CN115637442A - 一种海上风电就地制氢方法 - Google Patents

一种海上风电就地制氢方法 Download PDF

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俞华锋
许钢
范京申
陈晴
徐晗
吴津施
何小花
王定仕
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Abstract

本发明涉及一种海上风电就地制氢方法,适用于新能源领域。本发明的技术方案包括:步骤1、海水经过海水淡化系统进行淡化处理,获取纯水;步骤2、所述纯水经过冷却换热系统,得到闭式冷却水和热水;步骤3、海上风电发出的电力通过输配电系统转换为直流电,供应PEM制氢系统使用,制取一级氢气。本发明的有益效果为:本发明采用PEM纯水制氢,节约占地面积,有利于日常运行维护;本发明为海上制氢系统搭配海水淡化、固态储氢与氢燃料电池系统,进行海上环境的氢气制取、存储与消纳全套示范;本发明为海上制氢系统及其上下游系统配套电气、冷却换热、防腐蚀暖通、通信监控,以及消防灭火等系统,保障在海上环境进行安全生产。

Description

一种海上风电就地制氢方法
技术领域
本发明涉及新能源领域,更确切地说,它涉及一种海上风电就地制氢方法。
背景技术
氢能是一种清洁的二次能源,具有来源广、热值高、零碳排放等优点。利用风光可再生能源电解水制备绿氢,能够将电能转化成为氢气中的化学能,然后氢气作为能源供下游氢燃料电池汽车、燃料电池应急备用电源、天然气掺氢燃烧等场景使用,也可将氢气通过高压气态、低温液态、有机液态、固态储存方式存储起来,需要电能时段再通过燃料电池发电送回电网;氢也可作为化工原料,经过的甲烷化、氨化环节,最后进入到后续的化工、交通、发电、供热、储气等丰富多样的终端应用中。相较于传统储能,电解水制氢强调电能向氢能的单向转换,基于燃气的应用终端进行后续消纳,几乎不受能量上限的约束。因此,电解水制氢是大规模、高效率整合利用新能源富余电力的有效方案。
当前国内陆上可再生能源,以风电和光伏为主,发电进行电解水制氢的相关研究与工程项目正处于快速发展阶段,但根据各地可再生能源情况不同,及下游配套措施的差别,使得不同场景下,可再生能源制氢的方案设计与经济效益差别较大。除此之外,海上风电制氢的相关研究目前国内较少,主要集中在欧洲等发达国家地区,并且主要是输电到岸上进行制氢,而这会造成较大的电量损耗,特别是在未来深远海的海上风电大规模发展的情况下,受海底电缆限制,输电成本将进一步增加。海上风电就地制氢并进行氢气输运的模式,仅限于中期远期的规划阶段。
因此,亟需研究和发展一套海上风电就地制氢的工艺设计方案,从技术与经济角度上提高海上风电制氢的可行性,进而提高海上风电的消纳水平,促进海上风电的大规模开发。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足,提供了一种海上风电就地制氢方法。
第一方面,提供了一种海上风电就地制氢方法,包括:
步骤1、海水1经过海水淡化系统进行淡化处理,获取纯水2;
步骤2、所述纯水2经过冷却换热系统,得到闭式冷却水3和热水4;
步骤3、海上风电发出的电力5通过输配电系统转换为直流电6,供应PEM制氢系统使用,制取一级氢气7。
作为优选,还包括:
步骤4、所述一级氢气7依次经过一级氢气缓冲罐和氢气压缩机,产生二级氢气8;
步骤5、所述二级氢气8进入二级氢气缓冲罐进行稳压,并输送至固态储氢装置;
步骤6、固态储氢装置释放出三级氢气9,所述三级氢气9经过三级氢气缓冲罐,并供应氢燃料电池,输出应急电力10。
作为优选,步骤4和步骤6中,所述二级氢气的压强大于所述一级氢气的压强,所述一级氢气的压强大于所述三级氢气的压强。
作为优选,所述闭式冷却水3用于提供给所述PEM制氢系统、氢气压缩机和氢燃料电池,所述热水4用于提供给所述固态储氢装置。
作为优选,步骤1至步骤6中,防腐蚀暖通系统供应去除烟雾后的洁净空气11,通信监控系统进行来往信号12的传输,消防灭火系统在检测到火情时,提供高压水雾和气体13。
第二方面,提供了一种海上风电就地制氢系统,用于执行第一方面任一所述海上风电就地制氢方法,包括:海水淡化系统、冷却换热系统、输配电系统、PEM制氢系统、氢气缓冲罐、氢气压缩机、固态储氢装置和氢燃料电池;
