CN114525520B - 一种制氢系统热待机控制方法及制氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制氢系统热待机控制方法及制氢系统，为现有制氢系统增加热待机功能，以在制氢系统短时无功率输入时，使制氢系统处于热待机状态，以避免排放氢气、维持槽温，进而提高制氢装置的利用率，将适用于传统稳定制氢的制氢系统与波动的可再生能源发电相适应。
Description
技术领域
本发明涉及水电解制氢技术领域，特别涉及一种制氢系统热待机控制方法及制氢系统。
背景技术
现有制氢装置的缺点是，不具备热待机功能，当电解槽无功率输入时，制氢装置进入停机模式，停机时，制氢装置内的大量氢气和氧气排放到大气中，将系统压力降至0.2MPa，电解液散热设备将槽温降至50℃及以下。
泄压排放了氢气，造成了氢气浪费；槽温下降造成制氢装置再次开机时，无法快速运行至满载，需要很长时间(通常1h及以上)才能将槽温升至工作温度，此后，电解槽的运行功率才能达到额定功率。
当制氢系统与光伏、风电等可再生能源相结合后，由于可再生能源功率的波动性，制氢装置的功率输入也会存在波动，甚至频繁启停。开停机期间制氢装置泄压、降温等能量损失大，并且制氢装置作为化工装置，在开停机期间安全风险大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种制氢系统热待机控制方法及制氢系统，通过热待机短时间保持待机状态，减少能量损失、降低系统安全风险。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种制氢系统热待机控制方法，包括步骤：
在收到热待机指令时，控制制氢系统进入热待机模式；
判断制氢电源是否处于关闭状态，若是，则执行热待机策略；所述热待机策略包括：降低电解液循环流量、避免排放氢气和/或维持电解液温度。
优选地，所述降低电解液循环流量包括步骤：
使电解液循环流量降低至最低流量；降低电解液循环流量、避免排放氢气和/或维持电解液温度；
运行预设时间后，关闭循环泵，停止电解液循环。
优选地，所述使电解液循环流量降低至最低流量，包括：
调节循环泵变频器或循环泵出口阀门开度，使电解液循环流量降低至最低流量；
和/或，所述预设时间为0.5～1.0h。
优选地，所述避免排放氢气包括步骤：
关闭氧侧气液分离器气体出口的第一阀和氢侧气液分离器气体出口的第二阀；
实时监测氢侧气液分离器和氢侧气液分离器的液位差，并根据所述液位差调节第一阀和第二阀的开度，维持氧侧气液分离器和氢侧气液分离器的液位保持平衡；
当氧侧气液分离器和氢侧气液分离器的液位平衡时，关闭第一阀和第二阀。
优选地，根据所述液位差调节第一阀和第二阀的开度，维持氧侧气液分离器和氢侧气液分离器的液位保持平衡，包括：
当氧侧气液分离器高于氢侧气液分离器时，打开第二阀，排放氢气；当氧侧气液分离器低于氢侧气液分离器液位时，打开第一阀，排放氧气。
优选地，所述维持电解液温度包括步骤：
切断去往电解液散热设备的电解液流量，将全部电解液通过电解液加热设备返回电解槽；
实时监测电解槽槽温，当电解槽槽温低于热待机温度下限阈值时，启动循环泵和电解液加热设备；当电解槽槽温超过热待机温度上限阈值时，停止电解液加热设备和循环泵。
优选地，所述切断去往电解液散热设备的电解液流量，将全部电解液通过电解液加热设备返回电解槽，包括：
调节阀门切断电解液散热设备所在管路，和导通电解液加热设备所在管路。
优选地，还包括步骤：
获取氧侧气液分离器中的氢气含量；
判断氧侧气液分离器中的氢气含量是否超标，若是，则采用氮气进行置换。
