CN113818046B - 一种动态制氢过程的热集成方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种动态制氢过程的热集成方法，包括获取电解槽的当前功率负荷，判断电解槽的负荷变换方向；或者将电解槽的当前功率与额定功率进行比较，得到当前电解槽的热状态，进而得到当前电热槽的热量传递需求；判断换热单元当前的换热模式是否满足当前电热槽的热量传递需求的限制；获取当前电解槽的温度，与设定值进行比较，若当前温度低于设定值时，减小换热介质流速；若当前温度等于设定值时，维持换热介质流速不变；若当前温度高于设定值时，增大换热介质流速；对经过换热单元后的换热介质的余热进行利用。本发明有利于提高电解槽工作效率，实现热量的进一步利用。本发明还提供一种动态制氢过程的热集成系统。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源及氢能技术领域，尤其涉及一种动态制氢过程的热集成方法及系统。
背景技术
随着风电、光伏等可再生能源在我国能源供应比例中的日益提升，可再生能源的波动性对电网的冲击成为一个亟待解决的问题。利用可再生能源电解水制取绿色氢气，并将氢气储存起来的路线是实现大规模可再生能源储存、缓解电网压力的有效手段。电解制氢技术在传统应用场景中往往工作在稳定的功率下，而对于波动性可再生能源的不稳定功率输入，其系统管理遇到了许多问题，热量管理是其中比较关键的一项。
热量管理对电解制氢效率和安全性有很大影响：一方面，电解制氢反应在较高温度下具有更快的反应动力学和更低的反应小室电压，有助于降低制氢过程的电耗，降低成本；另一方面，电解槽工作过程中不断产生热量，若热量不断积聚，导致温度过高，容易造成电解槽电极和膜材料的破坏，导致电解性能的降低，严重的会造成氢氧混合和爆炸。电解槽散失的热量也会造成能量转换效率的下降，导致整体电解制氢成本的提高。因此，通过热量管理实现温度的精准控制对电解槽的高效安全运行有重要意义。在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：。在波动性可再生能源动态电解制氢的条件下，电解槽负荷的变化伴随着产热量的频繁变化，当前的电解槽热管理系统缺乏足够的动态响应能力，温度检测点较少，对电解槽内部反应的温度控制不够精确，整体热效率和余热利用效率不高。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种动态制氢过程的热集成方法及系统，实现电解制氢过程的精确温度控制和高效热量利用，提高动态电解制氢过程的安全性和整体能效。
为达到上述目的，本发明提出的一种动态制氢过程的热集成方法，应用于电解制氢系统，电解制氢系统包括电解槽，该方法包括：
S100.获取电解槽的当前功率负荷，判断电解槽的负荷变换方向；或者将电解槽的当前功率与额定功率进行比较，得到当前电解槽的热状态，进而得到当前电热槽的热量传递需求；
S200.判断换热单元当前的换热模式是否满足当前电热槽的热量传递需求的限制；若满足则直接转到步骤S300，否则先切换换热单元的换热介质再转至步骤S300；
S300.获取当前电解槽的温度，与设定值进行比较，若当前温度低于设定值时，减小换热介质流速；若当前温度等于设定值时，维持换热介质流速不变；若当前温度高于设定值时，增大换热介质流速；
S400.对经过换热单元后的换热介质的余热进行利用。
本发明的动态制氢过程的热集成方法，通过设置温度检测和换热单元对电解槽进行温度控制，该方法具有热状态判断和换热行为调节的功能，能够将电解槽运行设定温度比现有设定温度提升5-10度，有利于提高电解槽工作效率，实现热量的进一步利用。
在其中一个实施例中，所述步骤S400包括：当一台电解槽的换热单元的换热介质为冷却介质时，向需散热的另一台电解槽取热；当一台电解槽的换热单元的换热介质为加热介质时，向需供热的另一台电解槽供热。
在其中一个实施例中，所述步骤S400包括：将换热介质通入外部换热器，对换热后的余热利用。
