阅读说明：本技术 利用海上风电制氢的地下油气藏储氢系统及调控计算方法 (Underground oil-gas reservoir hydrogen storage system for producing hydrogen by utilizing offshore wind power and regulation and control calculation method ) 是由 宋洪庆 劳俊明 郭宏浩 李正一 于 2020-04-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种利用海上风电制氢的地下油气藏储氢系统及调控计算方法,属于海上风能利用技术领域。该系统包括海上风电机组、海水电解装置、氢气压缩设备、氢气解压设备、氢气提纯设备、注/采气井,油气藏储库和氢气输出设备,调控时,首先求得风力发电场日发电量集,然后引入系统日用电分配百分比集,并求得电解制氢日耗电量集和系统日电解产氢量集；计算系统日氢气产能,将日电解产氢量减去日氢气产能,并进行判断,最后计算压缩储气流程的日能耗,经迭代计算,输出日氢气产能和日储气量,并求出系统的平均氢气储产比。该方法能够有效解决目前海上风电输出不稳定、浪费严重,储能成本高、储量低的痛点,实现能源高效利用和稳定输出。(The invention provides an underground oil-gas reservoir hydrogen storage system for producing hydrogen by utilizing offshore wind power and a regulation and control calculation method, belonging to the technical field of offshore wind energy utilization. The system comprises an offshore wind power generation unit, a seawater electrolysis device, a hydrogen compression device, a hydrogen decompression device, a hydrogen purification device, an injection/gas production well, an oil and gas reservoir and a hydrogen output device, wherein during regulation and control, a daily generated power set of a wind power generation field is firstly obtained, then a daily power distribution percentage set of the system is introduced, and a daily power consumption set of electrolytic hydrogen production and a daily electrolytic hydrogen production set of the system are obtained; and calculating the daily hydrogen capacity of the system, subtracting the daily hydrogen capacity from the daily electrolytic hydrogen production, judging, finally calculating the daily energy consumption of the compressed gas storage process, outputting the daily hydrogen capacity and the daily gas storage through iterative calculation, and solving the average hydrogen storage-production ratio of the system. The method can effectively solve the pain points of unstable and serious offshore wind power output, high energy storage cost and low energy storage capacity at present, and realizes efficient energy utilization and stable output.)

利用海上风电制氢的地下油气藏储氢系统及调控计算方法

技术领域

本发明涉及海上风能利用技术领域，特别是指一种利用海上风电制氢的地下油气藏储氢系统及调控计算方法。

背景技术

在海上风能利用和氢能开发的过程中，由于海上风能具有逐时性、不稳定的特点，海上风能产生的电能在时间维度上具有明显的峰谷特征，不仅不适合于并网供电，更容易造成弃风弃电的能源浪费现象。对海上风力生产的电能进行储蓄调峰是解决上述问题的有效方法。另外，氢能不仅是一种清洁无污染、高能量密度的能源，还是一种良好的储能载体，将海上风电以氢能的形式进行储蓄，能实现能源高效利用和稳定输出，以及环境有效保护。相比起传统的储气罐储气以及目前借助有机液体的海上储氢方式，地下储气库储气空间大，能够满足海上风电制氢的大量储存需求。具体来看，海底油气藏储气不仅安全性高，还能节省大量的储气材料，是一种理想的氢气地下储存方式。此外，相比起抽水蓄能和氢气液化存储，海底废弃油气藏储氢还能节省大量的工程建设和经济成本支出。

常规的能源系统的效率或产能可根据已知的初始值直接计算得到。然而，对于海上风电制氢地下油气藏储氢系统，由于发电机组生产的电能除了供给海水电解制氢设备外，还供给注气压缩(采气提纯)设备使用。这其中存在一个用电分配比的问题，且该分配比未知，意味着系统的产能和储(采)气量无法直接计算求得，需要通过迭代循环过程计算求解。迭代求解法是一种不断用变量的旧值递推新值，最终得到满足实际条件的解的过程。利用迭代求解法，以天为最小时间步长，能够解决由于系统用电分配百分比未知造成的计算困难，有助于方便、快速、准确地调控海上风电制氢地下油气藏储氢系统的日氢气产能与日储(采)气量。

