CN117305906A - 一种拓展碱性电解槽负荷范围的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
为解决现有技术的问题，本发明提供了一种拓展碱性电解槽负荷范围的系统，包括：电解水制氢系统、高纯氢气储存系统、高纯氧气储存系统、控制系统。其中控制系统控制其他三个系统以实现拓展碱性电解槽负荷范围的方法中的控制步骤，具体包括：S1.获取电解槽当前运行负荷信息F。当F＜Q时，进行步骤S2。其中F以百分比表示，Q的取值范围为25‑35%。S2.控制高纯氢气储存系统向电解水制氢系统的氢侧气液分离器中充入高纯氢气，控制高纯氧气储存系统向电解水制氢系统的氧侧气液分离器中充入高纯氧气。本发明可以将新能源电解制氢的单台碱性电解槽负荷调节范围由现有的30%‑100%，拓展至5%‑100%。
Description
技术领域
本发明涉及电解制氢技术领域，尤其涉及一种拓展碱性电解槽负荷范围的系统及方法。
背景技术
传统的碱性水电解制氢系统，来自氢分离器的碱液，会溶解少量氢气，来自氧分离器的碱液，会溶解少量氧气，两部分碱液混合后，进入电解槽的阴极电解小室和阳极电解小室，溶解在碱液中的氧气会影响阴极电解小室氢气的纯度，溶解在碱液中的氢气会影响阳极电解小室氧气的纯度。电解槽低负荷操作时，产气量小，这种影响越明显，既降低氢气和氧气纯度，又存在安全隐患，最终导致碱性水电解制氢系统的负荷范围一般为30％～100％，低于30％负荷下，碱性电解制氢设备不能运行。
同时，我国正积极提升可再生能源制氢产能，大规模使用绿氢替代灰氢、蓝氢，助力工业、交通、建筑等领域实现深度脱碳。但可再生能源具有波动性和间接性，比如光伏在早晚或阴雨天的光伏输出能量范围低于设计发电容量的50％，风电在一天内的功率输出波动范围则更大。如果要保证制氢系统的气体纯度合格，光伏、风电容量和制氢容量的配比要远高于1:1，这样会造成风光系统建设成本的增加，且在高峰时不能完全被制氢系统利用，存在弃风弃光现象。
发明内容
为解决现有技术的存在的问题，针对电解水制氢系统的能源来自于可再生能源，尤其是风能和光能的电解水制氢技术，本发明提供了一种拓展碱性电解槽负荷范围的方法，该方法需要在电解制氢系统的基础上增加设置有高纯氢气储存系统和高纯氧气储存系统。此时，该方法包括：
S1. 获取电解槽当前运行负荷信息F。当F＜Q时，进行步骤S2。其中F以百分比表示，Q为预设阈值，Q的取值范围为25-35%。
S2. 控制高纯氢气储存系统向电解水制氢系统的氢侧气液分离器中充入高纯氢气，控制高纯氧气储存系统向电解水制氢系统的氧侧气液分离器中充入高纯氧气。
当满足以下条件之一时，停止电解槽的电解动作：
当F＜K时；其中K为预设阈值，K的取值范围为3-6%；
当F＜Q且高纯氢气储存系统或高纯氧气储存系统储存的高纯氢气或高纯氧气压力不足时；
当F＜Q，且电解槽的运行时间达到N时，N为电解槽在F负荷下的最大运行时长。
进一步的，执行步骤S2时，氧气掺混流速Y1 Nm3/h须满足如下关系式：
Y1= [W1*X％*(100%-2.0%)+99.6%*Y1]/(W1* X％+Y1)≥98.5%；其中W1为氧气纯化系统的额定流量，单位Nm3/h；
同时，氢气掺混流速Y2 Nm3/h须满足如下关系式：
Y2= [W2*X％*(100%-0.5%)+99.999%*Y2]/W2* X％+Y2)≥99.8%；其中W2为氢气纯化系统的额定流量，单位Nm3/h。