在其中一个实施例中，所述换热单元包括：
内部换热器，设置在所述电解制氢系统的内部，位于所述电解槽的外侧，通过管路与所述电解槽连通；
外部换热器，设置在所述电解制氢系统的外部，通过管路与所述内部换热器连通；
电磁阀，设置在所述内部换热器和所述外部换热器之间的管路上，并与所述控制模块电性相连。
本发明还提供一种动态制氢过程的热集成系统，应用于电解制氢系统，电解制氢系统包括若干台电解槽，包括控制模块、温度检测单元和换热单元，电解制氢系统的动力源为波动性电源，
温度检测单元，与控制模块电性相连，用于检测当前电解槽的温度；
换热单元，用于对电解槽的热能进行利用；
控制模块，用于判断当前电解槽的热状态以及对换热单元进行换热行为调节。
在其中一个实施例中，所述温度检测单元包括：
温度传感器，设置在所述电解槽的内部；
温度信号传输线，分别与所述温度传感器和所述控制模块相连。
在其中一个实施例中，所述控制模块具体用于：获取电解槽的当前功率负荷，判断电解槽的负荷变换方向；或者将电解槽的当前功率与额定功率进行比较，得到当前电解槽的热状态，进而得到当前电热槽的热量传递需求；根据当前电热槽的热量传递需求对所述换热单元中的换热介质进行切换或流速调节。
在其中一个实施例中，所述控制模块还用于：将所述温度检测单元获取的当前电解槽的温度与设定值进行比较，若当前温度低于设定值时，减小换热介质流速；若当前温度等于设定值时，维持换热介质流速不变；若当前温度高于设定值时，增大换热介质流速。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一实施例提出的一种动态制氢过程的热集成方法的流程示意图。
图2是本发明一实施例提出的一种动态制氢过程的热集成系统的示意图。
图3是本发明一实施例提出的一种动态制氢过程的热集成系统的温度检测单元的示意图。
图4是本发明一实施例提出的一种动态制氢过程的热集成系统的换热单元的示意图。
附图标记说明：
温度检测单元1、换热单元2、温度传感器11、温度信号传输线12、内部换热器21、外部换热器22。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
图1是本发明一实施例提出的一种动态制氢过程的热集成方法的流程示意图。本发明实施例的第一个方面提出一种动态制氢过程的热集成方法，应用于电解制氢系统，电解制氢系统包括电解槽，该方法包括：
S100.获取电解槽的当前功率负荷，判断电解槽的负荷变换方向；或者将电解槽的当前功率与额定功率进行比较，得到当前电解槽的热状态，进而得到当前电热槽的热量传递需求；
具体地，若电解槽功率负荷低于额定功率，电解槽热状态判断为需供热；若电解槽负荷处于上升状态，电解槽热状态判断为需供热；若电解槽功率负荷等于或高于额定功率，电解槽热状态判断为需散热；若电解槽负荷处于下降状态，电解槽热状态判断为需散热。
S200.判断换热单元当前的换热模式是否满足当前电热槽的热量传递需求的限制；若满足则直接转到步骤S300，否则先切换换热单元的换热介质再转至步骤S300；
例如，若电解槽判断为需供热，控制模块通过控制换热介质阀门开闭，将换热介质切换为加热介质。若电解槽判断为需散热，控制模块通过控制换热介质阀门开闭，将换热介质切换为冷却介质。
S300.获取当前电解槽的温度，与设定值进行比较，若当前温度低于设定值时，减小换热介质流速；若当前温度等于设定值时，维持换热介质流速不变；若当前温度高于设定值时，增大换热介质流速。
例如，在电解槽判断为需供热的情况下，当温度低于设定值时，通过控制装置使换热介质流速增大；当温度等于设定值时，控制装置使换热介质流速维持不变；当温度高于设定值时，通过控制装置使换热介质流速减小。而在在电解槽判断为需散热的情况下，当温度低于设定值时，通过控制装置使换热介质流速减小；当温度等于设定值时，控制装置使换热介质流速维持不变；当温度高于设定值时，通过控制装置使换热介质流速增大。