系统产能和储(采)气数量是项目方关心的两个重要参数。然而，目前针对能源系统的计算方法基本只关注于其中一个指标，无法全面地反映系统的调控能力和产出能力。一套综合考虑系统日氢气产能和日储(采)气量的计算方法，能为项目方提供判断系统调控能力和产出能力优劣的参考指标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用海上风电制氢的地下油气藏储氢系统及调控计算方法。

该系统包括海上风电机组、海水电解装置、氢气压缩设备、氢气解压设备、氢气提纯设备、注/采气井，油气藏储库和氢气输出设备，氢气输出设备包括运氢船和氢气管网，海上风电机组通过海底电缆与海水电解装置、氢气压缩设备和氢气提纯设备相连，海水电解装置、氢气压缩设备、氢气解压设备、氢气提纯设备设置在海洋底部，海水电解装置通过输氢管道连接氢气压缩设备，氢气压缩设备通过输氢管道连接缓冲罐，缓冲罐和氢气解压设备之间设置三通阀，氢气解压设备通过输氢管道连接氢气提纯设备，氢气提纯设备连接氢气管网，三通阀设置在注/采气井的井入口，注/采气井开在海床上，海床底部设置油气藏储库，油气藏储库连通注/采气井，油气藏储库上部设置氢气储库上覆盖层岩石，油气藏储库下部设置氢气储库底层岩石，用以维持储库的压力和良好的气密性。

其中，海上风电机组按照矩形或圆形排列，受风电机叶片长度以及尾流效应的影响，各风电机之间的半径距离为800-1000米，各风电机的型号相同。

海水电解装置包括海水脱盐预处理装置和电解水制氢电解槽，海水电解装置通过海底电缆从海上风电机组输入电能。

该系统的调控计算方法，包括步骤如下：

(1)从选定海域的历史数据中获取连续的τ个离海平面h米日均风速数据，构成日均风速数据集V，然后根据海上风力发电机的风速-输出功率函数求得该海域的单台风力发电机日输出电功率集P，再根据风力发电机的日输出电功率集P、风力发电机的数量和工作时间求得风力发电场日发电量集W；

(2)引入系统日用电分配百分比集I，设置电解海水制氢的日用电占比为η_i，i表示第i天，压缩储气或采气提纯的日用电占比为1-η_i，并为η_i赋初值，其中，0<η_i<1，日用电分配百分比集I＝[η₁,η₂,......,η_τ]；

(3)根据风力发电机日发电量集W以及电解海水制氢的用电分配百分比集I，两者对应元素相乘求得电解制氢日耗电量集W_e，并结合法拉第定律求得系统日电解产氢量集Y；

(4)对日电解产氢量集Y内的τ个日电解产氢量元素求平均值，获得系统日氢气产能y_sd，然后将日电解产氢量集Y中的元素y_i减去日氢气产能y_sd，并判断：若结果非负则第i天进行压缩储气流程，若结果为负则第i天进行采气提纯流程；

(5)根据实际流程，计算压缩储气流程的日能耗w_c,i或采气提纯流程的日能耗w_p,i，并判断：若总能耗值w_e,i+w_c,i或w_e,i+w_p,i与风电机日发电量w_i相差小于ε，则当前用电分配比满足要求，输出日氢气产能y_sd和日储气或日采气量y_i-y_sd，并求出系统的平均氢气储产比ζ，即为表征系统氢气产出能力与调控能力的耦合指标，其中，w_e,i为第i天的电解制氢日耗电量集；若总能耗值w_e,i+w_c,i或w_e,i+w_p,i与风电机日发电量w_i相差不小于ε，则进入步骤(6)进一步判断；

(6)若总能耗值w_e,i+w_c,i或w_e,i+w_p,i大于等于风电机日发电量w_i，则当前用电分配比减小为原来的50％，若总能耗值w_e,i+w_c,i或w_e,i+w_p,i小于风电机日发电量w_i，则当前用电分配比增大为原来的150％，调整用电分配比完成后，返回步骤(4)进行迭代计算。

