CN115992370B - 一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置及方法，在水电解制氢系统的产品气出口设置两组负荷调节装置，其由并联的气动调节执行机构组成，水电解制氢系统可根据可再生能源电力负荷情景智能匹配启用相对应的调节执行机构，精确控制不同负荷下系统液位平衡，从而控制宽功率波动下系统运行时的气体纯度，确保制氢系统在任何功率波动下的安全稳定运行，达到适应可再生电力能源宽功率波动下运行的目的。

Description

一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置及方法

技术领域

本发明涉及水电解制氢装备领域，具体为一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置及方法。

背景技术

氢能作为绿色低碳的二次能源，水电解制氢是众多制氢技术路线中的一种，其技术路线主要有碱性水电解技术(AE)、质子交换膜水电解技术(PEM)和固体氧化物水电解技术(SOEC)，其中，碱性水电解制氢技术是发展最为成熟的水电解制氢方式，其电极制造不使用贵金属资源，是水电解制氢市场的重要组成部分。

在可再生能源开发利用中，风光发电对电网负荷很大，加之风电、光伏的间歇性和随机性特点，电网的输电容量、调峰能力和负荷需求不足，导致电网近年来弃风、弃光问题非常严重。氢气作为储能载体，其储存能量大，可储存时间长，因此将光伏发电和碱性水电解制氢相耦合进行储能可缓解弃光问题。现行碱性水电解制氢系统中，氢氧两侧容器液位平衡至关重要，其影响系统气体纯度和运行稳定性，若液位控制频繁出现两侧液位波动幅度大、液位差值大等现象，易导致氢氧两侧压力差偏高，影响电解槽隔膜布分离效果，出现气体纯度不达标问题，长时间运行将影响隔膜布使用寿命，出现隔膜布破损出现窜气现象，引发安全问题。

因此，在碱性水电解制氢设备生产运行中，为保证气体纯度和系统安全稳定性，氢氧两侧气动调节阀需快速响应确保氢氧两侧容器液位动态平衡，当制氢系统负荷较低时，由于通过氢氧两侧气动调节阀内气体流量过少，易引起阀门调节响应速度和调节精度降低，造成氢氧两侧容器液位动态平衡反馈时间延长，导致气体纯度和系统运行稳定性均无法保证，使设备无法正常工作。目前，市场上绝大多数碱性水电解制氢设备的操作弹性范围在30％～110％。由于光伏发电具有随天气呈周期性和随机性变化的特点，电量输出波动很大，为与光伏发电的特点相匹配，制氢系统不仅要满足宽负荷下正常产气的要求，还要满足在不同负荷频繁波动工况下产气的要求，这就对现行制氢系统的操作弹性范围、调节响应速度和精度提出了更高的要求，因此，增加碱性水电解制氢设备操作弹性范围的下限，提高系统在不同负荷下的响应速度是当前需解决的难题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行的方法，解决传统碱性水电解制氢设备在低负荷下运行氢氧两侧液位平衡问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置，包括水电解制氢系统和两组负荷调节装置，两组负荷调节装置分别用于连接水电解制氢系统的氢气出口和氧气出口，负荷调节装置包括气体分离器和多个气动调节执行机构；

所述气体分离器的入口连接电解制氢系统的出口，多个气动调节执行机构并联并与气体分离器的出口连接，从多个气动调节执行机构的产品气出口输出产品气，根据水电解制氢系统的运行负荷启动对应的气动调节执行机构。

