有关的参数。实验结果表明 :水处理系统的脱盐率大于 96 % ,回收率不小于 6 5 % ;淡化水水质达到国家标准规定的指标要求。该工艺集成化程度高 ,无需配置中转箱、泵 ;自动化程度高 ,可为大规模水处理工程提供设计参数。     

生物制氢技术的研究进展

氢气具有清洁、可更新的优点,是最具发展潜力、最理想的新能源之一.由于生物制氢技术具有无污染、可再生、成本低等优点,受到国内外广泛的关注,在新能源的研究利用中占有越来越重要的位置.本文较系统地综述了国内外各种生物制氢技术的产生背景、基本原理和应用现状,总结了该技术的优点和面临的问题,探讨其在环境科学中的应用前景.