氢燃料站中级联压缩与存储系统的协同优化方法

《International Journal of Hydrogen Energy》：Collaborative optimization method for cascade compression and storage system in hydrogen refueling station

　　连江涛|邱美兰|康丽霞|刘永中
西安交通大学化学工程系，中国陕西省西安市710049

**摘要**
本研究提出了一种针对氢燃料加注站（HRSs）级联压缩和储存系统的协同优化方法，旨在最小化系统的总年度成本。该方法将多级压缩单元和多级储存单元作为一个整体进行整合，并构建了一个混合整数非线性规划模型，涵盖了氢气供应、压缩、储存和加注过程。该模型采用了一种高效的两阶段双层嵌套迭代求解策略，以应对氢气流量-压力-体积参数之间的强非线性耦合问题。通过对35 MPa和70 MPa典型HRSs进行案例研究，并比较不同配置方案的结果，明确了压缩级数、压缩比、储罐压力范围和容积配置对HRSs经济性和运行性能的影响。通过系统配置和氢气分配策略的协同优化，可以显著提高HRSs的整体效率。

**引言**
随着全球能源结构向低碳转型的加速，氢气因其高能量密度和零排放的优势，被视为实现未来交通深度脱碳的关键能源载体[1]。作为连接氢气生产、储存和利用的关键节点，氢燃料加注站（HRSs）在氢气运输系统的设计和运行性能中发挥着基础性和决定性作用[2,3]。为了满足对更长行驶里程和更高加注效率的需求，HRSs的加注压力水平已逐渐从35 MPa提升至70 MPa。由于氢气压缩和储存系统是HRSs投资和运营成本的主要组成部分，压力水平的提高不可避免地给压缩机和储罐的配置和协作带来了容量和压力方面的挑战[4,5]。因此，对HRSs的多级压缩和多级储存系统（称为级联压缩和储存系统）进行系统优化，不仅可以提升HRSs的经济性能和能源效率，还能为氢燃料加注基础设施的标准化和大规模建设提供理论基础和方法支持[6],[7],[8]。

目前，关于35 MPa HRSs的研究逐渐从采用固定压缩级数和单级高压储罐的布局转向级联压缩和储存系统（CCSS），以提高系统的整体能源效率和经济性能。Caponi等人[9]比较了HRSs中单罐储存系统和双罐级联储存系统的技术经济性能。结果表明，与单罐储存相比，级联系统可降低约10%的能耗和20%的温度升高，并在投资和运营成本方面具有明显优势。Meisam等人[10]比较了单罐储存系统和三级级联系统，并分析了加注时间、氢气储存量、能耗和环境温度对加注性能的影响。热力学建模表明，尽管级联储存系统需要更大的容积，但它显著降低了压缩过程的能耗。此外，Zhu等人[11]提出了一种用于综合能源利用场景的三级级联氢储存系统，与单级储存系统相比，在离网运行168小时内表现出稳定性和经济可行性。他们结合NSGA-II多目标优化算法，优化了氢储存罐的容量和中等压力储罐的压力水平，有效降低了系统成本和能耗。同时，氢气供应损失率相比现有系统降低了12%。Luo等人[12]专注于三级级联储存系统，并开发了一个涵盖整个加注过程的热力学模型。通过分析级联系统中氢储存罐的压力比和容量配置，他们证明了三级级联储存可以提升加注效率、减少压力差并降低冷却能耗。Trussoni等人[13]使用多目标热力学建模优化了一种用于燃料电池公交车的双罐级联HRS，揭示了储罐大小和压缩能耗之间的明确权衡。这些研究主要基于热力学建模和数值模拟，揭示了级联系统在减少能耗和提升加注效率方面的潜力，从储罐级数、压力配置和加注策略的角度进行了探讨。