优选的，所述多个气动调节执行机构的负荷调节范围不相同。

优选的，所述多个气动调节执行机构的负荷调节范围逐级递减。

优选的，所述气动调节执行机构为气动薄膜调节阀。

优选的，所述气动调节执行机构的产品气出口连接气动三通球阀的入口，气动三通球阀的产品气出口连接止回阀，通过止回阀输出产品气，气动三通球阀的废气出口连接放空管道。

优选的，所述气动调节执行机构的出口还设置有第一手动球阀，第一手动球阀的出口连接放空管道。

优选的，所述气体分离器的出口还连接有应急管路，应急管路的出口连接气动调节执行机构的出口。

优选的，所述水电解制氢系统包括电解槽和两个气液分离装置；

所述气液分离装置包括气液分离器、气体洗涤器和气体冷却器；

所述气液分离器的入口连接电解槽的氢气出口，气液分离器的气体出口连接气体洗涤器的入口，气液分离器的液体出口连接电解槽的进液口，气体洗涤器的出口连接气体冷却器的入口，气体冷却器的气体出口连接气体分离器的入口。

优选的，所述气体洗涤器的液体入口通过补水泵连接补水箱，电解槽的补碱液口通过配碱泵连接碱液箱，系统循环用碱液通过碱液屏蔽泵连接碱液换热器返回电解槽。

一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、获取水电解制氢系统的运行负荷，根据运行负荷启动氢气侧对应规格的气动调节执行机构，对水电解制氢系统的进行一次调控；

步骤2、实时获取氢气的气液分离器和氧气的气液分离器的液位差，根据液位差对步骤1启动的气动调节执行机构的开度进行调节，使水电解制氢系统的液位趋于平衡；

步骤3、获取水电解制氢系统产出的氢气纯度数据，当氢气纯度数据低于设定阈值，则按照设定调节速率调节步骤2所述气动调节执行机构的开度，直至氢气纯度符合要求。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置，在水电解制氢系统的产品气出口设置两组负荷调节装置，其由并联的气动调节执行机构组成，水电解制氢系统可根据可再生能源电力负荷情景智能匹配启用相对应的调节执行机构，精确控制不同负荷下系统液位平衡，从而保证宽功率波动下系统运行时的气体纯度，确保制氢系统在任何功率波动下的安全稳定运行，达到适应可再生电力能源宽功率波动下运行的目的。与现有技术相比，本发明通过巧妙的工艺系统设计与控制，可以满足碱性水电解制氢系统在0～100％宽功率波动下运行，解决了碱性水电解制氢装备无法在低功率下运行的问题，且系统响应速度快，实施难度小，可操作性高。

附图说明

图1为本发明负荷调节装置的结构框图；

图2为本发明碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置的运行流程图；

图3为本发明碱性水电解制氢系统的结构图。

图中：1-气体分离器；2-气动两通球阀；3-1级气动调节执行机构；4-2级气动调节执行机构；5-3级气动调节执行机构；6-气动三通球阀；7-止回阀；8、9-手动球阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1，一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置，包括水电解制氢系统和两组负荷调节装置，两组负荷调节装置分别用于连接水电解制氢系统的氢气出口和氧气出口，负荷调节装置包括气体分离器、应急管路、多个不同负荷段的气动调节执行机构；

所述气体分离器的入口连接水电解制氢系统的出口，多个气动调节执行机构的入口与气体分离器的出口并联，应急管路的一端与气体分离器的出口连接，应急管路的另一端与并联的多个气动调节执行机构的出口连接，多个气动调节执行机构的产品气出口输出产品气。

上述调节装置中并联多个气动调节执行机构，多个气动调节执行机构的负荷调节范围不相同，并且多个气动调节执行机构的规格按调节负荷范围逐级递减，从而覆盖0～100％负荷下的工况，根据电解制氢系统的运行负荷启动相应的气动调节执行机构，精确控制不同负荷下系统液位平衡，确保产气量大幅度波动变化时制氢系统保持稳定运行。

所述气体分离器1与气动调节执行机构的入口之间的管路上设置有气动两通球阀2，气动两通球阀2的出口管路上设置有纯度检测仪，气动调节执行机构为多个不同规格的且并联的气动薄膜调节阀，根据负荷状态分级启用对应规格的气动调节执行机构，并根据气动执行机构和气动球阀2之间采样的纯度检测仪实时检测气体纯度，辅助调节气动执行机构的控制精度。