步骤(1)中风力发电场日发电量集W计算方法如下：

W＝n×T*P＝[w₁,w₂,......,w_τ]

其中，n是风电场所含风电机数量，单位为台，T是风电机的日工作时间集，w_i是单台风电机第i日的日发电量，单位为千瓦时，其中，i＝1,2,……,τ。

步骤(3)中系统日电解产氢量集Y计算方法如下：

其中，y_i是该海域第i日的日电解产氢量，单位为千克/天，i＝1,2,……,τ；W_e是电解制氢日耗电量集，m是海水电解制氢产能，单位为千瓦时/千克。

系统每天的产氢量会因当天风速不同而改变，然而氢气每日的市场需求是稳定的。为了系统日氢气产能保持稳定，步骤(4)根据τ个日电解产氢量求出平均日电解产氢量，作为日氢气产能。需要注意的是，在步骤(4)所述，求得的日氢气产能只是迭代循环过程的中间值，而不是最终值。若当日电解产氢量大于日氢气产能，多余产量进行压缩储气；若当日电解产氢量小于日氢气产能，不足产量进行采气提纯补充。

步骤(5)中通过迭代过程调整系统的用电分配百分比，最终获得系统最优用电分配百分比，即在该分配百分比下，电解制氢能耗与注气压缩(采气提纯)能耗之和与风电机输入电能相差小于ε。

步骤(5)中压缩储气流程的日能耗w_c,i计算过程如下：

式中：w_c,i是第i日的日压缩储气能耗，单位为焦/天；γ是氢气的比热容比，γ＝1.41，无量纲；f₀是压缩系统进口氢气的压力，单位为兆帕；ρ₀是压缩系统进口氢气的密度，单位为千克/立方米；f_wh是压缩系统出口压力，同时是注采井井口压力，单位为兆帕；

采气提纯流程的日能耗w_p,i计算过程如下：

式中：w_p,i是第i日的日采气提纯能耗，单位为千焦/小时；T₀是采气温度，单位为开；R是通用气体常数，R＝8.314千焦/(千克·开)，β₁、β₂、β_F分别是氢气提纯分离过程中进料气、解析气和产物气中氢气的质量分数。

步骤(5)中ε为迭代终止的判断值，根据实际情况设置；

系统的平均氢气储产比ζ计算过程如下：

式中：y_sd是系统日氢气产能，单位为千克/天；y_i-y_sd是系统第i日的日储气量或采气量，单位为千克/天；ζ是系统平均氢气储产比，无量纲。

步骤(5)中若所得系统的平均氢气储产比ζ＞1，则表示该系统调控能力较为突出，且ζ数值越大，系统调控能力越强；若ζ＜1，则表示系统产出能力更强，且ζ数值越接近于0，系统产出能力越强。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，能够有效解决目前海上风电输出不稳定、浪费严重和储能成本高、储量低的痛点，充分利用地下空间资源，推广应用高能量密度无环境污染的氢能源，实现能源高效利用和稳定输出，以及环境有效保护。

所述方法中，利用迭代求解法，以天为最小时间步长，有效避免计算过程中系统用电分配百分比未知导致无法直接计算的困难，能够方便、快速、准确地调控海上风电制氢地下储氢系统的日氢气稳定输出量和日氢气储(采)气量。

此外，针对该系统产能和储(采)气量这两个项目方关心的关键指标，本发明结合该系统日稳定产能和日氢气储(采)气量，求解该系统平均氢气储产比，来综合反映该系统的产出能力和调控能力。

附图说明

图1为本发明的利用海上风电制氢的地下油气藏储氢系统结构示意图；

图2为本发明的利用海上风电制氢的地下油气藏储氢系统的调控计算方法流程图。

其中：1-海上风电机组；2-海底电缆；3-海水电解装置；4-输氢管道；5-氢气压缩设备；6-缓冲罐；7-三通阀；8-氢气解压设备；9-氢气提纯设备；10-运氢船；11-陆地；12-氢气管网；13-海洋；14-海床；15-氢气储库上覆盖层岩石；16-油气藏储库；17-注/采气井；18-氢气储库底层岩石。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种利用海上风电制氢的地下油气藏储氢系统及调控计算方法。

