CN117472122B - Mw级碱性水电解系统运行控制优化方法 - Google Patents

Abstract

为解决现有技术的存在的问题，本发明提供了一种MW级碱性水电解系统运行控制优化方法，包括如下步骤：S1.实时采集MW级碱性水电解系统运行的输入参数和输出参数。S2.采用Matlab建立电解槽模型，分析得到电解槽总电位、可逆电压、活化过电位、欧姆过电位和质量传输过电位。S3.分析并确定MW级碱性水电解系统的动态行为，从而优化调整MW级碱性水电解系统中相应的控制参数，确保电解槽总电位维持最小值。本发明能够在面对功率波动等非稳态工况下，使得压力、温度可根据系统状态参数的变化而适时调节，从而避免出现系统崩溃带来的一系列问题，提高系统的稳定性、安全性，进而提升制氢系统对波动电力的适应性。

Description

MW级碱性水电解系统运行控制优化方法

技术领域

本发明涉及生产系统优化控制技术领域，尤其涉及MW级碱性水电解系统运行控制优化方法。

背景技术

随着可再生清洁能源高比例接入电网，其随机性、间歇性对电网稳定提出更高要求，发展电解水制氢技术可促进可再生能源消纳、拓展电能利用途径，还可有效提升电网调节能力。目前国内电解水制氢技术有碱性电解水制氢以及质子交换膜电解水制氢，其中，碱性电解制氢技术是目前最成熟，应用最广的制氢技术(约70％的能量效率)，是大型制氢储能项目的首选技术路线。主要工作在70～90℃，工作压力为1～3MPa，一般采用30％ KOH水溶液作为电解液，以石棉、PPS、陶瓷等多孔材料作为隔膜。电极材料方面，商业化的电解槽产品以镍网等非贵金属为主，辅以简单的电极表面粗糙化处理或合金化，提高比表面积与活性，一定程度上降低电极的电解能耗。亟需开展适于波动性输入的电解水制氢关键技术研究。

由于可再生能源具有间歇性、波动性和随机性的特点，导致碱性电解槽在由可再生能源驱动时会出现频繁启停的工况，由此会导致碱性电解水制氢系统中各部分组件温度、压力相差较大，从而导致系统稳定性较差，能耗增大甚至出现系统崩溃出现飞温、氢气泄漏导致爆炸等安全隐患。

发明内容

为解决现有技术的存在的问题，本发明提供了一种MW级碱性水电解系统运行控制优化方法，包括如下步骤：

S1.实时采集MW级碱性水电解系统运行的输入参数和输出参数；所述输入参数至少包括：基于可再生能源波动特性曲线模拟得到的电解槽输入功率变化曲线、冷却水循环泵功率值、碱液循环泵功率值、氢气气路控制阀开度、氧气气路控制阀开度；所述输出参数至少包括：电解槽温度、电解槽压力、气液分离器液位、氢气纯度、产氢量、法拉第效率；

S2.采用Matlab建立电解槽模型，分析得到电解槽总电位、可逆电压、活化过电位、欧姆过电位和质量传输过电位；

S3.根据步骤S1采集的MW级碱性水电解系统运行的输入数据和输出数据及步骤2得到的电解槽总电位、可逆电压、活化过电位、欧姆过电位和质量传输过电位数据，分析并确定MW级碱性水电解系统的动态行为，从而优化调整MW级碱性水电解系统中相应的控制参数，确保电解槽总电位维持最小值。

进一步的，步骤S2所述采用Matlab建立的电解槽模型包括：

步骤1计算初始可逆电压和最小电压；

步骤2估计活化过电位；

步骤3计算欧姆损耗和质量传输过电位；

步骤4由可逆电压、活化过电位、欧姆过电位和质量传输过电位之和得到电解槽总电位。

进一步的，步骤1所述计算初始可逆电压的方法为：

获取系统的电子转移量n，并基于式(一)计算得到初始可逆电压

式中，为标准状态下吉布斯自由能的值，F为法拉第常数。

进一步的，由于水电解是熵增过程，在可逆条件下，焓的变化可以采用式(二)计算得到，

ΔH＝ΔG+TΔS(二)

