一种用于应对供需多尺度时间波动的可再生甲醇-氨联产系统的两步设计方法

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：A two-step design approach for renewable methanol-ammonia co-production systems under multiscale temporal fluctuations in supply and demand

　　摘要：当前，可再生多产品化学系统的设计面临着多尺度供需波动、跨尺度耦合以及模型精度与计算可行性之间的权衡等挑战。为解决这些问题，本文提出了一种用于可再生甲醇-氨联产系统（RMACS）的两步设计框架，该框架采用时间尺度解耦策略，将长期生产能力配置与短期可再生能源供应及存储调度分开处理。在长期尺度上，建立多周期设计与运行优化模型，以确定生产子系统的最佳配置与运行方案；在短期尺度上，则为原料子系统构建详细的設计与调度模型，以优化可再生能源的供应与存储安排。案例研究表明，生产子系统的容量主要受峰值需求和最低负荷约束的影响，而原料子系统则倾向于使用大型风力发电机和电池储能系统，以应对可再生能源供应的短期随机波动。电解氢、氮气及电力的周期性需求主要取决于生产能力的变动，而氧气需求则与生物质供应的季节性波动密切相关。RMACS的年度总成本为2495.6×106美元，其中资本成本占总成本的81.2%。该系统可实现49.4%的碳排放减少，但进一步降低排放的成本会显著上升，这凸显了经济效益与脱碳目标之间的固有矛盾。所提出的两步方法能够系统地处理供需的多尺度波动，同时兼顾解决方案的精确度与计算可行性，为在供需多尺度时间波动条件下设计及优化可再生多产品化学系统提供了理论依据与实践指导。

引言：目前，化工行业仍主要依赖石油、煤炭和天然气等化石资源。这种依赖不仅加速了有限资源的枯竭，还引发了包括大量温室气体排放、生态环境恶化以及能源安全问题在内的一系列严峻挑战[1]、[2]。因此，传统的基于化石资源的化学生产方式越来越难以满足化工行业向绿色低碳转型的战略需求[3]。在此背景下，构建基于生物质、风能和太阳能等可再生资源与能源的高效利用、低碳排放的化学生产系统，已成为推动化工行业高质量发展的可行途径[4]。可再生化学生产系统与基于化石资源的化学生产系统有着本质区别，后者在产品市场需求稳定的情况下拥有稳定的原料供应。而可再生化学制造系统则面临着原料供应端和产品需求端的多尺度不确定性及波动[5]。在原料供应方面，风能和太阳能的供应具有随机性和间歇性，其波动通常发生在每小时甚至更短的时间尺度上[6]；生物质原料的可用性则受农业生产周期和气候条件限制，其波动往往呈现季节性甚至年度性特征。在产品需求方面，化学品的市场需求主要以月度或季度时间为单位出现波动[7]、[8]。因此，在供需多尺度波动条件下设计及运营可再生化学生产系统，在时间匹配和物质能量匹配方面都面临巨大挑战[9]。最具前景的解决方案之一是通过整合多种产品所需的材料和能源，建立可再生多产品联产系统，从而提升整体资源利用效率与运营灵活性[10]、[11]。在这些系统中，基于生物质气化、风能和太阳能的可再生甲醇-氨联产系统（RMACS）尤为典型。甲醇和氨不仅是重要的基础化工产品[12]、[13]，也是重要的能源载体[14]、[15]。二者联产能够在系统层面实现碳、氢、氧、氮等关键元素的灵活高效分配，进而提高可再生资源的整体利用效率。此外，通过灵活调整产品组合，还能增强系统应对供需双方波动的能力。因此，RMACS有望为化工行业的深度脱碳提供可行的技术路径[16]、[17]。然而，这类系统也面临着来自供应端和需求端的诸多不确定性及波动所带来的挑战。在原料供应方面，大型化学生产系统通常具有有限的负荷调节能力和较大的运行惯性，因此更适合稳态或长周期运行，无法快速响应分钟级或小时级出现的可再生能源供应波动[18]、[19]，这就需要通过能源和材料的储存来提升生产系统的运营灵活性与适应能力[20]、[21]。在产品需求方面，甲醇和氨的市场需求存在周期性波动，这也为通过优化调度提升系统盈利能力提供了机会。因此，如何在供需多尺度波动条件下实现RMACS的最佳设计与运行，已成为制约这类系统实际应用的重要问题。针对可再生化学生产系统的设计与优化，现有研究从多周期设计、调度优化以及多能源系统集成等方面开展了探索[5]、[22]、[23]、[24]。为应对供需双方的波动，现有方法通常采用周期划分[24]、[25]、特征时间序列法或时间序列聚类法等方法，将这些来自不同来源和尺度的供需波动映射到统一的时间尺度上，以降低模型的复杂性并提高求解效率[27]。然而，这些方法往往难以捕捉不同资源供应和产品需求波动之间的内在差异，可能会削弱或忽视多尺度波动之间的耦合关系。通过聚类或时间序列压缩得到的特征数据不可避免地会丢失部分原始时间信息，这可能会影响最终系统设计及运行策略在实际波动条件下的适应性。此外，如果在最细的时间尺度上建立集成优化模型，模型的维度将会大幅增加，从而导致计算复杂度显著上升[28]。因此，在确保优化模型可求解且能够真实反映系统运行特性的前提下，亟需开发出能够有效应对供需多尺度波动的可再生化学生产系统设计及优化方法。本研究提出了一种两步设计方法，用于在供需多尺度时间波动条件下对可再生甲醇-氨联产系统（RMACS）进行最优设计。该方法将供需双方的长期周期性波动，即月度或季节性波动，与短期随机波动，即分钟级或小时级波动分开处理。在长期尺度上，建立多周期设计与运行优化模型，以确定生产子系统的最佳设计配置及其多周期运行计划，从而体现生物质供应和产品需求的长期周期性变化。而在短期尺度上，为应对风能和太阳能等可再生能源的间歇性和随机性波动，为原料子系统构建详细的設计与调度优化模型，以实现间歇性可再生能源的高效利用和系统的灵活调控。此外，本文还分析了碳排放减少对系统性能的影响。所提出的设计框架为在供需多尺度时间波动条件下设计及优化可再生多产品化学系统提供了理论依据与实践指导。

