CN110684987B - 近海风电水下制氢恒压储氢装置及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近海风电水下制氢恒压储氢装置及工作方法，该装置包括近海风力发电机、升压站、储氢站平台、临时储氢罐、储水罐、临时储氧罐、储氢气囊、储氧气囊、电解水装置、输水泵、电缆、连接管线和阀门，可实现将近海风机产生的过剩电能通过水下电解水装置将纯水分解为氢气和氧气，并储存至水下气囊中，提高氢气和氧气的储能密度，可消除因近海风电功率波动过大引起的对电网的冲击，本发明采用较低成本的水下气囊代替价格昂贵的陆上钢制储罐，气囊和电解氢装置内的工作压力恒定，有利于电解反应的安全进行，且水下气囊储气不受用陆上空间限制，可反复使用，具有寿命长、灵活性高的特点。

Description

近海风电水下制氢恒压储氢装置及运行方法
技术领域
本发明涉及风力发电和电解水制氢、储氢技术的交叉领域，具体涉及一种近海风电水下制氢恒压储氢装置及运行方法。
背景技术
近海区域风能具有总储量大、可利用小时数长、风电投资经济性好的特点，但受到近海风速波动的影响，近海风电、海上风电的功率输出并不稳定，因此近海风电对沿岸省份电网体系存在系统性的冲击。氢气是重要的化工原料，制取氢气需要消耗大量的电能，如果能将过余的近海风电用于制取氢气，则可以大幅降低近海风电对沿海各省对局部电网的冲击。然而，若要实现大规模利用在近海区域过余风电制氢，就必须进一步降低氢气存储的成本和提高氢气存储的安全性。现有储氢成本很高，且易发生恶劣事故。如果可以将电解水制氢、储氢与近海风电机组结合，将制取的氢气和氧气储存在海平面以下的气囊中，则不仅会降低近海风电机组对电网的冲击，还将过余电能用于制取重要化工原料，同时降低电网对抽水储能电站、陆上空气储能电站或电池储能电站的建设和调峰需求。目前，尚无有效的水下制氢储氢技术方案能实现将过余近海风电转化为氢气能。如果能够开发一种低成本的水下制氢储氢技术，实现降低近海风电对电网的冲击，将能更加充分的利用近海风能为人类生产生活服务。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种近海风电水下制氢恒压储氢装置及方法，可显著降低或消除现有海上风电功率波动过大而引起对电网的冲击。。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
近海风电水下制氢恒压储氢装置，包括风力发电机1、风力机电缆2、升压站3、干路电缆4、储氢站电缆5、储氢站平台6、临时储氢罐7、储水罐8、临时储氧罐9、排氢管路10、注水管路11、排氧管路12、排氢阀13、注水阀14、排氧阀15、输氢管线16、输水管线17、输氧管线18、储氢气囊19、储氧气囊20、电解水装置21、输氢阀22、输水泵23、输氧阀24、储氢管路25、储氧管路26，其中风力发电机1为一个或多个通过风力机电缆2与升压站3相连，升压站3通过干路电缆4连接到外部电网，升压站3通过储氢站电缆5与储氢站平台6相连，临时储氢罐7、储水罐8和临时储氧罐9固定于储氢站平台6上，排氢管路10、注水管路11、排氧管路12分别有一端置于空气中，排氢管路10的另一端与临时储氢罐7的出口相连，注水管路11的另一端与储水罐8的进口相连，排氧管路12的另一端与临时储氧罐9的出口相连，排氢阀13、注水阀14和排氧阀15分别安装于排氢管路10、注水管路11和排氧管路12上，储氢气囊19通过输氢管线16与临时储氢罐7的进口相连，储氧气囊20通过输氧管线18与临时储氧罐9的进口相连，电解水装置21通过输水管线17与储水罐8的出口相连，输氢阀22、输水泵23和输氧阀24分别安装于输氢管线16、输水管线17和输氧管线18上，电解水装置21分别通过储氢管路25和储氧管路26与储氢气囊19和储氧气囊20相连。
所述一个或多个风力发电机1固定于海岸线两侧100公里范围内的近海区域。