式中，ΔS为熵的变化值，T为热力学温度，ΔG为吉布斯自由能，ΔH为焓的变化；

由此步骤1所述计算最小电压的方法为采用式(三)计算得到，

式中，V_TN为热中性电压，即最小电压。

进一步的，步骤2所述估计活化过电位的方法为采用式(四)计算得到，

式中，j为电极的电流密度，j₀为交换电流密度，T为热力学温度，z为该电极反应中涉及的电子数目，F为法拉第常数，R为气体常数，α_c为正极方向电荷传递系数，无量纲；α_a为负极方向电荷传递系数，无量纲，η为活化过电位。

进一步的，步骤2所述估计活化过电位的方法为采用式(五)计算得到，

η＝η_c-η_a (五)

其中，η_c为正极活化过电位，η_a为负极活化过电位；

正极活化过电位通过式(六)计算得到，

式中，i_c为正极电流密度，i_0,c为正极交换电流密度；

负极活化过电位通过式(七)计算得到，

式中，i_a为负极电流密度，i_0,a为负极交换电流密度。

进一步的，步骤3中的欧姆损耗根据式(八)计算得到，

式中，δ为材料厚度，单位为mm；σ为材料电导率，R为电阻，I为电流。

进一步的，步骤3中的质量传输过电位根据式(九)计算得到，

式中，C为膜电极表面氧气或氢气的浓度，单位为mol/L；C₀为氧气或氢气的参考工作浓度，单位为mol/L，R为气体常数，单位为J/(kg·K)，T为温度，单位为K；n为电子转移数；F为法拉第常数。

进一步的，步骤S3所述分析并确定MW级碱性水电解系统的动态行为，从而优化调整MW级碱性水电解系统中相应的控制参数的方法包括：

(1)基于对输出参数中电解槽温度变化及气液分离器中碱液液位变化，自动调整冷却水循环泵和碱液循环泵的功率，以确保系统设备正常运行；

(2)基于对电解槽输出参数中气体压力变化，自动调整气路中阀门开度，从而控制电解槽内部的气体压力值在安全范围内；

(3)基于预设的产氢量和氢气纯度可接受变化范围，基于步骤S2的电解槽模型调整电解槽总电位。

进一步的，对于优化控制(1)，还包括：实时获取的电解槽温度，并形成基于时间的温度拟合曲线，根据温度拟合曲线预测之后的温度变化可能，并结合实时的气液分离器液位数据相应地调节冷水泵和循环泵的功率；

对于优化控制(2)，还包括：实时获取的电解槽压力，并形成基于时间的压力拟合曲线，根据压力拟合曲线预测之后的压力变化可能，并相应地调整气路中阀门开度。

本发明至少具有以下优点之一：

1.本发明能够在面对功率波动等非稳态工况下，使得压力、温度可根据系统状态参数的变化而适时调节，从而适应系统状态的实时变化，避免出现系统崩溃带来的一系列问题，提高系统的稳定性、安全性，进而提升制氢系统对波动电力的适应性。

2.本发明采用模型预测控制算法实现了对温度、压力等参数的预测性调控，增加了系统的稳定性和安全性。

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是本发明流程示意图；

图2是优化控制参数后电解水制氢系统的运行参数变化对照图。

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。

一种MW级碱性水电解系统运行控制优化方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1.实时采集MW级碱性水电解系统运行的输入参数和输出参数；所述输入参数至少包括：基于可再生能源波动特性曲线模拟得到的电解槽输入功率变化曲线、冷却水循环泵功率值、碱液循环泵功率值、氢气气路控制阀开度、氧气气路控制阀开度；所述输出参数至少包括：电解槽温度、电解槽压力、气液分离器液位、氢气纯度、产氢量、法拉第效率；

