CN117385380A - 一种波动功率水电解制氢系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种波动功率水电解制氢系统及其控制方法，波动功率水电解制氢系统包括电解槽、氢气气液分离器、控制器、第一温度测量点T1、第二温度测量点T2、第一压力测量点P1和第二压力测量点P2；其中，第一温度测量点T1位于电解槽上游，第二温度测量点T2位于电解槽下游；第一压力测量点P1位于电解槽和氢气气液分离器之间，第二压力测量点P2位于氢气气液分离器和出口阀门之间。本发明通过在电解槽上下游设置两个温度反馈控制点，以及在气液分离器上下游设置两个压力控制点，以解决由于压力迟滞和温度迟滞造成的控制器控制不及时和不准确的问题，从而抵消波动工况的影响。
Description
技术领域
本发明涉及氢能、电解水系统、电化学测试领域，具体涉及一种波动功率水电解制氢控制系统及其控制方法。
背景技术
氢能领域中，制氢的方法有电解水制氢，甲醇重整制氢，天然气重整制氢等，这几种方法各有优劣，甲醇制氢需要后期纯化，会副产含碳气体，天然气制氢和甲醇制氢类似，其中电解水制氢是绿色能源制氢，有更大的优势。
目前电解水制氢系统往大装置方向发展，普遍工程项目单机装机容量在MW级以上。电解水方法主要分为碱性和质子交换膜(PEM)电解，这两种方法的区别是PEM和碱性系统膜材料不同，性能不同，碱性系统成本低，效率较低，PEM系统成本高，效率高，抗波动性更好。
现有水电解制备氢气系统装置存在的问题是：现有水电解制备氢气系统装置不适用于电厂削峰填谷的工况，在面临变载工况时，功率发生波动，而整个系统的响应速度慢，所以电解槽前后存在温度迟滞，且整个系统中的气液分离器的内部液面会发生延迟和不平衡，导致气液分离器前后存在压力迟滞，如果仅采用一个温度点和压力点进行控制，控制器难以及时给出准确的控制，而为了解决该问题，如果从控制方法上进行改进以抵消温度和压力迟滞，则控制方法复杂。上述问题导致现有水电解制备氢气系统使用的功率调节范围相对较窄，PEM设备功率调节范围较碱性大，通常为现有满负荷的5-115％可调，而国产碱性电解槽制氢设备功率波动范围则通常为现有满负荷的20-110％可调
因此，如何进一步拓宽水电解制备氢气系统装置功率调节范围，使其适合于波动工况，是人们关心的问题。
为了解决以上问题，提出本发明。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，针对水电解制备氢气系统装置功率调节范围小，且不适用于剧烈波动工况的问题，本发明设置第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2两个压力反馈控制点，以及第一温度测量点T1和所述第二温度测量点T2两个温度反馈控制点，通过计算所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2之间的大小和差值控制系统的压力，然后通过水电解制氢设备使用的功率大小以及功率的波动幅度选择温度反馈控制点，以抵消由于压力迟滞和温度迟滞造成的控制器控制不及时和不准确带来的影响。
本发明采取点技术方案是：
本发明第一方面提供一种波动功率水电解制氢系统，其包括电解槽、氢气气液分离器、控制器、第一温度测量点T1、第二温度测量点T2、第一压力测量点P1和第二压力测量点P2；
经电解槽水电解后产生的氢气组分进入氢气气液分离器进行气液分离，分离后所得氢气经氢气出口管路排出并收集，所述氢气出口管路上具有出口阀门；
其中，所述第一温度测量点T1位于所述电解槽上游，所述第二温度测量点T2位于所述电解槽下游；
所述第一压力测量点P1位于所述电解槽和所述氢气气液分离器之间，所述第二压力测量点P2位于所述氢气气液分离器和所述出口阀门之间；
所述控制器的温度反馈控制点在所述第一温度测量点T1和所述第二温度测量点T2之间切换；
所述控制器的压力反馈控制点包括所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2。
优选地，所述控制器通过控制所述出口阀门的开合程度控制所述水电解制氢系统的压力。
优选地，所述氢气气液分离器分离后所得水重新回到电解槽内继续电解。
优选地，波动功率水电解制氢系统还包括氧气气液分离器；
经电解槽水电解后产生的氧气组分进入氧气气液分离器进行气液分离，分离后所得氧气收集，分离后所得水重新回到电解槽内继续电解。
优选地，波动功率水电解制氢系统还包括冷水机组；
所述冷水机组的冷却水为所述氢气气液分离器和氧气气液分离器降温。