进一步的，所述电解槽在F负荷下的最大运行时长N=min(Z1*P1*F*100/Y1，Z2*P2*F*100/Y2)，其中Z1为高纯氧气储存系统的最大氧气储量，P1为高纯氧气储存系统的工作压力，Z2为高纯氢气储存系统的最大氢气储量，P1为高纯氢气储存系统的工作压力。
此外，本发明还提供了一种拓展碱性电解槽负荷范围的系统，包括：电解水制氢系统、高纯氢气储存系统、高纯氧气储存系统、控制系统。
所述电解水制氢系统包括：碱性电解槽。所述碱性电解槽电解产生的氢气通入氢侧气液分离器，电解产生的氧气通入氧侧气液分离器。由氢侧气液分离器分离产生的液相组分经过碱液冷却器冷却后由碱液循环泵循环回碱性电解槽的电解液槽中，由氢侧气液分离器分离产生的气相组分经过氢侧气水分离器分离后进入氢气纯化装置，经纯化后作为氢气产品气由氢气压缩机向外部其他装置输送。由氧侧气液分离器分离产生的液相组分经过碱液冷却器冷却后由碱液循环泵循环回碱性电解槽的电解液槽中，由氧侧气液分离器分离产生的气相组分经过氧侧气水分离器分离后进入氧气纯化装置，经纯化后作为氧气产品气由氧气压缩机向外部其他装置输送。
所述氢气产品气部分进入高纯氢气储存系统，所述氧气产品气部分进入高纯氧气储存系统。所述高纯氢气储存系统的出气端与氢侧气液分离器气相排出端连通，所述高纯氧气储存系统的出气端与氧侧气液分离器气相排出端连通。所述控制系统与碱性电解槽、高纯氢气储存系统、高纯氧气储存系统信号连接，并执行如上所述的拓展碱性电解槽负荷范围的方法中的控制步骤。
进一步的，所述高纯氢气储存系统包括：氢气掺混储罐。所述氢气掺混储罐的进气端通过氢气掺混储罐入口调节阀与氢气产品气输送管连通。所述氢气掺混储罐的出气端通过依次设置的氢气掺混储罐出口调节阀和氢气掺混储罐出口单向阀与氢侧气液分离器气相排出端连通。所述氢气掺混储罐入口调节阀、氢气掺混储罐出口调节阀、氢气掺混储罐出口单向阀均为电控阀且与控制系统信号连接。
进一步的，所述氢气掺混储罐与氢气掺混储罐压力变送器连接，所述氢气掺混储罐压力变送器将氢气掺混储罐内压力信息发送至氢气掺混储罐压力控制器和控制系统，氢气掺混储罐压力控制器根据接收的氢气掺混储罐内压力信息控制氢气掺混储罐入口调节阀的开度。
进一步的，所述高纯氧气储存系统包括：氧气掺混储罐。所述氧气掺混储罐的进气端通过氧气掺混储罐入口调节阀与氧气产品气输送管连通。所述氧气掺混储罐的出气端通过依次设置的氧气掺混储罐出口调节阀和氧气掺混储罐出口单向阀与氧侧气液分离器气相排出端连通。所述氧气掺混储罐入口调节阀、氧气掺混储罐出口调节阀、氧气掺混储罐出口单向阀均为电控阀且与控制系统信号连接。
进一步的，所述氧气掺混储罐与氧气掺混储罐压力变送器连接，所述氧气掺混储罐压力变送器将氧气掺混储罐内压力信息发送至氧气掺混储罐压力控制器和控制系统，氧气掺混储罐压力控制器根据接收的氧气掺混储罐内压力信息控制氧气掺混储罐入口调节阀的开度。
本发明的优点主要在于：
1.本发明并不需要显著改变现有的新能源电解制氢生产线结构，因此改造成本较低，改造难度较小。
2.本发明可以将新能源电解制氢的单台碱性电解槽负荷调节范围由现有的30%~100%，拓展至5%-100%，显著改善了能源电解制氢的电解槽负荷调节范围，使得低负荷下也可以相对安全的进行电解制氢，从而可以在可再生能源制氢场景中提高绿电利用率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明拓展碱性电解槽负荷范围的系统的结构示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1
