CN110425413A - 一种大规模低能耗阶梯储氢系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及大规模低能耗阶梯储氢系统，包括氢气源、高压储氢系统、氢气液化系统和液氢储罐；其中高压储氢系统包括分级高压储氢罐和分级氢气压缩机；其中氢气液化系统包括氢气冷却式Claude循环氢气液化系统和氦气冷却式Brayton循环氢气液化系统；氢气源设置在氢气管道的输入端，氢气管道依次连接氢气液化系统中的低温换热器和液氢储罐；氢气管道设有支路，支路上设置高压储氢系统。本发明的有益效果是：本发明的大规模低能耗阶梯储氢系统，针对流量波动大的氢气来源，利用阶梯储氢系统降低氢气存储能耗的方法，通过高压储氢和液氢储氢等储氢技术，实行阶梯储氢策略，降低氢气液化冷却能耗，减少系统设计冗余，实现大规模高效、稳定的氢气存储。

Description

一种大规模低能耗阶梯储氢系统及方法
技术领域
本发明用于可再生电储能、电解水制氢、甲烷重整制氢、氢气纯化液化等储能、氢能领域，具体地说是一种通过阶梯式串并联高压储氢和液氢储氢系统以及对流量波动较大的氢气来源实现大规模低能耗平稳储氢的方法。
背景技术
氢能以其优秀的能量密度、能量利用效率和使用过程及产物的清洁性，被誉为未来的“终极能源”。但是由于氢气的低沸点、易燃易爆性能和逃逸性，使得氢气储运环节一直面临安全性和高效性的考验，并成为目前氢能大规模推广应用的一个重要制约因素。氢气存储方式大致可以分为物理压缩、液化、吸附和化学结合等方式，其中合金储氢、高压储氢、液氢储氢等方法是几种较为典型、应用较为广泛的储氢技术。合金储氢是利用镍、镁、稀土元素等金属或合金与氢气之间较强的物理吸附和化学结合能力，其优势在于储氢体积密度高，部分合金材料可在常温低压下实现氢气的充放。在加氢站、制氢站等场所中，高压储氢是应用最为广泛的储氢形式，目前有35MPa和70MPa两种压力标准以满足不同氢能车辆的需求。固定式高压储氢具有价格低廉、存储量大等优势，其主要能耗在于氢气压缩机。液氢储氢是将氢气冷至-253℃液化后进行液体存储，主要应用于航天领域，但近些年在美国、日本等地大规模储运氢气时也采用该储氢方式。液氢储氢优势在于氢气存储密度和储运效率高，适合大规模长距离氢气储运需求，但其劣势在于制冷带来的能耗大，约占氢气自身能量的1/3。因此设计合理的氢气存储方案，不仅需要考虑各种储氢方式的存储容量、存储密度和经济性，还需要对存储过程中的效率和能耗进行优化。
相关文献如下：
高金良,袁泽明,尚宏伟,等.氢储存技术及其储能应用研究进展[J].金属功能材料,2016,1-11.