所述气动调节执行机构的产品气出口连接气动三通球阀6的入口，气动三通球阀6的产品气出口连接止回阀7，通过止回阀输出产品气至使用端，气动三通球阀6的废气出口连接放空管路；所述气动调节执行机构的出口还设置有第一手动球阀8，第一手动球阀8的出口连接放空管道。

气动三通球阀6有一入口两出口，气动调节执行机构的产品气和放空废气均通过其入口，三通球阀一出口连接止回阀7，出产品气；另一出口连接放空管道，排放废气或泄压；当气动三通球阀6出现故障无法动作时，通过第一手动球阀8连通放空管路，通过手动球阀8将废气导入放空管道。

所述应急管路上设置第二手动球阀9，正常运行状态下，第二手动球阀9处于关闭状态，当气动调节执行机构发生故障无法正常工作时，在应急情况下开启第二手动球阀9，气体通过应急管路直接输入气动三通球阀6的入口。

需要说明的是，气动调节执行机构的数量还由实际调控需求精度而定，气动调节执行机构并联数量越多，则调节精度越高。

参阅图3，所述水电解制氢系统包括电解槽R101、氢气气液分离装置、氧气气液分离装置和补液装置，氢气气液分离装置和氧气气液分离装置的结构相同。

氢气气液分离装置包括气液分离器V101、气体洗涤器V103和气体冷却器E101，气液分离器V101的入口连接电解槽R101的氢气出口，气液分离器V101的气体出口连接气体洗涤器V103的入口，气液分离器V101的液体出口连接碱液屏蔽泵P102的入口，碱液屏蔽泵P102的出口通过碱液换热器E103连接电解槽R101的进液口，气体洗涤器V103的出口连接气体冷却器E101的入口，气体冷却器E101的气体出口连接气体分离器1的入口，气体洗涤器V103的液体入口通过补水泵P101连接补水箱V107，电解槽R101的补碱液通过配碱泵P103连接碱液箱V108。

氧气气液分离装置包括气液分离器V102、气体洗涤器V104和气体冷却器E102，其连接方式与氢气气液分离装置的连接方法相同，不在赘述。

首次工作时，通过配碱泵P103将碱液箱V108中的碱液注入电解槽中，系统正常工作时，循环碱液由碱液屏蔽泵P102从气液分离器抽出，经过碱液换热器E103返回电解槽，电解槽通电电解水产生氢气和氧气，氢气进入气液分离器V101进行气液分离，分离的气体进入气体洗涤器V103，分离的碱液通过碱液屏蔽泵P102注入碱液换热器E103换热降温后再次进入电解槽中，气体洗涤器V103对分离的氢气进行洗涤，洗涤后的氢气进入气体冷却器E101冷却后形成产品氢气，氢气进入负荷调节装置；氧气的生产过程与氢气的生成过程相同，不在赘述。

实施例1

再次参阅图1，一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置，包括两组负荷调节装置，其分别用于连接水电解制氢系统的氢气出口和氧气出口。传统水电解制氢系统的负荷运行范围为30％～110％，调节装置中并联三个气动调节执行机构，并且多个气动调节执行机构的负荷调节范围逐级递减。

三个气动调节执行机构包括为一级气动调节执行机构3、二级气动调节执行机构4和三级气动调节执行机构5。

以光伏所产生的电能进行电解水制氢为例，由于光伏发电具有随天气呈周期性和随机性变化的特点，电量输出波动很大，当与相匹配时，电解槽的产气量波动很大，使用传统的水电解制氢设备将面临隔膜布两侧压差波动幅度大，氢氧侧液位波动剧烈，气体纯度不达标的状况，在制氢系统气体出口处加入负荷调节装置，对不同负荷下的工况进行分级控制，依据负荷的高低启用相匹配的气动调节执行机构，对制氢系统内氢气和氧气侧压差进行更加精准的控制，提高控制响应速度和调节精度。