如图1所示，该系统包括海上风电机组1、海水电解装置3、氢气压缩设备5、氢气解压设备8、氢气提纯设备9、注/采气井17，油气藏储库16和氢气输出设备，氢气输出设备包括运氢船10和氢气管网12，氢气管网12布置在陆地11上，海上风电机组1通过海底电缆2与海水电解装置3、氢气压缩设备5和氢气提纯设备9相连，海水电解装置3、氢气压缩设备5、氢气解压设备8、氢气提纯设备9设置在海洋13底部，海水电解装置3通过输氢管道4连接氢气压缩设备5，氢气压缩设备5通过输氢管道4连接缓冲罐6，缓冲罐6和氢气解压设备8之间设置三通阀7，氢气解压设备8通过输氢管道4连接氢气提纯设备9，氢气提纯设备9连接氢气管网12，三通阀7设置在注/采气井17的井入口，注/采气井17开在海床14上，海床14底部设置油气藏储库16，油气藏储库16连通注/采气井17，油气藏储库16上部设置氢气储库上覆盖层岩石15，油气藏储库16下部设置氢气储库底层岩石18。

如图2所示，该系统调控计算的方法，包括步骤如下：

(1)从选定海域的历史数据中获取连续的τ个离海平面h米日均风速数据，构成日均风速数据集V，然后根据海上风力发电机的风速-输出功率函数求得该海域的单台风力发电机日输出电功率集P，再根据风力发电机的日输出电功率集P、风力发电机的数量和工作时间求得风力发电场日发电量集W；

(2)引入系统日用电分配百分比集I，设置电解海水制氢的日用电占比为η_i，i表示第i天，压缩储气或采气提纯的日用电占比为1-η_i，并为η_i赋初值，其中，0<η_i<1，日用电分配百分比集I＝[η₁,η₂,......,η_τ]；

(3)根据风力发电机日发电量集W以及电解海水制氢的用电分配百分比集I，两者对应元素相乘求得电解制氢日耗电量集W_e，并结合法拉第定律求得系统日电解产氢量集Y；

(4)对日电解产氢量集Y内的τ个日电解产氢量元素求平均值，获得系统日氢气产能y_sd，然后将日电解产氢量集Y中的元素y_i减去日氢气产能y_sd，并判断：若结果非负则第i天进行压缩储气流程，若结果为负则第i天进行采气提纯流程；

(5)根据实际流程，计算压缩储气流程的日能耗w_c,i或采气提纯流程的日能耗w_p,i，并判断：若总能耗值w_e,i+w_c,i或w_e,i+w_p,i与风电机日发电量w_i相差小于ε，则当前用电分配比满足要求，输出日氢气产能y_sd和日储气或日采气量y_i-y_sd，并求出系统的平均氢气储产比ζ，即为表征系统氢气产出能力与调控能力的耦合指标，其中，w_e,i为第i天的电解制氢日耗电量集；若总能耗值w_e,i+w_c,i或w_e,i+w_p,i与风电机日发电量w_i相差不小于ε，则进入步骤(6)进一步判断；

(6)若总能耗值w_e,i+w_c,i或w_e,i+w_p,i大于等于风电机日发电量w_i，则当前用电分配比减小为原来的50％，若总能耗值w_e,i+w_c,i或w_e,i+w_p,i小于风电机日发电量w_i，则当前用电分配比增大为原来的150％，调整用电分配比完成后，返回步骤(4)进行迭代计算。

下面结合具体实施例予以说明。

在实际设计中，该系统的能量输入来源于海上风能，为了实现紧凑的系统结构和高效的能量传输，体现就地取能用能的能源系统设计原则，海上风电机组、海水电解装置、氢气压缩设备、氢气解压设备和氢气提纯设备都需要在海上进行安装，具体地，安装在海床平面上。同样地，油气藏型地下储氢库是位于海床地下的油气藏，注(采)气井是在海床地下油气藏上钻井建设的气井。