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配合氢气制取的储氢系统还需要针对氢气来源的连续性和稳定性进行设计和规划。目前大规模廉价制取氢气的方式主要可以分为：天然气或化石燃料重整制氢、工业副产氢纯化制氢、可再生电电解制氢、火电厂调峰制氢等。这些氢气来源均可能存在着氢气生产流量变动较大的情况，譬如天然气重整制氢中天然气供应发生短缺，不同产地工业副产氢的纯度和流量变动，可再生能源发电量随日照和风量变动、火电厂发电负荷调峰变动等等。制氢量波动较大的氢气来源将给后端氢气存储系统带来压力：峰值储氢流量扩大了储氢设备的额定容量和系统冗余，增加了投资成本和运行成本；同时大幅、快速负荷变动的储氢工况也增多了储氢部件低效运行时间，增加了运行功耗，降低了系统储氢效率。因此针对制氢量波动较大的氢气来源，储氢系统需要进行系统优化和设计，提升系统的经济性和储氢效率。
相关文献如下：
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发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种大规模低能耗阶梯储氢系统及方法，针对制氢量波动较大的氢气来源，通过高压储氢、液氢储氢等不同的储氢方法，进行阶梯式的串并联组合，从而实现大规模低能耗平稳储氢。
这种大规模低能耗阶梯储氢系统，包括氢气源、高压储氢系统、氢气液化系统和液氢储罐；其中高压储氢系统包括分级高压储氢罐和分级氢气压缩机；其中氢气液化系统包括氢气冷却式Claude循环氢气液化系统和氦气冷却式Brayton循环氢气液化系统；氢气源设置在氢气管道的输入端，氢气管道依次连接氢气液化系统中的低温换热器和液氢储罐；氢气管道设有支路，支路上设置高压储氢系统；高压储氢系统的输出端连接至氢气液化系统的输入端。
作为优选：氢气源包括可再生电解制氢系统、天然气重整制氢系统和副产氢纯化系统。
作为优选：高压储氢系统的分级高压储氢罐包括若干只不同压力的高压储氢罐，不同压力储氢罐之间为串联连接，相同压力储氢罐之间为并联连接。
作为优选：高压储氢罐种类包括I型无缝全金属储氢瓶、II型金属内胆环向缠绕储氢瓶、III型金属内胆全缠绕储氢瓶和IV型塑料内胆碳纤维全缠绕储氢瓶。
作为优选：高压储氢系统的分级氢气压缩机包括若干台不同压力的氢气压缩机。
作为优选：氢气压缩机种类包括往复式无油压缩机和离子液体隔膜式压缩机。
作为优选：氢气冷却式Claude循环氢气液化系统包括氢气膨胀机和低温换热器，氦气冷却式Brayton循环氢气液化系统包括氦气膨胀机和低温换热器。
这种大规模低能耗阶梯储氢系统的控制方法，包括以下步骤：
1)获得氢气液化系统中膨胀机最佳运行能效工况下的高效氢气冷却流量区间(Q1，Q2)；
2)当来源波动的氢气流量值Q加上高压储氢系统充放氢气量Qcompress得到的氢气冷却流量Qliquid处于高效氢气冷却流量区间(Q1，Q2)时，高压储氢系统充放氢气量Qcompress保持不变；
3)当氢气冷却流量Qliquid低于高效氢气冷却流量区间(Q1，Q2)即Qliquid<Q1时，则令氢气冷却流量Qliquid＝Q1；当氢气冷却流量Qliquid高于高效氢气冷却流量区间(Q1，Q2)即Qliquid>Q2时，则令Qliquid＝Q2；更新高压储氢系统充放氢气量Qcompress(Qcompress＝Qliquid-Q)，使得膨胀机保持在高效氢气冷却流量区间工作；Qcompress为负值即为从氢气源输入氢气至高压储氢系统。
本发明的有益效果是：本发明的大规模低能耗阶梯储氢系统，针对流量波动大的氢气来源，利用阶梯储氢系统降低氢气存储能耗的方法，通过高压储氢和液氢储氢等储氢技术，实行阶梯储氢策略，降低氢气液化冷却能耗，减少系统设计冗余，实现大规模高效、稳定的氢气存储。该方法和策略安全可靠、高效稳定、经济实用。