优选地，波动功率水电解制氢系统还包括泵，需电解的水经所述泵输送至电解槽。
优选地，所述的波动功率水电解制氢系统的功率调节范围为满负荷的0-150％。
本发明第二方面提供一种本发明第一方面所述的波动功率水电解制氢系统的控制方法，当遇到功率波动时，先进行压力控制，待压力稳定后，再进行温度控制；
所述压力控制为：所述控制器以所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2作为压力反馈控制点，通过计算所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2之间的大小和差值，确定控制所述出口阀门的开合程度来控制所述水电解制氢系统的压力；
所述温度控制为：所述控制器通过水电解制氢设备使用的功率大小以及功率的波动幅度在所述第一温度测量点T1和所述第二温度测量点T2之间切换温度反馈控制点。
优选地，所述压力控制为：当所述第二压力测量点P2大于所述第一压力测量点P1，且所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2之间的差值大于0.1Mpa时，所述控制器控制所述出口阀门开度增大；
当所述第二压力测量点P2小于所述第一压力测量点P1，且所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2之间的差值大于0.1Mpa时，所述控制器控制所述出口阀门开度减小；
当所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2之间的差值小于等于0.1Mpa时，所述出口阀门开度不进行调节，且稳定1-3min，则视为压力稳定；
所述温度控制为：当水电解制氢设备在0-1MW功率范围使用，所述控制器以所述第一温度测量点T1作为温度反馈控制点；
当水电解制氢设备在1-5MW功率范围使用，且功率波动幅度为小于50KW/S，所述控制器以所述第二温度测量点T2作为温度反馈控制点；
当水电解制氢设备在1-5MW功率范围使用，且功率波动幅度为大于等于50KW/S，所述控制器以所述第一温度测量点T1作为温度反馈控制点。
优选地，当水电解制氢设备在0-1MW功率范围使用，通过计算在该功率范围的累计时间选择温度反馈控制点。当计算处于该低功率的累计时间在正常范围内(3-5h不定，根据设计时间不同)，所述控制器以所述第一温度测量点T1作为温度反馈控制点，但是当计算处于该低功率的累计时间超出正常范围，所述控制器以所述第二温度测量点T2作为温度反馈控制点。此处是本发明进一步优选地实施方案，也就是说，当水电解制氢设备在0-1MW功率范围使用，所述控制器可以以所述第一温度测量点T1作为温度反馈控制点；或者更优选地，通过计算在该功率范围的累计时间选择温度反馈控制点。
本发明包括压力控制和温度控制两部分，当波动功率水电解制氢系统压力为常压的时候不用考虑压力控制，当波动功率水电解制氢系统压力为高压(1-5Mpa)时就存在压力迟滞，也就是说在波动工况下既有温度迟滞，又有压力迟滞，此时需要考虑压力控制和温度控制。针对PEM类型水电解制氢系统，由于氢气侧肯呢个存在高压的情况，而氧气侧通常为常压，所以本发明波动功率水电解制氢系统将压力测量点设置在氢气侧气液分离器的上下游。而针对碱性类型水电解制氢系统，由于氧气侧也有可能存在高压的情况，此时处于安全的考虑可以在氧气气液分离器下游也设置压力测量点和出口阀门，但是其仍然可以通过本发明方法进行压力控制。
本发明中堆前温度点即是位于电解槽上游的第一温度测量点T1，而堆后温度点即是位于电解槽下游的第二温度测量点T2。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、现有技术通常都是选用固定的堆后温度作为温度反馈点，其存在的问题是，当面临功率的瞬时变化时，比如功率的瞬间增大，堆后温度的温度迟滞太大，如果以该温度点作为温度反馈点，则响应速度太慢，待其温度传输至控制器时，该部分功率已经造成浪费，控制器没有及时给出控制。相应的，目前压力测量点通常为一个，且位于所述氢气气液分离器和所述出口阀门之间，当功率改变时，电解槽的产氢量也会发生改变，所以气液分离器的上下游也存在压力迟滞，如果仅通过依靠所述氢气气液分离器下游的压力测量点对系统的压力进行控制，则存在控制不及时，难以准确控制的问题。为了解决波动工况的问题，目前部分研究者通过增加流量(以适应功率增大)或者提前预测功率等方式实现波动工况的调节。而本发明恰恰克服了之前选用固定的堆后温度作为温度反馈点，以及选用气液分离器下游压力作为压力反馈点的技术偏见，而是设置第一温度测量点T1和第二温度测量点T2两个温度反馈控制点，以及第一压力测量点P1和第二压力测量点P2两个压力控制点，通过在电解槽上下游设置两个温度反馈控制点，以及在氢气气液分离器上下游设置两个压力控制点，以解决由于压力迟滞和温度迟滞造成的控制器控制不及时和不准确的问题，从而抵消波动工况的影响。