其中,所述氢气缓冲罐包括一级氢气缓冲罐、二级氢气缓冲罐和三级氢气缓冲罐;所述海水淡化系统与所述冷却换热系统之间相连;所述输配电系统、PEM制氢系统、一级氢气缓冲罐、氢气压缩机、二级氢气缓冲罐、固态储氢装置、三级氢气缓冲罐、氢燃料电池之间依次相连。
作为优选,所述冷却换热系统包括闭式循环冷却系统和电加热器,所述闭式循环冷却系统分别与PEM制氢系统、氢气压缩机、氢燃料电池和固态储氢装置相连接;所述电加热器与所述固态储氢装置相连接
作为优选,所述海上风电就地制氢系统还包括:防腐蚀的暖通系统、通信监控系统和消防灭火系统。
本发明的有益效果是:
1、本发明提供了一种海上风电就地制氢方法,采用PEM纯水制氢,节约占地面积,有利于日常运行维护。
2、本发明为海上制氢系统搭配海水淡化、固态储氢与氢燃料电池系统,进行海上环境的氢气制取、存储与消纳全套示范。
3、本发明为海上制氢系统及其上下游系统配套电气、冷却换热、防腐蚀暖通、通信监控,以及消防灭火等系统,保障在海上环境进行安全生产。
附图说明
图1为海上风电就地制氢方法的流程示意图;
附图标记说明:1、海水,2、纯水,3、闭式冷却水,4、热水,5、电力,6、直流电,7、一级氢气,8、二级氢气,9、三级氢气,10、应急电力,11、洁净空气,12、信号,13、高压水雾和气体。
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。
实施例1
针对海上风电就地制氢的工程设计难题,本发明首先根据应用场景特点和下游需求情况,确定制氢规模以及各环节的组成部分;然后为了保障在海上环境的稳定可靠运行,设计氢能工艺系统的辅助配套系统。
由于海上制氢平台的建设成本高昂,因此本方案制氢采用示范规模,减少占地尺寸,同时为减少海上日常运维压力,采用PEM纯水制氢技术路线,规避碱水制氢可能带来的渗碱污染。
本技术方案采用50Nm3/h示范规模的PEM纯水制氢,交流电输入参数为400V,300kW,纯水消耗量约100kg/h。氢气出口压力1.6Mpa,制取的氢气经过除氧纯化、干燥后进入一级缓冲罐中,与后续储氢系统连接。制氢设备占地尺寸4×2米,可较大程度减少工艺设备间的占地面积。
此外,由于海上淡水资源缺乏,因此在制氢上游设置海水淡化装置。同时,因氢气储运存在困难,故采用固态储氢。另外,为避免远洋运输氢气,通过氢燃料电池发电的方式进行消纳,供应海上升压站作为应急电源。即本技术方案主体由海水淡化,PEM制氢,固态储氢以及氢燃料电池组成,进行海上环境的氢气制取、存储与消纳全套示范。
如图1所示,本申请提供的海上风电就地制氢系统,包括:海水淡化系统、冷却换热系统、输配电系统、PEM制氢系统、氢气缓冲罐、氢气压缩机、固态储氢装置和氢燃料电池;
其中,氢气缓冲罐包括一级氢气缓冲罐、二级氢气缓冲罐和三级氢气缓冲罐;海水淡化系统与冷却换热系统之间相连,冷却换热系统还分别连接至PEM制氢系统、氢气压缩机、氢燃料电池和固态储氢装置;输配电系统、PEM制氢系统、一级氢气缓冲罐、氢气压缩机、二级氢气缓冲罐、固态储氢装置、三级氢气缓冲罐、氢燃料电池之间依次相连。冷却换热系统包括闭式循环冷却系统和电加热器,闭式循环冷却系统分别与PEM制氢系统、氢气压缩机、氢燃料电池和固态储氢装置相连接;电加热器与固态储氢装置相连接。海上风电就地制氢装置还包括:防腐蚀的暖通系统、通信监控系统和消防灭火系统。
此外,海上风电就地制氢系统中的主要介质可以分为水介质、氢气介质和电力介质,示例地,如图1所示,水介质包括:海水1、纯水2、闭式冷却水3和热水4;氢气介质包括一级氢气7、二级氢气8和三级氢气9;电力介质包括:电力5、直流电6和应急电力10。除了以上三类介质,海上风电就地制氢系统中的介质还包括:洁净空气11、信号12、高压水雾和气体13。
下面分别对海上风电就地制氢装置中的各个系统进行介绍:
(1)海水淡化系统
制氢系统上游的海水淡化系统采用“介质过滤+海水反渗透”方案,为全套工艺系统提供纯化水,包括电解水制氢用水和氢能工艺系统冷却换热用水等,设计出水电导率≤10μ0/cm,产水量12t/d。海水淡化设备占地5海2米。
(2)固态储氢装置