当电能供给充足时，制氢系统可满负荷工作，控制系统根据当时负荷连锁启用一级气动调节执行机构(最大规格执行机构)，当运行一段时间后，电能供给突然衰减降低，控制系统根据供电负荷以及系统液位差反馈数据综合匹配连锁对应气动调节执行机构，根据电能衰减幅度，启用二级或三级气动调节执行机构，同时实时监控气体纯度，对系统执行机构的控制精度进行调整，并连锁报警和急停，根据液位差、气体纯度等重要参数对制氢系统进行连锁保护。

下面对本发明提供的一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置的控制方法进行详细的说明，包括以下步骤：

步骤1、获取水电解制氢系统的运行负荷，根据运行负荷启动氢气侧对应规格的气动调节执行机构，对水电解制氢系统的工作状态进行一次调控。

该水电解制氢系统的运行负荷与光伏发电的发电量成正比，当发电量大时，水电解制氢系统的运行负荷大，当发电量小时，水电解制氢系统的运行负荷小，由于光伏发电具有随天气呈周期性和随机性变化的特点，导致电量输出波动很大，因此，通过对水电解制氢系统的运行负荷和气动调节执行机构进行连锁控制，实现水电解制氢系统运行负荷的一次调节，获取水电解制氢系统的运行负荷，当该运行负荷与对应的气动调节执行机构的控制负荷范围对应时，启动该气动调节执行机构，并关闭与其并联的其它气动调节执行机构；

步骤2、实时获取氢气的气液分离器和氧气的气液分离器的液位差，根据液位差对步骤1启动的气动调节执行机构的开度进行调节，使产出的氢气符合设定要求。

氢气的气液分离器和氧气的气液分离器的液位差，即表示水电解制氢系统的电解槽氢氧两侧的压力差，氢气侧气动调节执行机构根据液位差大小连锁控制气动调节执行机构开启幅度，提高调控效率，保障低液位差以及氢氧侧压力差符合工艺要求，氧气侧气动调节执行机构连锁系统压力，根据系统压力和工艺压力设定值的压差连锁控制气动调节执行机构的开启幅度；

由于光伏发电的发电量存在波动问题，因此步骤2需要根据电能的波动实时调控气动调节执行机构，因此在调控过程中需要具有较快的调控速率，使电解槽两侧的液位快速平衡，保证整个系统的稳定工作。

步骤3、获取水电解制氢系统产出的氢气纯度数据，当氢气纯度数据低于设定阈值，则按照设定调节速率调节步骤2所述气动调节执行机构的开度，直至氢气纯度符合要求。

采用气体检测仪获取氢气的纯度，并将该数据反馈至控制器，控制器按照一定的速率调节气动调节执行机构的开度，该步骤中的速率低于步骤2所述调控速率，实现气动调节执行机构的精确调整，辅助优化气动调节执行机构的控制精度和稳定性，直至产出的氢气符合工艺要求。

在调整过程中，气体纯度不达标的氢气通过气动三通球阀切换至放空管道进行排放，待氢气符合工艺要求通过气动三通球阀切换至输出管路。

本发明提供的一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置，针对碱性水电解制氢设备两侧容器液位动态平衡反馈时间延长，导致气体纯度和系统运行稳定性均无法保证，使设备无正常工作的问题，在水电解制氢系统的氢气出口和氧气出口分别设置负荷调节装置，通过并联的多级气动调节执行机构，根据负荷比例分级启用气动调节执行机构，精确控制不同负荷下系统液位平衡，确保产气量大幅度波动变化时制氢系统稳定运行。当碱性水电解制氢系统在正常负荷弹性范围内工作时，通过控制系统联动启用一级气动调节执行机构控制系统出气量和系统压力，保证系统稳定运行；当制氢系统需要在宽功率波动下运行时，由于产气量大幅度波动，可根据实时输入电压功率以及电解电流变化，联动启用对应等级气动调节执行机构，从而确保氢氧两侧容器液位平衡，气体纯度符合指标要求。经过对碱性水电解制氢工艺系统新设计，可以使制氢系统在很宽的范围内快速响应功率波动，提高系统控制精度，从而提升整体效率。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置的控制方法，其特征在于，所述碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置包括水电解制氢系统和两组负荷调节装置，两组负荷调节装置分别用于连接水电解制氢系统的氢气出口和氧气出口，负荷调节装置包括气体分离器和多个气动调节执行机构；