S2.采用Matlab建立电解槽模型，分析得到电解槽总电位、可逆电压、活化过电位、欧姆过电位和质量传输过电位；

步骤S2所述采用Matlab建立的电解槽模型包括：

步骤1计算初始可逆电压和最小电压；所述可逆电压为系统热力学平衡状态下的理论电压。

所述计算初始可逆电压的方法为：

获取系统的电子转移量n，并基于式(一)计算得到初始可逆电压

式中，为标准状态下吉布斯自由能的值，F为法拉第常数。

由于水电解是熵增过程，在可逆条件下，焓的变化可以采用式(二)计算得到，

ΔH＝ΔG+TΔS (二)

式中，ΔS为熵的变化值，T为热力学温度，ΔG为吉布斯自由能，ΔH为焓的变化；

由此，所述计算最小电压的方法为采用式(三)计算得到，

式中，V_TN为热中性电压，即最小电压。

步骤2估计活化过电位；所述活化过电位反映了反应中需要克服的额外能量。

所述估计活化过电位的方法为采用式(四)计算得到，

式中，j为电极的电流密度，j₀为交换电流密度，T为热力学温度，z为该电极反应中涉及的电子数目，F为法拉第常数，R为气体常数，α_c为正极方向电荷传递系数，无量纲；α_a为负极方向电荷传递系数，无量纲，η为活化过电位。

式(四)计算较为复杂，在式(四)的基础上活化过电位η可以采用式(五)计算得到，

η＝η_c-η_a (五)

其中，η_c为正极活化过电位，η_a为负极活化过电位；

正极活化过电位通过基于式(四)的简化式(六)计算得到，

式中，i_c为正极电流密度，i_0,c为正极交换电流密度；

负极活化过电位通过基于式(四)的简化式(七)计算得到，

式中，i_a为负极电流密度，i_0,a为负极交换电流密度。

步骤3计算欧姆损耗和质量传输过电位；所述欧姆损耗数值对避免可能存在的局部过热和提高系统运行的可靠性有着重要的意义；所述质量传输过电位代表了电子和离子的传输速率及反应速率。

欧姆损耗根据式(八)计算得到，

式中，δ为材料厚度，单位为mm；σ为材料电导率，R为电阻，I为电流。

质量传输过电位根据式(九)计算得到，

式中，C为膜电极表面氧气或氢气的浓度，单位为mol/L；C₀为氧气或氢气的参考工作浓度，单位为mol/L，R为气体常数，单位为J/(kg·K)，T为温度，单位为K；n为电子转移数；F为法拉第常数。

步骤4由可逆电压、活化过电位、欧姆过电位和质量传输过电位之和得到电解槽总电位。

S3.根据步骤S1采集的MW级碱性水电解系统运行的输入数据和输出数据及步骤2得到的电解槽总电位、可逆电压、活化过电位、欧姆过电位和质量传输过电位数据，分析并确定MW级碱性水电解系统的动态行为，从而优化调整MW级碱性水电解系统中相应的控制参数，确保电解槽总电位维持最小值，包括：

(1)基于对输出参数中电解槽温度变化及气液分离器中碱液液位变化，自动调整冷却水循环泵和碱液循环泵的功率，以确保系统设备正常运行；

同时，基于对电解槽输出侧产氢相关温度和液位变化的持续监测，分析温度变化的趋势，以预测未来的需求。根据这个预测，相应地调节冷水泵和循环泵的功率。这些调节的目的是确保电解槽的各种参数，如温度、液位等，都在安全范围内波动，以维护设备的正常运行并提高生产效率。

具体为：实时获取的电解槽温度，并形成基于时间的温度拟合曲线，根据温度拟合曲线预测之后的温度变化可能，并结合实时的气液分离器液位数据相应地调节冷水泵和循环泵的功率；