一种拓展碱性电解槽负荷范围的系统，如图1所示，包括：电解水制氢系统100、气体纯化系统200、气体压缩系统300、控制系统以及储气系统400，所述储气系统400包括：高纯氢气储存系统、高纯氧气储存系统。
所述电解水制氢系统包括：碱性电解槽101。所述碱性电解槽101电解产生的氢气通入氢侧气液分离器102，电解产生的氧气通入氧侧气液分离器103。由氢侧气液分离器102分离产生的液相组分经过碱液冷却器104冷却后由碱液循环泵105循环回碱性电解槽101的电解液槽中，由氢侧气液分离器102分离产生的气相组分经过氢侧气水分离器106分离后进入气体纯化系统200的氢气纯化装置201，经纯化后作为氢气产品气由气体压缩系统300的氢气压缩机301向外部其他装置输送。由氧侧气液分离器103分离产生的液相组分经过碱液冷却器104冷却后由碱液循环泵105循环回碱性电解槽101的电解液槽中，由氧侧气液分离器103分离产生的气相组分经过氧侧气水分离器107分离后进入气体纯化系统200的氧气纯化装置202，经纯化后作为氧气产品气由气体压缩系统300的氧气压缩机302向外部其他装置输送。
所述氢气产品气部分进入高纯氢气储存系统，所述氧气产品气部分进入高纯氧气储存系统。所述高纯氢气储存系统的出气端与氢侧气液分离器102气相排出端连通，所述高纯氧气储存系统的出气端与氧侧气液分离器103气相排出端连通。所述控制系统与碱性电解槽101、高纯氢气储存系统、高纯氧气储存系统信号连接，并执行如下控制步骤。
S1. 获取电解槽当前运行负荷信息F。当F＜Q时，进行步骤S2。其中F以百分比表示，Q为预设阈值，Q的取值为30%。
S2. 控制高纯氢气储存系统向电解水制氢系统的氢侧气液分离器中充入高纯氢气，控制高纯氧气储存系统向电解水制氢系统的氧侧气液分离器中充入高纯氧气。
当满足以下条件之一时，停止电解槽的电解动作：
当F＜K时；其中K为预设阈值，K的取值范围为3-6%；
当F＜Q且高纯氢气储存系统或高纯氧气储存系统储存的高纯氢气或高纯氧气压力不足时；
当F＜Q，且电解槽的运行时间达到N时，N为电解槽在F负荷下的最大运行时长。
执行步骤S2时，氧气掺混流速Y1 Nm3/h须满足如下关系式：
Y1= [W1*X％*(100%-2.0%)+99.6%*Y1]/(W1* X％+Y1)≥98.5%；其中W1为氧气纯化系统的额定流量，单位Nm3/h；
同时，氢气掺混流速Y2 Nm3/h须满足如下关系式：
Y2= [W2*X％*(100%-0.5%)+99.999%*Y2]/W2* X％+Y2)≥99.8%；其中W2为氢气纯化系统的额定流量，单位Nm3/h。
所述电解槽在F负荷下的最大运行时长N=min(Z1*P1*F*100/Y1，Z2*P2*F*100/Y2)，其中Z1为高纯氧气储存系统的最大氧气储量，P1为高纯氧气储存系统的工作压力，Z2为高纯氢气储存系统的最大氢气储量，P1为高纯氢气储存系统的工作压力。