所述储氢气囊19的个数大于等于1，且当储氢气囊19的个数大于1时，储氢气囊19间彼此相互连通，所述储氢气囊19固定于80至1000米之间的某一固定深度。
所述储氧气囊20的个数大于等于1，且当储氧气囊20的个数大于1时，储氧气囊20间彼此相互连通，所述储氧气囊20固定于80至1000米之间的某一固定深度。
所述储氢站平台6固定于海岛或海岸上，储氢站平台6为电解水装置21和输水泵23提供电能。
所述的输水泵23具有自启动功能，可以为电解水装置21补充水；输氢阀22和输氧阀24为具有自动启动功能的调节阀；排氢阀13和排氧阀15为具有自动启动功能的开关阀。
所述近海风电水下制氢恒压储氢装置的运行方法主要有四个阶段，分别为制氢前准备阶段、恒压制氢储氢阶段、取气补水阶段和事故保护阶段，所述制氢前准备阶段是指近海风电机组的输出功率小于或等于电网需求值时，电解水装置21为不工作状态，排氢阀13、注水阀14和排氧阀15处于关闭状态，输水泵23、输氢阀22和输氧阀24进入自动控制状态，当电解水装置21的溶液浓度等于补水浓度值C1时，其中C1>C0，输水泵23为电解水装置21补水使其溶液浓度等于设计浓度值C0，当储氢气囊19和储氧气囊20的绝对压力等于设定泄压值P1时，其中P1>P0，输氢阀22和输氧阀24开启进入缓慢泄压状态直至储氢气囊19和储氧气囊20的绝对压力恢复为设计压力值P0；所述恒压制氢储氢阶段是指近海风电机组的输出功率超过电网需求值时，电解水装置21进入工作状态，电解水装置21的阴极产生的氢气，电解水装置21的阳极产生的氧气,所述氢气通过储氢管路25进入储氢气囊19，所述氧气通过储氧管路26进入储氧气囊20，排氢阀13、注水阀14和排氧阀15处于关闭状态，输水泵23、输氢阀22和输氧阀24进入自动控制状态，当电解水装置21的溶液浓度等于补水浓度值C1时，输水泵23为电解水装置21补水使其溶液浓度等于设计浓度值C0，当储氢气囊19和储氧气囊20的绝对压力等于设定泄压值P1时，输氢阀22和输氧阀24开启进入缓慢泄压状态直至储氢气囊19和储氧气囊20的绝对压力恢复为设计压力值P0；所述取气补水阶段是指近海风电机组的输出功率小于电网需求值且该状态可以维持若干小时时，电解水装置21为不工作状态，排氢阀13、注水阀14和排氧阀15处于通路状态，输氢阀22和输氧阀24进入全开状态，由取气补水船只，通过注水管路11为储氢站平台6上的储水罐8补充纯水，通过储氢站平台6上的排氢管路10取走临时储氢罐7和储氢气囊19中的氢气，通过储氢站平台6上的排氧管路12取走临时储氧罐9和储氧气囊20中的氧气，取气补水阶段过程完成后，系统恢复到制氢前准备阶段；所述事故保护阶段主要有三个状态，其一是当电解水装置21的溶液浓度等于事故浓度值C2时，其中C2>C1>C0，即水供应不足或输水泵23故障时，储氢站平台6停止向电解水装置21供电，并向电网反馈该故障信息，其二是临时储氢罐7或储氢气囊19的绝对压力等于事故设定值P2时，其中P2>P1>P0，储氢站平台6停止向电解水装置21供电，排氢阀13和输氢阀22处于全开状态，直至临时储氢罐7和储氢气囊19的绝对压力等于设计压力值P0，排氢阀13和输氢阀22处于关闭状态，并向电网反馈该故障信息，其三是临时储氧罐9或储氧气囊20的绝对压力等于事故设定值P2时，其中P2>P1>P0，储氢站平台6停止向电解水装置21供电，排氧阀15和输氧阀24处于全开状态，直至临时储氧罐9和储氧气囊20的绝对压力等于设计压力值P0后，排氧阀15和输氧阀24处于关闭状态，并向电网反馈该故障信息。
本发明的有益效果在于：
目前，尚未见到可用于解决近海风电输出功率波动对局部电网造成严重冲击问题的成熟技术方案。本发明提出了一种可操作性高的水下制氢储氢技术方案，通过在近海岛屿或海岸沿线设置水下电解水装置、水下储气囊、储氢站平台、临时储气罐、储水罐、调节阀、关断阀、输水泵等设备，可实现将近海风电产生的过剩电能通过水下电解水装置将纯水分解为重要化工原料氢气和氧气，并储存至水下储气气囊中，储气压力可达0.8至10MPa，提高了氢气和氧气的储能密度，可显著降低或消除现有海上风电功率波动过大而引起对电网的冲击。本方案采用较低成本的水下气囊方案代替价格昂贵的钢制储罐，当深度一定时，气囊内的气压不变，有利于电解反应的安全进行，当气囊内的气体减少时，气囊体积收缩，当气囊内的气体增加时，气囊体积膨胀，气体存储不受用陆上空间限制，可反复使用，具有寿命长、灵活性高的特点。