S400.对经过换热单元后的换热介质的余热进行利用。
在经过步骤S300的温度调解后还有剩余热量进行输出的情况下，当一台电解槽的换热单元的换热介质为冷却介质时，向需散热的另一台电解槽取热；当一台电解槽的换热单元的换热介质为加热介质时，向需供热的另一台电解槽供热。还可以将换热介质通入外部换热器，对换热后的余热利用。
以下针对当动态制氢过程的设备为多台时，实现多台设备之间的热量匹配的工作过程进行说明：
首先控制模块判断每台电解槽的热状态。当需供热的电解槽台数N1＝电解槽总台数N时，调节换热单元利用外部加热介质对电解槽供热。当需散热的电解槽台数N2＝电解槽总台数N时，调节换热单元利用外部冷却介质从电解槽取热。当需供热的电解槽台数N1<电解槽总台数N，且需散热的电解槽台数N2<电解槽总台数N时，控制模块优先使需散热的电解槽与需供热的电解槽进行热量匹配，并优化匹配方式，以最大限度减少外部热源输入。
以下举例做进一步说明：当动态制氢电解槽台数为2台时，当第一电解槽需供热，第二电解槽需散热时，控制模块优先使需散热的电解槽与需供热的电解槽进行热量匹配，并优化匹配方式，以最大限度减少外部热源输入。具体地：
控制模块计算两台电解槽的热量传输需求：
电解槽1的供热需求：
Q1＝C1×(T-T1)-Qe1；
电解槽2的散热需求：
Q2＝C2×(T2-T)+Qe2；
其中，C1、C2是电解槽的平均比热容；T1、T2是电解槽的温度；T是电解槽的优化工作温度；Qe1、Qe2是电解槽工作时的散热量。
控制模块判断外部热量传递需求：
若Q1<Q2，动态制氢系统整体需散热；
若Q1＝Q2，动态制氢系统对外部热量无需求；
若Q1>Q2，动态制氢系统整体需供热。
控制模块调控换热行为：
若Q1<Q2，热介质流过第二电解槽的内部换热器后，一部分流入第一电解槽的内部换热器，供给电解槽1所需供热量后，回到原介质储槽，完成循环；另一部分流入外部换热器，将余热传递给外部换热介质后回到原介质储槽，完成循环。
若Q1＝Q2，热介质流过电解槽2的内部换热器后，流入电解槽1的内部换热器，供给电解槽1所需供热量后，回到原介质储槽，完成循环。
若Q1>Q2，热介质流过电解槽1的内部换热器后，一部分流入电解槽2的内部换热器，取走电解槽2所需供热量后，回到原介质储槽，完成循环；另一部分流入外部换热器，被外部换热介质加热后回到原介质储槽，完成循环。
在以上过程中，热介质的温度T介于T1、T2之间；热介质的流量为：
M1＝Q1/C(T-T1)；M2＝Q2/C(T2-T)。
其中，M1、M2分别为热介质在电解槽1、2中的流量；C为热介质的比热容。
当动态制氢电解槽台数为N台(N>2)，设备之间的热量匹配实现方式如下：
控制模块判断每台电解槽的热状态。当N1台电解槽需供热，N2台电解槽需散热时，控制模块优先使需散热的电解槽与需供热的电解槽进行热量匹配，并优化匹配方式，以最大限度减少外部热源输入。具体地：
对随机的一台需供热的电解槽N1x和一台需散热的电解槽N2y，按照当动态制氢电解槽台数为2台时的方法进行热量匹配，计算系统所需热量传递量Qxy；
对所有的电解槽热量匹配组合，计算系统所需总的热量传递量Q；
判断热量传递量Q最低的热量匹配组合；
按照热量传递量Q最低的热量匹配组合调节换热行为。
以上的控制模块可以使用原先电解制氢系统中的PLC，PLC执行的程序是执行上述的方法。
从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的动态制氢过程的热集成方法，能够将电解槽运行设定温度提升5-10度，有利于提高电解槽工作效率，控制模块具有热状态判断和换热行为调节的功能，实现从动态制氢设备取热或向制氢设备供热，及热量的梯级利用。通过电解槽的热状态的判断，实现高效的动态电解制氢热量集成管理，实现高精度温度控制和安全运行，提升动态电解制氢的能量效率。当电解槽为多台时，通过对换热介质余热的利用，在不同电解槽之间传输热量，减少了热介质传输距离，减少了热量损失，同时增加了电解制氢系统灵活性。.