固态储氢装置的储氢规模为50kg,约为11小时的制氢量,通过换热设备与外界的冷/热流体换热从而实现吸氢和放氢,吸氢压力为6MPa,放氢压力为1.2MPa。
(3)氢气缓冲罐与压缩机
为保障固态储氢装置稳定可靠运行,在吸氢侧设置两级缓冲罐和一级氢气压缩机:首先,制氢设备出口的氢气经过缓冲时间为10min,压力等级为1.6MPa的一级缓冲罐后,由氢气压缩机增压到6MPa,排气量按制氢能力,在1.6MPa入口压力时不小于50Nm3/h,然后进入缓冲时间为10min,压力等级为6MPa的二级缓冲罐进行稳压,随后进入固态储氢设备。在放氢侧,储氢容器与外界热水换热加热储氢介质释放氢气,并进入缓冲时间为30min,压力等级为1.2MPa的三级缓冲罐,为下游用户输送氢气。
(4)氢燃料电池
本申请采用氢燃料电池实现氢能的消纳与利用,根据应急电源规格,设计额定发电功率为100kW,氢气消耗量100Nm3/h,发电效率约50%,可产纯水2t/h,同时搭配80kWh锂电池储能,保障用电可靠性,设备占地面积9×2.5米。
(5)输配电系统
50Nm3/h制氢设备的供电需求约为380V,400kW,考虑站内其他工艺设备及配套设施的负荷需求,主变压器选用1台容量为800kVA的三相双绕组变压器,由于站内所需负荷相对稳定,变压器冷却方式采用自冷。
(6)冷却换热系统
由于海水排水温度要求严格,因此本方案采用闭式循环冷却系统,包括制冷系统和针对制氢、固态储氢以及氢燃料电池的冷却系统。
制氢系统由闭式冷却水进行冷却后,该冷却水再由风冷器进行冷却;
固态储氢系统的冷冻水由冷冻机制取10℃的冷水,进行闭式冷却;
燃料电池系统由闭式冷却水进行冷却后,该冷却水再由风冷器进行冷却;同时冷却水管路中设置热水罐(带电加热器),部分热水回水循环回热水罐,满足固态储氢装置用热需求。
(7)防腐蚀的暖通系统
由于海上环境无城市热网、可利用的废热或工业余热,也无法设置集中供暖,因此需采用电采暖设施。
为防止海上环境的室外空气对氢能系统设备,特别是电气设备的盐雾腐蚀,需将海上平台的房间维持正压,通风方式采用机械送风、自然排风,即“正压送风系统”。室外空气经盐雾过滤器后,进入新风除湿机,经降温、除湿后由除湿机的送风机送入海上平台的各房间。
(8)通信监控系统
通信系统:在海上平台与外部连接的廊桥上敷设2根无金属光缆,用于主要信息传输,并考虑到海上运维的需求,在海上平台内设置若干无线接入设备,提供各处运维对网络数据的需求。
监控系统:由于海上环境限制,难以进行每日巡检,因此设置制氢监控系统,对全套氢能系统进行自动监视与控制,并在异常工况下自动投切相应系统和设备、保证人身和设备安全。同时,结合海上作业的特点,设置两套船用无线电系统(一用一备),以及1套应急通讯系统。
(9)消防灭火系统
海上平台的每层及各房间均设有对外出口,严格按照防火要求进行门窗设置,对外露的钢构件等采用防火涂层喷涂。
针对主要氢能设备,采用常规高压细水雾灭火系统,电气设备使用火探管式气体灭火系统,同时配置手提式或推车式干粉灭火器。
其中,(5)至(9)为制氢及下游系统的配套设施,其目的在于保障制氢及下游系统在海上环境的稳定可靠运行。
实施例2
一种海上风电就地制氢方法,包括:
步骤1、海水1经过海水淡化系统进行淡化处理,获取纯水2;
步骤2、纯水2经过冷却换热系统,得到闭式冷却水3和热水4;
步骤3、海上风电发出的电力5通过输配电系统转换为直流电6,供应PEM制氢系统使用,制取一级氢气7;
步骤4、一级氢气7依次经过一级氢气缓冲罐和氢气压缩机,产生二级氢气8;
步骤5、二级氢气8进入二级氢气缓冲罐进行稳压,并输送至固态储氢装置。
步骤6、固态储氢装置释放出三级氢气9,三级氢气9经过三级氢气缓冲罐,并供应氢燃料电池,输出应急电力10以作为应急电源。
步骤4和步骤6中,二级氢气的压强大于一级氢气的压强,一级氢气的压强大于三级氢气的压强。示例地,二级氢气的压强为6MPa,一级氢气的压强为1.6MPa,三级氢气的压强为1.2MPa。
步骤2中,闭式冷却水3用于提供给PEM制氢系统、氢气压缩机和氢燃料电池,热水4用于提供给固态储氢装置。
步骤1至步骤6中,防腐蚀暖通系统供应去除烟雾后的洁净空气11,通信监控系统进行来往信号12的传输,消防灭火系统在检测到火情时,提供高压水雾和气体13。