一种制氢系统，包括电解槽、氧侧气液分离器、氢侧气液分离器、循环泵、电解液散热设备、控制器和管路；所述控制器采用如上述的制氢系统热待机控制方法。
优选地，还包括：第三阀和电解液加热设备；
所述第三阀为两位三通阀，所述第三阀的进口连接于所述循环泵的出口，所述第三阀的第一出口连接于所述电解液散热设备的进口，所述第三阀的第二出口连接于所述电解液加热设备的进口；或者，所述第三阀包括：设置于电解液散热设备所在管路的阀门，设置于电解液加热设备所在管路的阀门。
优选地，还包括：氮气置换管路和第四阀；
所述第四阀连接于所述氮气置换管路的出口和所述氧侧气液分离器之间。
优选地，还包括：保温机构；
所述保温机构包括设置于电解槽、氧侧气液分离器、氢侧气液分离器和/或管路的保温件。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的制氢系统热待机控制方法及制氢系统，为现有制氢系统增加热待机功能，以在制氢系统短时无功率输入时，使制氢系统处于热待机状态，以避免排放氢气、维持槽温，进而提高制氢装置的利用率，将适用于传统稳定制氢的制氢系统与波动的可再生能源发电相适应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的第一个实施例中制氢系统的结构示意图；
图2为本发明提供的第一个实施例中制氢系统热待机控制方法的流程示意图；
图3为本发明提供的第二个实施例中制氢系统的结构示意图；
图4为本发明提供的第二个实施例中制氢系统热待机控制方法的流程示意图；
图5为本发明提供的第三个实施例中制氢系统的结构示意图。
其中，10为电解槽，21为氧侧气液分离器，22为氢侧气液分离器，30为循环泵，40为电解液散热设备，50为控制器，61为第一阀，62为第二阀，63为第三阀，71为第一保温暖件，72为第二保温暖件，73为第三保温暖件，74为第四保温暖件，80为电解液加热设备。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的制氢系统热待机控制方法，包括步骤：
S01、在收到热待机指令时，控制制氢系统进入热待机模式；
S02、判断制氢电源是否处于关闭状态，若是，则进入步骤S03；通过确认制氢电源处于关闭状态降低系统安全风险；
S03、执行热待机策略；热待机策略包括：降低电解液循环流量、避免排放氢气和/或维持电解液温度。
从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的制氢系统热待机控制方法，为现有制氢系统增加热待机功能，以在制氢系统短时无功率输入时，使制氢系统处于热待机状态，以避免排放氢气、维持槽温，进而提高制氢装置的利用率，将适用于传统稳定制氢的制氢系统与波动的可再生能源发电相适应。
作为优选，降低电解液循环流量包括步骤：
S12、使电解液循环流量降低至最低流量；
S12、最低流程运行时长达到预设时间后，进入步骤S13；
S13、关闭循环泵30，停止电解液循环。使电解液循环流量先降至最低之后停止，以进入热待机状态，其流程可以参照图2和图4。
进一步的，使电解液循环流量降低至最低流量，包括：
调节循环泵30变频器或循环泵30出口阀门开度等方法，使电解液循环流量降低至最低流量；
和/或，预设时间为0.5～1.0h。当然，上述调节方法和参数设置只是本方案的优选实施例，但并不仅仅局限于此，在此不再赘述。
具体的，避免排放氢气包括步骤：
S21、关闭氧侧气液分离器21气体出口的第一阀61和氢侧气液分离器22气体出口的第二阀62；