基于上述目的，参见图2，本发明第二方面提供一种动态制氢过程的热集成系统，应用于电解制氢系统，电解制氢系统包括若干台电解槽，包括控制模块、温度检测单元1和换热单元2，电解制氢系统的动力源为波动性电源。温度检测单元1，与控制模块电性相连，用于检测当前电解槽的温度；换热单元2，用于对电解槽的热能进行利用；控制模块，用于判断当前电解槽的热状态以及对换热单元进行换热行为调节。
本实施例中，换热单元2是通过管路与电解槽相连通的，换热单元2中流通有换热介质，换热介质基于当前电解槽的热状态，可以是加热介质或冷却介质。电解槽根据实际生产需求，可以为碱性电解槽、PEM电解槽或SOEC电解槽。动态制氢过程的设备可以为一台或多台，各设备的技术和容量可以相同，也可以不同。当动态制氢过程的设备为多台时，换热单元可以是1个或多个。例如，利用风电动态制氢时，当多台风机分别匹配多台电解槽时，每个风机所匹配的电解槽可共用一个换热单元，或者每个电解槽匹配一个换热单元。这样可以实现更高的灵活性。
本发明实施例提供的动态制氢过程的热集成系统，通过设置温度检测单元和换热单元对电解槽进行温度控制，控制模块具有热状态判断和换热行为调节的功能，能够将电解槽运行设定温度比现有设定温度提升5-10度，有利于提高电解槽工作效率，实现热量的进一步利用。
在一些实施例中，参照图3，温度检测单元1包括温度传感器11和温度信号传输线12，其中温度传感器11，设置在电解槽的内部；温度信号传输线12，分别与温度传感器11和控制模块相连。将温度传感器12设置在电解槽内部，能够直接检测电解槽内部温度，对电解槽温度的反馈更加实时迅速，消除安全盲点。温度传感器11的数量设置与电解槽的数量相匹配。
在一些实施例中，参照图4，换热单元2包括内部换热器21、外部换热器22和电磁阀，其中内部换热器21，设置在电解制氢系统的内部，位于电解槽的外侧，通过管路与电解槽连通；外部换热器22，设置在电解制氢系统的外部，通过管路与内部换热器21连通；电磁阀，设置在内部换热器21和外部换热器22之间的管路上，并与控制模块电性相连。电磁阀能够使一个换热单元2中的内部换热器21和外部换热器22进行关断或连通，使得换热单元对电解槽的热量利用更加灵活。
需要说明的是，波动性电源为风电电源、光伏电源或火电电源，还可以是其他形式的波动性能源，对比不做限制。
在一些实施例中，控制模块具体用于获取电解槽的当前功率负荷，判断电解槽的负荷变换方向；或者将电解槽的当前功率与额定功率进行比较，得到当前电解槽的热状态，进而得到当前电热槽的热量传递需求；根据当前电热槽的热量传递需求对换热单元中的换热介质进行切换或流速调节。
例如，当电解槽的负荷处于上升状态，或者电解槽的当前功率低于额定功率，则认为当前电解槽热状态判断为需供热，反之则判断为需散热。若电解槽判断为需供热，控制模块通过控制换热介质的阀门开闭，将换热介质切换为加热介质。
在一些实施例中，为了实现对电热槽精确的热量调节，控制单元还用于将温度检测单元1获取的当前电解槽的温度与设定值进行比较，若当前温度低于设定值时，减小换热介质流速；若当前温度等于设定值时，维持换热介质流速不变；若当前温度高于设定值时，增大换热介质流速。调节换热介质流速的阀门为具有开度调节功能的电磁阀。
在一些实施例中，控制模块还用于通过控制对电磁阀的开闭，将内部换热器21中的换热介质通入到外部换热器22，对余热进一步利用。该实施例能够实现高效的动态电解制氢热量集成管理，实现高精度温度控制和安全运行，提升动态电解制氢的能量效率。
在一些实施例中，一种动态制氢过程的热集成系统，还包括与控制模块相连的多路选择器，多路选择器用于控制多台电解槽中的任意两个换热单元之间的连通或关断；控制模块还用于对需要进行散热的电解槽作为优先级，通过换热单元将散热产生的热量传递给进行供热的电解槽以及通过换热单元将供热产生的热量传递给需要进行取热的电解槽。该实施例可实现动态电解制氢系统内不同热量传递方向需求电解槽的热量匹配，减少外部热量输入，降低能耗。在不同电解槽之间传输热量，减少了热介质传输距离，减少了热量损失，同时增加了系统灵活性。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种动态制氢过程的热集成方法，应用于电解制氢系统，电解制氢系统包括电解槽，其特征在于，该方法包括：
S100.获取电解槽的当前功率负荷，判断电解槽的负荷变换方向；或者将电解槽的当前功率与额定功率进行比较，得到当前电解槽的热状态，进而得到当前电解槽的热量传递需求；