(2)基于对电解槽输出参数中气体压力变化，自动调整气路中阀门开度，从而控制电解槽内部的气体压力值在安全范围内；

在电解水制氢系统运行过程中，不断地重新评估和调整各个泵的功率，以应对可能出现的任何意外变化。基于对电解槽输出侧产氢相关压力变化的持续监测，分析压力变化的趋势，以预测可能的风险。根据这个预测，相应地控制电解槽的压力阀门。这种控制的目的是调整电解槽内部的气体压力，防止因低负载串气而产生的风险，确保系统安全稳定运行。

具体为：实时获取的电解槽压力，如：氢气侧压力，并形成基于时间的压力拟合曲线，根据压力拟合曲线预测之后的压力变化可能，并结合实时的气液分离器液位数据，例如氢气侧气液分离器液位数据，相应地调节冷水泵和循环泵的功率。

此外，需要在实时监测和调节过程中，参考预设的安全参数范围，以及过去的历史数据和实时数据，进行综合决策。

例如：在控制冷水及碱液循环泵的功率及氢氧气路阀门开度的过程中，根据电解槽输出参数中的压力变化和预设的安全参数，自动调整冷水及碱液循环泵的功率及氢氧气路阀门开度。比如：

当监测到电解槽的温度开始上升时，系统会自动增大冷却水循环泵功率，以维持系统温度相对稳定。同时，系统也会根据压力的变化速度来调整阀门的开度，以保持压力的稳定。

这种基于电解槽压力变化趋势进行冷水及碱液循环泵压力阀门控制的方式，不仅能有效地调控低负载串气风险，还能提高系统的稳定性和可靠性。

本发明采用模型预测控制算法实现了对温度、压力等参数的预测性调控，增加了系统的稳定性和安全性。

(3)基于预设的产氢量和氢气纯度可接受变化范围，基于步骤S2的电解槽模型调整电解槽总电位。

以活化过电位为例：根据步骤2中的计算公式，在保证产氢量及氢气纯度的前提下，通过增大输入参数中的冷却水循环泵的功率，降低系统温度，从而降低活化过电位，进而实现降低电解槽总电位的目的。

以质量传输过电位为例：根据步骤3中的计算公式，在保证产氢量及氢气纯度的前提下，通过增大输入参数中的碱液循环泵的功率，加快碱液流速使电极表面的气体能够迅速排出，以降低电极表面的气体浓度，从而降低质量传输过电位，进而实现降低电解槽总电位的目的。

如图2所示为优化控制参数后电解水制氢系统未出现飞温情况且压力反馈可以快速稳定反馈到设定安全值；优化后氢气在氧气中分压明显降低，大大增加了系统的安全性。

可见，本发明能够在面对功率波动等非稳态工况下，使得压力、温度可根据系统状态参数的变化而适时调节，从而适应系统状态的实时变化，避免出现系统崩溃带来的一系列问题，提高系统的稳定性、安全性，进而提升制氢系统对波动电力的适应性。

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.MW级碱性水电解系统运行控制优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.实时采集MW级碱性水电解系统运行的输入参数和输出参数；所述输入参数至少包括：基于可再生能源波动特性曲线模拟得到的电解槽输入功率变化曲线、冷却水循环泵功率值、碱液循环泵功率值、氢气气路控制阀开度、氧气气路控制阀开度；所述输出参数至少包括：电解槽温度、电解槽压力、气液分离器液位、氢气纯度、产氢量、法拉第效率；

S2.采用Matlab建立电解槽模型，分析得到电解槽总电位、可逆电压、活化过电位、欧姆过电位和质量传输过电位；

S3.根据步骤S1采集的MW级碱性水电解系统运行的输入数据和输出数据及步骤2得到的电解槽总电位、可逆电压、活化过电位、欧姆过电位和质量传输过电位数据，分析并确定MW级碱性水电解系统的动态行为，从而优化调整MW级碱性水电解系统中相应的控制参数，确保电解槽总电位维持最小值，具体包括：