S22、实时监测氢侧气液分离器21和氢侧气液分离器22的液位差，并根据液位差调节第一阀61和第二阀62的开度，维持氧侧气液分离器21和氢侧气液分离器22的液位保持平衡；
S23、当氧侧气液分离器21和氢侧气液分离器22的液位平衡时，关闭第一阀61和第二阀62。在本方案提供的第一个实施例中，热待机策略为降低电解液循环流量和避免排放氢气并行(同步)执行，其流程可以参照图2所示，其对应的制氢系统结构示意可以参照图1所示。
进一步的，上述步骤S22中的根据液位差调节第一阀61和第二阀62的开度，维持氧侧气液分离器21和氢侧气液分离器22的液位保持平衡，包括：
当氧侧气液分离器21高于氢侧气液分离器22时，缓慢打开第二阀62，排放少部分氢气；当氧侧气液分离器21低于氢侧气液分离器22液位时，缓慢打开第一阀61，排放少量氧气。
作为优选，维持电解液温度包括步骤：
S31、切断去往电解液散热设备40的电解液流量，将全部电解液通过电解液加热设备80返回电解槽；
S32、实时监测电解槽槽温，当电解槽槽温低于热待机温度下限阈值时，启动循环泵30和电解液加热设备80；
S33、当电解槽槽温超过热待机温度上限阈值时，停止电解液加热设备80和循环泵30。在本方案提供的第二个实施例中，热待机策略为降低电解液循环流量、避免排放氢气和维持电解液温度并行(同步)执行，其流程可以参照图4所示，其对应的制氢系统结构示意可以参照图3所示。
进一步的，上述步骤S31中的切断去往电解液散热设备40的电解液流量，将全部电解液通过电解液加热设备80返回电解槽，包括：
调节阀门切断电解液散热设备40所在管路，和导通电解液加热设备80所在管路；
和/或，热待机温度下限阈值为75℃，热待机温度上限阈值为80℃。当然，上述调节方法和参数设置只是本方案的优选实施例，但并不仅仅局限于此，在此不再赘述。
本发明提供的第三个实施例中制氢系统热待机控制方法，还包括步骤：
获取氧侧气液分离器21中的氢气含量；
判断氧侧气液分离器21中的氢气含量是否超标，若是，则采用氮气进行置换，确保系统安全，其对应的制氢系统结构示意可以参照图5所示。
具体的，本方案还包括步骤：
当判断制氢电源是否处于关闭状态的结果为否时，控制关闭制氢电源，再次确认制氢电源处于关闭状态时才执行热待机策略，否则报错。
本发明实施例还提供了一种制氢系统，包括：电解槽10、氧侧气液分离器21、氢侧气液分离器22、循环泵30、电解液散热设备40、控制器50和管路；该控制器50采用如上述的制氢系统热待机控制方法。鉴于本方案的制氢系统采用了上述的热待机控制方法，因此也就具有相应的有益效果，在此不再赘述。
本发明实施例提供的制氢系统，还包括：第三阀63和电解液加热设备；
其结构可以参照图1和图3所示，第三阀63为两位三通阀，该第三阀63的进口连接于循环泵30的出口，第三阀63的第一出口连接于电解液散热设备40的进口，第三阀63的第二出口连接于电解液加热设备80的进口；
或者，第三阀63包括：设置于电解液散热设备所在管路40的阀门，设置于电解液加热设备80所在管路的阀门。
如图5所示，在本方案提供的第三个实施例中，还包括：氮气置换管路和第四阀64；即为氧侧气液分离器21增设氮气置换系统；
该第四阀64连接于氮气置换管路的出口和氧侧气液分离器21之间，以便在氧侧气液分离器21中的氢气含量超标时采用氮气进行置换，确保系统安全。
进一步的，本发明实施例提供的制氢系统，还包括：保温机构；
该保温机构包括设置于电解槽、氧侧气液分离器、氢侧气液分离器和/或管路的保温件，其结构可以参照图1和图3所示的第一保温暖件71、第二保温暖件72、第三保温暖件73和第四保温暖件74，保温件的具体形式在此不做限定。即通过被动保温实现制氢装置的热待机功能。