2、本发明设置第一温度测量点T1和第二温度测量点T2两个温度反馈控制点，通过水电解制氢设备使用的功率大小以及功率的波动幅度选择温度反馈控制点，进一步的，本发明设置第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2两个压力反馈控制点，通过计算所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2之间的大小和差值，确定控制所述出口阀门的开合程度来控制所述水电解制氢系统的压力，以此来抵消压力迟滞和温度迟滞的影响，本发明水电解制氢系统适用于波动功率工况，其功率调节范围为满负荷的0-150％。
3、本发明采用多个温度和压力控制点进行控制反馈，使用控制器控制，简单便捷，成本较低。采用本发明方法对水电解制氢系统进行控制可以降低波动功率对水电解制氢系统造成的影响，可提升整机效率，且本发明方法只需要在水电解制氢系统上设置多个温度和压力控制反馈点，对系统改动较少，具有较强的实用价值。
4、通过水电解制氢设备使用的功率大小以及功率的波动幅度选择温度反馈控制点，堆前温度基本上没有温度迟滞，温度响应速度比堆后快，所以在低负荷或者波动工况时选用，采用堆前温度作为控制点，控制器响应更迅速，而装置稳定运行后，处于高负荷状态，采用堆后温度为控制点，通过控制点切换的方法，使用控制器控制，简单便捷，成本较低，以此来提高整机效率。
5、本发明还通过计算在低功率范围的累计时间选择温度反馈控制点。当计算处于该低功率的累计时间在正常范围内(3-5h不定，根据设计时间不同)，所述控制器以所述第一温度测量点T1作为温度反馈控制点，但是当计算处于该低功率的累计时间超出正常范围，所述控制器以所述第二温度测量点T2作为温度反馈控制点。
6、本发明控制装置和控制方法不受膜材料的影响，所以该测试方法不受电解类型的限制，适用于碱性、PEM、AEM等电解领域，应用范围较广。
附图说明
图1为本发明波动功率水电解制氢系统示意图。
图2为本发明波动功率水电解制氢系统温度控制方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明通过实施例作进一步说明，不仅限于本实施例。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件以及手册中所述的条件，或按照制造厂商所建议的条件所用的通用设备、材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
本实施例对波动功率水电解制氢系统和波动功率水电解制氢温度控制方法进行更详细的说明。
见图1，波动功率水电解制氢系统包括电解槽、氢气气液分离器、控制器、第一温度测量点T1、第二温度测量点T2、第一压力测量点P1和第二压力测量点P2；
经电解槽水电解后产生的氢气组分进入氢气气液分离器进行气液分离，分离后所得氢气经氢气出口管路排出并收集，所述氢气出口管路上具有出口阀门；
其中，所述第一温度测量点T1位于所述电解槽上游，所述第二温度测量点T2位于所述电解槽下游；
所述第一压力测量点P1位于所述电解槽和所述氢气气液分离器之间，所述第二压力测量点P2位于所述氢气气液分离器和所述出口阀门之间；
所述控制器的温度反馈控制点在所述第一温度测量点T1和所述第二温度测量点T2之间切换；
所述控制器的压力反馈控制点包括所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2。
所述控制器通过控制所述出口阀门的开合程度控制所述水电解制氢系统的压力。
所述氢气气液分离器分离后所得水重新回到电解槽内继续电解。
所述的波动功率水电解制氢系统的功率调节范围为满负荷的0-150％。
波动功率水电解制氢系统还包括氧气气液分离器；经电解槽水电解后产生的氧气组分进入氧气气液分离器进行气液分离，分离后所得氧气收集，分离后所得水重新回到电解槽内继续电解。
波动功率水电解制氢系统还包括冷水机组；所述冷水机组的冷却水为所述氢气气液分离器和氧气气液分离器降温。
波动功率水电解制氢系统还包括泵，需电解的水经所述泵输送至电解槽。
