CN117248227A - 一种兆瓦级pem制氢系统及其可变产气量操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种兆瓦级PEM制氢系统及其可变产气量操作方法。本发明方法，装置包括PEM电解槽组、原料水系统、气体分离纯化装置、氢气压缩存储装置、水热管理系统、整流柜组、氢安全系统及电气控制系统；所述PEM电解槽组控制器和氢气压缩控制器分别设有存储区，所述PEM电解槽组控制器存储区预置PEM电解槽组的工艺参数曲线，所述氢气压缩控制器存储区预置氢气压缩机不同氢气流量下，对应工作频率运行表格；根据制氢系统实时产气量控制氢气压缩机的运行频率。本发明可根据用户产气量需求，调节电解槽组产气量和氢气压缩装置工作气量，满足用户对产气量变化需求，具有操作灵活、宽调节范围、可减少氢气浪费等特点。

Description

一种兆瓦级PEM制氢系统及其可变产气量操作方法

技术领域

本发明涉及水电解制氢技术领域，具体而言，尤其涉及一种兆瓦级PEM制氢系统及其可变产气量操作方法。

背景技术

能源和环境是全世界各国共同面临的问题，随着化石能源消耗速度的增加，能源危机日益加剧，环境污染和温室效应问题越来越突出。为了应对上述问题，风能、太阳能和水能等可再生能源在人类社会的能源体系中占比越来越高，但可再生能源普遍存在稳定性差、利用率低等问题。可再生能源的消纳是制约可再生能源发展的关键技术之一。

氢储能是可再生能源消纳问题的有效解决方法之一，可再生能源制氢，不仅增加了电网的清洁性，还可利用氢气实现电网的调峰储能，提高消纳比例。

PEM水电解制氢技术，具有工作电流密度更高，效率高，动态响应速度快等特点，被认为是极具发展前景的水电解制氢技术。

虽然纯水制氢系统具有上述的各种优点，但当其与可再生能源联用时，可再生能源通过整流柜直接作用于电解槽。尤其是可再生能源存在间歇性、周期性及随机性等特点，对应后端产氢量变化，不满足现有定频氢气压缩机入口气量要求，导致氢气压缩机无法工作，造成氢气浪费，经济性差。此外，还会增加电解槽的启停变载次数，影响电解槽寿命。固定的产气量无法满足后端用户对产气量变化需求。

发明内容

根据上述提出制氢系统产气量不可调控的技术问题，而提供一种兆瓦级PEM制氢系统及其可变产气量操作方法。本发明主要通过设置产气量可调节的电解槽组，和气量可调节的氢气压缩装置，实现兆瓦级PEM制氢系统的可变产气量的操作与控制。

本发明采用的技术手段如下：

一种兆瓦级PEM制氢系统，包括PEM电解槽组、原料水系统、气体分离纯化装置、氢气压缩存储装置、水热管理系统、整流柜组、氢安全系统及电气控制系统；

所述PEM电解槽组包括若干台PEM电解槽，所述PEM电解槽的正负接线端子与整流柜的直流输出侧电连接，所述PEM电解槽的进水口与循环泵的出口连接，所述PEM电解槽的氢气出口与氢分离器的入口连接，所述PEM电解槽的氧气出口与氧分离器连接；所述PEM电解槽用以通过电化学反应电解水制取氢气；

所述整流柜组包括与PEM电解槽数量一致的整流柜，所述整流柜的交流侧输入端与变压器交流输出端电连接，所述整流柜用以将交流电转化为直流电并发送至PEM电解槽；

所述氢气压缩存储装置包括依次连接的入口氢气缓冲罐、氢气压缩机和氢气储罐，用以将合格氢气经氢气压缩机压缩后充入氢气储罐；所述氢气压缩机采用实际工作气量可调节的变频电机；所述氢气缓冲罐上设有出口压力测点，通过氢气压缩控制器内算法计算并输出控制信号至氢气压缩机，以进行氢气压缩机流量微调；

所述PEM电解槽组的产气量和氢气压缩机的工作气量可调节，所述PEM电解槽组与PEM电解槽组控制器连接，所述氢气压缩机与氢气压缩控制器连接，所述PEM电解槽组控制器和氢气压缩控制器分别设有存储区，所述PEM电解槽组控制器存储区预置PEM电解槽组的工艺参数曲线，所述氢气压缩控制器存储区预置氢气压缩机不同氢气流量下，对应工作频率运行表格；根据制氢系统实时产气量控制氢气压缩机的运行频率。