所述高纯氢气储存系统包括：氢气掺混储罐402。所述氢气掺混储罐402的进气端通过氢气掺混储罐入口调节阀404与氢气产品气输送管连通。所述氢气掺混储罐402的出气端通过依次设置的氢气掺混储罐出口调节阀406和氢气掺混储罐出口单向阀408与氢侧气液分离器102气相排出端连通。所述氢气掺混储罐入口调节阀404、氢气掺混储罐出口调节阀406、氢气掺混储罐出口单向阀408均为电控阀且与控制系统信号连接。
所述氢气掺混储罐402与氢气掺混储罐压力变送器410连接，所述氢气掺混储罐压力变送器410将氢气掺混储罐402内压力信息发送至氢气掺混储罐压力控制器412和控制系统，氢气掺混储罐压力控制器412根据接收的氢气掺混储罐402内的压力信息控制氢气掺混储罐入口调节阀404的开度。
所述高纯氧气储存系统包括：氧气掺混储罐401。所述氧气掺混储罐401的进气端通过氧气掺混储罐入口调节阀403与氧气产品气输送管连通。所述氧气掺混储罐401的出气端通过依次设置的氧气掺混储罐出口调节阀405和氧气掺混储罐出口单向阀407与氧侧气液分离器103气相排出端连通。所述氧气掺混储罐入口调节阀403、氧气掺混储罐出口调节阀405、氧气掺混储罐出口单向阀407均为电控阀且与控制系统信号连接。
所述氧气掺混储罐401与氧气掺混储罐压力变送器409连接，所述氧气掺混储罐压力变送器409将氧气掺混储罐401内的压力信息发送至氧气掺混储罐压力控制器411和控制系统，氧气掺混储罐压力控制器411根据接收的氧气掺混储罐内压力信息控制氧气掺混储罐入口调节阀403的开度。
此时，在风能或光伏能充足时，碱性电解槽101满负荷运行，可将氢气压缩机301出口的部分增压高纯氢储存在氢气掺混储罐402中，将氧气压缩机302出口的部分增压高纯氧储存在氧气掺混储罐401中，并且使氢气掺混储罐402、氧气掺混储罐401内部的压力高于碱性电解槽101工作压力（一般为1.8MPaG），以保证高纯度氢气、高纯氧气可顺利掺混至电解制氢系统100内。当风能或光伏能不够充足时，碱性电解槽101只能在低负荷运行（低于30%负荷），造成产气纯度降低，氢中氧、氧中氢含量达到高限值（一般氢中氧高限设定值为0.2%V，氧中氢高限设定值为1.5%V），此时将氢气掺混储罐402中的高纯氢掺入氢侧气液分离器102，将氧气掺混储罐401中的高纯氧掺入氧侧气液分离器103，通过掺混使氢中氧、氧中氢含量达标，以此拓宽电解槽的运行负荷范围。
以5MW碱性电解制氢系统为例，该系统包含1台5MW碱性电解槽及BOP辅助系统，该电解槽氢气产量为1000Nm3/h，氧气产量为500Nm3/h，操作压力为1.8MPa，操作温度85℃，原负荷调节范围30%~100%，氢中氧高限设定值为0.2%V，氧中氢高限设定值为1.5%V。1套1000Nm3/h氢气纯化系统，产品氢纯度≥99.999mol%，出口压力1.6MPa。1套500Nm3/h氧气纯化系统，产品氧纯度≥99.6mol%，出口压力1.6MPa。1台1000Nm3/h氢气往复式压缩机，压缩机出口压力5.6MPa。1台500Nm3/h氧气往复式压缩机，压缩机出口压力6.2MPa。1台容积为5m3的氧气掺混储罐，工作压力1.85MPa。1台容积为25m3的氢气掺混储罐，工作压力1.85MPa，氧气掺混储罐和氢气掺混储罐分别设置压力变送器，压力变送器与掺混储罐入口调节阀组成控制回路，以压力变送器设定值自动控制掺混储罐入口调节阀开度，控制器为单回路PID控制器。将氧气掺混储罐及氢气掺混储罐的压力设置为1.85MPa，当风能或光伏能的出力超过碱性电解槽100%负荷时，氧气掺混储罐和氢气掺混储罐入口调节阀自动打开，为氧气掺混储罐和氢气掺混储罐充压至1.85MPa后关闭。