本发明涉及综合能源，具体地指一种风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型的容量配置优化方法。
背景技术：
1、在全球能源需求快速增长和环境问题日益严峻的背景下，可再生能源制氢的重要性愈发凸显。利用风能和太阳能等可再生资源制氢，可将间歇性能源转化为高能量密度的氢气，实现高效储存和灵活调配，增强能源供应的稳定性，减少对化石燃料的依赖。氢能作为清洁能源，其生产和使用过程几乎不产生温室气体和其他污染物，有助于降低碳排放，改善空气质量，缓解气候变化，推动全球环保事业的发展。随着制氢技术的进步和规模化应用，氢能产业将成为新的经济增长点，促进能源结构优化和产业链创新，创造大量就业机会，提高整体经济效益。可再生能源制氢在能源、环境和经济方面具有显著优势，是实现全球可持续发展目标的重要途径和解决方案。
2、目前的电解水制氢下游多集中在氢气的利用上，例如电力系统储能、燃料电池汽车等领域，电解水过程中的副产品氧气利用却较少，导致资源浪费，从而降低了整体制氢的经济性。根据电解水化学反应式，每电解1kg水可以产生0.2kg氢气和0.8kg氧气。电制氢园区多聚焦于氢气的利用，缺乏对于氧气的资源化利用，高纯度氧气的储存成本高且伴随一定的安全隐患，如果直接排放，不仅会造成资源浪费，还降低了整体工艺的经济效益。
3、传统污水处理厂普遍采用活性污泥法来降解和去除水中的有机物质，活性污泥是一种混合了各种微生物的淤泥状物质，这些微生物能够分解废水中的有机物，将其转化为无害的废物和气体，处理过程中微生物的呼吸和分解作用需要大量氧气。具体操作方式为采用罗茨风机或者离心风机将空气直接曝入好氧池的底部，使空气中的氧气溶解，进而使反应顺利进行。
4、但是，现有污水处理技术中将空气曝入好氧池的底部存在如下问题：
5、第一，由于空气中的氧含量仅为21％，根据氧传质的基本原理，氧气的传递阻力较大，导致空气曝气的效率低下，由于空气曝气的效率较低，需要高能耗的曝气设备来满足污水处理的要求，导致污水处理厂的曝气能耗占到污水日运行总能耗的60％；
6、第二，为了提供足够的氧气以满足微生物的需求，曝气池的体积需要相应增大，因此需要占用大量土地面积。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足之处，本发明提出一种风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型的容量配置优化方法，将风光制氢系统产生的副产物氧气与污水处理工艺相耦合，对电解水制氢、制氧设备及污水处理系统运行方案进行优化，充分利用新能源制氢的副产物氧气，有利于优化新能源消纳，提高新能源利用效率。
2、为达到上述目的，本发明设计一种风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型的容量配置优化方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
3、s1)搭建风光制氢耦合纯氧曝气污水处理系统，所述系统包括分别与直流母线相连的新能源发电子系统、锂离子电池储能子系统、电解制氢子系统、空气压缩机子系统、以及曝气机子系统；所述电解制氢子系统产生的氧气传输至空气压缩机子系统，产生的氢气出售；所述空气压缩机子系统输出的氧气传输至储氧罐子系统，所述储氧罐子系统输出的氧气传输至曝气机子系统，所述曝气机子系统输出的氧气传输至生物反应池子系统，所述生物反应池子系统中的污水来源于蓄水池子系统；
4、s2)构建风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型，所述模型用于优化各子系统容量，权衡各子系统投资成本与运行成本，实现风光制氢耦合纯氧曝气污水处理系统的总成本最低的目标；所述模型的目标函数如下，
5、
6、式中，
7、j为风光制氢耦合纯氧曝气污水处理系统的总成本，
8、min为最小值，
9、∑为求和，
10、costac,i为组件i的单位投资成本，i＝1,2…n，
11、capi为组件i的容量，
12、costop,j为组件j的运行成本，j＝1,2…m，
13、et,j为t时刻组件j的能量流动，
14、csell为售氢价格，
15、为t时刻制氢量；
16、s3)设置所述模型的目标函数的约束条件，所述约束条件包括功率平衡约束条件、锂离子电池储能约束条件、电解制氢运行约束条件、空气压缩机模型约束条件、储氧罐储能约束条件、曝气机模型约束条件、生物反应池运行约束条件、以及蓄水池约束条件；
17、s4)在步骤s3)的各约束条件下，使用求解器对步骤s2)的目标函数进行求解，获得各决策变量的最优取值，进而得到风光制氢耦合纯氧曝气污水处理系统中各个组件的最优容量配置。
18、进一步地，s3)中，所述新能源发电子系统包括光伏发电子系统和风力发电子系统；
19、所述功率平衡约束条件具体如下
20、ps,t+pw,t+plib_out,t＝pe,t+pw1,t+pw2,t+plib_in,t,t＝1,2,3...t式中，
21、ps,t为t时刻光伏发电功率，
22、pw,t为t时刻风力发电机组功率，
23、plib_out,t为t时刻锂离子电池的放电功率，