进一步地，所述原料水系统包括纯水机，所述纯水机的入口与自来水管路相连，所述吹水机的出口与纯水箱的入口相连，所述纯水机用以将自来水净化为纯水后储存至纯水箱。

进一步地，所述气体分离纯化装置包括水汽分离装置和氢气纯化装置；所述水汽分离装置包括氢分离器和氧分离器，所述氢分离器的出气口与氢气纯化装置的进气口连接，所述氢气纯化装置的出气口与氢气压缩存储装置的进气口连接，所述氢气纯化装置采用三塔结构，所述氧分离器的出气口与氧气放空口连接。

进一步地，所述水热管理系统包括纯水箱、循环泵、补水泵、板式换热器和冷却装置；所述纯水箱的出水口与补水泵的入水口连接，所述补水泵的出水口与氧分离器的入水口连接，所述氧分离器的出口与循环泵的入口连接，所述循环泵与PEM电解槽之间设置有板式换热器的热端，所述板式换热器的冷端分别与冷却装置的进水口和回水口连接，所述板式换热器的冷端水路入口设置有流量调节装置，所述冷却装置分别与水汽分离装置和氢气纯化装置连接。

进一步地，所述氢分离器出口与氢气纯化装置之间设置有氢气调压装置，所述氧分离器出口与氧气放空口之间设置氧气调压装置。

进一步地，所述电气控制系统包括本地控制器、就地上位机和远程操作员站，所述本地控制器用以对PEM电解槽、整流柜进行控制，所述就地上位机用以对制氢系统进行本地监控，所述远程操作员站用以接收操作员指令和对制氢系统进行远程监控。

进一步地，所述氢安全系统包括含氢气探头、强排风风机及氢气报警器，所述氢气探头设置于生产车间上方，所述强排风机设置于生产车间屋顶。

本发明还提供了一种兆瓦级PEM制氢系统的可变产气量操作方法，基于上述任一项兆瓦级PEM制氢系统实现，包括如下步骤：

操作员设定制氢系统产气量需求指令后，所述电气控制系统下发PEM电解槽组初始产气量设定指令至PEM电解槽组控制器以启动氢气压缩机，然后进行PEM电解槽逐步加载；

所述PEM电解槽组实际产气量满足初始产气量后，所述制氢系统控制器下发氢气压缩机初始频率指令至氢气压缩控制器，所述氢气压缩机初始频率为其工作频率下限值；所述氢气压缩机工作频率下限值匹配PEM电解槽初始产气量设定值；

所述PEM电解槽组控制器按存储区内置PEM电解槽工艺曲线进行加载，直至PEM电解槽产气量满足制氢系统用户产气量需求；

当PEM电解槽组实际产气量大于第一产气量且不超过第二产气量时，所述氢气压缩机按频率30Hz运行；

当PEM电解槽组实际产气量大于第二产气量且不超过第三产气量时，所述氢气压缩机按频率35Hz运行；

当PEM电解槽组实际产气量大于第三产气量且不超过第四产气量时，所述氢气压缩机按频率40Hz运行；

当PEM电解槽组实际产气量大于第四产气量且不超过第五产气量时，所述氢气压缩机按频率45Hz运行；

当PEM电解槽组实际产气量大于第五产气量时，所述氢气压缩机按频率50Hz运行；

制氢系统运行过程中，所述氢气压缩控制器根据氢气缓冲罐压力测点和内部算法输出控制信号至氢气压缩机，实现氢气压缩机工作气量的微调。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明为了满足用户产氢量变化需求，所述PEM电解槽组由多台电解槽组成，单台电解槽可独立运行，且单台电解槽与整流柜电气连接，单台整流柜输出功率可调节。所述氢气压缩装置采用变频电机，气量可调节。所述制氢系统含电解槽控制器及氢气压缩控制器。用户产氢量变化时，所述电解槽控制器设定电解槽组运行台数及工作点，所述氢气压缩控制器设定氢气压缩机工作频率数值。通过以上操作满足用户可变气量需求，减少氢气浪费且调节范围宽；

本发明可变产气量操作方法，当采用可再生能源联用时，还可减少制氢系统启停次数，提高电解槽寿命。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明控制部分组成框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种兆瓦级PEM制氢系统，由PEM电解槽组、原料水系统、气体分离纯化装置、氢气压缩存储装置、水热管理系统、整流柜组、氢安全系统和电气控制系统等组成。