海上风电机组按照矩形或圆形排列；其中，受风电机叶片长度以及尾流效应的影响，各风电机之间的半径距离通常在800米至1000米。

海水电解装置还包括用于海水脱盐预处理装置和用于电解水制氢的电解槽。其中，海水电解装置通过海底电缆与海上风电机组相连，通过海底电缆从海上风电机组输入电能。

氢气压缩设备还包括用于稳定气压的缓冲罐。其中，氢气压缩设备通过海底电缆从海上风电机组输入电能。其中，氢气压缩设备的入口与海水电解装置出口相连。

其中，注/采气井还包括用于调节和引导氢气流向的三通阀；其中，三通阀的三个口分别与氢气压缩设备的出口，注/采气井井口和氢气解压设备入口相连接。

其中，氢气提纯设备通过海底电缆从海上风电机组输入电能；其中，氢气提纯设备的入口与氢气解压设备的出口相连。

其中，油气藏型地下储氢库还包括了用于密封的上覆盖层岩石和底层岩石，用以维持储库的压力和良好的气密性；其中，储气库的储气区域与注/采气井井底相连。

其中，氢气输出设备还包括用于氢气海上运输的运氢船和用于氢气陆上运输的氢气管网；其中，氢气输出设备与氢气提纯设备的出口相连。

在具体应用中，系统按如下过程运行：

(1)首先，海上风流过海上风电机组1的叶片使其转动，带动风电机内的涡轮切割磁场发电。

(2)海上风电机组1生产的电能通过海底电缆2输出到海水电解装置3、氢气压缩设备5和氢气提纯设备9，为上述装置进行供电。

(3)海水电解装置3内，海水经过脱盐预处理后发生电解反应，生成氢气。

(4)当日额定的氢气产量依次经过氢气压缩设备5、三通阀7、氢气解压设备8和氢气提纯设备9，最后进入氢气输出设备向用户输出。

(5)当日多余的氢气产量依次经过氢气压缩设备5、三通阀7、注/采气井17进入油气藏储库16进行储存。

(6)当日不足的氢气产量依次经过油气藏储库16、注/采气井17、三通阀7、氢气解压设备8和氢气提纯设备9，最后进入氢气输出设备向用户输出，实现采气补给。

在具体应用中，该系统按如下过程进行调控：

(1)从选定海域的历史数据中获取连续的τ个离海平面h米日均风速数据集V。其中V列于下方：

V＝[v₁,v₂,......,v_τ] (1)

其中，v_i(i＝1,2,……,τ)是选定海域的历史数据中第i日的离海平面h米日均风速，米/秒；

(2)根据海上风力发电机的风速-输出功率函数求得该海域的单台风力发电机日输出电功率集P。其中，单台风力发电机日输出电功率集P列于下方：

P＝[p₁,p₂,......,p_τ] (2)

其中，p_i(i＝1,2,……,τ)是单台风力发电机第i日的日输出电功率，千瓦；

其中，风速-输出功率函数列于下方：

其中，v_cut-in是风电机切入风速，v_cut-out是风电机切出风速，v_r是风电机额定风速，米/秒，p_r是风电机额定输出功率，千瓦。

其中，风电机型号可根据该海域最低日均风速进行选择，选择的原则是该海域最低日均风速不小于风电机切入风速。

(3)根据风力发电机的日输出电功率，数量和工作时间可求得风力发电场日发电量集W。其中W列于下方：

W＝n×T*P＝[w₁,w₂,......,w_τ] (4)

其中，n是风电场所含风电机数量，台，T是风电机的日工作时间集，w_i(i＝1,2,……,τ)是单台风电机第i日的日发电量，千瓦时，其中T列于下方：

T＝[t₁,t₂,......,t_τ] (5)