下面结合完整实施例对本方案做进一步介绍：
第一个实施例，如图1和图2所示，当控制器接收到热待机指令后，首先确认制氢电源处于关闭状态，然后，并行(同步)执行下述两条指令：①通过调节循环泵变频器或循环泵出口阀门开度等方法，使系统电解液循环流量降低至最低流量，运行一段时间后，优选0.5～1.0h后，关闭循环泵，停止电解液循环；②关闭系统氧侧出口第一阀、氢侧出口第二阀，避免氢气排放损失，实时监测氢侧和氧测分离器液位差，并根据氢侧和氧侧分离器液位差，调节第一阀、第二阀开度，维持氢侧和氧侧分离器液位保持平衡，当氢侧和氧侧液位平衡时，关闭第一阀、第二阀，避免氢气排放损失。具体而言，当氧侧分离器液位高于氢侧分离器液位时，缓慢打开氢侧出口第二阀，排放少部分氢气，以提高氢侧分离器液位，并在两侧液位平衡时，关闭第二阀，避免氢气进一步损失；当氧测分离器液位低于氢侧分离器液位时，缓慢打开氧测出口第一阀，排放少量氧气，以提高氧测分离器液位，并在两侧液位平衡时，关闭第一阀，避免进一步排放氧气造成系统压力下降。即对于通过被动保温实现制氢装置的热待机功能，所采用的控制方法。
第二个实施例，一种具备热待机功能的制氢系统，除图1所述的保温措施外，还包括第三阀和电解液加热设备，如图3所示。即通过保温、加热，实现主动加热的热待机功能。
所述第三阀为两位三通阀，作用是根据系统温控需要，调节去往电解液散热设备和电解液加热设备的电解液流量。第三阀可通过在电解液加热设备和电解液散热设备所在的管路各设置1个阀门代替。
所述电解液加热设备的作用是根据需要加热电解液，以维持电解液温度。
此时，热待机控制策略如图4所示。当控制器接收到热待机指令后，首先确认制氢电源处于关闭状态，然后，并行(同步)执行下述三条指令：①通过调节循环泵变频器或循环泵出口阀门开度等方法，使系统电解液循环流量降低至最低流量，运行一段时间后，优选0.5～1.0h后，关闭循环泵，停止电解液循环；②关闭系统氧侧出口第一阀、氢侧出口第二阀，避免氢气排放损失，实时监测氢侧和氧测分离器液位差，并根据氢侧和氧侧分离器液位差，调节第一阀、第二阀开度，维持氢侧和氧侧分离器液位保持平衡，当氢侧和氧侧液位平衡时，关闭第一阀、第二阀，避免氢气排放损失；③通过控制第三阀，切断去往电解液散热设备的电解液流量，将全部电解液通过电解液加热设备返回电解槽，实时监测电解槽槽温，当电解槽槽温低于热待机温度下限阈值时(对于碱性水电解制氢系统，优选75℃)，启动电解液循环泵，并使系统电解液循环流量降低至最低流量值，启动电解液加热设备，为系统电解液进行加热，进而提高电解槽槽温，当电解槽槽温超过热待机温度上限阈值时(对于碱性水电解制氢系统，优选80℃)，停止电解液加热设备，即停止为电解液加热，并停止循环泵。上述为对于主动加热的热待机功能，所采用控制方法。
此外，还可在图3所示系统的基础上，为氧侧气液分离器增加氮气置换管路和阀门降低电解液循环流量、避免排放氢气和/或维持电解液温度(第四阀)，如图5所示，在热待机状态下，当氧侧气液分离器中的氢气含量超标时，采用氮气进行置换，确保系统安全。
综上所述，本发明主要目的是为现有制氢系统增加热待机功能，以在制氢系统短时无功率输入时，使制氢系统处于热待机状态，以避免排放氢气、维持槽温，进而提高制氢装置的利用率，将适用于传统稳定制氢的制氢系统与波动的可再生能源发电相适应。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种制氢系统热待机控制方法，其特征在于，包括步骤：
在收到热待机指令时，控制制氢系统进入热待机模式；