24、pe,t为t时刻电解制氢装置的制氢功率，
25、pw1,t为t时刻空气压缩机运行功率，
26、pw2,t为t时刻曝气机运行功率，
27、plib_in,t为t时刻锂离子电池的充电功率。
28、更进一步地，s3)中，所述锂离子电池储能约束条件具体如下
29、
30、式中，
31、plib_out,t为t时刻锂离子电池的放电功率，
32、plib_out,min为锂离子电池的最小放电功率，
33、plib_out,max为锂离子电池的最大放电功率，
34、plib_in,t为t时刻锂离子电池的充电功率，
35、plib_in,min为锂离子电池的最小充电功率，
36、plib_in,max为锂离子电池的最大充电功率，
37、为锂离子电池的充电效率，
38、为锂离子电池的放电效率，
39、caplib,t-1为t-1时刻锂离子电池的电池电量，
40、caplib,t为t时刻锂离子电池的电池电量，
41、caplib,max为锂离子电池的最大电池电量，
42、caplib,min为锂离子电池的最小电池电量，
43、caplib,1为调度周期的锂离子电池t＝1时刻电量，即锂离子电池的电量初始值，
44、caplib,t为t＝t时刻电量，即锂离子电池的电量在一个优化周期的终止，t为一个调度周期。
45、更进一步地，s3)中，所述电解制氢运行约束条件具体如下
46、
47、pe,min≤pe,t≤pe,nom
48、
49、式中，
50、为t时刻电解制氢装置的产氢速率，
51、为t时刻电解制氢装置产生1kg氢气所需的功率，
52、pe,nom为电解制氢装置的额定制氢功率，
53、pe,t为t时刻电解制氢装置的运行功率，
54、pe_min为电解制氢装置的最小制氢功率，
55、为t时刻电解制氢装置的产氧速率。
56、更进一步地，s3)中，所述空气压缩机模型约束条件具体如下
57、
58、式中，
59、pw1,t为t时刻空气压缩机运行功率，
60、κ为氧气绝热系数，
61、r为是理想气体常数
62、tc1in,t为t时刻空气压缩机的进气口温度，
63、ηc1为空气压缩机运行时的曝气效率，
64、p1out,t为t时刻空气压缩机的出气口气体压力，单位kpa，
65、p1in,t为t时刻空气压缩机的进气口气体压力，单位kpa，
66、gs1in,t为t时刻空气压缩机的进气流量，nm3/h，
67、为t时刻电解制氢装置的产氧速率。
68、更进一步地，s3)中，所述储氧罐储能约束条件具体如下
69、
70、gsin,t＝gs1in,t
71、gsout,t＝gs2in,t
72、式中，
73、pws,t为t时刻储氧罐的压力，
74、r为是理想气体常数，
75、t为储氧罐内氧气温度，
76、ρ为储氧罐内氧气密度，
77、v为储氧罐的体积，
78、m为储氧罐内氧气的摩尔质量，
79、gsin,t-1为储氧罐的进口气体流量，
80、gsout,t-1为储氧罐的出口气体流量，
81、pws,t-1为t-1时刻储氧罐的压力，
82、pws,min为储氧罐的最小压力，
83、pws,max为储氧罐的最大压力，
84、pws,1为储氧罐的初始压力，
85、pws,t为为优化周期最终值的储氧罐的压力，
86、gsin,t为t时刻储氧罐的进口气体流量，
87、gs1in,t为t时刻压缩机的进口气体流量，
88、gsout,t为t时刻储氧罐的出口气体流量，
89、gs2in,t为t时刻曝气机的进口气体流量。
90、更进一步地，s3)中，所述曝气机模型约束条件具体如下
91、
92、式中，
93、pw2,t为t时刻曝气机运行功率，
94、κ为氧气绝热系数，
95、r为是理想气体常数，
96、tc2in,t为t时刻曝气机的进气口温度，
97、ηc2为曝气机运行时的曝气效率，
98、p2out,t为t时刻曝气机的出气口气体压力，单位kpa，
99、p2in,t为t时刻曝气机的进气口气体压力，单位kpa，
100、gs2in,t为t时刻曝气机的进气流量，nm3/h。
101、更进一步地，s3)中，所述生物反应池运行约束条件具体如下r0,t＝0.001aqout,t(so,t-se)-cδxv+b(0.001qout,t(nk,t-nke)
102、-0.12δxv)-0.62b(0.001qout,t(nt,t-nke-noe)-0.12δxv)
103、
104、
105、式中，
106、r0,t为污水实际需氧量，单位kgo2/d，
107、a为碳的氧当量，当含碳物质以bod5计时，
108、qout,t为t时刻蓄水池的出水流量，单位m3/d，
109、so,t为生物反应池的进水bod5浓度，单位mg/l，
110、se生物反应池的出水bod5浓度，单位mg/l，
111、c为细菌细胞的氧当量
112、δxv为排出生物反应池的微生物量，单位kg/d，
113、b为氧化每千克氨氮的需氧量，单位kgo2/kg n，
114、nk,t为t时刻生物反应池的进水总凯氏氮浓度，单位mg/l，
115、nke为生物反应池出水总凯氏氮浓度，单位mg/l，
116、nt,t为t时刻生物反应池的进水总氮浓度，单位mg/l，
117、noe为生物反应池的出水硝态氮浓度，单位mg/l，
118、0.12δxv为排出生物反应池的微生物中含氮量，单位kg/d，