实际使用过程中，上述波动功率水电解制氢系统的整体控制思路是，当遇到功率波动时，先进行压力控制，待压力稳定后，再进行温度控制。
压力控制部分：
当波动功率水电解制氢系统压力为常压的时候不用考虑，当波动功率水电解制氢系统压力为高压(1-5Mpa)时考虑压力控制，初始运行时一般会首先进行憋压，关闭出口阀门，待第二压力测量点P2达到目标值，打开出口阀门，此时第一压力测量点P1压力较第二压力测量点P2高，此时氢气气液分离器有缓冲罐的功能。
上述过程完成后，波动功率水电解制氢系统运行过程中，压力控制为：所述控制器以所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2作为压力反馈控制点，通过计算所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2之间的大小和差值，确定控制所述出口阀门的开合程度来控制所述水电解制氢系统的压力；具体的，当所述第二压力测量点P2大于所述第一压力测量点P1，且所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2之间的差值大于0.1Mpa时，所述控制器控制所述出口阀门开度增大；当所述第二压力测量点P2小于所述第一压力测量点P1，且所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2之间的差值大于0.1Mpa时，所述控制器控制所述出口阀门开度减小；当所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2之间的差值小于等于0.1Mpa时，所述出口阀门开度不进行调节，且稳定1-3min。待压力稳定后，再进行温度控制。
温度控制部分：
所述控制器通过水电解制氢设备使用的功率大小以及功率的波动幅度在所述第一温度测量点T1和所述第二温度测量点T2之间切换温度反馈控制点。具体的，当水电解制氢设备在0-1MW功率范围使用，所述控制器以所述第一温度测量点T1作为温度反馈控制点；当水电解制氢设备在1-5MW功率范围使用，且功率波动幅度为小于50kW/s，所述控制器以所述第二温度测量点T2作为温度反馈控制点；当水电解制氢设备在1-5MW功率范围使用，且功率波动幅度为大于等于50kW/s，所述控制器以所述第一温度测量点T1作为温度反馈控制点。
此外，当水电解制氢设备在0-1MW功率范围使用，通过计算在该功率范围的累计时间选择温度反馈控制点；当计算处于该低功率的累计时间在正常范围内，所述控制器以所述第一温度测量点T1作为温度反馈控制点，但是当计算处于该低功率的累计时间超出正常范围，所述控制器以所述第二温度测量点T2作为温度反馈控制点。
水电解制氢设备稳定运行过程中，可根据上述方法选择温度反馈控制点。但是水电解制氢系统还存在开机到正常运行过程中、在关机过程中、在关机过程中临时开机几种特殊的情况，此时，对波动功率水电解制氢系统控制方法如下，见图2：
在开机到正常运行过程中，电解液升温需要0.5-1.5h左右，升温过程中温度波动较大，当堆后温度≤75℃，采用堆前温度为控制的点，延缓温度迟滞，当堆后温度＞75℃采用堆后温度为控制点，直至堆后温度稳定至90-95℃左右。
整机运行过程中按照上图中操作功率输入后，计算此功率是否是该装置的低负荷范围内，若不是则直接选用第二温度测量点T2作为温度反馈控制点，若是则计算处于该功率的时间，若时间超出正常范围，则选用第二温度测量点T2作为温度反馈控制点，若时间在正常范围内，则选用第一温度测量点T1作为温度反馈控制点。
在选用第二温度测量点T2作为温度反馈控制点的过程中，如果一定时间功率波动幅度达到50kw/s，则切换至第一温度测量点T1作为温度反馈控制点，若一定时间功率波动幅度未达到50kw/s，则依然选择第二温度测量点T2作为温度反馈控制点。
在关机过程中，需要时间更长，一般需要3-6h甚至更长，温度延迟较大，此时全程采用堆前温度为控制点。
若关机过程中临时开机，此时要判断堆后温度，若堆后温度低于65℃，临时开机采用堆前温度进行控制，当堆后温度升高至75℃切换为堆后温进行控制；若此时堆后温度高于65℃，直接选用堆后温进行控制。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种波动功率水电解制氢系统，其特征在于，其包括电解槽、氢气气液分离器、控制器、第一温度测量点T1、第二温度测量点T2、第一压力测量点P1和第二压力测量点P2；