附图说明
图1是大规模低能耗阶梯储氢系统示意图。
图2是大规模低能耗储氢策略控制示意图。
图3是根据实际光伏发电-电解制氢作为波动氢源的低能耗储氢过程模拟结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
针对大于等于1吨/天的氢气量，解决其技术问题所采用的大规模低能耗储氢策略是：根据氢气源波动阈值选择大部分流量稳定的氢气直接通过低温换热器进行氢气液化，而另外少部分流量波动范围大的氢气先通过氢气压缩机至高压储氢系统进行存储，再以“削峰填谷”形式释放至低温换热器进行氢气液化，或在氢气冷却式Claude循环液氢系统中充放至氢气膨胀机中来提供氢气液化的冷能。
如图1所示，所述的大规模低能耗阶梯储氢系统，包括氢气源、高压储氢系统、氢气液化系统和液氢储罐；其中高压储氢系统包括分级高压储氢罐和分级氢气压缩机；其中氢气液化系统包括氢气冷却式Claude循环氢气液化系统和氦气冷却式Brayton循环氢气液化系统；氢气源设置在氢气管道的输入端，氢气管道依次连接氢气液化系统中的低温换热器和液氢储罐；氢气管道设有支路，支路上设置高压储氢系统；高压储氢系统的输出端连接至氢气液化系统的输入端。
流量波动大的氢气源包括“弃风”、“弃光”和“电厂调峰”等电能功率波动较大的电解制氢系统、天然气流量波动较大的重整制氢系统、副产氢气来源复杂和流量波动较大的氢气纯化系统等。
高压储氢系统的分级高压储氢罐包括若干只25MPa和40MPa高压储氢罐，不同压力储氢罐之间为串联连接，相同压力储氢罐之间为并联连接。高压储氢罐种类包括I型无缝全金属储氢瓶、II型金属内胆环向缠绕储氢瓶、III型金属内胆全缠绕储氢瓶和IV型塑料内胆碳纤维全缠绕储氢瓶。
高压储氢系统的分级氢气压缩机包括若干台0至25MPa和0至40MPa氢气压缩机。氢气压缩机种类包括往复式无油压缩机和离子液体隔膜式压缩机，其压缩效率和能耗随压缩负荷增加而升高。
氢气液化系统包括氢气冷却式Claude循环氢气液化系统和氦气冷却式Brayton循环氢气液化系统，分别采用氢气膨胀机和氦气膨胀机进行冷却，通过低温换热器提供氢气液化的冷能。膨胀机的制冷效率和能耗随着氢气液化流量负荷变动而变动。如图1所示，氢气冷却式Claude循环氢气液化系统包括氢气膨胀机和低温换热器，氦气冷却式Brayton循环氢气液化系统包括氦气膨胀机(图中未画出)和低温换热器。
本发明的大规模低能耗储氢策略实现系统整体能耗降低，采用相对较低能耗充放氢气的高压储氢系统对大幅波动的氢气流量进行“削峰填谷”，使得氢气液化系统中的主要耗能单元膨胀机持续保持高负荷的制冷输出区间，既减少了匹配波动负荷带来的动态能量损失，也避免了低负荷工况带来的低能耗。
大规模低能耗储氢策略实现如下：①根据试验获得氢气液化系统中膨胀机最佳运行能效工况下的高效氢气冷却流量区间；②当来源波动的氢气流量值低于或高于高效氢气冷却流量区间时，从相对低能耗可逆充放氢气的高压储氢系统分别充放氢气，使得膨胀机保持在高效氢气冷却流量区间工作。
如图2所示，所述的大规模低能耗阶梯储氢系统的控制方法，包括以下步骤：
1)根据试验获得氢气液化系统中膨胀机最佳运行能效工况下的高效氢气冷却流量区间(Q1，Q2)；
2)当来源波动的氢气流量值Q加上高压储氢系统充放氢气量Qcompress得到的氢气冷却流量Qliquid处于高效氢气冷却流量区间(Q1，Q2)时，高压储氢系统充放氢气量Qcompress保持不变；
3)当氢气冷却流量Qliquid低于或高于高效氢气冷却流量区间(Q1，Q2)时，则令氢气冷却流量Qliquid＝Q1(Qliquid<Q1)或Qliquid＝Q2(Qliquid>Q2)，更新相对低能耗可逆充放氢气的高压储氢系统充放氢气量Qcompress(Qcompress＝Qliquid-Q)，使得膨胀机保持在最佳运行能效工况下工作。