S200.判断换热单元当前的换热模式是否满足当前电解槽的热量传递需求的限制；若满足则直接转到步骤S300，否则先切换换热单元的换热介质再转至步骤S300；
S300.获取当前电解槽的温度，与设定值进行比较，并基于比较结果调整换热介质流速；
S400.对经过换热单元后的换热介质的余热进行利用；
其中，所述步骤S100包括：若电解槽功率负荷低于额定功率，电解槽热状态判断为需供热，若电解槽负荷处于上升状态，电解槽热状态判断为需供热，若电解槽功率负荷等于或高于额定功率，电解槽热状态判断为需散热，若电解槽负荷处于下降状态，电解槽热状态判断为需散热；
所述步骤S200包括：若电解槽判断为需供热，通过控制换热介质阀门开闭，将换热介质切换为加热介质，若电解槽判断为需散热，通过控制换热介质阀门开闭，将换热介质切换为冷却介质；
所述步骤S300包括：在电解槽判断为需供热的情况下，当温度低于设定值时，使换热介质流速增大，当温度等于设定值时，使换热介质流速维持不变，当温度高于设定值时，使换热介质流速减小，在电解槽判断为需散热的情况下，当温度低于设定值时，使换热介质流速减小，当温度等于设定值时，使换热介质流速维持不变，当温度高于设定值时，通过控制装置使换热介质流速增大；
所述步骤S400包括：当一台电解槽的换热单元的换热介质为冷却介质时，向需散热的另一台电解槽取热；当一台电解槽的换热单元的换热介质为加热介质时，向需供热的另一台电解槽供热；
当动态制氢过程的设备为多台时，所述方法还包括：
判断每台电解槽的热状态，使需散热的电解槽与需供热的电解槽进行热量匹配，得到热量匹配组合；
按照热量匹配组合调节换热行为；
对多台电解槽进行所述热量匹配，包括：
对随机的一台需供热的电解槽和一台需散热的电解槽进行热量匹配，计算系统所需热量传递量；
对所有的电解槽热量匹配组合，计算系统所需总的热量传递量；
将系统所需总的热量传递量最低的热量匹配组合作为匹配结果。
2.根据权利要求1所述的一种动态制氢过程的热集成方法，其特征在于，所述步骤S400包括：将换热介质通入外部换热器，对换热后的余热利用。
3.根据权利要求1所述的一种动态制氢过程的热集成方法，其特征在于，所述换热单元包括：
内部换热器（21），设置在所述电解制氢系统的内部，位于所述电解槽的外侧，通过管路与所述电解槽连通；
外部换热器（22），设置在所述电解制氢系统的外部，通过管路与所述内部换热器（21）连通；
电磁阀，设置在所述内部换热器（21）和所述外部换热器（22）之间的管路上，并与所述控制模块电性相连。
4.根据权利要求1所述的一种动态制氢过程的热集成方法，其特征在于，所述电解制氢系统采用波动性电源，波动性电源为风电电源、光伏电源或火电电源。
5.一种动态制氢过程的热集成系统，实现如权利要求1-4中任一所述的热集成方法，所述热集成系统应用于电解制氢系统，电解制氢系统包括若干台电解槽，其特征在于，包括控制模块、温度检测单元（1）和换热单元（2），电解制氢系统的动力源为波动性电源，
温度检测单元（1），与控制模块电性相连，用于检测当前电解槽的温度；
换热单元（2），用于对电解槽的热能进行利用；
控制模块，用于判断当前电解槽的热状态以及对换热单元进行换热行为调节；
其中，当动态制氢过程的设备为多台时，所述控制模块，还用于：
判断每台电解槽的热状态，使需散热的电解槽与需供热的电解槽进行热量匹配，得到热量匹配组合；
按照热量匹配组合调节换热行为；
对多台电解槽进行所述热量匹配，包括：
对随机的一台需供热的电解槽和一台需散热的电解槽进行热量匹配，计算系统所需热量传递量；
对所有的电解槽热量匹配组合，计算系统所需总的热量传递量；
将系统所需总的热量传递量最低的热量匹配组合作为匹配结果。
6.根据权利要求5所述的一种动态制氢过程的热集成系统，其特征在于，所述温度检测单元（1）包括：
温度传感器（11），设置在所述电解槽的内部；
温度信号传输线（12），分别与所述温度传感器（11）和所述控制模块相连。
7.根据权利要求5所述的一种动态制氢过程的热集成系统，其特征在于，所述控制模块具体用于：
获取电解槽的当前功率负荷，判断电解槽的负荷变换方向；或者将电解槽的当前功率与额定功率进行比较，得到当前电解槽的热状态，进而得到当前电解槽的热量传递需求；根据当前电解槽的热量传递需求对所述换热单元中的换热介质进行切换或流速调节。
8.根据权利要求5所述的一种动态制氢过程的热集成系统，其特征在于：所述控制模块还用于：
将所述温度检测单元（1）获取的当前电解槽的温度与设定值进行比较，并基于比较结果调整换热介质流速。
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