(1)基于对输出参数中电解槽温度变化及气液分离器中碱液液位变化，自动调整冷却水循环泵和碱液循环泵的功率，以确保系统设备正常运行，并且还包括：实时获取的电解槽温度，并形成基于时间的温度拟合曲线，根据温度拟合曲线预测之后的温度变化可能，并结合实时的气液分离器液位数据相应地调节冷水泵和循环泵的功率；

(2)基于对电解槽输出参数中气体压力变化，自动调整气路中阀门开度，从而控制电解槽内部的气体压力值在安全范围内，并且还包括：实时获取的电解槽压力，并形成基于时间的压力拟合曲线，根据压力拟合曲线预测之后的压力变化可能，并相应地调整气路中阀门开度；

(3)基于预设的产氢量和氢气纯度可接受变化范围，基于步骤S2的电解槽模型调整电解槽总电位。

2.根据权利要求1所述MW级碱性水电解系统运行控制优化方法，其特征在于，步骤S2所述采用Matlab建立的电解槽模型包括：

步骤1计算初始可逆电压和最小电压；

步骤2估计活化过电位；

步骤3计算欧姆损耗和质量传输过电位；

步骤4由可逆电压、活化过电位、欧姆过电位和质量传输过电位之和得到电解槽总电位。

3.根据权利要求2所述MW级碱性水电解系统运行控制优化方法，其特征在于，步骤1所述计算初始可逆电压的方法包括：

获取系统的电子转移量n，并基于式(一)计算得到初始可逆电压

式中，为标准状态下吉布斯自由能的值，F为法拉第常数。

4.根据权利要求3所述MW级碱性水电解系统运行控制优化方法，其特征在于，由于水电解是熵增过程，在可逆条件下，焓的变化可以采用式(二)计算得到，

ΔH＝ΔG+TΔS (二)

式中，ΔS为熵的变化值，T为热力学温度，ΔG为吉布斯自由能，ΔH为焓的变化；

由此步骤1所述计算最小电压的方法为采用式(三)计算得到，

式中，V_TN为热中性电压，即最小电压。

5.根据权利要求2所述MW级碱性水电解系统运行控制优化方法，其特征在于，步骤2所述估计活化过电位的方法为采用式(四)计算得到，

式中，j为电极的电流密度，j₀为交换电流密度，T为热力学温度，z为该电极反应中涉及的电子数目，F为法拉第常数，R为气体常数，α_c为正极方向电荷传递系数，无量纲；α_a为负极方向电荷传递系数，无量纲，η为活化过电位。

6.根据权利要求5所述MW级碱性水电解系统运行控制优化方法，其特征在于，步骤2所述估计活化过电位的方法为采用式(五)计算得到，

η＝η_c-η_a (五)

其中，η_c为正极活化过电位，η_a为负极活化过电位；

正极活化过电位通过式(六)计算得到，

式中，i_c为正极电流密度，i_0,c为正极交换电流密度；

负极活化过电位通过式(七)计算得到，

式中，i_a为负极电流密度，i_0,a为负极交换电流密度。

7.根据权利要求2所述MW级碱性水电解系统运行控制优化方法，其特征在于，步骤3中的欧姆损耗根据式(八)计算得到，

式中，δ为材料厚度，单位为mm；σ为材料电导率，R为电阻，I为电流。

8.根据权利要求2所述MW级碱性水电解系统运行控制优化方法，其特征在于，步骤3中的质量传输过电位根据式(九)计算得到，

式中，C为膜电极表面氧气或氢气的浓度，单位为mol/L；C₀为氧气或氢气的参考工作浓度，单位为mol/L，R为气体常数，单位为J/(kg·K)，T为温度，单位为K；n为电子转移数；F为法拉第常数。