所述PEM电解槽组，由多台PEM电解槽组成，其通过电化学反应，电解纯水制取氢气；

所述原料水系统，含纯水机，将市政自来水净化为纯水，并储存到纯水箱；

所述气体分离纯化装置，由水汽分离装置和氢气纯化装置组成，多台电解槽共用一套此装置。所述水汽分离装置包括氢分离器和氧分离器，分别将电解槽生成氢气、氧气中含有的水汽去除。所述氢气纯化装置，采用三塔结构，即纯化装置含三台干燥塔，该工艺无氢气损耗，使产品气满足要求后，通入压缩存储装置；

所述氢气压缩存储装置，含入口氢气缓冲罐、氢气压缩机和氢气储罐，将合格氢气经压缩机压缩后充入氢气储罐，多台电解槽共用一套氢气压缩存储装置；

所述水热管理系统，含纯水箱、循环泵、补水泵、板式换热器和冷却装置等。所述纯水箱存储纯水，所述循环泵提供电解槽反应所需纯水，所述补水泵在制氢系统运行过程中进行补水，所述板式换热器将电解槽运行过程生成热量散出，所述冷却装置供分离氢气纯化装置冷却使用，多台电解槽共用一套此系统；

所述整流柜组，含多台整流柜，数量与电解槽一致，将交流电转化为可控直流电，供电解槽使用；

所述氢安全系统，含氢气探头、强排风风机和氢气报警器，所述探头和强排风机安装在生产车间上方和屋顶，所述强排风机可联锁动作，以保证生产车间安全；

所述电气控制系统，含本地控制器、就地上位机和远程操作员站，所述本地控制器对多台电解槽、多台整流柜进行控制，所述就地上位机实现制氢系统的本地监控，所述远程操作员站可接收操作员指令，对制氢系统远程监控；

所述PEM电解槽，其正负接线端子与整流柜直流输出侧电气连接，所述电解槽进水口与循环泵出口经管路连接，所述电解槽氢气出口与氢分离器入口经管路连接，所述电解槽氧气出口与氧分离器出口经管路连接；

所述纯水机入口与市政自来水经管路、阀门连接，所述纯水机出口与纯水箱经管路、阀门连接；

所述氢分离器出口与氢气纯化装置入口经管路、阀门连接，所述氧分离器出口与氧气放空口经管路、阀门连接，所述氢分离器出口与氢气纯化装置之间串有氢气调压装置，所述氧分离器出口与氧气放空口之间串有氧气调压装置；

所述氢气缓冲罐入口与所述氢气纯化装置出口经管路、阀门连接，所述氢气缓冲罐出口与所述氢气压缩机入口经管路、阀门连接，所述氢气压缩机出口经管路、阀门与氢气储罐入口经管路、阀门连接；

所述纯水箱出口与补水泵入口经管路、阀门连接，所述补水泵出口与氧分离器入口经管路、阀门连接，所述循环泵入口与氧分离器出口经管路、阀门连接，所述板式换热器热端串于循环泵出口与电解槽水路入口之间，经管路、阀门连接，所述板式换热器冷端分别与冷却装置进水口和回水口经管路、阀门连接，所述板式换热器冷端水路入口串有流量调节装置，所述冷却装置进水口、回水口还与分离、氢气纯化装置的冷却水入口、出口经管路连接；

所述整流柜，其交流侧输入端与变压器交流输出端电气连接；

所述制氢系统设有关键位置设有温度、压力、流量、气体品质等传感器和调节阀门，所述传感器、调节阀门与控制系统信号连接；

所述电解槽组产气量可调节；所述氢气压缩机采用变频电机，其实际工作气量可调节；还包括电解槽组控制器和氢气压缩控制器，分别设有存储区。所述电解槽组控制器存储区预置电解槽组的工艺参数曲线，所述氢气压缩控制器存储区预置氢气压缩机不同氢气流量下，对应工作频率运行表格，可根据制氢系统实时产气量控制氢气压缩机运行频率；氢气缓冲罐还设有出口压力测点，通过氢气压缩控制器内算法计算并输出控制信号给氢气压缩机，以进行氢气压缩机流量微调；

本发明还提供了一种兆瓦级PEM制氢系统的可变产气量操作方法，基于兆瓦级PEM制氢系统实现，包括如下步骤：

操作员设定制氢系统产气量需求指令后，所述制氢系统控制器下发电解槽组初始产气量设定指令至电解槽组控制器以启动氢气压缩机，然后进行电解槽逐步加载；

所述电解槽组实际产气量满足初始产气量后，所述制氢系统控制器下发氢气压缩机初始频率指令至氢气压缩控制器，所述氢气压缩机初始频率为其工作频率下限值。所述氢气压缩机工作频率下限值匹配电解槽初始产气量设定值；