问题阐述：图1展示了在供需多尺度时间波动条件下的可再生甲醇-氨联产系统（RMACS）。在该系统中，以生物质作为原料，甲醇（MeOH）和氨（NH3）的生产依靠风能和太阳能。所提出的RMACS可分为两个子系统，即原料子系统（P7）和生产子系统（P1-P6）。在原料子系统P7中，输入的是风能和太阳能等可再生能源。

设计策略：为解决上述供需多尺度时间波动条件下的RMACS设计及运行优化问题，本文提出了一种两步设计策略，如图2所示。第一步：首先根据生物质供应和产品需求的长期周期性变化来确定生产子系统的运行周期。基于确定的周期划分，为RMACS构建多周期设计与运行优化模型M1。

基础数据：图4展示了RMACS的基本供需数据。在原料供应方面，每年的生物质加工能力为106吨，其供应量存在明显的季节性波动，波动范围在95.3?133.2吨/小时之间。光伏和风电的容量系数则通过8760小时的输出曲线来表示[34]。在产品需求方面，甲醇和氨的需求以月度为单位波动，甲醇的需求量在37.2至93.6吨/小时之间，而氨的需求量则在24.6至86.7吨/小时之间。

结论：本研究提出了一种两步最优设计方法，用于在供需多尺度时间波动条件下设计可再生多产品化学生产系统。该设计方法的核心思路是将基于可再生资源的原料子系统与生产子系统分开，然后通过解耦供需双方的长期周期性波动与短期随机波动，重新匹配这两个子系统。在长期尺度上，进行多周期设计……

CRediT作者贡献说明：唐建平：撰写——初稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、研究、形式分析、数据整理。王静：可视化、验证、软件、资源、研究、形式分析、数据整理。吴乐：可视化、验证、软件、资源、研究、形式分析。康丽霞：可视化、资源、数据整理。刘永忠：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、项目管理。

数据可用性：作者确认，支撑本研究结果的数据均存在于文章中。

利益声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢：作者衷心感谢中国国家自然科学基金委员会（NSFC）资助的项目（U24B6016和22238006）、陕西省能源实验室科技计划（ESLB202411）以及陕西省共性技术研究开发平台（2025ZY1-GXJS-03）提供的支持。

唐建平|王静|吴乐|康丽霞|刘永忠