Claims (8)

1.一种海上风电就地制氢方法,其特征在于,包括:
步骤1、海水1经过海水淡化系统进行淡化处理,获取纯水2;
步骤2、所述纯水2经过冷却换热系统,得到闭式冷却水3和热水4;
步骤3、海上风电发出的电力5通过输配电系统转换为直流电6,供应PEM制氢系统使用,制取一级氢气7。
2.根据权利要求1所述的海上风电就地制氢方法,其特征在于,还包括:
步骤4、所述一级氢气7依次经过一级氢气缓冲罐和氢气压缩机,产生二级氢气8;
步骤5、所述二级氢气8进入二级氢气缓冲罐进行稳压,并输送至固态储氢装置;
步骤6、固态储氢装置释放出三级氢气9,所述三级氢气9经过三级氢气缓冲罐,并供应氢燃料电池,输出应急电力10。
3.根据权利要求2所述的海上风电就地制氢方法,其特征在于,步骤4和步骤6中,所述二级氢气的压强大于所述一级氢气的压强,所述一级氢气的压强大于所述三级氢气的压强。
4.根据权利要求3所述的海上风电就地制氢方法,其特征在于,步骤2中,所述闭式冷却水3用于提供给所述PEM制氢系统、氢气压缩机和氢燃料电池,所述热水4用于提供给所述固态储氢装置。
5.根据权利要求4所述的海上风电就地制氢方法,其特征在于,步骤1至步骤6中,防腐蚀暖通系统供应去除烟雾后的洁净空气11,通信监控系统进行来往信号12的传输,消防灭火系统在检测到火情时,提供高压水雾和气体13。
6.一种海上风电就地制氢系统,其特征在于,用于执行权利要求1至5任一所述海上风电就地制氢方法,其特征在于,包括:海水淡化系统、冷却换热系统、输配电系统、PEM制氢系统、氢气缓冲罐、氢气压缩机、固态储氢装置和氢燃料电池;
其中,所述氢气缓冲罐包括一级氢气缓冲罐、二级氢气缓冲罐和三级氢气缓冲罐;所述海水淡化系统与所述冷却换热系统之间相连;所述输配电系统、PEM制氢系统、一级氢气缓冲罐、氢气压缩机、二级氢气缓冲罐、固态储氢装置、三级氢气缓冲罐、氢燃料电池之间依次相连。
7.根据权利要求6所述的海上风电就地制氢系统,其特征在于,所述冷却换热系统包括闭式循环冷却系统和电加热器,所述闭式循环冷却系统分别与PEM制氢系统、氢气压缩机、氢燃料电池和固态储氢装置相连接;所述电加热器与所述固态储氢装置相连接。
8.根据权利要求7所述的海上风电就地制氢系统,其特征在于,所述海上风电就地制氢系统还包括:防腐蚀的暖通系统、通信监控系统和消防灭火系统。
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