当风能或光伏能出力不满足碱性电解槽30%负荷运行要求时，电解槽氧气侧出口氧中氢含量超过高限值1.5%V，电解槽氢气侧出口氢中氧含量超过高限值0.2%V，为避免氧中氢含量≥2.0%V时氢侧气液分离器出口产品氢被迫放空，或氢中氧含量≥0.5%V时氧侧气液分离器出后产品氧气被迫放空，此时控制系统打开氧气掺混储罐和氢气掺混储罐出口调节阀，将纯度为99.6mol%的氧气掺入氧侧气液分离器，将纯度为99.999mol%的高纯氢气掺入氢侧气液分离器，使碱性电解制氢系统的氧中氢、氢中氧含量均低于高限值。
若要保证电解槽在X%低负荷下运行，则氧气掺混流速Y1 Nm3/h须满足如下关系式：
[500*X％*(100%-2.0%)+99.6%*Y1]/(500* X％+Y1)≥98.5%。
同时，氢气掺混流速Y2 Nm3/h须满足如下关系式：
[1000*X％*(100%-0.5%)+99.999%*Y2]/(1000* X％+Y2)≥99.8%。
以上述5MW碱性电解制氢系统为例，在氧气掺混储罐容积为Z1 m3（本实施例中Z1=5）、工作压力为P1 Mpa（本实施例中P1=1.85），氢气掺混储罐容积为Z2 m3（本实施例中Z2=25）、工作压力为P2 Mpa（本实施例中P2=1.85）的条件下，电解槽在X%低负荷下的可运行时长N小时满足如下关系式：
N=min(Z1*P1*10/Y1，Z2*P2*10/Y2)。
结合上述公式，本实施例将氧气掺混流速Y1控制为24Nm3/h，氢气掺混流速Y2控制为150Nm3/h，可使电解槽在运行负荷X=10%时运行时长N达到3小时。若将氧气掺混流速Y1控制为12Nm3/h，氢气掺混流速Y2控制为75Nm3/h，可使电解槽在运行负荷为X=5%时运行时长N达到6小时。因此，可有效扩展碱性电解槽的运行负荷范围。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种拓展碱性电解槽负荷范围的方法，其特征在于，电解水制氢系统的能源来自于可再生能源，并设置有高纯氢气储存系统和高纯氧气储存系统，所述拓展碱性电解槽负荷范围的方法包括：
S1. 获取电解槽当前运行负荷信息F；当F＜Q时，进行步骤S2；其中F以百分比表示，Q为预设阈值，Q的取值范围为25-35%；
S2. 控制高纯氢气储存系统向电解水制氢系统的氢侧气液分离器中充入高纯氢气，控制高纯氧气储存系统向电解水制氢系统的氧侧气液分离器中充入高纯氧气；
当满足以下条件之一时，停止电解槽的电解动作：
当F＜K时；其中K为预设阈值，K的取值范围为3-6%；
当F＜Q，且高纯氢气储存系统或高纯氧气储存系统储存的高纯氢气或高纯氧气压力不足时；
当F＜Q，且电解槽的运行时间达到N时，N为电解槽在F负荷下的最大运行时长。
2.根据权利要求1所述拓展碱性电解槽负荷范围的方法，其特征在于，执行步骤S2时，氧气掺混流速Y1 Nm3/h须满足如下关系式：
Y1= [W1*X％*(100%-2.0%)+99.6%*Y1]/(W1* X％+Y1)≥98.5%；其中W1为氧气纯化系统的额定流量，单位Nm3/h；
同时，氢气掺混流速Y2 Nm3/h须满足如下关系式：
Y2= [W2*X％*(100%-0.5%)+99.999%*Y2]/W2* X％+Y2)≥99.8%；其中W2为氢气纯化系统的额定流量，单位Nm3/h。