判断制氢电源是否处于关闭状态，若是，则执行热待机策略；所述热待机策略包括：降低电解液循环流量、避免排放氢气和/或维持电解液温度；所述降低电解液循环流量包括步骤：使电解液循环流量降低至最低流量；降低电解液循环流量、避免排放氢气和/或维持电解液温度；运行预设时间后，关闭循环泵(30)，停止电解液循环；所述避免排放氢气包括步骤：关闭氧侧气液分离器(21)气体出口的第一阀(61)和氢侧气液分离器(22)气体出口的第二阀(62)；实时监测氢侧气液分离器(21)和氢侧气液分离器(22)的液位差，并根据所述液位差调节第一阀(61)和第二阀(62)的开度，维持氧侧气液分离器(21)和氢侧气液分离器(22)的液位保持平衡；当氧侧气液分离器(21)和氢侧气液分离器(22)的液位平衡时，关闭第一阀(61)和第二阀(62)；所述维持电解液温度包括步骤：切断去往电解液散热设备(40)的电解液流量，将全部电解液通过电解液加热设备(80)返回电解槽；实时监测电解槽槽温，当电解槽槽温低于热待机温度下限阈值时，启动循环泵(30)和电解液加热设备(80)；当电解槽槽温超过热待机温度上限阈值时，停止电解液加热设备(80)和循环泵(30)。
2.根据权利要求1所述的制氢系统热待机控制方法，其特征在于，所述使电解液循环流量降低至最低流量，包括：
调节循环泵(30)变频器或循环泵(30)出口阀门开度，使电解液循环流量降低至最低流量；
和/或，所述预设时间为0.5～1.0h。
3.根据权利要求1所述的制氢系统热待机控制方法，其特征在于，根据所述液位差调节第一阀(61)和第二阀(62)的开度，维持氧侧气液分离器(21)和氢侧气液分离器(22)的液位保持平衡，包括：
当氧侧气液分离器(21)高于氢侧气液分离器(22)时，打开第二阀(62)，排放氢气；当氧侧气液分离器(21)低于氢侧气液分离器(22)液位时，打开第一阀(61)，排放氧气。
4.根据权利要求1所述的制氢系统热待机控制方法，其特征在于，所述切断去往电解液散热设备(40)的电解液流量，将全部电解液通过电解液加热设备(80)返回电解槽，包括：
调节阀门切断电解液散热设备(40)所在管路，和导通电解液加热设备(80)所在管路。
5.根据权利要求1所述的制氢系统热待机控制方法，其特征在于，还包括步骤：
获取氧侧气液分离器(21)中的氢气含量；
判断氧侧气液分离器(21)中的氢气含量是否超标，若是，则采用氮气进行置换。
6.一种制氢系统，其特征在于，包括：电解槽(10)、氧侧气液分离器(21)、氢侧气液分离器(22)、循环泵(30)、电解液散热设备(40)、控制器(50)和管路；所述控制器(50)采用如权利要求1-5任意一项所述的制氢系统热待机控制方法。
7.根据权利要求6所述的制氢系统，其特征在于，还包括：第三阀(63)和电解液加热设备；
所述第三阀(63)为两位三通阀，所述第三阀(63)的进口连接于所述循环泵(30)的出口，所述第三阀(63)的第一出口连接于所述电解液散热设备(40)的进口，所述第三阀(63)的第二出口连接于所述电解液加热设备(80)的进口；或者，所述第三阀(63)包括：设置于电解液散热设备所在管路(40)的阀门，设置于电解液加热设备(80)所在管路的阀门。
8.根据权利要求6所述的制氢系统，其特征在于，还包括：氮气置换管路和第四阀(64)；
所述第四阀(64)连接于所述氮气置换管路的出口和所述氧侧气液分离器(21)之间。
9.根据权利要求6所述的制氢系统，其特征在于，还包括：保温机构；
所述保温机构包括设置于电解槽、氧侧气液分离器、氢侧气液分离器和/或管路的保温件。
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