随着加注压力向70 MPa的演变，相关研究也开始关注在更高压力条件下压缩和储存单元的匹配问题。关于级联氢储存系统的运行优化，Chen等人[14]提出了一种基于热力学模拟和替代建模的压力切换差异的动态优化策略。结果表明，在满足加注需求的同时，系统能耗可降低多达10.76%，这验证了多级储存系统在压力能量级联利用方面的潜力。Prokopou等人[15]比较了机械压缩机和电化学压缩机的配置，并构建了一个集成CCSS的全过程动态模型。研究表明，采用低于10 MPa的电化学压缩机和高于10 MPa的机械压缩机的混合配置可以在投资成本和运营成本之间实现最佳平衡。?afak和?i?ek[16]为与可再生能源集成的电网交互式农村HRS开发了一种多目标MILP能源管理策略。他们的模型同时优化了经济利润和电网负荷因子，表明扩大电解槽容量可以提高经济效益，但会影响负荷因子的稳定性。在多级压缩方面，Wang等人[17]系统分析了不同压力比分配策略对五级离子液体压缩机系统能源效率的影响。结果表明，合理的压力比分配在提高压缩效率和热传递性能方面起着重要作用。压力比策略的变化会影响系统的经济效率和稳定性，应针对不同的应用场景选择合适的压力比策略。B?tge等人[18]基于热力学模拟和混合整数线性规划提出了一种气体HRSs的配置优化方法。他们的研究表明，在需求增长的场景下，类似增压器的配置更具经济性，并建议采用分阶段升级策略。此外，还发现压缩机配置对系统性能的影响远大于氢储存罐。Xiao等人[19]比较了三级氢储存系统和单级系统的性能，并研究了三种压力水平和储罐加注顺序对能耗的影响。结果表明，三级级联储存系统相比单级系统可降低站点总能耗约34%。虽然设备投资成本增加，但能耗的显著降低使得系统总成本更低。在加注策略方面，从低压力到高压力的顺序可以降低能耗，而从高压到低压力的顺序则增强了连续加注能力。Jongyeon等人[20]分析了级联系统中氢储存罐数量和单个储罐压力水平对加注时间、能耗和其他性能指标的影响。结果表明，三级级联储存系统在加注速度、能耗和设备成本之间提供了最佳平衡。Hu等人[21]研究了氢储存罐的压力比对三级级联氢储存系统中氢利用效率和特定能耗的影响。他们在不同的总氢储存场景下进行了热力学动态模拟。研究表明，适当提高中等和高压氢储罐的压力可以有效提高系统的氢利用率。

总之，现有研究表明，多级压缩和/或级联氢储存系统在降低能耗、提升加注性能和实现压力能量的级联利用方面具有显著优势，这体现在压缩机配置和氢储存罐的分级设计方面。然而，大多数研究将压缩和储存视为相对独立的系统进行顺序或分段优化，忽略了它们之间的内在耦合。尽管一些研究人员探索了35 MPa HRSs中三级CCSS的协同配置，但假设储罐的压力水平是固定的。这种假设未能充分揭示压缩机和储罐在容量和压力方面的协同效应，限制了在HRSs中最大化性能（如氢利用率和加注容量）的能力[22]。实际上，由于氢气流量、压力和体积在这两个单元之间存在强耦合，氢压缩和储存单元之间存在自然的协同和耦合关系。只有通过集成设计和优化，才能实现系统性能的最大提升。因此，仅关注单一环节的现有研究未能有效描述这种耦合关系，从而无法揭示HRSs中CCSS的协同耦合机制。此外，这种强耦合关系可能导致协同优化设计的效率低下甚至无法解决。

为此，本文不同于以往的研究，重点关注HRSs中CCSS的协同优化，强调了压缩和储存系统的创新整合。本研究的主要工作和贡献总结如下：
(1)建立了一个基于MINLP的CCSS协同优化模型，将多级压缩和多级储存视为一个统一的整体系统。该模型实现了系统配置和运行调度的同时优化，为HRSs中CCSS的集成设计提供了基础优化框架。
(2)提出了一种高效的两阶段双层嵌套迭代求解策略，以解决强耦合非线性模型的求解难题，为类似复杂能源系统优化问题提供了有效的算法框架。
(3)通过35 MPa和70 MPa的案例研究，揭示了压缩和储存之间的协同匹配机制以及不同压力下的优化优先级。这为HRSs的工程设计和运行提供了理论基础和方法支持。

**部分摘录**
**HRSs系统**
图1展示了包含CCSS的HRS，该系统由四个关键单元组成。这些单元按顺序连接，形成了从氢气生产、压缩、储存到车辆加注的完整过程。氢气由电解单元生成，然后进入多级压缩单元进行级联加压。压力从电解单元的出口逐步增加到储罐所需的压力，在此之前安装了一个缓冲罐。

**集合定义**
为了便于描述，定义了以下集合：
(1)氢气加注的时间间隔，T = {t | t = 1, 2, 3, …, T}；
(2)HRS中的压缩机集合，I = {i | i = 1, 2, 3, …, I}；
(3)HRS中的氢储存罐集合，J = {j | j = 1, 2, 3, …, J}。

**模型假设**
为了平衡计算精度、解决方案效率和工程实用性，模型采用了以下假设：
(1)假设压缩过程是等熵的且效率恒定，这是常见的假设。

**案例研究**
为了测试所提出方法的可行性和有效性，本文选择了中国宁夏的一个35 MPa氢燃料加注站作为案例研究。该站配备了一个现场氢生产电解槽，容量为3000 kW，氢生产压力为2 MPa，每日氢加注量范围为500至800 kg。站内配置了一个加注器，氢气供应管道的最大流量为……

**结论**
本文提出了一种新颖的CCSS集成协同优化方法，与现有的顺序优化或独立优化方法明显不同。其核心创新在于多级压缩和级联储存的同时优化，以及针对强耦合非线性模型提出的两阶段双层嵌套迭代求解策略。通过选取两个典型的HRSs进行测试，验证了所提方法的有效性。

**作者贡献声明**
连江涛：撰写——原始草案、验证、软件、资源、方法论、调查、形式分析、数据整理。
邱美兰：可视化、调查、形式分析。
康丽霞：撰写——审阅与编辑。