所述电解槽组控制器按存储区内置电解槽工艺曲线进行加载，直至电解槽产气量满足制氢系统用户产气量需求；

当电解槽组实际产气量大于第一产气量且不超过第二产气量时，所述氢气压缩机按频率30Hz运行；

当电解槽组实际产气量大于第二产气量且不超过第三产气量时，所述氢气压缩机按频率35Hz运行；

当电解槽组实际产气量大于第三产气量且不超过第四产气量时，所述氢气压缩机按频率40Hz运行；

当电解槽组实际产气量大于第四产气量且不超过第五产气量时，所述氢气压缩机按频率45Hz运行；

当电解槽组实际产气量大于第五产气量时，所述氢气压缩机按频率50Hz运行；

制氢系统运行过程中，所述氢气压缩控制器根据氢气缓冲罐压力测点和内部算法输出控制信号至氢气压缩机，实现氢气压缩机工作气量的微调。

如图1所示，本发明的电气控制系统由制氢系统控制器、电解槽组监控模块、纯水机、气体分离控制器、氢气纯化控制器、水热管理控制器、整流柜组和氢气报警器等组成。所述制氢系统控制器，含电解槽组控制器，氢气压缩控制器，可实现制氢系统的启动状态、运行状态、停止状态等的控制和故障保护，所述控制器可以是PLC控制器；所述电解槽组控制器，含电解槽组监控模块，监控电解槽组的温度、压力、流量等参数；所述气体分离控制器，对氢氧分离器的压力和压差进行控制；所述氢气纯化控制器，对三塔氢气纯化装置的运行进行控制；所述水热管理控制器，对循环泵、补水泵和冷水机组进行控制；所述整流柜组，响应制氢系统控制器下发的电流或电压指令；所述氢气报警器，实现氢气报警信号与强排风机的联锁，并将报警信号上传制氢系统控制器，用于制氢系统的停车控制逻辑；所述氢气压缩控制器，对氢气压缩机和氢气存储进行控制。

实施例

如表1所示，为本发明提供的一种兆瓦级PEM制氢系统操作方法运行表格，所述电解槽组控制器根据制氢系统控制器指令进行动作，当电解槽组实际产气量满足指定需求时，所述氢气压缩控制器下发不同指令至氢气压缩机，实现产气量的调节。

制氢系统开机后，所述电解槽组实际产气量按QL进行设定，待氢压机启动后，电解槽组可逐步加载，直至满足用户产气量需求；

当电解槽组实际产气量Qsj≥QL时，所述氢气压缩机按频率fL运行，所述QL可以是120Nm3/h，所述fL可以是30Hz；

当电解槽组实际产气量QL＜Qsj≤Q(2)时，所述氢气压缩机按频率f2运行，所述Q(2)可以是140Nm3/h，所述f2可以是35Hz；

当电解槽组实际产气量Q(2)＜Qsj≤Q(3)时，所述氢气压缩机按频率f3运行，所述Q(3)可以是160Nm3/h，所述f3可以是40Hz；

当电解槽组实际产气量Q(3)＜Qsj≤Q(4)时，所述氢气压缩机按频率f4运行，所述Q(4)可以是180Nm3/h，所述f4可以是45Hz；

当电解槽组实际产气量Q(4)＜Qsj≤Q(5)时，所述氢气压缩机按频率f5运行，所述Q(5)可以是200Nm3/h，所述f5可以是50Hz；

当电解槽组实际产气量Qsj＞Q(5)时，所述氢气压缩机按频率f5运行。

表1操作方法运行表

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种兆瓦级PEM制氢系统，其特征在于：包括PEM电解槽组、原料水系统、气体分离纯化装置、氢气压缩存储装置、水热管理系统、整流柜组、氢安全系统及电气控制系统；

所述PEM电解槽组包括若干台PEM电解槽，所述PEM电解槽的正负接线端子与整流柜的直流输出侧电连接，所述PEM电解槽的进水口与循环泵的出口连接，所述PEM电解槽的氢气出口与氢分离器的入口连接，所述PEM电解槽的氧气出口与氧分离器连接；所述PEM电解槽用以通过电化学反应电解水制取氢气；

所述整流柜组包括与PEM电解槽数量一致的整流柜，所述整流柜的交流侧输入端与变压器交流输出端电连接，所述整流柜用以将交流电转化为直流电并发送至PEM电解槽；

所述氢气压缩存储装置包括依次连接的入口氢气缓冲罐、氢气压缩机和氢气储罐，用以将合格氢气经氢气压缩机压缩后充入氢气储罐；所述氢气压缩机采用实际工作气量可调节的变频电机；所述氢气缓冲罐上设有出口压力测点，通过氢气压缩控制器内算法计算并输出控制信号至氢气压缩机，以进行氢气压缩机流量微调；