119、rt为t时刻污水标准需氧量，单位kgo2/d，
120、cs为标准条件下清水中的饱和溶解氧，
121、α为混合液中kla值与清水中kla值之比，
122、β为混合液的饱和溶解氧值与清水的饱和溶解氧值之比，
123、cstn,t为t时刻曝气装置从水下深度至池面的清水平均溶解氧，单位mg/l，
124、co为混合液的剩余溶解氧浓度，
125、t为混合液温度，
126、gsout,t为t时刻曝气机出气口氧气流量，
127、为氧气密度，单位g/m3，
128、ea为曝气机氧利用率(％)。
129、更进一步地，s3)中，所述蓄水池约束条件具体如下
130、
131、式中，
132、qout,t为t时刻蓄水池污水的出水流量，
133、qout,min为蓄水池污水的最小出水流量，
134、qout,max为蓄水池污水的最大出水流量，
135、qin,t为t时刻蓄水池污水的进水流量，
136、qin,min为蓄水池污水的最小进水流量，
137、qin,max为蓄水池污水的最大进水流量，
138、capct,t-1为t-1时刻蓄水池的容量，
139、capct,t为t时刻蓄水池的容量，
140、capct,min为蓄水池可容纳污水体积最小容量，
141、capct,max为蓄水池可容纳污水体积最大容量；
142、capct,1为蓄水池初始污水体积；
143、capct,t为蓄水池优化周期最终值时刻污水体积。
144、进一步地，s4)中，所述求解器为gurobi或cplex。
145、本发明的优点在于：
146、1、本发明搭建风光制氢耦合纯氧曝气污水处理系统，该系统将污水处理厂与可再生能源制氢系统相耦合，利用可再生能源为电解水制氢设备提供能量，再利用电解水制氢设备产生的副产品氧气，为污水处理厂的好氧生物反应提供纯氧，降低污水处理曝气机耗电量，大大降低了污水处理厂的运营成本；同时将电解水产生的氢气销售给污水处理厂，增加可再生能源的消纳能力，提高可再生能源制氢的经济性，通过污水处理厂与风光制氢系统的耦合，增强资源利用率，避免了资源的浪费；
147、2、本发明构建风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型及容量配置优化方法，该模型以系统总成本(包括投资、运行成本)最低为目标，为风光制氢-纯氧曝气污水处理耦合系统中的各子系统(包括光伏发电系统、风力发电系统、锂离子电池储能系统、电解制氢系统、氧气罐储能系统、空气压缩机系统、曝气机系统、蓄水池系统)提供最优容量配置，获得的容量配置优化方案实现经济性最高，对投资规划该系统具有指导性意见；
148、本发明风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型的容量配置优化方法，不仅通过污水处理厂与风光制氢系统的耦合，增强资源利用率，而且通过容量配置优化，实现系统经济性最高，对投资规划该系统具有指导性意见。
1.一种风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型的容量配置优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型的容量配置优化方法，其特征在于：s3)中，所述新能源发电子系统包括光伏发电子系统和风力发电子系统；
3.根据权利要求2所述的风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型的容量配置优化方法，其特征在于：s3)中，所述锂离子电池储能约束条件具体如下
4.根据权利要求3所述的风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型的容量配置优化方法，其特征在于：s3)中，所述电解制氢运行约束条件具体如下
5.根据权利要求4所述的风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型的容量配置优化方法，其特征在于：s3)中，所述空气压缩机模型约束条件具体如下
6.根据权利要求5所述的风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型的容量配置优化方法，其特征在于：s3)中，所述储氧罐储能约束条件具体如下
7.根据权利要求6所述的风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型的容量配置优化方法，其特征在于：s3)中，所述曝气机模型约束条件具体如下
8.根据权利要求7所述的风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型的容量配置优化方法，其特征在于：s3)中，所述生物反应池运行约束条件具体如下
9.根据权利要求8所述的风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型的容量配置优化方法，其特征在于：s3)中，所述蓄水池约束条件具体如下
10.根据权利要求1所述的风光制氢耦合纯氧曝气污水处理模型的容量配置优化方法，其特征在于：s4)中，所述求解器为gurobi或cplex。