附图说明
图1是本发明近海风电水下制氢恒压储氢装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明近海风电水下制氢恒压储氢装置，包括风力发电机1、风力机电缆2、升压站3、干路电缆4、储氢站电缆5、储氢站平台6、临时储氢罐7、储水罐8、临时储氧罐9、排氢管路10、注水管路11、排氧管路12、排氢阀13、注水阀14、排氧阀15、输氢管线16、输水管线17、输氧管线18、储氢气囊19、储氧气囊20、电解水装置21、输氢阀22、输水泵23、输氧阀24、储氢管路25、储氧管路26，其中风力发电机1为一个或多个通过风力机电缆2与升压站3相连，升压站3通过干路电缆4连接到外部电网，升压站3通过储氢站电缆5与储氢站平台6相连，临时储氢罐7、储水罐8和临时储氧罐9固定于储氢站平台6上，排氢管路10、注水管路11、排氧管路12分别有一端置于空气中，排氢管路10的另一端与临时储氢罐7的出口相连，注水管路11的另一端与储水罐8的进口相连，排氧管路12的另一端与临时储氧罐9的出口相连，排氢阀13、注水阀14和排氧阀15分别安装于排氢管路10、注水管路11和排氧管路12上，储氢气囊19通过输氢管线16与临时储氢罐7的进口相连，储氧气囊20通过输氧管线18与临时储氧罐9的进口相连，电解水装置21通过输水管线17与储水罐8的出口相连，输氢阀22、输水泵23和输氧阀24分别安装于输氢管线16、输水管线17和输氧管线18上，电解水装置21分别通过储氢管路25和储氧管路26与储氢气囊19和储氧气囊20相连。
作为本发明的优选实施方式，所述一个或多个风力发电机1固定于海岸线两侧100公里范围内的近海区域。
作为本发明的优选实施方式，所述储氢气囊19的个数大于等于1，且当储氢气囊19的个数大于1时，储氢气囊19间彼此相互连通，所述储氢气囊19固定于80至1000米之间的某一固定深度。
作为本发明的优选实施方式，所述储氧气囊20的个数大于等于1，且当储氧气囊20的个数大于1时，储氧气囊20间彼此相互连通，所述储氧气囊20固定于80至1000米之间的某一固定深度。
作为本发明的优选实施方式，所述储氢站平台6固定于海岛或海岸上，储氢站平台6为电解水装置21和输水泵23提供电能。
作为本发明的优选实施方式，所述输水泵23具有自启动功能，可以为电解水装置21补充水；输氢阀22和输氧阀24为具有自动启动功能的调节阀；排氢阀13和排氧阀15为具有自动启动功能的开关阀。
所述的近海风电水下制氢恒压储氢装置的运行方法，其特征在于：包括四个阶段，分别为制氢前准备阶段、恒压制氢储氢阶段、取气补水阶段和事故保护阶段，所述制氢前准备阶段是指近海风电机组的输出功率小于或等于电网需求值时，电解水装置21为不工作状态，排氢阀13、注水阀14和排氧阀15处于关闭状态，输水泵23、输氢阀22和输氧阀24进入自动控制状态，当电解水装置21的溶液浓度等于补水浓度值C1时，其中C1>C0，输水泵23为电解水装置21补水使其溶液浓度等于设计浓度值C0，当储氢气囊19和储氧气囊20的绝对压力等于设定泄压值P1时，其中P1>P0，输氢阀22和输氧阀24开启进入缓慢泄压状态直至储氢气囊19和储氧气囊20的绝对压力恢复为设计压力值P0；所述恒压制氢储氢阶段是指近海风电机组的输出功率超过电网需求值时，电解水装置21进入工作状态，电解水装置21的阴极产生的氢气，电解水装置21的阳极产生的氧气,所述氢气通过储氢管路25进入储氢气囊19，所述氧气通过储氧管路26进入储氧气囊20，排氢阀13、注水阀14和排氧阀15处于关闭状态，输水泵23、输氢阀22和输氧阀24进入自动控制状态，当电解水装置21的溶