根据实际光伏发电-电解制氢作为波动氢源，可以对大规模低能耗储氢过程进行数值模拟：①根据膨胀机的功率流量曲线确定膨胀机高效工作的高效氢气冷却流量区间为(167.2，209)kg/s；②当来源波动的氢气流量(如图3a所示)的值低于或高于高效氢气冷却流量区间时，从相对低能耗可逆充放氢气的高压储氢系统分别充或放氢气，使得膨胀机保持在最佳运行能效工况下工作。在此数值模拟运行过程中压缩储氢的累积量如图3b图所示，初始几日光伏发电量制氢较少，从高压储氢系统向氢气液化系统供氢，使膨胀机保持高效冷却的工作效率，而后几日光伏发电制氢量增加，氢气源多余的氢气存储至高压储氢系统。使用膨胀机功率流量对应高压储氢累积量数据可以计算出，满足此波动氢源储氢的最佳膨胀机额定高效氢气冷却流量为209kg/s，最佳的高压储氢系统容量可设计为约6000kg。选取其中一周的液体储氢和压缩储氢的流量如图3c、3d所示，为保证氢气液化效率，膨胀机均保持在最佳的高效氢气冷却流量区间内工作，高压储氢系统为此起到“削峰填谷”的作用。

Claims (8)

1.一种大规模低能耗阶梯储氢系统，其特征在于：包括氢气源、高压储氢系统、氢气液化系统和液氢储罐；其中高压储氢系统包括分级高压储氢罐和分级氢气压缩机；其中氢气液化系统包括氢气冷却式Claude循环氢气液化系统和氦气冷却式Brayton循环氢气液化系统；氢气源设置在氢气管道的输入端，氢气管道依次连接氢气液化系统中的低温换热器和液氢储罐；氢气管道设有支路，支路上设置高压储氢系统；高压储氢系统的输出端连接至氢气液化系统的输入端。
2.根据权利要求1所述的大规模低能耗阶梯储氢系统，其特征在于：氢气源包括可再生电解制氢系统、天然气重整制氢系统和副产氢纯化系统。
3.根据权利要求1所述的大规模低能耗阶梯储氢系统，其特征在于：高压储氢系统的分级高压储氢罐包括若干只不同压力的高压储氢罐，不同压力储氢罐之间为串联连接，相同压力储氢罐之间为并联连接。
4.根据权利要求3所述的大规模低能耗阶梯储氢系统，其特征在于：高压储氢罐种类包括I型无缝全金属储氢瓶、II型金属内胆环向缠绕储氢瓶、III型金属内胆全缠绕储氢瓶和IV型塑料内胆碳纤维全缠绕储氢瓶。
5.根据权利要求1所述的大规模低能耗阶梯储氢系统，其特征在于：高压储氢系统的分级氢气压缩机包括若干台不同压力的氢气压缩机。
6.根据权利要求5所述的大规模低能耗阶梯储氢系统，其特征在于：氢气压缩机种类包括往复式无油压缩机和离子液体隔膜式压缩机。
7.根据权利要求1所述的大规模低能耗阶梯储氢系统，其特征在于：氢气冷却式Claude循环氢气液化系统包括氢气膨胀机和低温换热器，氦气冷却式Brayton循环氢气液化系统包括氦气膨胀机和低温换热器。
8.一种如权利要求1所述的大规模低能耗阶梯储氢系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)获得氢气液化系统中膨胀机最佳运行能效工况下的高效氢气冷却流量区间(Q1，Q2)；
2)当来源波动的氢气流量值Q加上高压储氢系统充放氢气量Qcompress得到的氢气冷却流量Qliquid处于高效氢气冷却流量区间(Q1，Q2)时，高压储氢系统充放氢气量Qcompress保持不变；
3)当氢气冷却流量Qliquid低于高效氢气冷却流量区间(Q1，Q2)即Qliquid<Q1时，则令氢气冷却流量Qliquid＝Q1；当氢气冷却流量Qliquid高于高效氢气冷却流量区间(Q1，Q2)即Qliquid>Q2时，则令Qliquid＝Q2；更新高压储氢系统充放氢气量Qcompress＝Qliquid-Q，使得膨胀机保持在高效氢气冷却流量区间工作；Qcompress为负值即为从氢气源输入氢气至高压储氢系统。
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