其中，t_i(i＝1,2,……,τ)是单台风电机第i日的日工作时间，小时，“*”表示两个等维向量之间对应元素相乘；

(4)引入用电分配百分比，其中海水电解槽的用电分配百分比为η，相应地当日压缩注入氢气(采出提纯氢气)的用电分配百分比为1-η，并设置电解海水制氢的用电占比和压缩注入氢气/采出提纯氢气的用电分配比初始值各为50％。其中，海水电解的日用电分配百分比集I列于下方：

I＝[η₁,η₂,……,η_τ] (6)

其中，压缩注入氢气/采出提纯氢气的用电分配百分比集[1]-I列于下方：

[1]-I＝[(1-η₁),(1-η₂),……,(1-η_τ)] (7)

其中，[1]表示与I等维的元素全为1的矩阵。

(5)根据风力发电机日发电量以及电解海水制氢的用电分配比，结合法拉第定律求得日电解产氢量集Y。其中，海水电解制氢产能表达式列于下方：

其中，F是法拉第常数，F＝9.65×10⁴库伦/摩尔；n是氢气所含元素的化合价绝对值之和，n＝2；M_mol是氢气的摩尔质量，M_mol＝2克/摩尔；U是输入电压，V，工程上一般为2.0伏；δ是考虑海水预处理能耗所计入的能耗系数，δ>1；m是海水电解制氢产能，千瓦时/千克。

其中，Y列于下方：

其中，y_i(i＝1,2,……,τ)是该海域第i日的日电解产氢量，千克/天，W_e是日电解制氢电耗集；

(6)对日电解产氢量集Y内的τ个日电解产氢量元素y_i求平均值，获得系统日氢气产能y_sd。其中，y_sd列于下方：

y_sd＝Average(Y) (10)

其中，“Average”表示对向量中所有元素求算术平均值；y_sd是系统日氢气产能，千克/天；

(7)将日电解产氢量y_i减去日氢气产能y_sd，并判断：若结果非负则该日氢气产能盈余需要进行压缩储气流程，若结果为负则该日氢气产能亏损需要进行采气提纯流程；

(8)计算第i日的日压缩储气(采气提纯)流程的能耗w_c,i(w_p,i)，并判断：若系统总能耗w_e,i+w_c,i(w_p,i)与所分配用电w_i相差小于ε，则当前用电分配比满足要求，进入步骤(10)，否则进入下一判断(9)。其中，井口压力f_wh，压缩储气能耗w_c,i和采气提纯能耗w_p,i列于下方：

其中:f_wh＝(1-α)f_wf (12)

其中：w_c,i是第i日的日压缩储气能耗，焦/天；γ是氢气的比热容比，γ＝1.41，无量纲；f₀是压缩系统进口氢气的压力，兆帕；ρ₀是压缩系统进口氢气的密度，千克/立方米；f_wh是压缩系统出口压力，同时是注采井井口压力，兆帕；α是注采气损失百分比；f_g是地下储库压力，f_g,0是地下储库原始压力，兆帕；μ是储层氢气粘度，帕秒；L是储层厚度，米；K是储层岩石渗透率，毫达西；A是储库面积，平方米；Z是氢气在储层压力下的压缩因子，无量纲；R是通用气体常数，R＝8.314千焦/(千克·开)；T_g是储层温度，开；V_g是储库体积，立方米；

其中：

其中：w_p,i是第i日的日采气提纯能耗，千焦/小时；T₀是采气温度，开；β₁、β₂、β_F分别是氢气提纯分离过程中进料气、解析气和产物气中氢气的质量分数；

(9)若系统总能耗w_e,i+w_c,i(w_p,i)大于所分配用电w_i，则当前用电分配比减小为原来的50％，若系统总能耗w_e,i+w_c,i(w_p,i)小于所分配用电w_i，则当前用电分配比增大为原来的150％，调整用电分配比完成后，返回步骤(5)进行迭代计算；

(10)迭代循环计算结束，输出系统日氢气产能y_sd，即为系统日氢气产能。输出系统日储(采)气量y_i-y_sd。计算系统平均氢气储产比ζ：

其中：y_sd是系统日氢气产能，千克/天；y_i-y_sd是系统第i日的日注气量，千克/天；ζ是系统平均氢气储产比，无量纲。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。