液浓度等于补水浓度值C1时，输水泵23为电解水装置21补水使其溶液浓度等于设计浓度值C0，当储氢气囊19和储氧气囊20的绝对压力等于设定泄压值P1时，输氢阀22和输氧阀24开启进入缓慢泄压状态直至储氢气囊19和储氧气囊20的绝对压力恢复为设计压力值P0；所述取气补水阶段是指近海风电机组的输出功率小于电网需求值且该状态可以维持若干小时时，电解水装置21为不工作状态，排氢阀13、注水阀14和排氧阀15处于通路状态，输氢阀22和输氧阀24进入全开状态，由取气补水船只，通过注水管路11为储氢站平台6上的储水罐8补充纯水，通过储氢站平台6上的排氢管路10取走临时储氢罐7和储氢气囊19中的氢气，通过储氢站平台6上的排氧管路12取走临时储氧罐9和储氧气囊20中的氧气，取气补水阶段过程完成后，系统恢复到制氢前准备阶段；所述事故保护阶段主要有三个状态，其一是当电解水装置21的溶液浓度等于事故浓度值C2时，其中C2>C1>C0，即水供应不足或输水泵23故障时，储氢站平台6停止向电解水装置21供电，并向电网反馈该故障信息，其二是临时储氢罐7或储氢气囊19的绝对压力等于事故设定值P2时，其中P2>P1>P0，储氢站平台6停止向电解水装置21供电，排氢阀13和输氢阀22处于全开状态，直至临时储氢罐7和储氢气囊19的绝对压力等于设计压力值P0，排氢阀13和输氢阀22处于关闭状态，并向电网反馈该故障信息，其三是临时储氧罐9或储氧气囊20的绝对压力等于事故设定值P2时，其中P2>P1>P0，储氢站平台6停止向电解水装置21供电，排氧阀15和输氧阀24处于全开状态，直至临时储氧罐9和储氧气囊20的绝对压力等于设计压力值P0后，排氧阀15和输氧阀24处于关闭状态，并向电网反馈该故障信息。

Claims (5)

1.近海风电水下制氢恒压储氢装置，其特征在于：包括风力发电机(1)、风力机电缆(2)、升压站(3)、干路电缆(4)、储氢站电缆(5)、储氢站平台(6)、临时储氢罐(7)、储水罐(8)、临时储氧罐(9)、排氢管路(10)、注水管路(11)、排氧管路(12)、排氢阀(13)、注水阀(14)、排氧阀(15)、输氢管线(16)、输水管线(17)、输氧管线(18)、储氢气囊(19)、储氧气囊(20)、电解水装置(21)、输氢阀(22)、输水泵(23)、输氧阀(24)、储氢管路(25)以及储氧管路(26)，其中风力发电机(1)为一个或多个通过风力机电缆(2)与升压站(3)相连，升压站(3)通过干路电缆(4)连接到外部电网，升压站(3)通过储氢站电缆(5)与储氢站平台(6)相连，临时储氢罐(7)、储水罐(8)和临时储氧罐(9)固定于储氢站平台(6)上，排氢管路(10)、注水管路(11)、排氧管路(12)分别有一端置于空气中，排氢管路(10)的另一端与临时储氢罐(7)的出口相连，注水管路(11)的另一端与储水罐(8)的进口相连，排氧管路(12)的另一端与临时储氧罐(9)的出口相连，排氢阀(13)、注水阀(14)和排氧阀(15)分别安装于排氢管路(10)、注水管路(11)和排氧管路(12)上，储氢气囊(19)通过输氢管线(16)与临时储氢罐(7)的进口相连，储氧气囊(20)通过输氧管线(18)与临时储氧罐(9)的进口相连，电解水装置(21)通过输水管线(17)与储水罐(8)的出口相连，输氢阀(22)、输水泵(23)和输氧阀(24)分别安装于输氢管线(16)、输水管线(17)和输氧管线(18)上，电解水装置(21)分别通过储氢管路(25)和储氧管路(26)与储氢气囊(19)和储氧气囊(20)相连；
所述一个或多个风力发电机(1)固定于海岸线两侧100公里范围内的近海区域；
所述储氢气囊(19)的个数大于等于1，且当储氢气囊(19)的个数大于1时，储氢气囊(19)间彼此相互连通，所述储氢气囊(19)固定于80至1000米之间的某一固定深度。
2.根据权利要求1所述的近海风电水下制氢恒压储氢装置，其特征在于：所述储氧气囊(20)的个数大于等于1，且当储氧气囊(20)的个数大于1时，储氧气囊(20)间彼此相互连通，所述储氧气囊(20)固定于80至1000米之间的某一固定深度。