所述PEM电解槽组的产气量和氢气压缩机的工作气量可调节，所述PEM电解槽组与PEM电解槽组控制器连接，所述氢气压缩机与氢气压缩控制器连接，所述PEM电解槽组控制器和氢气压缩控制器分别设有存储区，所述PEM电解槽组控制器存储区预置PEM电解槽组的工艺参数曲线，所述氢气压缩控制器存储区预置氢气压缩机不同氢气流量下，对应工作频率运行表格；根据制氢系统实时产气量控制氢气压缩机的运行频率。

2.根据权利要求1所述的兆瓦级PEM制氢系统，其特征在于，所述原料水系统包括纯水机，所述纯水机的入口与自来水管路相连，所述吹水机的出口与纯水箱的入口相连，所述纯水机用以将自来水净化为纯水后储存至纯水箱。

3.根据权利要求1所述的兆瓦级PEM制氢系统，其特征在于，所述气体分离纯化装置包括水汽分离装置和氢气纯化装置；所述水汽分离装置包括氢分离器和氧分离器，所述氢分离器的出气口与氢气纯化装置的进气口连接，所述氢气纯化装置的出气口与氢气压缩存储装置的进气口连接，所述氢气纯化装置采用三塔结构，所述氧分离器的出气口与氧气放空口连接。

4.根据权利要求1所述的兆瓦级PEM制氢系统，其特征在于，所述水热管理系统包括纯水箱、循环泵、补水泵、板式换热器和冷却装置；所述纯水箱的出水口与补水泵的入水口连接，所述补水泵的出水口与氧分离器的入水口连接，所述氧分离器的出口与循环泵的入口连接，所述循环泵与PEM电解槽之间设置有板式换热器的热端，所述板式换热器的冷端分别与冷却装置的进水口和回水口连接，所述板式换热器的冷端水路入口设置有流量调节装置，所述冷却装置分别与水汽分离装置和氢气纯化装置连接。

5.根据权利要求3所述的兆瓦级PEM制氢系统，其特征在于，所述氢分离器出口与氢气纯化装置之间设置有氢气调压装置，所述氧分离器出口与氧气放空口之间设置氧气调压装置。

6.根据权利要求1所述的兆瓦级PEM制氢系统，其特征在于，所述电气控制系统包括本地控制器、就地上位机和远程操作员站，所述本地控制器用以对PEM电解槽、整流柜进行控制，所述就地上位机用以对制氢系统进行本地监控，所述远程操作员站用以接收操作员指令和对制氢系统进行远程监控。

7.根据权利要求1所述的兆瓦级PEM制氢系统，其特征在于，所述氢安全系统包括含氢气探头、强排风风机及氢气报警器，所述氢气探头设置于生产车间上方，所述强排风机设置于生产车间屋顶。

8.一种兆瓦级PEM制氢系统的可变产气量操作方法，基于权利要求1-7中任一项权利要求所述的兆瓦级PEM制氢系统实现，其特征在于，包括如下步骤：

操作员设定制氢系统产气量需求指令后，所述电气控制系统下发PEM电解槽组初始产气量设定指令至PEM电解槽组控制器以启动氢气压缩机，然后进行PEM电解槽逐步加载；

所述PEM电解槽组实际产气量满足初始产气量后，所述制氢系统控制器下发氢气压缩机初始频率指令至氢气压缩控制器，所述氢气压缩机初始频率为其工作频率下限值；所述氢气压缩机工作频率下限值匹配PEM电解槽初始产气量设定值；

所述PEM电解槽组控制器按存储区内置PEM电解槽工艺曲线进行加载，直至PEM电解槽产气量满足制氢系统用户产气量需求；

当PEM电解槽组实际产气量大于第一产气量且不超过第二产气量时，所述氢气压缩机按频率30Hz运行；

当PEM电解槽组实际产气量大于第二产气量且不超过第三产气量时，所述氢气压缩机按频率35Hz运行；

当PEM电解槽组实际产气量大于第三产气量且不超过第四产气量时，所述氢气压缩机按频率40Hz运行；

当PEM电解槽组实际产气量大于第四产气量且不超过第五产气量时，所述氢气压缩机按频率45Hz运行；

当PEM电解槽组实际产气量大于第五产气量时，所述氢气压缩机按频率50Hz运行；

制氢系统运行过程中，所述氢气压缩控制器根据氢气缓冲罐压力测点和内部算法输出控制信号至氢气压缩机，实现氢气压缩机工作气量的微调。