3.根据权利要求1所述拓展碱性电解槽负荷范围的方法，其特征在于，所述电解槽在F负荷下的最大运行时长N=min(Z1*P1*F*100/Y1，Z2*P2*F*100/Y2)，其中Z1为高纯氧气储存系统的最大氧气储量，P1为高纯氧气储存系统的工作压力，Z2为高纯氢气储存系统的最大氢气储量，P1为高纯氢气储存系统的工作压力。
4.一种拓展碱性电解槽负荷范围的系统，其特征在于，包括：电解水制氢系统、高纯氢气储存系统、高纯氧气储存系统、控制系统；
所述电解水制氢系统包括：碱性电解槽；所述碱性电解槽电解产生的氢气通入氢侧气液分离器，电解产生的氧气通入氧侧气液分离器；由氢侧气液分离器分离产生的液相组分经过碱液冷却器冷却后由碱液循环泵循环回碱性电解槽的电解液槽中，由氢侧气液分离器分离产生的气相组分经过氢侧气水分离器分离后进入氢气纯化装置，经纯化后作为氢气产品气由氢气压缩机向外部其他装置输送；由氧侧气液分离器分离产生的液相组分经过碱液冷却器冷却后由碱液循环泵循环回碱性电解槽的电解液槽中，由氧侧气液分离器分离产生的气相组分经过氧侧气水分离器分离后进入氧气纯化装置，经纯化后作为氧气产品气由氧气压缩机向外部其他装置输送；
所述氢气产品气部分进入高纯氢气储存系统，所述氧气产品气部分进入高纯氧气储存系统；所述高纯氢气储存系统的出气端与氢侧气液分离器气相排出端连通，所述高纯氧气储存系统的出气端与氧侧气液分离器气相排出端连通；所述控制系统与碱性电解槽、高纯氢气储存系统、高纯氧气储存系统信号连接，并执行如权利要求1-2任一所述的拓展碱性电解槽负荷范围的方法中的控制步骤。
5.根据权利要求4所述拓展碱性电解槽负荷范围的系统，其特征在于，所述高纯氢气储存系统包括：氢气掺混储罐；所述氢气掺混储罐的进气端通过氢气掺混储罐入口调节阀与氢气产品气输送管连通；所述氢气掺混储罐的出气端通过依次设置的氢气掺混储罐出口调节阀和氢气掺混储罐出口单向阀与氢侧气液分离器气相排出端连通；所述氢气掺混储罐入口调节阀、氢气掺混储罐出口调节阀、氢气掺混储罐出口单向阀均为电控阀且与控制系统信号连接。
6.根据权利要求5所述拓展碱性电解槽负荷范围的系统，其特征在于，所述氢气掺混储罐与氢气掺混储罐压力变送器连接，所述氢气掺混储罐压力变送器将氢气掺混储罐内压力信息发送至氢气掺混储罐压力控制器和控制系统，氢气掺混储罐压力控制器根据接收的氢气掺混储罐内压力信息控制氢气掺混储罐入口调节阀的开度。
7.根据权利要求4所述拓展碱性电解槽负荷范围的系统，其特征在于，所述高纯氧气储存系统包括：氧气掺混储罐；所述氧气掺混储罐的进气端通过氧气掺混储罐入口调节阀与氧气产品气输送管连通；所述氧气掺混储罐的出气端通过依次设置的氧气掺混储罐出口调节阀和氧气掺混储罐出口单向阀与氧侧气液分离器气相排出端连通；所述氧气掺混储罐入口调节阀、氧气掺混储罐出口调节阀、氧气掺混储罐出口单向阀均为电控阀且与控制系统信号连接。
8.根据权利要求7所述拓展碱性电解槽负荷范围的系统，其特征在于，所述氧气掺混储罐与氧气掺混储罐压力变送器连接，所述氧气掺混储罐压力变送器将氧气掺混储罐内压力信息发送至氧气掺混储罐压力控制器和控制系统，氧气掺混储罐压力控制器根据接收的氧气掺混储罐内压力信息控制氧气掺混储罐入口调节阀的开度。
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