所述气体分离器的入口连接电解制氢系统的出口，多个气动调节执行机构并联并与气体分离器的出口连接，从多个气动调节执行机构的产品气出口输出产品气，根据水电解制氢系统的运行负荷启动对应的气动调节执行机构；

所述多个气动调节执行机构的负荷调节范围不相同，所述多个气动调节执行机构的负荷调节范围逐级递减；

所述碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、根据水电解制氢系统的运行负荷与光伏发电的发电量的正比关系，根据光伏发电的发电量确定水电解制氢系统的运行负荷，当该运行负荷与对应的气动调节执行机构的控制负荷范围对应时，根据运行负荷启动氢气侧对应规格的气动调节执行机构，对水电解制氢系统的进行一次调控；

步骤2、实时获取氢气的气液分离器和氧气的气液分离器的液位差，根据液位差确定电解槽氢氧两侧的压力差，氢气侧的气动调节执行机构根据液位差大小连锁控制气动调节执行机构开启幅度，提高调控效率，氧气侧的气动调节执行机构根据系统压力和工艺压力设定值的压差连锁控制气动调节执行机构的开启幅度，保障低液位差以及氢氧侧压力差符合工艺要求，使水电解制氢系统的氢氧侧液位趋于平衡；

步骤3、获取水电解制氢系统产出的氢气纯度数据，当氢气纯度数据低于设定阈值，则按照设定调节速率调节步骤2所述气动调节执行机构的开度，并且设定调节速率低于步骤2所述调控速率，直至氢气纯度符合要求。

2.根据权利要求1所述的一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置的控制方法，其特征在于，所述气动调节执行机构为气动薄膜调节阀。

3.根据权利要求1所述的一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置的控制方法，其特征在于，所述气动调节执行机构的产品气出口连接气动三通球阀（6）的入口，气动三通球阀（6）的产品气出口连接止回阀（7），通过止回阀输出产品气，气动三通球阀（6）的废气出口连接放空管道。

4.根据权利要求3所述的一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置的控制方法，其特征在于，所述气动调节执行机构的出口还设置有第一手动球阀（8），第一手动球阀（8）的出口连接放空管道。

5.根据权利要求1所述的一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置的控制方法，其特征在于，所述气体分离器的出口还连接有应急管路，应急管路的出口连接气动调节执行机构的出口。

6.根据权利要求1所述的一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置的控制方法，其特征在于，所述水电解制氢系统包括电解槽（R101）和两个气液分离装置；

所述气液分离装置包括气液分离器（V101）、气体洗涤器（V103）和气体冷却器（E101）；

所述气液分离器（V101）的入口连接电解槽（R101）的氢气出口，气液分离器（V101）的气体出口连接气体洗涤器（V103）的入口，气液分离器（V101）的液体出口连接电解槽（R101）的进液口，气体洗涤器（V103）的出口连接气体冷却器（E101）的入口，气体冷却器（E101）的气体出口连接气体分离器（1）的入口。

7.根据权利要求6所述的一种碱性水电解制氢系统宽功率波动运行装置的控制方法，其特征在于，所述气体洗涤器（V103）的液体入口通过补水泵（P101）连接补水箱（V107），电解槽的补碱液口通过配碱泵（P103）连接碱液箱（V108），系统循环用碱液通过碱液屏蔽泵（P102）连接碱液换热器（E103）返回电解槽（R101）。