经电解槽水电解后产生的氢气组分进入氢气气液分离器进行气液分离，分离后所得氢气经氢气出口管路排出并收集，所述氢气出口管路上具有出口阀门；
其中，所述第一温度测量点T1位于所述电解槽上游，所述第二温度测量点T2位于所述电解槽下游；
所述第一压力测量点P1位于所述电解槽和所述氢气气液分离器之间，所述第二压力测量点P2位于所述氢气气液分离器和所述出口阀门之间；
所述控制器的温度反馈控制点在所述第一温度测量点T1和所述第二温度测量点T2之间切换；
所述控制器的压力反馈控制点包括所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2。
2.根据权利要求1所述的波动功率水电解制氢系统，其特征在于，所述控制器通过控制所述出口阀门的开合程度控制所述水电解制氢系统的压力。
3.根据权利要求1所述的波动功率水电解制氢系统，其特征在于，所述氢气气液分离器分离后所得水重新回到电解槽内继续电解。
4.根据权利要求1所述的波动功率水电解制氢系统，其特征在于，其还包括氧气气液分离器；
经电解槽水电解后产生的氧气组分进入氧气气液分离器进行气液分离，分离后所得氧气收集，分离后所得水重新回到电解槽内继续电解。
5.根据权利要求4所述的波动功率水电解制氢系统，其特征在于，其还包括冷水机组；
所述冷水机组的冷却水为所述氢气气液分离器和氧气气液分离器降温。
6.根据权利要求1所述的波动功率水电解制氢系统，其特征在于，其还包括泵，需电解的水经所述泵输送至电解槽。
7.根据权利要求1所述的波动功率水电解制氢系统，其特征在于，所述的波动功率水电解制氢系统的功率调节范围为满负荷的0-150％。
8.一种权利要求1-7任一项所述的波动功率水电解制氢系统的控制方法，其特征在于，当遇到功率波动时，先进行压力控制，待压力稳定后，再进行温度控制；
所述压力控制为：所述控制器以所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2作为压力反馈控制点，通过计算所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2之间的大小和差值，确定控制所述出口阀门的开合程度来控制所述水电解制氢系统的压力；
所述温度控制为：所述控制器通过水电解制氢设备使用的功率大小以及功率的波动幅度在所述第一温度测量点T1和所述第二温度测量点T2之间切换温度反馈控制点。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，
所述压力控制为：当所述第二压力测量点P2大于所述第一压力测量点P1，且所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2之间的差值大于0.1Mpa时，所述控制器控制所述出口阀门开度增大；
当所述第二压力测量点P2小于所述第一压力测量点P1，且所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2之间的差值大于0.1Mpa时，所述控制器控制所述出口阀门开度减小；
当所述第一压力测量点P1和所述第二压力测量点P2之间的差值小于等于0.1Mpa时，所述出口阀门开度不进行调节，且稳定1-3min；
所述温度控制为：当水电解制氢设备在0-1MW功率范围使用，所述控制器以所述第一温度测量点T1作为温度反馈控制点；
当水电解制氢设备在1-5MW功率范围使用，且功率波动幅度为小于50kW/s，所述控制器以所述第二温度测量点T2作为温度反馈控制点；
当水电解制氢设备在1-5MW功率范围使用，且功率波动幅度为大于等于50kW/s，所述控制器以所述第一温度测量点T1作为温度反馈控制点。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，
当水电解制氢设备在0-1MW功率范围使用，通过计算在该功率范围的累计时间选择温度反馈控制点；
当计算处于该低功率的累计时间在正常范围内，所述控制器以所述第一温度测量点T1作为温度反馈控制点，但是当计算处于该低功率的累计时间超出正常范围，所述控制器以所述第二温度测量点T2作为温度反馈控制点。
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| CN117776346B (zh) * | 2024-02-28 | 2024-05-28 | 广州市纳爱生物科技有限公司 | 一种改善视觉疲劳的富氢水的制备方法 |
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