3.根据权利要求1所述的近海风电水下制氢恒压储氢装置，其特征在于：所述储氢站平台(6)固定于海岛或海岸上，储氢站平台(6)为电解水装置(21)和输水泵(23)提供电能。
4.根据权利要求1所述的近海风电水下制氢恒压储氢装置，其特征在于：所述输水泵(23)具有自启动功能，能够为电解水装置(21)补充水；输氢阀(22)和输氧阀(24)为具有自动启动功能的调节阀；排氢阀(13)和排氧阀(15)为具有自动启动功能的开关阀。
5.权利要求1至4任一项所述的近海风电水下制氢恒压储氢装置的运行方法，其特征在于：包括四个阶段，分别为制氢前准备阶段、恒压制氢储氢阶段、取气补水阶段和事故保护阶段，所述制氢前准备阶段是指近海风电机组的输出功率小于或等于电网需求值时，电解水装置(21)为不工作状态，排氢阀(13)、注水阀(14)和排氧阀(15)处于关闭状态，输水泵(23)、输氢阀(22)和输氧阀(24)进入自动控制状态，当电解水装置(21)的溶液浓度等于补水浓度值C1时，其中C1>C0，输水泵(23)为电解水装置(21)补水使其溶液浓度等于设计浓度值C0，当储氢气囊(19)和储氧气囊(20)的绝对压力等于设定泄压值P1时，其中P1>P0，输氢阀(22)和输氧阀(24)开启进入缓慢泄压状态直至储氢气囊(19)和储氧气囊(20)的绝对压力恢复为设计压力值P0；所述恒压制氢储氢阶段是指近海风电机组的输出功率超过电网需求值时，电解水装置(21)进入工作状态，电解水装置(21)的阴极产生的氢气，电解水装置(21)的阳极产生的氧气,所述氢气通过储氢管路(25)进入储氢气囊(19)，所述氧气通过储氧管路(26)进入储氧气囊(20)，排氢阀(13)、注水阀(14)和排氧阀(15)处于关闭状态，输水泵(23)、输氢阀(22)和输氧阀(24)进入自动控制状态，当电解水装置(21)的溶液浓度等于补水浓度值C1时，输水泵(23)为电解水装置(21)补水使其溶液浓度等于设计浓度值C0，当储氢气囊(19)和储氧气囊(20)的绝对压力等于设定泄压值P1时，输氢阀(22)和输氧阀(24)开启进入缓慢泄压状态直至储氢气囊(19)和储氧气囊(20)的绝对压力恢复为设计压力值P0；所述取气补水阶段是指近海风电机组的输出功率小于电网需求值且该状态可以维持若干小时时，电解水装置(21)为不工作状态，排氢阀(13)、注水阀(14)和排氧阀(15)处于通路状态，输氢阀(22)和输氧阀(24)进入全开状态，由取气补水船只，通过注水管路(11)为储氢站平台(6)上的储水罐(8)补充纯水，通过储氢站平台(6)上的排氢管路(10)取走临时储氢罐(7)和储氢气囊(19)中的氢气，通过储氢站平台(6)上的排氧管路(12)取走临时储氧罐(9)和储氧气囊(20)中的氧气，取气补水阶段过程完成后，系统恢复到制氢前准备阶段；所述事故保护阶段主要有三个状态，其一是当电解水装置(21)的溶液浓度等于事故浓度值C2时，其中C2>C1>C0，即水供应不足或输水泵(23)故障时，储氢站平台(6)停止向电解水装置(21)供电，并向电网反馈该故障信息，其二是临时储氢罐(7)或储氢气囊(19)的绝对压力等于事故设定值P2时，其中P2>P1>P0，储氢站平台(6)停止向电解水装置(21)供电，排氢阀(13)和输氢阀(22)处于全开状态，直至临时储氢罐(7)和储氢气囊(19)的绝对压力等于设计压力值P0，排氢阀(13)和输氢阀(22)处于关闭状态，并向电网反馈该故障信息，其三是临时储氧罐(9)或储氧气囊(20)的绝对压力等于事故设定值P2时，其中P2>P1>P0，储氢站平台(6)停止向电解水装置(21)供电，排氧阀(15)和输氧阀(24)处于全开状态，直至临时储氧罐(9)和储氧气囊(20)的绝对压力等于设计压力值P0后，排氧阀(15)和输氧阀(24)处于关闭状态，并向电网反馈该故障信息。
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